Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, задачи и методы исследования... 10
1.1. Значение горно-геологических факторов в решении задач управления горным давлением. 10
1.2. Состояние вопроса совершенствования щитовой системы разработки 16
1.3. Состояние вопроса изученности проявления горного давления при щитовой системе разработки 43
1.4. Цель и задачи исследования. 44
1.5. Методика исследования... 45
Выводы 53
2. Исследование аварийности щитовой системы разработки и систем разработки с полной закладкой выработанного пространства 54
2.1. Анализ аварийности щитовой системы разработки 54
2.2. Анализ аварийности систем разработки с полной гидравлической закладкой выработанного пространства 60
2.3. Сравнительный анализ аварийности щитовой системы и систем разработки с гидрозакладкой. 69
2.4. Анализ эффективности щитовой системы и систем разработки с гидрозакладкой выработанного пространства 70
Выводы. 75
3. Исследование закономерностей проявления горного давления с целью обоснования расчетных формул по управлению труднообрушаемой основной кровлей 77
3.1. Классификация пород основной кровли по устойчивости 77
3.2. Исследование проявления горного давления в шахтных условиях....... 82
3.3. Исследование проявления горного давления в лабораторных условиях 86
3.3.1. Исследование на моделях устойчивости основной кровли при отработке пласта
(I тип кровли) 87
3.3.2. Исследование на моделях устойчивости основной кровли при отработке пластов
Мощного и Безымянного столбами по падению (П тип кровли) 90
3.3.3. Исследование на моделях устойчивости основной кровли при отработке пласта
ІУ Внутреннего столбами по падению (Ш тип кровли) 93
3.3.4. Исследование на моделях устойчивости основной кровли при отработке столбами
по падению пласта Горелого (ІУ тип кровли) 94
3.4. Напряженно-деформированное состояние нетронутого массива применительно к щитовой системе разработки 95
3.5. Формирование опорного давления на угольный пласт при щитовой системе разработки 103
3.6. Расчет устойчивого пролета основной кровли 107
3.7. Расчет рациональных параметров опорных полос с учетом устойчивого пролета основной кровли (ІУ тип кровли) и отпора обрушенных пород (Кп).... 117
Реализация разработанных рекомендаций на практике 132
4.1. Внедрение новых способов управления труднообрушаемой основной кровлей с применением щитовых агрегатов и буровзрывного способа ее обрушения 132
4.2. Внедрение новых способов крепления монтажных камер, демонтажа щитовых агрегатов и крепления нарезных выработок и их сопряжений 145
4.3. Направления дальнейших исследований 162
4.4. Экономическая эффективность внедрения разработанных рекомендаций.......... 171
Выводы 177
Заключение. 179
Литература 183
Приложения. 196
- Значение горно-геологических факторов в решении задач управления горным давлением.
- Анализ аварийности щитовой системы разработки
- Классификация пород основной кровли по устойчивости
- Внедрение новых способов управления труднообрушаемой основной кровлей с применением щитовых агрегатов и буровзрывного способа ее обрушения
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г. намечено добыть к концу одиннадцатой пятилетки 770-800 млн.т угля. Выполнить эту важную задачу Минуглепром СССР .предусматривает в первую очередь за счет повышения производительности труда на основе внедрения более совершенных технологических схем выемки угля, механизированных комплексов и проходческих комбайнов, комплексной механизации и автоматизации всех производственных процессов, новых форм организации труда, а также за счет создания новых мощностей в О Кузбассе: сооружения объектов Канско-Ачинс-кого и Экибастузекого топливно-энергетических комплексов и увеличения добычи угля в этих районах.
В Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса наиболее эффективной является щитрвая система разработки, которой ежегодно добйвавте« около 50 % угяяі Пдивко- с переходом горных работ на нижние горизонты участились случаи аварийности из-за возросшего горного давления, особенно на пластах с труднообрушаемой основ-ной кровлей.
С целью повышения эффективности щитовой системы разработки с переходом горных работ на нижние горизонты необходимо дальнейшее ее совершенствование как в области управления горным давлением, так и в области подготовки щитовых столбов и крепления нарезных выработок.
Основная идея работы состоит в комплексном решении вопросов совершенствования щитовой системы разработки, направленных на улучшение технико-экономических показателей ее применения и повышения безопасности работ при отработке пластов с труднообрушаемой основной кровлей, в том числе и на нижних горизонтах шахт.
Актуальность темы характеризуется большим удельным участием щитовой системы разработки и высокой её эффективностью на верхних горизонтах. Так, по сравнению с системами разработки с закладкой выработанного пространства производительность труда при щитовой системе выше в 4-5 раз, а себестоимость ниже 2-3 раза.
В перспективе, по данным ИГД СО АН СССР, щитовой /! системой разработки В Прокопьевско-Киселевском районе Кузбассарожно добыть 14 млрд.648 млн.т угля, ато составит 67 % всех промышленных запасов из пластов крутого падения.
Идея работы заключается в использовании для управления труднообрушаемой основной кровлей при щитовой системе разработки искусственного её обрушения или удержания на заранее возводимых бетонных полосах.
Научные положения в диссертационной работе сводятся к следующему: установление влияния типа кровель на формирование напряженно-деформированного состояния кровли при щитовой системе разработки; определение величины реакций обрушенных пород на кровлю пласта в выработанном пространстве при щитовой системе разработки с учетом угла его падения; установление предельных'" пролетов основной кровли при разработке угольных пластов столбами по падению в типовых усло=е виях Кузбасса; установление величины концентрации опорного горного давле^ф при разработке угольных пластов столбами по падению в зависимое- ти от глубины разработки, угла падения пласта и типа основной кровли.
Достоверность и степень обоснованности научных положений и выводов, сформированных в работе, подтверждаются: - значительным объемом исследований закономерностей проявле ния горного давления при щитовой системе разработки в шахтных (шахты: "Зиминка","Прокопьевская",им.Калинина, им.Ворошилова) и лабораторных условиях для всех типов основной кровли; высокими значениями корреляционного отношения (0.84-0.91) при статистической обработке полученных закономерностей; положительными результатами внедрения предложенных спосо-бов управления труднообрушаемой основной кровлей.
Научная новизна работы заключается: в установлении закономерностей изменения предельных пролетов основной кровли в зависимости от её мощности, крепости горных пород, мощности и угла падения пласта, глубины разработки, ширины вынимаемого столба, скорости выемки угля и в разработке на основе исследований классификации пород основной кровли по устойчивости; в определении закономерности изменения коэффициента концентрации опорного давления при различных типах кровли и углах падения пласта; в установлении закономерности изменения ширины опорной бетонной полосы от предельного пролета основной кровли, глубины разработки, прочности на сжатие бетонной полосы, коэффициента бокового распора, мощности и угла падения пласта и мощности непосредственной кровли. разработке рас&?тного метода определения ширины бетонной опоры, установлении зависимости коэффициента Кп, характеризующего восприятие со стороны основной кровли за счет обрушенных пород непосредственной кровли и перепущенных пород с вышележащего горизонта, от различных горно-геологических параметров залегания пластов, определения расчетным путем величины устойчивого пролета основной.кровли,.что.обеспечивает безаварийна о*Ра ботку крутых пластов с применением щитов, повышение нагрузки на очистной забой и сокращение затрат на поддержание выработок.
Практическая ценность работы. Разработаны новые способы управления труднообрушаемыми кровлями с учетом их типов по фактору управляемости, давшие возможность предотвратить её зависание и внезапное обрушение, что позволило снизить аварийность и повысить эффективность щитовой системы разработки, в том числе с переходом горных работ на нижние горизонты.
Реализация рекомендаций автора в области совершенствования управления труднообрушаемой кровлей позволила достичь нагрузки на щитовой забой 1000 т/сут, и более, а также установить два Всекузбасских и Всесоюзный рекорд добычи угля, когда бригадой В.С.Костина с шахты "Зимивка" щитовым агрегатом ІАЩМ было добыто за 31 рабочий день 33II6 т угля.
Внедрение сдвоенных и строенных агрегатов ІАЩМ позволило сократить потери угля в межщитовых целиках в 2-3 раза.
Кроме того, при участии автора разработана "Инструкция по безопасному применению щитовой системы разработки", которая согласована с Госгортехнадзором СССР 20,07.83 г, и утверждена Мин-углепромвм СССР 17.11.83 г..
От внедрения рекомендаций по совершенствование способов управления труднообрушаемой кровлей при щитовой системе разработки только в условиях шахты "Зииинка" получен экономический эффект в сумме 626349 рублей.
Личный вклад автора состоит: - в научном обосновании и разработке новых способов управления^ труднообрушаемой основной кровлей, расчетного метода определения устойчивого её пролета и определении рациональной ширины бетонной опоры; в разработке нового спрсоба обрушения основной кровли зарядами ВВ с использованием канатных анкеров для снижения воздействия взрывных волн на угольный массив; во внедрении бескамерного способа монтажа щитов и новых технологических схем отработки щитовых столбов в соответствии с разработанной классификацией пород основной кровли по устойчивости; - во внедрении более совершенных способов крепления мон тажных камер и нарезных выработок,включая и их сопряжения, с использованием анкерной крепи.
Основные, положения диссертационной работы докладывались и были одобрены на семинаре по проблеме горного давления при ЇЇГД СО АН СССР (1974 г.), на шестой и седьмой конференциях народного университета "Научно-технический прогресс в угольной промышленности" (1978-1980 гг.), на технических совещаниях шахты "Зиминка" и производственного объединения "Прокопьевскуголь", производственно-технологического управления по подземному способу добычи в восточных районах (Востокуголь) Минуглепрома СССР (1981 г.).
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано семнадцать работ и Госкомитетом при Совете Министров СССР выдано два авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения четырех глав, заключения и содержит 122 страницы машинописного текста, 15 таблиц, 51 рисунок, 103 наименования использованной литературы, приложения на 14 стр..
Автор выражает признательность д.т.н., профессору Г.И.Грицко за ценные методические указания, а также кандццатам технических наук С.И.Запрееву, В.В.Славолюбову за участие в проведении лабораторных исследований и к.т.н. Л.А.Щербакову за участие в подготовке технической документации для проведения шахтных экспериментов.
Значение горно-геологических факторов в решении задач управления горным давлением
Решение задач управления горным давлением при разработке свит сближенных мощных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса обуславливается качественной и количественной оценкой целого ряда природных характеристик угля и вмещающих пород,которыми определяются их устойчивость и обрушаемость,а также характер сдвижения и обрушения в выработанном пространстве.К таким природным характеристикам в первую очередь относятся состав толщи пород и угольных пластов,их прочностные и деформационные свойства,микростроение пластов и пород (трещиноватость и слоистость), нарушенность пластов и пород.
Значение перечисленных характеристик возрастает при создании новых систем разработки и применении механизированных крепей и щитовых агрегатов, особенно в условиях труднообрушаемых кровель. В этих условиях важную роль приобретают экспериментально-аналитические методы в раскрытии закономерностей геомеханических процессов.Данная работа посвящена исследованию геомеханических процессов при разработке крутых угольных пластов столбами по падению с применением щитовых перекрытий в условиях отработки пластов с труднообрушаемой кровлей Прокопьевско-Киселевского месторождения.
Угольные отложения Прокопьевско-Киселевского месторождения сложены породами Нижне-и Верхнебалахонокой свит Балахонской серии (табл.I.I).Стратиграфически эти свиты подразделяются на подсвиты: Мазуровскую,Алыкаевскую(Нижнебалахонская свита)Промежуточную, Ишановскую,Кемеровскую и Усятскую (Берхнебалахонская свита).Общая мощность угленосных свит в пределах месторождения составляет в среднем II00-I200 м.Эти свиты содержат около 30 пластов угля рабочей мощности.Средний коэффициент угленбіости составляет 7-9%.
В тектоническом отношении іірокопьевско-Киседевский район представляет собой брахисинклинальную складку, вытянутую почти в широтном направлении, и осложненную рядом дополнительных складок.
В пределах Нрокопьевского района насчитывается восемь синклинальных и восемь антиклинальных перегибов. Все складки имеют крутое залегание крыльев 50-80). На некоторых крыльях падение пластов приближается к вертикальному. В южной и юго-восточной частях района залегание пластов более пологое ио 20-30). Погру-жение осей складок происходит на северо-запад под углом 12-25, осевые поверхности складок наклонены преимущественно на запад.
Складчатость месторождения осложнена серией крупных дизъюнктивных нарушений с амплитудой до 1000 м и более. Простирание сместителей нарушений в большинстве случаев совпадает с направлением складчатости, падение большинства из них - на запад под углом 70-80.
Анализ аварийности щитовой системы разработки
Ведущей системой разработки в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса является щитовая о выемкой угля столбами по падению.
Системы разработки с полной закладкой выработанного пространства, вследствие малой их эффективности, имеют ограниченную область применения. За тридцатилетний период годовой объем добычи угля о их использованием не превысил 1,5 млн.т, что ниже по сравнению с щитовой в 5 раз.
Полностью на технологию выемки угля с закладкой выработанного пространства переведены шахты "Коксовая", частично - шахты "Ноградская", им.Ворошилова; "Зимннка" и "Центральная".
Отработка пластов с закладкой выработанного пространства производится по восстанию с применением поперечно-наклонных слоев (ПНСГС) и наклонных слоев с выемкой в слоях коротких полос по простиранию пласта с гидрозакладкой (НСГЗ). Неудачно закончились попытки внедрения механизированной технологии выемки угля с применением комбайнов Д-ІІ (МГСГЗ) и комплекса оборудования КВЗ.
Комплекс оборудования КВЗ предназначен для отработки крутых пластов средней мощности или мощных пластов с разделением на слои
столбами по восстанию и состоит из гидрофицированной секционной крепи, выемочного комбайна, забойного конвейера, механизмов оборудования для приема закладки.
Известно, что применение щитовой системы разработки на нижних горизонтах шахт осложняется из-за интенсивного проявления горного давления на подготовительные выработки, в основном, на углеспускные печи. Как правило, в нижней части этажа происходит разрушение крепи печей с последующим обрушением и высыпанием угля из массива, окружающего выработку. Дальнейшая отработка щитового столба з этой части этажа практически невозможна. Оставшиеся запасы вынимаются или с применением системы разработки под -этажными штреками или списываются в потери при большом объеме образовавшихся куполов.
При применении систем разработки с закладкой (ПНСГЗ,НСГЗ, МГСГЗ, КВЗ) с выемкой столбов или блоков по восстанию пласта очистной забой с нависающим массивом угля оказывается в зоне наложения остаточного и эксплуатационного опорного давления. Известно, что при отработке второго и последующих горизонтов на угольный пласт оказывает влияние остаточное опорное давление, распространяемое на глубину 40-50 м по падению пласта. Кроме того,впереди очистного забоя, независимо от направления отработки пласта,образуется эксплуатационное опорное давление, зона распространения которого опережает забой на 25-80 м.
Классификация пород основной кровли по устойчивости
Под основной кровлей понимается толща пород, находящаяся над залежью полезного ископаемого и обрушающаяся при выемке полезного ископаемого на значительной площади [74] .
К труднообрушающимся относятся кровли, при которых происходит, первичная и последующая осадки прочных слоев пород, залегающих Е непосредственной или основной кровле [75 ] . Мощность труднообрушающихся пород ОСНОЕНОЙ кровли изменяется от 3 до 50 м, а непосредственной крогли - от 0 до пяти мощностей пласта. При этом прочность пород ОСНОЕНОЙ кровли на одноосное сжатие изменяется от 60 до 260 МПа [76 ] .
В период осадок основной труднообрушаемой кровли происходит повышенная деформация щитовых перекрытий и крепи нарезных выработок до аварийного их состояния.
По данным наших исследований Е Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса более 60 % шахтопластов, отрабатываемых щитовой системой разработки, имеют труднообрушаемую основную кровлю.
Существует несколько классификаций и типизации пород кровли угольных пластов, разработанных б.ВУГИ, ВНИМИ, КузНИУИ.
Большая часть классификаций кровель составлена по устойчивости и обрушаемости пород непосредственной кровли [77-88] .
Критерии распределения кровли по той или иной классификации различны. Например, в одних классификациях обрушаемость пород определяется только временным сопротивлением их на сжатие, в других - величиной смещения кровли, в третьих - целым рядом пэpaметров. Наиболее признанной является единая классификация горно-геологических условий добычи угля (табл.3.1), разработанная на 47 заседаний СЭВ по угольной промышленности в 1977 г. В основу этой классификации была положена устойчивость кровли в зависимости от временного сопротивления ее пород с учетом слоистости и трещиноватости.
В 1955-1958 гг. ВНИШ провел специальные исследования устойчивости обнажений кровли на пологих пластах Кузбасса и разработал классификацию кровель по устойчивости нижних слоев применительно к широкозахватной выемке угля (табл.З. [81;1)днако до последнего времени не было разработано классификации пород основной кровли по устойчивости применительно к отработке пластов щитовой системой разработки.
Внедрение новых способов управления труднообрушаемой основной кровлей с применением щитовых агрегатов и буровзрывного способа ее обрушения
На шахте "Зиминка" п/о "Прокопьевскуголь" под руководством диссертанта проведены значительные работы по совершенствованию щитовой системы разработки как в области внедрения более совершенных технологических схем с применением механизированных щитовых агрегатов I АЩМ с бескамерным монтажом их, так и изыскания более рациональных способов управления труднооб-рушаемой основной кровлей [96, 97, 987 . При этом уделялось значительное внимание повышению надежности поддержания нарезных выработок.
При отработке пласта I Внутреннего мощностью 2,2-2,3 м с углом падения 68-70 с применением щитового агрегата ІАЩМ диссертантом был внедрен новый способ управления труднообрушаемой
Основная кровля пласта I Внутреннего мощностью 8 м сложена устойчивым алевролитом мощностью 2,5 м с коэффициентом крепости 6-8, переходящим в песчаник мощностью 4,5-5,5 м с коэффициентом крепости 9—II, По устойчивости основная кровля относилась к Ш группе и при подвиганий агрегата 2 м/сут имела устойчивый пролет
В соответствии с классификацией управление основной кровлей для Ш группы пород с целью предупреждения ее зависания может производиться путем отработки щитовых столбов шириной большей ширины устойчивого пролета основной кровли или путем принудительного ее обрушения зарядами ВВ.
Первый вариант управления труднообрушаемой основной кровлей реализован диссертантом при обработке пластов УІ и I Внутренних путем использования строенных и сдвоенных щитовых агрегатов ЩМ длиной соответственно 123 и 120 м(рис.4.1).
Это позволило не только безаварийно отработать щитовые столбы, но и установить в 1979 г. два Всекузбасских, а в 1980 г. Всесоюзный рекорд добычи угля [99, 100J. В апреле 1979 г. бригадой В.С.Костина с шахты "Зиминкэ" по пласту УІ Внутреннему мощностью 2,1-2,4 м с углом падения 69-72 агрегатом ІЩМ длиной 40 м было добыто 18479 т угля. В июле-августе 1979 г. той же бригадой за 31 рабочий день из двух спаренных щитовых агрегатов длиной 123 м (соответственно 45 и 78 м) было добыто 26079 т угля. В феврале-марте 1980 г. за 31 рабочий день строенным агрегатом длиной 120 м при длине каждого агрегата 40 м по пласту I Внутреннему добыто ЗЗІІ6 т угля.
