Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
I СОСТОЯНИЕ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК 11
ПО МОЩНЫМ ПОЛОГИМ 11 НАКЛОННЫМ ПЛАСТАМ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Анализ состояния подготовительных выработок по 11
мошным пологим и наклонным пластам на шахтах
центрального и восточного районов Кузбасса
Краткие сведения о разрабатываемых мошных пластах 11 и проводимых по ним выработках
Опасные деформации вмещающих горных пород и 13 угля и крени и основные причины потери устойчивости выработок _^
1.2. Анализ и обобщение опыта и научных исследований в І 8
области поддержания подготовительных выработок по
угольным пластам
Выводы 33
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ 36 УСЛОВИЙ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПО МОЩНЫМ ПОЛОГИМ М НАКЛОННЫМ ПЛАСТАМ ЦЕНТРАЛЬНОГО И ВОСТОЧНОГО РАЙОНОВ КУЗБАССА
2.8.
Исходные замечания 36
Методы и объекты исследований 36
Краткая характеристика мощных пологих и наклонных 37 пластов угля районов
Результаты изучения строения пород кровли и почвы 40 угольных пластов
Результаты исследования прочностных свойств 43 боковых пород угольных пластов
Результаты изучения гидравлических свойств 56 углевмещающих горных пород
Результаты наблюдений за обрушаемоетыо пород 60 кровли на границе массива угля с выработанным пространством
Результаты исследования устойчивости породных и 64 угольных обнажений в призабойиом пространстве проводимых выработок
*
Выводы 71
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЯВЛЕНИЙ 73
ГОРІ 10ГО ДАВЛЕНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПО
МОЩНЫМ ПОЛОГИМ И НАКЛОННЫМ ПЛАСТАМ
Методы исследований 73
Результаты наблюдений за проявлением горного 75 давления и устойчивостью выработок при оставлении пачки угля у кровли пласта
Результаті»! наблюдений за проявлением горного 91 давления и устойчивостью выработок при оставлении пачки угля у почвы пласта
Результаты наблюдений за проявлением горного 96 давления и устойчивостью выработок при оставлении пачки угля у кровли и почвы пласта
Результаты наблюдений за проявлением горного 98 давления и устойчивостью выработок, проводимых высотой на полную мощность пласта
Прогноз протяженности зоны опорного давления 105 впереди забоя лавы
Выводы 106
4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ 109
ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПО
МОЩНЫМ ПОЛОГИМ И НАКЛОННЫМ ПЛАСТАМ
И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ПАРАМЕТРОВ
Обоснование рационального расположения выработок !09 относительно кровли и почвы пласта
Выбор и обоснование оптимальной формы 114 поперечного сечения выработок
Выбор и обоснование эффективных конструкций 121 крепи выработок
Разработки по креплению боков выработок 125 деревянными анкерами Расчет параметров металлической анкерной крепи 128
ыработок
Расчет параметров деревянных анкеров для крепления 135
боков выработок
Рациональные способы возведения крепи в выработках 138
*
&
Выводы 142
5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 145
ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СПОСОБОВ И
СРЕДСТВ 1ЮВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ
ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПО
МОЩНЫМ ПОЛОГИМ И НАКЛОННЫМ ПЛАСТАМ
ЕНИЕ^Л ЛИТЕРАТУР
Методика определения эффективности применения 145 анкерной крепи в подготовительных выработках
Прогноз объема применения разработок и 146 рекомендаций по повышению устойчивости подготовительных выработок
Расчет экономической эффективности 150 Выводы 155 ЗАКЛЮЧЕННОМУ 157 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 161
Введение к работе
Актуальность работы. На шахтах Кузбасса около 20 % угля добывают из мощных пологих и наклонных ШПСТОВ, в том число примерно 14 % на шахтах центрального и восточного (Бруньковского) раііонов. С вводом в эксплуатацию шахт «Ульяновская», «Казанковская» и ИК «Соколовская» добыча угля из мощных пологих и наклонных пластов в этих районах возрастет до 15-16 млн.тв год.
Мощные пласты указанных районов, а также подавляющего большинства шахт Кузбасса, отрабатывают без разделения на слои с применением механизированных комплексов. Подготовительные выработки по пластам проводят с оставлением угольных пачек (толщ) у кровли или почвы, или одновременно у кровли и почвы пласта. Оставление в кровле и почве выработок угольных пачек приводит к существенному снижению устойчивости и безопасности эксплуатации, увеличению потерь угля, а также к осложнению работы механизированных комплексов на сопряжениях лавы с выемочными штреками. Оставляемые подкро-вельные и надпочвенные угольные лачки особенно ОСЛОЖНЯЮТ эксплуатацию выемочных штреков столбов. В зонах опорного давления, обусловленного очистными работами, подкровельные пачки довольно часто теряют связь с кровлей пласта н обрушаются па крепь, а надпочвенные пачки угля выдавливаются внутрь выработок. По этой причине нарушается устойчивость крепи и выработки приходится ремонтировать и перекреплять, хотя нагрузка на крепь зачастую меньше ее несущей способности.
Проведение выработок с оставлением у кровли угольной пачки частично или полностью (и зависимости от их мощности) исключает возможность или целесообразность крепления их сравнительно экономичной анкерной крепью. Кроме того, площадь сечения выемочных штреков, составляющая в подавляющем большинстве 10-13 м 2, сдерживает рост добычи угля а лавах но условиям проветривания и транспорта.
Выемочные штреки и другие выработки по мощным пологим и наклонным г ластам, проводимые высотой, равной мощности пласта, не обладают указанными недостатками выработок, сооружаемых с оставлением у кровли или почвы угольной толщи. Проведение выработок высотой, равной мощности пласта, приводит к увеличению их площади сечения до 30-32 м . В наибольшей мерс это касается выемочных штреков и мошажных камер, составляющих 90-92 % и общем объеме выработок, проводимых но мощным пологим и наклонным пластам.
Вопросы проявлений горного давления, крепления и устойчивое! Подготовительных выработок по МОЩНЫМ пологим и наклонным пластам, проводимым высотой, равной мощности пласта, изучены пока слабо. Что же касается вопросов устойчивости подготовительных выработок в условиях вновь осваемого восточного (Црунакоиского) района в Кузбассе, го они почти совсем не исследованы.
Исходя из изложенного, исследования, направленные на разработку способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам в условиях шахт центрального и восточного районов Кузбасса имеют важное научное и практическое значение.
Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ КузГТУ, ОАО УК «Ленинскуголь» и ОАО УК «Кузбассуголь» за 1993-2000 г.г., а именно «Разработка облегченных крепей для подготовительных выработок в условиях шахт Кузбасса» (1993-1995 г.г.), «Выбор и обоснование эффективных способов поддержания подготовительных выработок ОАО УК «Ленинскуголь» (1996-1997 г.г.), «Разработать рекомендации по уточнению параметров выемочных столбов для отработки пласта Толмачевского комплексом КМ-138 и но проведению и креплению выемочных штреков» (2000 г.).
Целью работы является повышение устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения па слои, па основе разработанных способов и средств их поддержания.
Идеи работы заключается в использовании закономерностей гео-механичесхих процессов, происходящих при многослойном проведении подготовительных выработок по мощным пластам с поэтапным возведением крепи, для разработки и обоснования способов и средств, обеспечивающих повышение их устойчивости.
Задачи исследовании:
обобщить и типизировать горно-геологические условия проведения подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои;
установить влияние горно-технологических факторов на геомеханические процессы, происходящие в углепородных массивах вокруг подготовительных выработок большого сечения и закономерности проявлений » них горного давления при отработке мощных угольных пла-тов па полную мощность;
-разработать способы и средства повышения устойчивости иодго-вительиых выработок при их многослойном проведении по мощным
пластам с поэтапным ію'шедсннем крони и обоснован» их рациональные параметры;
- разработать методику выбора и расчета основных параметров ме
таллической и деревянной анкерной крепи подготовительных вырабо
ток, проводимых высотой па полную мощность пласта в один или два
слоя в нисходящем порядке;
-обосновать область применения способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок увеличенной площади сечения по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои, вне и в зоне влияния очистных работ и оценить их экономическую эффективность.
Методы исследований:
- анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта прове
дения, крепления и поддержания подготовительных выработок по мощ
ным пологим и наклонным пластам;
-лабораторные и шахтные исследования строения, прочностных и гидравлических свойств угленмещающих горных пород, их устойчивости и обращаемости в подготовительных выработках;
-шахтные инструментально-визуальные наблюдения за геомехани-
чес-кими процессами в породных и угольных массивах вокруг подгото
вительных выработок увеличенной площади сечения и за проявлениями
в них горного давления под влиянием подготовительных и очистных
работ; 1
статистическая обработка результатов лабораторных испытаний и шахтных наблюдений для прогноза устойчивости подготовительных выработок.
технико-экономический анализ опытно-промышленных испытаний разработок по повышению устойчивости подготовительных выработок.
Научные положения, выносимые на защиту:
горно-геологические условия проведения подготовительных выработок увеличенной площади сечения с поэтапным креплением по мощным пологим и наклонным пластам, отрабатываемым без разделения на слои, характеризуются строением и прочностными свойствами вмещающих горных пород, устойчивостью и обрушаемОСТЬЮ ПОрОД кровли;
породы кровли по устойчивости представлены шестью, но обрушаемости на границе массива угля с выработанным просі ранетом -четырьмя типами, а по прочности на сжатие - пятью классами;
^
-основными факторами, определяющими закономерности геомеха-НИЧеСКИХ процессов в углепородных массивах и проявлений горного
давления в подготовительных выработках, проводимых по мощным пластам послойно с поэтапным возведением крепи, являются строение и прочность боковых пород, мощность пласта, оставляемые пачки угля в кровле и почве выработок, глубина расположения и способ охраны выработок от влияния очистных работ, форма поперечного сечения, размещение относительно боковых пород пласта;
выбор и эффективная реализация в практике ведения горных работ способов л средств повышения устойчивости подготовительных выработок, проводимых высотой на полную мощность послойно но пластам, отрабатываемым без разделения на слои, осуществляются на основе установленных закономерностей геомеханнческих процессов и проявлений горного давления в указанных специфических условиях;
расчет рациональных параметров металлической и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок, проводимых высотой на полную мощность пласта в один или два слоя в нисходящем порядке, осуществляется с учетом установленных за ко но v ери осте и их взаимодействия с вмещающими породами вне и в зоне влияния очистных ра-
Обоснонанность и достоверность научных положений подтверждается:
представительным объемом натурных наблюдений в течение шести лет за геомеханическими процессами в углепородных массивах вокруг подготовительных выработок и проявлениями в них горного давления лод влиянием подготовительных и очистных работ (шесть шахт центрального и три шахты восточного районов Кузбасса, 15 шах-топластов в интервале глубины горных работ от 100 до 400 м);
значительным объемом лабораторных исследований прочностных и гидравлических свойств боковых пород мощных пологих и наклонных угольных пластов районов (испытано свыше 560 образцов горных пород);
сходимостью результатов прогноза протяженности зоны опорного давления впереди забоя лавы с данными инструментальных наблюдений непосредственно в горных выработках;
положительным опытом внедрения рекомендаций по повышению устойчивости подготовительных выработок большого сечения.
лучная попита работы заключается в:
ля»
-установлении основных горно-геологических критериев, П0330-яющих производить типизацию пород кровли мощных угольных ила-
стов по степени устойчивости и обрушаемости их на границе массива с выработанным пространством для выбора и обоснования способов п средств повышения устойчивости подготовительных выработок;
- выявлении горно-технологических факторов, оказывающих влия
ние на гесмеханические процессы в породных и угольных массивах и
устойчивость поддерживаемых в них подготовительных выработок уве
личенного сечения при отработке мощных пологих и наклонных пла
стов без разделения на слои;-установлении закономерностей протекания геомеханических процессов во вмещающих углеиородных массивах и проявлений горного давления в подготовительных выработках в различные периоды их эксплуатации при бесслоевой отработке мощных пластов;
- научном обосновании параметров эффективных способов и
средств охраны и поддержания подготовительных выработок увеличен
ного сечения вне зоны и в зоне влияния очистных работ, проводимых
послойно с поэтапным креплением.Практическое значение работы заключается в:
- установлении горно-технологических факторов, определяющих
закономерности проявлений геомеханических процессов и горного давления в подготовительных выработках;
- разработке способов и средств, обеспечивающих повышение ус
тойчивости подготовительных выработок увеличенной площади сече
ния, проводимых послойно по мощным пластам, отрабатываемых без
разделения на слои и эффективности их поддержания;- разработке методики выбора и расчета параметров металлической
и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок, проводи
мых послойно на полную мощность пласта в нисходящем порядке;-обосновании области и объемов эффективного применения разработанных способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок.
Личный вклад автора состоит в:
- получении и обобщении данных о состоянии подготовительных
выработок по мощным пологим и наклонным пластам;- исследовании основных прочностных и гидравлических свойств
боковых пород мощных угольных пластов, отрабатываемых без разде
ления на слои, и типизации пород кровли пластов по устойчивости и
обрушасмости в подготовительных выработках;- установлении ВЛИЯНИЯ основных горио-гсологнчеекпх н
горнотехнических факторов на геомеханические процессы и проявления горного давления, происходящих при многослойном проведении подготовительных выработок по мощным пластам с
^
тельных выработок по мощным пластам с поэтапным возведением кре
пи; ^^ #"*-обобщении и етатистической обработке результатов шахтных инструментальных наблюдений за устойчивостью подготовительных выработок вне н в зоне влияния очистных работ;
разработке способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок большого сечения и обосновании области их эффективного применения;
разработке методики выбора и расчета параметров металлической и деревянной анкерной крепи подготовительных выработок увеличенной площади сечения.
Реализации работы. Результаты работы используются при решении вопросов проведения и крепления подготовительных выработок на шахтах «Полысасвская», им. 7 Ноября, им. Ярославского ОЛО УК «Кузбассуголь». Наиболее широко используются на шахтах районов рекомендации по креплению анкерной крепью выемочных штреков, монтажных камер и других выработок. В 1999-2000 їм*, ей закреплено на шахтах центрального и восточного районов Кузбасса 56 % общей протяженности пройденных подготовительных выработок по мощным пластам.
Научные результаты исследований используются в учебном процессе Кузбасского государственного технического университета.
Апробации работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались и одобрены на ПТС ОЛО УК «Кузбасс-уголь» (Кемерово, 1999, 2000 г.), научных конференциях КузГТУ (1998-2000 г.г.). Институте угля и утлехимии (Кемерово, 2000 г.), техническом совете Кузнецкого управления Госгортехнадзора РФ (Кемерово, 1997, 1999 г.г.), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2000 г.), технических советах АО «Шахта «Полысаевская»» (Леиннек-Кузпецкий. 1997-2000 г.г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.
Похожие диссертации на Разработка способов и средств повышения устойчивости подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам : На шахтах центрального и восточного районов Кузбасса
