Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из основных задач в области
создания и развития научно-технической базы общества является
повышение производительности труда. В угольной промышленности
эта задача может быть решена на основе дальнейшего повышения
технической вооруженности и совершенствования организации труда.
Однако даже при полной автоматизации и механизации основных
производственных процессов существенное повышение
эффективности работы угольных предприятий может быть достигнуто только при технологически удовлетворительном состоянии горных выработок.
Проблема обеспечения устойчивости участковых
подготовительных выработок в общем комплексе работ при современном состоянии шахтного фонда является одной из наиболее актуальных. Использование горных выработок повторно позволяет уменьшить число проводимых и одновременно поддерживаемых выработок, увеличить концентрацию горных работ и, следовательно, снизить относительные затраты на добычу полезного ископаемого.
При переходе горных работ на глубокие горизонты сохранить выработку для повторного использования, с применением используемых в настоящее время способов охраны, без ее ремонта или перекрепления в большинстве случаев не представляется возможным. Протяженность участковых повторно используемых подготовительных выработок на шахтах России, требующих полного или частичного восстановления, превышает 20 %, а в отдельных районах достигает 40 - 50% общей протяженности поддерживаемых выработок. На их ремонт ежегодно задалживается от 5 до 15% списочного состава подземных рабочих.
Неудовлетворительное состояние выработок и выполнение в них ремонтных работ отрицательно влияют на работу транспорта, ухудшают условия проветривания, снижают безопасность при ведении горных работ. Стоимость ремонтно-восстановительных работ во многих случаях соизмерима со стоимостью проведения новой горной выработки.
Из общего числа нарушений крепи подготовительных выработок 90 - 95% случаев наблюдаются в зонах влияния очистных работ. Вне зон влияния очистных работ крепи, применяемые в подготовительных выработках, как правило, работают без опасных деформаций в пределах всего срока службы.
Обзор существующих способов и средств охраны выработок на угольных шахтах РФ показывает, что большинство из них имеют ограниченную область применения из-за высокой стоимости и трудоемкости работ или недостаточной их эффективности. Некоторые способы охраны, показавшие высокую эффективность на зарубежных угольных предприятиях, на шахтах России вообще не применяются.
Так, использование литых полос из быстротвердеющих материалов в большинстве . случаев позволяет улучшить состояние участковых подготовительных выработок и обеспечивает возможность их повторного использования без ремонтно-восстановительных работ. Однако несовершенство применяемой технологии возведения полос, дефицит быстротвердеющих материалов и недостаточный опыт работающего персонала. привели к ситуации, при которой данный способ наугольных предприятиях России не используется.
Имеющиеся возможности механизации и автоматизации работ, связанных с возведением литых полос, их безопасность и невысокая трудоемкость объективно предопределяют перспективность этого способа охраны при отработке пологих пластов мощностью до 1.8-2.0 м.
Цель работы. Разработка способов охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок литыми полосами из быстротвердеющих материалов, позволяющих обеспечить устойчивость этих выработок за лавой при бесцеликовой отработке тонких и средней мощности пологих угольных пластов.
Основная идея работы. Определение параметров литых полос необходимо производить с учетом отрицательного влияния нагрузки, создаваемой опускающимися породами кровли, на процесс набора прочности вяжущих материалов в начальные периоды их твердения.
В соответствие с поставленной целью основными задачами исследований являлись:
установление характера и степени влияния основных факторов, определяющих устойчивость участковых подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством;
исследование динамики смещений пород кровли в участковых подготовительных выработках за лавой;
определение зависимости характера и степени набора прочности твердеющих материалов от времени затвердевания;
разработка методики экспресс- оценки прочности твердеющего материала литых полос;
определение влияния опускающихся пород кровли на формирование дислокаций и трещин в литой полосе в период ее затвердевания и набора начальной прочности;
разработка методики определения параметров литых полос, учитывающей фактор негативного влияния опускающихся пород кровли на затвердевание материала;
разработка мероприятий, предотвращающих влияние негативных факторов на эффективность способа охраны, основанного на возведении литых полос.
Методы исследований. Исследования выполнялись с использованием комплексного метода, включающего аналитические, шахтные и лабораторные исследования, а также анализ и обобщение работ предшественников.
Научные положения, защищаемые автором
-
Состояние участковых подготовительных выработок в период их повторного использования в значительной степени зависит от эффективности управления горным давлением на сопряжениях лав с этими выработками и компрессионных характеристик сооружений, возводимых для охраны выработок за лавой.
-
Конечная прочность твердеющих материалов, используемых для охраны участковых подготовительных выработок, существенно зависит от характера и интенсивности нагружения литых полос на ранних этапах твердения вяжущего материала опускающимися породами кровли в зонах максимальных смещений.
-
Оптимальные параметры способов охраны участковых подготовительных выработок за лавой с использованием литых полос необходимо определять с учетом места возведения и режимов их нагружения на ранних этапах твердения.
Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована значительным объемом шахтных исследований (проанализированы данные о состоянии и объемах ремонтно-восстановительных работ в ПО участковых повторно используемых подготовительных выработках АО «Ростовуголь»), представительным количеством определений прочности образцов (более 140 испытаний), хорошей сходимостью результатов при этих лабораторных экспериментах.
Научная новизна работы.
Установлены качественные и количественные зависимости изменения прочности вяжущих материалов от величины пригрузки на ранних этапах их твердения.
Предложена математическая модель, позволяющая для конкретных горнотехнических ситуаций исследовать влияние величины пригрузки со стороны пород кровли на степень набора прочности вяжущих материалов на ранних этапах их твердения.
Практическая значимость.
Разработана методика определения оптимальных параметров литых полос, позволяющая снизить трудоемкость работ и затраты на ремонт выработок при их повторном использовании, а также затраты на возведение литых полос на 15-20%.
Разработаны технологические схемы охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок, позволяющие расширить область экономически целесообразного использования литых полос и создающих объективные предпосылки для обеспечения безремонтного поддержания выработок за лавой.
Обосновано, что в условиях шахт АО «Ростовуголь» применение способов охраны участковых подготовительных выработок литыми полосами, экономически оправдано в условиях более чем 60% шахтопластов.
Установлено влияние фактора времени на прочностные характеристики твердеющих материалов, определяющих параметры литых полос при различных схемах их возведения.
Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации использованы в проектах реконструкции глубоких шахт АО "Ростовуголь" и АО "Гуковуголь", выполняемых институтом "Ростовгипрошахт", а также при решении оперативных вопросов, связанных с выбором способов охраны участковых подготовительных выработок на действующих шахтах.
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, разработана методика проведения шахтных и лабораторных исследований, предложены технологические схемы возведения литых полос и методики определения их параметров.
Апробаиия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В.Плеханова (технического университета) «Полезные ископаемые
России и их освоение» (1996, 1997 гг.), семинарах кафедры РПМ СПГГИ (ТУ), технических советах шахт АО "Гуковуголь".
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 3 статьях. По результатам работы получено решение о выдаче патента и поданы две заявки на изобретение. Результаты работы вошли в годовые и заключительные отчеты по НИР.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 58 наименований и двух приложений. Изложена на 152 страницах машинописного текста, и содержит 24 рисунка, 11 таблиц.
В первом разделе проанализировано современное состояние проблемы обеспечения устойчивости повторно используемых участковых подготовительных выработок, сформулированы цель и задачи исследований. Во втором разделе выполнен анализ состояния и объемов ремонтно-восстановительных работ в участковых подготовительных выработках шахт АО «Ростовуголь». Произведена оценка состояния и перспективы совершенствования применяемых на шахтах АО «Ростовуголь» технологических схем. В третьем разделе приведены результаты исследований процесса взаимодействия искусственных охранных сооружений с боковыми породами. Проанализирована динамика опусканий пород кровли в зонах интенсивных проявлений горного давления. Исследовано влияние нагрузок, создаваемых опускающимися породами кровли на процесс набора прочности материала литых полос в начальный период твердения. В четвертом разделе приведены рекомендуемые технологические схемы способов охраны повторно используемых подготовительных выработок и предложена методика определения их параметров. В пятом разделе дается технико-экономическое сравнение предлагаемых и традиционных технологических схем возведения охранных сооружений из быстротвердеющих материалов.
