Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности добычи угля и безопасности труда является основной задачей, стоящей перед угольной промышленностью России в современных условиях перехода экономики на рыночные отношения. Улучшение работы шахт по добычи угля в значительной мере сдерживается высокой трудоемкостью охраны и большими затратами на крепление и ремонт подготовительных выработок.
' На шахтах Ленинского и Беловского районов добывается более 23% всей подземной добычи угля в Кузбассе. В настоящее время здесь поддерживается около 880 км подготовительных выработок, из них до 20%_ приходится ежегодно ремонтировать и частично перекреплять, з том числе примерно 20% выработок, расположенных на глубине до 250 м и 80% - на глубине 250-570 м. Основная доля затрат на поддержание приходится на выемочные штреки лав, составляющие более 70% общей протяженности проводимых выработок на шахтах районов. На глубине более ЗОО м особенно сильно деформируются выработки, охраняемые целиками угля шириной до 12-15 м и выработки, проводимые вприсечку к выработанному пространству с оставлением возле них полосы угля шириной до 2-3 м.
Большие объемы ремонтных работ, неудовлетворительное состояние значительной части подготовительных выработок на нижних горизонтах сдерживают темпы и снижают эффективность очистных работ, в особенности лав, оснащенных механизированными комплексами. Одной из основных причин ухудшения состояния подготовительных выработок шахт районов и резкого увеличения затрат на их охрану и ремонт с углублением горных работ является недостаточная изученность закономерностей проявлений горного давления в выработках и геомеханических процессов, происходящих в углепородных массивах вокруг них.
Изложенное свидетельствует об актуальности научных исследований, направленных на изыскание и внедрение эффективных способов охраны и конструкций крепи для поддержания подготовительных выработок в условиях шахт Ленинского и Беловского районов Кузбасса.
Диссертационная работа выполнена по результатам плановых НИР КузГТУ и ОАО УК "Ленинскуголь" за 1990-1996 г.г.
Целью диссертации является повышение устойчивости и эффектив
ности поддержания подготовительных выработок на основе установлен
ных закономерностей геомеханических процессов и обоснованных спо
собов охраны и конструкций крепи. . .,
Идея работы заключается в использовании закономерностей геомеханических процессов, происходящих в углепородных массивах вокруг подготовительных выработок под влиянием подготовительных и очистных работ, для повышения их устойчивости и обеспечения нормального жсплуатационного состояния.
Задачи исследований:
установить закономерности проявлений горного давления в подготовительных выработках при различных способах их охраны и глубине расположения;
установить влияние работы металлической, смешанной, анкерной и комбинированной крепей на смещения пород и устойчивость выработок;
разработать рациональные способы охраны выработок и обосновать их параметры;
выявить и обосновать рациональные конструкции крепи для подготовительных выработок, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;
установить область эффективного применения рациональных способов охраны и конструкций крепи в подготовительных выработках.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта охраны и крепления подготовительных выработок угольных шахт, натурные инструментальные наблюдения за механическими процессами в углепородных массивах и проявлениями горного давления в выработках; лабораторные испытания прочностных свойств вмещающих горных пород; методы математической статистики и корреляции; опытно-промышленные испытания и внедрение технических и технологических разработок в производственных условиях; технико-экономический анализ разработок и технических решений.
Научные положения, выносимые на защиту;
закономерности геомеханических процессов во вмещающих углепородных массивах и проявления горного давления в подготовительных выработках составляют базу для обоснования рациональных способов их охраны и поддержания;
основными факторами, определяющими характер и степень проявлений горного давления в подготовительных выработках, являются прочность пород, способ охраны от влияния очистных работ и глубина расположения выработок, продолжительность разрыва между очистными и подготовительными работами на границе соседних выемочных столбов, конструкция и механическая характеристика крепи;
закономерности деформирования вмещающих горных пород под влиянием временного опорного давления собственного очистного забоя и остаточного опорного давления в краевой части массива' угля на границе с выработанным пространством позволяют обосновать выбор рационального способа и варианта бесцеликовой охраны подготовительных выработок;
величина смещения пород за срок службы выработки является критерием, позволяющим выбирать рациональную конструкцию крепи и вариант крепления выработки;
при ожидаемом смещении пород кровли менее величины безопасного смещения заанкерованных пород за срок службы выработок, их возможно и целесообразно крепить анкерной крепью, при больших смещениях пород кровли - анкерной в сочетании с рамными крепями;
полученные корреляционные уравнения позволяют прогнозировать смещение пород в подготовительных выработках в зависимости от основных влияющих факторов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:
достаточным объемом экспериментальных исследований проявлений горного давления в подготовительных выработках вне зоны и в зоне влияния очистных работ при различных способах охраны на шахтах Ленинского и Беловского районов Кузбасса с применением современных методов и приборов (10 шахт, 32 шахтопласта в интервале глубины горных работ от 100 до 550 м);
положительным опытом внедрения и применения бесцеликовых способов охраны и анкерной крепи в подготовительных выработках;
удовлетворительной сходностью результатов прогнозирования смещений пород, с данными инструментальных наблюдений за проявлениями горного давления (расхождение не более 15 %).
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлены закономерности геомеханических процессов в углепо-родных массивах вокруг подготовительных выработок и проявлений горного давления в выработках, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;
выявлены факторы, оказывающие наиболее существенное влияние на устойчивость и эксплуатационное состояние подготовительных выработок;
установлены закономерности деформирования горных пород вокруг выработок, охраняемых без целиков, под влиянием временного и остаточного опорного давления и их параметры;
обоснованы геомеханические условия и рациональные параметры бесцеликовых способов охраны выработок;
обоснованы принципы выбора анкерной и рамной крепей в подготовительных выработках в зависимости от смещения пород за срок их службы;
раскрыт характер деформирования заанкерованных пород кровли подготовительных выработок в зависимости от структурно-текстурных элементов строения;
установлены взаимосвязи, позволяющие оценивать степень влияния основных факторов на смещение пород кровли и почвы подготовительных выработок.
Практическое значение работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:
управлять проявлениями горного давления в подготовительных выработках, поддерживаемых вне зоны и в зоне влияния очистных работ;
выбирать и обосновать эффективные способы охраны и конструкции крепи подготовительных выработок;
прогнозировать смещение пород в выработках при различных способах их охраны;
повысить устойчивость выработок и снизить затраты на их охрану и крепление.
Реализация работы. Результаты исследования и рекомендации используются шахтами АООТ "Ленинскуголь " и "Беловоуголь" при выборе и обосновании способов охраны и конструкций крепи подготовительных выработок.
Апробации работы. Основные научные положения и практические выводы докладывались на научно-техническом совете АООТ "Ленинскуголь" (Ленинск-Кузнецкий, 1992-1996), в ассоциации "Кузбассуглетехнология" (Кемерово, 1995), на научных семинарах Куз-ГТУ (Кемерово, 1994, 1996), Международном симпозиуме "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь, 1995). научно-практической конференции Международных ярмарок - выставок "Уголь Кузбасса" (Новокузнецк, 1996).
Публикации. Автором опубликовано 11 печатных работ, в том числе 7 по теме диссертации.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 203 страницы машинописного текста, включая 33 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 103 наименований.
