Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и оценка влияния на полноту извлечения запасов угля технологии выборочной разработки свиты угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями 15
1.1. Анализ эффективности технологий и технических средств подземной разработки свиты угольных пластов в благоприятных природных и техногенных условиях 15
1.2. Анализ эффективности технологий и технических средств подземной разработки свиты угольных пластов в сложных природных и техногенных условиях 24
1.3. Анализ результатов научно-исследовательских работ по повышению полноты извлечения запасов угля свиты пластов в сложных природных и техногенных условиях 36
1.3.1. Анализ результатов исследований по вовлечению в эксплуатацию забалансовых и временно законсервированных запасов угля 37
1.3.2. Анализ результатов исследований по созданию универсального горношахтного оборудования для отработки участков угольных пластов в сложных условиях 41
1.4. Обоснование актуальности повышения полноты извлечения запасов угля свиты пластов в сложных природных и техногенных условиях 42
2. Исследование процессов взаимодействия с углепородным массивом технологии выборочной разработки свиты угольных пластов длинными комплексно механизированными забоями 44
2.1. Программа, методика и объект исследований 44
2.2. Исследование влияния технологии выборочной отработки одиночного пласта на полноту извлечения угля 49
2.3. Исследование влияния технологии выборочной отработки угольных пластов на формирование зон повышенного горного давления 52
2.4. Исследование влияния технологии выборочной отработки угольных пластов на характер сдвижения углепородного массива 54
2.4.1. Характеристика экспериментального участка 54
2.4.2. Исследование негативного и позитивного влияний технологии выборочной разработки свиты пластов на полноту извлечения угля в подрабатываемых и надрабаты-ваемых угольных пластах 57
2.4.2.1. Исследование влияния зоны опорного давления от очистных работ пласта 30 на подготовительные выработки нижележащего пласта 29а 57
2.4.2.2. Исследование влияния выборочной отработки участков пластов на характер сдвижения земной поверхности 60
2.4.2.3. Исследований деформаций подготовительных выработок при их подработке высокопроизводительным очистным забоем 62
2.4.2.4. Исследование метановыделения при подработке вентиляционного штрека 29-316 очистным забоем 26-34 64
2.5. Исследование и оценка негативного и позитивного влияний технологии выборочной разработки свиты пластов на полноту извлечения угля в отрабатываемом угольном пласте 66
2.5.1. Исследование влияния ширины угольных целиков на деформации подготовительных выработок выемочного поля пласта 30 66
2.5.2. Обоснование минимальной ширины угольных целиков между выемочными участками 69
2.6. Исследование влияния на полноту извлечения угля технологии выборочной разработки свиты наклонных тонких или средней мощности пластов, осложненных геологическими нарушениями 72
2.7. Рекомендации по пространственно-временному расположению выемочных участков с учетом взаимного влияния горных выработок свиты пластов 73
Выводы 76
3. Исследование способов подготовки углепородного массива для отработки склонных к газодинамиче ским явлениям участков пластов 78
3.1. Методика оценки эффективности традиционных способов и средств добычи и предупреждения газодинамических явлений в угольных шахтах 78
3.2. Разработка методики оценки горнотехнической и геомеханической ситуации на локальных участках шахтного поля на этапе проектирования горных работ 84
3.3. Исследование напряженно-деформированного состояния локальных участков угольного пласта на этапе проектирования горных работ 93
3.3.1. Исследование влияния формы локального участка 97
3.3.2. Исследование влияния формы, размеров и взаимного положения разгрузочных выработок на характер проявления горного давления 106
Выводы 119
4 . Разработка технологических способов повышения полноты извлечения угля свиты пластов на участках, неблагоприятных для высокопроизводительной отработки длинными комплексно-механизированными забоями 121
4.1. Классификация участков угольных пластов, непригодных для отработки длинными КМЗ 121
4.2. Обоснование технологических решений для разгрузки угольных целиков от горного и газового давления с целью последующей выемки альтернативными системами разработки 129
4.3. Разработка технологических способов эффективной отработки подработанных участков угольных пластов 135
4.4. Разработка технологических способов эффективной отработки надработанных участков угольных пластов 139
4.5. Разработка технологических способов эффективной отработки участков угольных пластов в зонах геологических нарушений 142
4.6. Разработка технологических способов эффективной отработки наклонных угольных пластов 143
Выводы 146
Заключение 148
Литература 152
- Анализ эффективности технологий и технических средств подземной разработки свиты угольных пластов в сложных природных и техногенных условиях
- Исследование влияния технологии выборочной отработки угольных пластов на формирование зон повышенного горного давления
- Исследование влияния выборочной отработки участков пластов на характер сдвижения земной поверхности
- Исследование влияния ширины угольных целиков на деформации подготовительных выработок выемочного поля пласта 30
Введение к работе
Актуальность работы. На действующих рентабельных шахтах широко применяется выборочная отработка свит угольных пластов высокопроизводительными длинными комплексно-механизированными забоями (КМЗ). Это приводит к временной консервации или списанию в забалансовые значительных объёмов запасов угля в недрах (на некоторых шахтах Кузбасса до 50% от общих балансовых запасов) в широких угольных целиках и на участках, неблагоприятных для отработки длинными КМЗ. Возможность эффективной и безопасной отработки этих запасов угля связана с отсутствием так называемых периферийных технологий, адаптивных к участкам пластов неправильной геометрической формы ограниченных размеров, а также находящихся в зонах повышенного горного давления или геологических нарушений. Среди периферийных технологий наиболее распространены камерные или камерно-столбовые системы разработки, однако область их применения ограничена на шахтах России глубиной разработки 150-200м, ниже которой залегают пласты с углями, склонными к горным ударам и газодинамическим явлениям.
Результаты научных исследований по созданию периферийных технологий угледобычи пока не привели к созданию эффективных способов и средств отработки неблагоприятных для длинных КМЗ участков одиночных и свит пластов, в том числе склонных к газодинамическим явлениям. Разработка этих способов и средств позволит увеличить полноту извлечения запасов угля в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, сократить удельные капитальные затраты на строительство шахт. Предлагаются, как правило, известные технологические решения, направленные на совершенствование традиционных систем разработки длинными столбами с полным обрушением пород кровли, в том числе короткими лавами, или различные варианты камерных и камерно-столбовых систем разработки, применяемых на зарубежных шахтах и не адаптированных к горно-геологическим условиям шахт России. Не разработаны эффективные способы и средства подготовки углепородного массива при отработке неблагоприятных для длинных КМЗ участков свиты угольных пластов, в том числе для снижения удароопасности угольных пластов. Как показывает опыт применения рекомендуемых по результатам исследований вариантов периферийных технологий на шахтах Кузбасса, их эффективность существенно ниже эффективности длинных КМЗ.
В этой связи актуальными являются исследования, направленные на разработку технологических решений повышения полноты извлечения угля при отработке свиты сближенных газоносных и склонных к горным ударам и газодинамическим явлениям пластов посредством создания и обоснования параметров эффективной технологии подземной угледобычи, включающей
разгрузку неблагоприятных для отработки длинными КМЗ участков угольных пластов, в том числе для профилактики горных ударов и внезапных выбросов угля и газа, с последующей отработкой этих участков по традиционным технологиям.
Работа выполнена по программам научно-технических работ и внедрения новой техники на шахтах ООО «Холдинг «Сибуглемет», плановых научно-исследовательских работ КузНИУИ, НЦ ВостНИИ и СибГИУ.
Целью работы является разработка технологических решений повышения полноты извлечения угля при отработке свиты сближенных склонных к горным ударам и газодинамическим явлениям пластов посредством создания и обоснования параметров технологии разгрузки локальных участков угольного пласта с последующей отработкой их по традиционным технологиям.
Идея работы заключается в пространственно-временной планировке выемочных полей свиты пластов на блоки, целенаправленном поэтапном изменении свойств и состояния угольного массива в блоках, разгрузки угольного массива камерами, форма и размеры которых определяются по разработанной методике, с последующей отработкой блоков по традиционным технологиям.
Основные задачи исследований:
оценить влияние на полноту извлечения запасов угля технологии выборочной подземной разработки свиты сближенных угольных пластов длинными очистными комплексно-механизированными забоями с охраной подготовительных выработок широкими угольными целиками;
изучить процессы взаимодействия с углепородным массивом технологии выборочной разработки свиты угольных пластов длинными очистными комплексно-механизированными забоями с охраной подготовительных выработок широкими угольными целиками;
обосновать последовательность и параметры предварительной разгрузки камерами угольного массива и технологию отработки разгруженных от повышенного горного давления угольных пластов в блоках;
разработать технологические требования для создания технических средств проведения разгрузочных камер;
обосновать область рационального применения технологических решений повышения полноты извлечения угля свиты пластов, залегающих в сложных природных и техногенных условиях шахт.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий: анализ показателей работы угледобывающих предприятий Кузбасса для оценки горнотехнической и геомеханической ситуации на локальных участках шахтного поля; математическое моделирование и шахтные исследования для обоснования параметров технологических способов повышения полноты извлечения угля свиты пластов; научное
обобщение производственного опыта и результатов исследований для обоснования выводов и рекомендаций.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
расширение области применения технологии выборочной разработки свиты угольных пластов длинными очистными комплексно-механизированными забоями на шахтах с охраной подготовительных выработок широкими ленточными угольными целиками приводит к таким негативным явлениям, как: снижение полноты извлечения угля, рост вероятности возникновения газодинамических явлений, повышение уровня травматизма при последующей отработке свиты сближенных угольных пластов в зонах повышенного горного давления;
безопасность и эффективность технологии выборочной отработки свиты угольных пластов повышаются при расположении продольной оси выемочного столба надработанного или подработанного пластов под или над ленточным угольным целиком защитного пласта, отработанного по технологической схеме с охраной подготовительных выработок угольными целиками, ширина которых регламентируется требованиями по безопасной отработке удароопасных пластов;
повышение полноты извлечения угля свиты сближенных угольных пластов обеспечивается посредством разделения во времени и пространстве по условиям безопасности участков пластов на блоки, разгрузки их камерами и отработки по традиционным технологиям в последовательности, исключающей возникновение зон повышенного горного давления;
отношение длинной стороны прямоугольного поперечного сечения разгрузочной камеры к короткой 2-3 и ориентировка длинной оси этого сечения параллельно оси минимального главного напряжения в углепородном массиве обеспечивают переход угля в междукамерных целиках в запредельное состояние при минимальных объёмах проведения камер;
агрегат для проведения из подготовительных выработок разгрузочных камер прямоугольного поперечного сечения должен включать: исполнительный орган шнекового типа с механизмом вертикального перемещения по забою, составные шнековые секционные блоки для транспорта угля, приводную станцию и средства дистанционного управления из подготовительной выработки.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается и подтверждается:
достаточным объемом шахтных экспериментов и численным моделированием вариантов подготовки и отработки выемочных столбов для повышения полноты извлечения угля свиты пластов на участках, неблагоприятных для отработки длинными очистными забоями (в процессе экспериментов добыто более 12 млн.т угля);
положительным опытом внедрения разработанных технологических способов повышения полноты извлечения угля на трёх шахтах Кузбасса («Полосухинская», «Антоновская» и «Большевик»);
удовлетворительной сходимостью расчётной и фактической минимальной ширины податливых угольных целиков между соседними разгрузочными выработками и выемочными участками (расхождение не превышает 15%).
Научная новизна результатов исследований заключается:
в обосновании и положительной реализации на практике рациональной схемы расположения поддерживаемых выработок отрабатываемого пласта в зоне разгрузки надработанных или подработанных участков свиты пластов и компенсацией повышенного горного давления от угольных целиков на сближенных пластах секциями механизированной крепи очистного забоя;
в разработке технологических способов повышения полноты извлечения угля в свите пластов, отличающихся разделением во времени и пространстве по условиям безопасности участков свиты пластов на блоки, разгрузкой угольного массива в блоках камерами и отработкой разгруженных блоков по традиционным технологиям в последовательности, исключающей возникновение зон повышенного горного давления;
в обосновании оптимального отношения длинной стороны прямоугольного поперечного сечения разгрузочной камеры к короткой 2-3 и ориентировки длинной оси этого сечения параллельно оси минимального главного напряжения в углепородном массиве, что обеспечивает частичную разгрузку угольного массива и исключает горные удары в междукамерных целиках;
в установлении степенной зависимости максимальной ширина разрушаемого угольного целика между разгрузочными камерами от глубины разработки и предела прочности угля на сжатие и растяжение;
в разработке технологических требований к конструкции агрегата для проведения из подготовительных выработок разгрузочных камер: вертикальное перемещение по забою исполнительного органа шнекового типа, обеспечение прямолинейности камеры длиной до 100м с помощью составных шне-ковых секционных блоков для транспорта угля, дистанционное управление технологическими процессами из подготовительной выработки.
Личный вклад автора выражается в:
проведении опытно-промышленных испытаний, установлении достоинств и недостатков, оценке влияния на полноту извлечения запасов угля технологии выборочной подземной разработки свиты угольных пластов длинными очистными комплексно-механизированными забоями с охраной подготовительных выработок широкими угольными целиками;
обосновании и реализации на практике схемы расположения поддерживаемых подготовительных выработок отрабатываемого пласта в зоне раз-
грузки защитных пластов, усиленных секций механизированной крепи в середине лавы в зоне повышенного горного давления;
обосновании схемы пространственной планировки выемочных полей и участков на блоки, разгрузки участков пласта в блоках камерами и последующей отработки запасов угля в блоках по традиционным технологиям;
установлении зависимости максимальной ширины податливых междукамерных угольных целиков от основных горно-геологических, геомеханических и горнотехнических факторов;
эскизном конструировании агрегата для проведения разгрузочных камер;
обосновании для условий Антоновско-Есаульского угольного месторождения Кузбасса области рационального применения технологических решений повышения полноты извлечения угля свиты пластов, залегающих в сложных природных и техногенных условиях шахт.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют: повысить полноту извлечения запасов угля за счёт рациональной интеграции выборочной подземной разработки свиты сближенных угольных пластов длинными очистными комплексно-механизированными забоями и периферийных технологий угледобычи на участках шахтного поля, неблагоприятных для отработки длинными комплексно-механизированными забоями; применять для отработки склонных к горным ударам участков пластов технологическую схему разгрузки пластов камерами; определять рациональные параметры податливых разрушаемых угольных целиков между разгрузочными камерами; устанавливать последовательность предварительной разгрузки камерами угольного массива и параметры технологии отработки разгруженных от повышенного горного давления угольных пластов в блоках, разведённых во времени и пространстве; разрабатывать конструкторскую документацию на основе обоснованных технологических требований для создания технических средств проведения разгрузочных камер; обосновывать область рационального применения технологических решений повышения полноты извлечения угля свиты пластов, залегающих в сложных природных и техногенных условиях шахт.
Реализация практических выводов и результатов работы. Полученные научные результаты, выводы и практические рекомендации использованы при:
обосновании технологических решений и отработке участков свиты пластов в пределах полей шахт «Полосухинская», «Антоновская» и «Большевик» в Кузбассе (добыто более 12 млн.т угля);
разработке документации для отработки нетехнологичных для длинных комплексно-механизированных забоев участков шахтных полей действующих трех шахт Кузбасса с дополнительной добычей на этих шахтах более 300 тыс.т угля (рекомендации включены в проект «Корректировки горной части проекта строительства шахты «Полосухинская»);
курсовом и дипломном проектировании студентами Сибирского государственного индустриального университета.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались на X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004» (Кемерово, 2004г.), Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 2004-2005гг.), Международных научно-практических конференциях «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2004-2006гг.), технических советах шахтоуправления «Антоновское» (1996-2003гг.), технических советах шахт «Полосухинская», «Антоновская», «Большевик» (1998-2005гг.), кафедре разработки месторождений полезных ископаемых СибГИУ (1998-2006гг.).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, изложенных на 163 страницах машинописного текста, включает 11 таблиц, 42 рисунка и список литературы из 97 наименований.
Анализ эффективности технологий и технических средств подземной разработки свиты угольных пластов в сложных природных и техногенных условиях
В настоящей работе, кроме существующих в горной литературе понятий природных горно-геологических и горнотехнических условий и параметров, вводится понятие техногенных условий и параметров. Изменение природных условий и параметров под влиянием техногенного воздействия на углепородный массив (подработка и надработка пластов, дегазация и увлажнение пластов, разрушение вмещающих пород и пр.) приводит к изменению природных свойств и параметров угля и пород. Новые свойства и параметры в настоящей работе предлагается назвать техногенными. Для обоснования и синтеза новых технологических и технических решений с целью создания эффективной технологии и технических средств, адаптивных к широкому диапазону природных и техногенных горно-геологических и горнотехнических условий, предлагается синтезировать прогрессивные технологически совместимые элементы нетрадиционных и применяемых на практике традиционных технологий (коротких лав, предварительной отработки защитных пластов, бесцеликовой подготовки и выемки угольных пластов, предварительной дегазации и др.). Для этого необходимо провести анализ традиционных и нетрадиционных технологий угледобычи с выделением их элементов, адаптивных к сложным природным и техногенным условиям угольных месторождений.
Одним из направлений повышения полноты извлечения угля является применение комбинированной технологии угледобычи. В настоящее время известно несколько способов и технических средств комбинированной разработки угольных пластов посредством интеграции элементов: открытого и подземного способов добычи, гидравлического и традиционного способов, длинных и коротких очистных забоев, скважинной и буровзрывной технологий и др. /15, 48, 71/.
В технической литературе описан опыт успешного применения открыто-подземного способа отработки приконтурных запасов угля пласта «Полысаевский II» на горном отводе ОАО «Разрез Моховский» компании «Кузбассразрезуголь» /15/. Вскрытие угольного пласта проведено наклонными стволами из открытых горных выработок, очистной КМЗ оборудован механизированным комплексом 2ОКП-70. Списочная численность работников опытного участка составила 230 человек, месячная нагрузка достигла 54тыс.т. Эффективность открыто-подземного способа угледобычи подтверждается себестоимостью угля, которая оказалась ниже на 25% по сравнению с себестоимостью угля на разрезе. Полученный положительный опыт позволяет расширить область применения длинных КМЗ с традиционным оборудованием. Факторами, сдерживающими область применения открыто-подземного способа, является отсутствие нормативной базы и типовых технологических схем, необходимых для проектирования и эксплуатации угледобывающих предприятий нового типа.
Вовлечение в эксплуатацию запасов, законсервированных в целиках и зонах геологических нарушений, позволяет продлить срок службы шахты при поддержании производственной мощности на достигнутом уровне и тем самым отдаляет сроки вложения капитальных средств на строительство очередного горизонта или нового предприятия.
Принятие решения о целесообразности расконсервации запасов в целиках и выбор технологии отработки целиков основываются на сопоставлении извлекаемой ценности запасов с суммарными затратами на их выемку и реализацию мер охраны /81/.
Повышению полноты и эффективности освоения угольных месторождений способствует применение в соответствующих условиях комплекса принципиально различных технологий извлечения запасов угля из недр, которые, по мнению Е.КРогова /70/, в последние 100 лет не претерпели каких-либо изменений. Е.И.Рогов утверждает, что будущее за скважинны-ми технологиями, в том числе скважинной гидродобычей. В практике известны случаи сочетания на одном предприятии подземной механизированной добычи с гидравлической или открытой добычей на отдельных участках в соответствующих для этих технологий горно-геологических условиях /80/.
Исследование влияния технологии выборочной отработки угольных пластов на формирование зон повышенного горного давления
Выборочная отработка угольных пластов характеризуется большой скоростью подвигания очистного КМЗ (до 300м/мес), охраной подготовительных выработок широкими угольными целиками (30-70м), большой длиной КМЗ (более 200м). Эти факторы приводят к следующим негативным геомеханическим явлениям: формированию зон повышенного циклически изменяющегося горного давления в угольном массиве неравномерному распределению горного давления в угольном массиве по периметру выработанного пространства и в пределах зоны опорного горного давления пласта; формированию зон повышенного горного давления на сближенных пластах под и над угольными целиками отрабатываемого пласта.
Периодичность зависания и обрушения подработанных пород кровли пологих пластов, отрабатываемых длинными очистными забоями, установлена в фундаментальных работах Г.Н.Кузнецова, С.И.Калинина, С.Т.Кузнецова, Ю.А.Коровкина, А.А.Орлова, И.Л.Черняка /8, 39, 44, 45, 88, 93/ и др. В работах этих авторов выявлена периодичность обрушения подработанных пород кровли посредством последовательного обрушения и прогиба породных слоев в виде зависания консолей. Закономерности формирования консолей и обрушения подработанных пород кровли этими авторами установлены при отработке выемочных столбов КМЗ длиной 80-120м со скоростью подвигания забоя 60-80м/мес. Полученные по результатам экспериментальных исследований выводы и рекомендации включены в нормативные документы и методические руководства. Следует отметить, что выводы и рекомендации получены для средней части длинного очистного забоя, т.е. рассматривается, как правило, двумерная задача геомеханики.
С увеличением скорости подвигания и длины очистного КМЗ резко возросли объемы выработанного пространства, интенсивность сдвижений и деформаций пород. При интенсивной выборочной отработке угольных пластов параметры очистного КМЗ, установленные по действующим методикам и руководствам, оказались неадекватными реальным. В этой связи возникла необходимость выявления новых закономерностей геомеханических процессов.
С этой целью в условиях шахты «Полосухинская» автором проведены комплексные шахтные исследования характера проявления горного давления при движении очистного КМЗ со скоростью от 100 до 300м в ме 54 сяц в условиях взаимного влияния горных выработок сближенных угольных пластов. 2.4. Исследование влияния технологии выборочной отработки угольных пластов на характер сдвижения углепородного массива 2.4.1. Характеристика экспериментального участка Программа исследований предусматривала проведение шахтных инструментальных измерений и наблюдений геомеханических процессов, протекающих в горных выработках при подработке-надработке свиты угольных пластов. Для проведения исследований была выбрана свита пластов 30, 29а и 26а Антоновско-Есаульской брахисинклинальной складки Кузбасса, залегающая в пределах горного отвода поля шахт «Полосухинская», «Антоновская» и «Есаульская». Свита характеризуется переменными углами падения пластов (от 3 до 35) и осложнена значительным количеством тектонических нарушений (рисунок 2.3).
Среднее расстояние между пластами 30 и 29а составляет 60м, между пластами 29а и 26а - 130м. Максимальная глубина разработки достигает 360м. Пласт 30 имеет среднюю мощность 2,4м. Пласт состоит из двух угольных пачек, разделенных между собой в средней части пласта породним прослойком мощностью до 0,05м. Коэффициент крепости угля 0,8-1,0.
Разработка пласта 30 осложняется ложной кровлей мощностью 0,4-1,7м, представленной неустойчивым алевролитом с пределом прочности при сжатии 15-20МПа. В непосредственной кровле пласта залегает неустойчивый алевролит мощностью 3,1-3,9м с пределом прочности при ежа Рисунок 2.3 - Свита пластов северного крыла Антоновско-Есаульскои брахисинклинальнои складки в пределах горного отвода поля шахты
«Полосухинская» тии 36-46МШ. Основная труднообрушаемая кровля пласта состоит из чередующихся слоев алевролита и песчаника суммарной мощностью 18-ЗОм с пределом прочности при сжатии 70-80МПа. Почва пласта не склонна к пучению и представлена алевролитом мощностью 1,0-2,0м с пределом прочности при сжатии 53МПа.
Мощность пласта 29а варьируется в пределах 2,8-3,5м. Коэффициент крепости угля 0,8-1,0. Непосредственная кровля пласта состоит из слоя аргиллита мощностью 9,5-13,0м с пределом прочности при сжатии 35-40МПа. Основная кровля пласта представлена слоем алевролита мощностью 15-20м с пределом прочности при сжатии 66-69МПа. В почве пласта 29а залегает алевролит с пределом прочности при сжатии 56МПа.
Пласт 26а имеет среднюю мощность 2,1м. Коэффициент крепости угля 0,8. Ложная кровля пласта мощностью 0,2-0,Зм состоит из алевролита с пределом прочности при сжатии 15МПа. В непосредственной кровле пласта залегает слой алевролита мощностью 1,0-4,7м с пределом прочности при сжатии 43-59МПа. Основная кровля пласта состоит из чередующихся слоев песчаника и алевролита мощностью 20-3Ом с пределом прочности при сжатии 75-ЮОМПа. Почва пласта 26а представлена слоем алевролита мощностью 2,0-4,6м с пределом прочности при сжатии 59МПа.
Исследование влияния выборочной отработки участков пластов на характер сдвижения земной поверхности
Для оценки влияния технологии выборочной отработки участков пластов и скорости подвигания КМЗ проведены натурные измерения деформаций земной поверхности при помощи реперных станций. Глубина ведения горных работ в районе расположения выемочного участка 26-32 пласта 26а составляла 310м. Схема расположения реперных станций, заложенных на поверхности в контуре выемочного участка 26-32, приведена на рисунке 2.5. Длина лавы 26-32 составляла 180м. Очистной забой был оборудован механизированной крепью ЗМ-138. Выемка угля производилась комбайном К500. Темпы подвигания линии очистного забоя в районе подработки поверхностных реперных станций составляли 160-170м/мес. Проведены 3 серии инструментальных измерений при отходе очистного забоя 26-32 на расстояния 30, 60 и 100м от реперной станции №1. На - Рного отвода Ходовой бремсберг 26-32 Вент, штрек 26-34 о 1,... ,6 - реперные станции Рисунок 2.5 - Схема расположения поверхностных реперных станций в контуре подрабатывающего выемочного участка 26-32 Расстояние реперных станций от монтажной камеры 26-32 по вертикали, м Рисунок 2.6 - Динамика оседаний земной поверхности, подработанной горными работами пласта 26а шахты «Полосухинская» (спустя 7 дней, 1 и 3 месяца после подработки) графиках рисунка 2.6 приведены результаты инструментальных измерений смещений земной поверхности, подработанной очистным забоем 26-32. Максимальная величина деформаций составила 1300мм. Исследований деформаций подготовительных выработок при их подработке высокопроизводительным очистным забоем
При отработке выемочного столба 26-34 длиной по падению 180м в зону сдвижения попадали расположенные выше выработки пластов 29а и 30. Глубина горных работ от поверхности составляла 310м. Средние мощности пластов 26а, 29а и 30 составляли соответственно 2,0, 3,0 и 2,0м. Наибольшим деформациям подвергались подготовительные выработки пласта 29а.
При подвиганий лавы в выемочном участке 26-34 пласта 26а в зону сдвижения попадал групповой штрек 29-32 (рисунок 2.7). Групповой штрек располагался соосно направлению движения очистного забоя 26-34 и был закреплен металлической арочной податливой крепью А13-22. Место расположения выработки находилось на линии, образованной при построении угла разрывов от подработки пласта 29а лавой 26-34 по методике согласно «Правилам охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» /66/.
Скорость движения очистного забоя 26-34 при подработке подготовительных выработок пласта 29а составляла 150-240м/мес. Результаты наблюдения за состоянием группового штрека показали следующее. На участке протяженностью 50м в кровле выработки со стороны конвейерного штрека 26-34 образовалась продольная трещина с ам Рисунок 2.7 - Выкопировка из плана горных работ пласта 29а, подрабатываемого выемочным участком 26-34 шахты «Полосухинская»
Рисунок 2.8 - Схема деформаций группового штрека 29-32, подработанного выемочным участком 26-34 плитудой смещения пород по плоскости трещины до 5мм. На отдельных участках выработки трещина привела к образованию куполов в породах кровли высотой до 2,5м (рисунок 2.8), что потребовало проведения дополнительных мероприятий по усилению крепи группового штрека. Таким образом, подтвердилось правильность расчетов, проведенных по определению параметров зоны сдвижения согласно /66/.
В зону подработки пласта 29а лавой 26-34 также попадал участок вентиляционного штрека 29-316 протяженностью 250м. Вентиляционный штрек 29-316 располагался диагонально под углом 45 к направлению движения подрабатывающего очистного забоя 26-34 (рисунок 2.7).
Измерения деформаций проводились при помощи реперных станций, установленных в кровле и почве вентиляционного штрека 29-316. Максимальные оседания вентиляционного штрека, измеренные спустя 30 суток после подработки штрека комплексно-механизированным забоем 26-34 (на расстоянии 250м от горизонтальной проекции линии очистного забоя до подработанного участка вентиляционного штрека 29-316), составили для кровли штрека 1229мм, для почвы штрека 1275мм. Результаты инструментальных измерений смещений кровли и почвы вентиляционного штрека 29-316 приведены на графиках рисунка 2.9.
Исследование влияния ширины угольных целиков на деформации подготовительных выработок выемочного поля пласта 30
Исследование деформаций подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ разрабатываемого пласта проводилось в вентиляционном штреке 30-321 пласта 30 шахты «Полосухинская». Технология разработки пласта 30 предусматривала последовательную отработку выемочных участков в нисходящем порядке с оставлением неизвлекаемых целиков угля между выработанным пространством и соседним выемочным участком. Длина выемочного столба 30-319 составляла 195м по падению и 900м по простиранию пласта 30. Ширина целика между конвейерным штреком 30-319 и вентиляционным штреком 30-321 была рекомендована по результатам исследований 25м. Выкопировка из плана горных работ
пласта ЗО на участке расположения выемочных столбов 30-319 и 30-321 приведена на рисунке 2.11. Глубина ведения горных работ составляла 380м. Инструментальные измерения деформаций вентиляционного штрека 30-321 проводились спустя 10 месяцев после отработки выемочного участка 30-319. Зона интенсивного пучения почвы (более 300мм) наблюдалась на участке вентиляционного штрека 30-321 протяженностью 290м. Ось максимальных смещений пород почвы располагалась параллельно оси выработки на расстоянии 800-1200мм от бока выработки со стороны, противоположной выработанному пространству. Максимум деформаций пород кровли и почвы зафиксирован на участке протяженностью 150м. Амплитуда смещений пород почвы составила 700-900мм, пород кровли - 300-500мм (рисунок 2.11). Деформации кровли и почвы сопровождались отжимом угля со стороны бока выработки, противоположного выработанному пространству, глубиной до 2000мм. Площадь поперечного сечения вентиляционного штрека на участке максимальных смещений уменьшилась с 9,0 до 3,2м2.
В середине зоны максимальных деформаций вентиляционного штрека на участке протяженностью 70м были сорваны гайки анкерной крепи А20В. Таким образом, принятая ширина охранного целика 25м оказалась недостаточной для предотвращения вредного влияния повышенного горного давления в краевой части пласта 30, возникшего после отработки выемочного участка 30-319. Поэтому, были проведены специальные исследования с целью обоснования минимальной ширины устойчивых угольных целиков между выемочными участками при отработке нижележащих выемочных столбов.
Выкопировка (а) из плана горных работ выемочного участка 30-319 и схема (б) деформаций вентиляционного штрека 30-321 2.5.2. Обоснование минимальной ширины угольных целиков между выемочными участками
Способ охраны подготовительных выработок в пределах выемочных полей с помощью ленточных угольных целиков шириной (0,5-0,8)/, где / -ширина зоны опорного горного давления между выемочными столбами, на современных отечественных и зарубежных шахтах является основным /49,63/. Это приводит к нерациональному недропользованию, формированию зон повышенного горного давления на сближенных пластах, возникновению геодинамических явлений в опасных зонах, снижению срока службы шахты.
Для реализации варианта охраны подготовительных выработок угольными целиками в условиях шахты «Полосухинская» была разработана методика расчета минимальной ширины устойчивых угольных целиков. В основу методики заложен алгоритм расчета напряжений в целиках и краевых частях пласта, разработанный ВНИМИ под руководством И.М.Петухова/65,68/.
Алгоритм Методических указаний /68/ в целом позволяет получить удовлетворительные результаты при наличии достоверных исходных данных о физико-механических свойствах угля, пород и структуре углепородного массива. Однако в реальных условиях получить эти данные не всегда представляется возможным. Кроме того, нельзя согласиться с авторами Методических указаний /68/ об универсальности использованного алгоритма прогноза напряженно-деформированного состояния углепородного массива, так как в нем не учитывается обрушение пород кровли, структура углепородного массива в кровле и почве пласта, надработка и подработка пластов и др. Поэтому в настоящей работе был применен экспериментально-аналитический метод, сущность которого заключается в следующем.
По результатам опытно-промышленной эксплуатации технологических схем отработки выемочных столбов с охраной выработок угольными целиками на верхних горизонтах отрабатываемого пласта, в том числе соседних шахт, устанавливается минимальная ширина устойчивого целика. По Методическим указаниям /68/ для условий, в которых проводился эксперимент, посредством решения обратной задачи определяется кубиковая прочность угля Скуб- Эта прочность является интегральным параметром, синтезирующим свойства угля с учетом взаимодействия угольного пласта с вмещающими породами кровли и почвы.
