ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ОБОСНОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В

ЛАВЕ ПОЛОГОГО ПЛАСТА ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ  С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ

 

Выстороп А.П. (ДонНТУ, кафедра РПМ)

 

alexeyv@ukrtop.com

 

 

 

Abstract:  Alexey Vystorop,

1.1.         Анализ состояния горных подготовительных выработок.

      В угольной промышленности Украины за последние годы значительно ухудшилось состояние подготовительных горных выработок, в связи с переходом на отработку угольных пластов с более сложными горно-геологическими условиями их залегания на больших глубинах. С увеличением глубины разработки возрастает горное давление, вследствие чего резко изменяются характер и интенсивность смещения пород контура подготовительных выработок, приводящие к ухудшению их состояния.

     На шахтах украинского Донбасса ежегодно ремонтируется 1,5-2,0 тыс. км выработок, что составляет 10-12% от их общей протяженности.

     В связи с интенсивной конвергенцией боковых пород ежегодно только в Макеевско-Донецком районе Донбасса перекрепляется около 23 км горных выработок и подрывается до 120 км пород их почвы, где используется около 10-12% подземных рабочих. Аналогичное положение в других регионах Донбасса.

     Например, в Макеевско-Донецком районе Донбасса, из 1500 км поддерживаемых выработок, 86 км транспортных выработок нуждаются в ремонте с полной заменой крепи и расширением их сечения до паспортного, а дефектность вентиляционных штреков составляет 45-55%.

     Анализ состояния горных выработок в ГХК "Донуголь" показал, что общая протяжённость горных выработок составляет более 200 км, из них 20-25% требуют ремонта, как по восстановлению, так и по перекреплению рабочего сечения. Из 65 км горных выработок, требующих ремонта, для 17 км (28%) необходимо производить перекрепление. Это класс выработок, деформация которых произошла под влиянием очистных работ.

  Состояние горных выработок в ГХК "Донуголь" приведено в таблице 1.1

 

 Таблица 1.1

               Состояние горных выработок в ГХК "Донуголь".  

Шахта	Объём выработок, требующих ремонта, км	в  том числе
		перекрепление, расширение сечения, км	подрывка пород почвы, км
им. Е.Т. Абакумова	7,9	2,6	5,3
ш-та Трудовская	10,4	2,4	8,0
ш-та Челюскинцев	11,3	2,7	8,6
ш-та 60лет Украины	13,0	3,7	9,3
Всего:	42,6	11,4	31,2

 

     Практика горных работ в Донбассе в последние годы показывает, что применение механизированных крепей и комплексов для добычи угля способствует интенсификации очистных работ. В то же время интенсивная выемка угольных пластов оказывает отрицательное влияние на состояние подготовительных выработок.

     Вопросы безремонтного поддержания и охраны подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ отечественной инженерной практикой и наукой до настоящего времени должного развития не имеют.

     Решение задач безремонтной эксплуатации подготовительных выработок должно базироваться на совершенствовании существующих и разработке новых способов  их охраны, а также на аналитической основе, которая могла бы раскрыть физику процессов, происходящих в массиве и его взаимодействия со средствами и охраны.

Такой подход к отработке угольных пластов позволит объективно подходить к применению определённого способа охраны выработок и направлений его совершенствования.

 

1.2.         Аналитический обзор исследовательских работ в области охраны подготовительных выработок угольных шахт Донбасса.

    Исследованиям состояния подготовительных горных выработок, процессам деформации горного массива, выбору и обоснованию технико-технологических параметров обеспечения устойчивости выработок посвящены работы отечественных и зарубежных учёных: Ю.З. Заславского, М.П. Зборщика, А.Н. Зорина, А.И. Карлова, К.В. Кошелева, Г.Н. Кузнецова, Г.Г. Литвинского, П.И Пономаренко, А.Ф. Борзых, К.Ф. Сапицкого, Б.М. Усаченко, С.В. Янко и других.

    Для анализа и научного обобщения принимались отечественные и зарубежные публикации в области технологии и средств охраны подготовительных выработок.

    Исследованиями А.Ф. Борзых установлена зависимость критерия обрушаемости пород, влияние шага обрушаемости пород кровли на величину максимальной нагрузки, воспринимаемой охранными опорами.

    Установлена зависимость изменения скорости смещения породного контура от величины суточного ускорения подвигания лавы. Раскрыт механизм взаимодействия целиков с вмещающими породами, заключающийся в разрушении целика шириной 2-4 м, непосредственно примыкающего к выработке. Предложена методика расчёта параметров охраны выработки со стороны лавы искусственными конструкциями (опорами) из сборного железобетона, спаренными податливыми целиками угля, разработана технология разупрочнения трудноуправляемой кровли взрыванием взрывчатых веществ в слоевых скважинах [1].

     На основании предложенной им расчётной схемы формирования нагрузки на охранные опоры в приконтурной части угольного массива, получена аналитическая зависимость для расчёта ширины охранного целика [1]:

         ,                                    (1.1)

 

 где     -средневзвешенная объёмная плотность пород, кН/м;

           h-высота обрушаемой кровли естественным путём, м;

             y -угол полных сдвижений, град.;

             s-предел прочности угля на сжатие, кН/м;

             r-предельная ширина зоны отжима пласта, м;

             к – коэффициент остаточной прочности пласта.

     Исследованиями А.И. Карлова доказано наличие локальных асимметричных концентраций напряжений, зависимость и взаимосвязь смещения контура выработки от различных по направлению и интенсивности нагрузок. Разработаны требования к крепи усиления и средствам охраны пластовых штреков из железобетонных тумб и угольных целиков. Установлено, что деформация крепи не зависит от размера сечения, а находится в прямой зависимости от схемы нагружения крепи, напряжённого состояния вмещающих пород и несущей способности элементов крепления [2] .

     Автором, исходя из схемы нагружения, предложена аналитическая зависимость для определения нагрузки на крепь пластового штрека [2]:

          ,                           (1.2)

  где  m – мощность пород непосредственной кровли, м;

         g - объёмный вес пород кровли, т/м;

         a - угол залегания пласта, град.;

         l- расстояние от замковой части арки до граничной плоскости

              блока по падению, м;

         l - расстояние от замковой части арки до граничной плоскости

             блока по восстанию, м.

 

Исследованиями Ю.М. Халимендика установлена закономерность изменения режима деформации и разрушения пород в зависимости от их свойств и нарушенности, условий крепления, глубины ведения горных работ, горного давления. Разработана методика расчёта смещений контура выработки с учётом вида работ по их поддержанию. Установлено, что характер деформации пород и его изменение во времени в наибольшей степени зависит от типа крепи, её жесткости, влияния очистных работ, вида проводимых мероприятий по обеспечению эксплуатационного состояния выработки. Предложена зависимость для определения (прогнозирования) смещений в выработках при их поддержании в условиях слабых пород Западного Донбасса [3]:

 

  ,        (1.3) 

  где   - остаточная прочность разрушенных пород;

          D - характерный размер выработки;

          b - постоянный коэффициент;

          P - отпор крепи;

          R - коэффициент, учитывающий прочностные свойства пород.

     Г.И. Гайко установлены особенности деформации арочной крепи подготовительных выработок в условиях неравномерного её нагружения со стороны массива пород, заключающиеся в ограничении несущей способности крепи путём управления напряженным состоянием и жесткостью наиболее нагруженного участка с нагрузками, действующими со стороны горных пород. По критерию равномерности усиления определяется расположение элемента усиления путём его смещения относительно оси симметрии арки на угол, вдвое меньший угла падения пласта. Несущая способность усиленной крепи относительно её обычного исполнения определялась из отношения [4]:

                 ,                                                                  (1.4)

  где  P- несущая способность обычной крепи;

                  ,

  - напряжения в i-ой точке усиленной крепи;

  - максимальные напряжения в обычной крепи.

     Для улучшения охраны выработки на шахтах, различными авторами предлагалось применение бутовых полос при проведении работ широким ходом, железобетонных блоков БЖБТ, разгрузочных пазов, щелей, проводимых с помощью взрывных работ, анкерное крепление – как средства, исключающие пучение пород почвы [5].

     Рядом авторов предложена бесцеликовая технология охраны и поддержания выработок. В зависимости от горно-геологических условий, на сопряжении лавы с прилегающими выработками возводились искусственные ограждения: деревянные костры, кустокостры, тумбы из железобетонных блоков БЖБТ, костры из железобетонных шпал. Исследованиями установленно, что наименьшее смещение боковых пород достигнуто при применении железобетонных шпал ШД-2, далее железобетонных тумб БЖБТ. Кроме того, установленно, что нормализация процесса сдвижения пород кровли при охране подготовительных выработок железобетонными шпалами достигается на 20 м ближе к очистному забою, чем при охране деревянными кострами [6,7,8]. Этими работами предложено определять количество железобетонных тумб на 1 м выработки согласно зависимости:

 

        ,                                                                     (1.5)

 где   S - площадь одной опоры, м;

         P- нормативная прочность материала, кН/м;

         P- расчётная нагрузка на применяемую арочную крепь, кН/м.

      Для охраны подготовительных выработок И.Ю. Заславским и              А.Г.Файвишенко определены рациональные параметры расположения литых околоштрековых полос из быстротвердеющих материалов (фосфогипсов). Установлено, что смещение боковых пород при применении быстротвердеющих материалов уменьшилось на 400-500 мм по сравнению с БЖБТ, кострами и чураковыми стенками [9]. Авторами предложено, что в тех случаях, когда литая полоса возводится непосредственно у стенки выработки и возможен скол уступа к нему следует приложить горизонтальное усилие P, которое препятствовало бы сколу и перемещению в выработку. Количественное значение этого усилия определяется выражением:

         ,                   (1.6)

  где  Т и N- соответственно касательная и нормальная

                         составляющие  сдвигающих усилий;

          F- удерживающее усилие, создаваемое сцеплением пород;

          a - угол между плоскостью скольжения и вертикальной

                линией;

          j - угол внутреннего трения.

    Рядом исследований установлено, что интенсивные деформации контура выработки и арочной крепи в замковых соединениях с прогибом верхняков отмечаются главным образом на участке, отстающем от забоя на 15-20 м, а начало влияния очистных работ проявляется на расстоянии 100-120 м впереди очистного забоя.

    В качестве мер сохранения устойчивого состояния сопряжения штрека с лавой на шахтах с неустойчивыми боковыми породами глубоких горизонтов, предложено проведение выработок увеличенной площади сечения с учётом возможных смещений пород и применения арочной крепи повышенной податливости [2,10]. Оптимальное сечение пластового штрека рекомендовано определять по формуле:

                  ,                                       (1.7)

  где  а - минимально допустимая Правилами безопасности ширина

               выработки по зазорам между крепью и движущимися

               сосудами, м;

          h - минимально допустимая высота выработки, м;

          K- коэффициент перевода квадратного сечения в сечение,

                 описываемое аркой;

          P- периметр выработки после максимального смещения

                пород внутрь выработки, м; 

          P- периметр выработки при прохождении в свету м;

          Dh- осреднённое максимальное смещение пород по контуру

                 выработки, м.

Вышеперечисленными ранее работами  предложено не только удерживать вмещающие породы от сдвижения в выработку, но и регулировать интенсивность этого процесса. Проэктно-техническими институтами разработана технология разгрузки подготовительной выработки камуфлетным взрыванием, скважинами или специальными выработками, позволяющая сократить трудоёмкость работ и затраты на поддержание основной подготовительной выработки в 3-5 раз. Исследованиями установлено, что применение стационарных усиливающих крепей различной конструкции в зоне влияния очистных работ - весьма рационально [2,11,12]. Работами [13,14,15,16] установлено, что при охране штрека угольными целиками сдвижение боковых пород начинается впереди лавы на расстоянии 5-6 м со скоростью 20-22 мм/сутки, а при применении сборных железобетонных тумб - на 10-12 м впереди лавы со скоростью 4-4,5 мм/сутки. Авторами предложено определять параметры искусственного целика исходя из несущей способности получаемого бутобетона, а также из условий его взаимодейсвия с боковыми породами. Размеры целика по восстанию пласта рекомендовано определять по формуле:

         ,                                                  (1.8)

      где      g  - объёмный вес пород почвы (25 кН/м);

                 m- мощность слоя почвы, м;

                  l- максимальный размер почвы по восстанию, м;

                  a- угол залегания пласта, градусов;

                  С - сцепление по контуру опоры с кровлей и почвой (29-

                         30 кН/м);

                  r- угол внутреннего трения (34°);

                  - коэффициент формы опоры;

                   q- давление массы пород непосредственной кровли,

                       кН/м;

 

                   f- коэффициент трения по наиболее ослабленному

                       контакту в толще пород почвы (0,2);

                   Т - сопротивление арочной крепи, кН.

     В работах [17,18,19] показано, что существенное значение при охране подготовительных выработок имеет скорость подвигания очистного забоя. Установлено, что для возникновения предварительной трещиноватости под воздействием горного давления требуется некоторый период времени. При больших скоростях подвигания забоя этот период времени недостаточен для растрескивания пород. Предложена корреляционная модель, описываемая уравнением:

                 ,                                         (1.9)

      где   t - средняя наработка на отказ, мес.;

              а, а, а- коэффициенты регрессии;

              x - влияющие факторы (мощность пласта, м; площадь поперечного сечения штрека, м; скорость подвигания забоя м/мес.).

         Автором работы [20] показано, что устанавливаемые околоштрековые опоры должны создавать условия, благоприятные для работы штрековой крепи, с сохранением первоначальной формы и сечения выработки, способствовать увеличению прочности вмещающих пород в приконтурном пространстве штрека.

   Рядом авторов предложена, с целью повышения устойчивости горных выработок, конструкция податливого анкера с постоянным сопротивлением в направлении растягивающих и крутящих усилий, что позволило снизить на 25-30% величину смещения на участке выработки, закреплённом арочной крепью и анкерами [21].

   В работе [22] выполнены исследования сжимания породных опор со свободными откосами. Установлены параметры и условия формирования ядра упругости.

   Автором магистерской работы в работе [2] аналитически обоснована и практически доказана эффективность применения крепей усиления различной конструкции. Для глубин разработки 800-1000 м область применения крепей усиления разделена на три группы. Деление на группы осуществляется по коэффициенту концентрации напряжений, при определении которого использован коэффициент крепости по шкале проф.  М.М. Протодьяконова:

                ,                                                                   (1.10)

   где     g - объёмный вес пород почвы, т/м;

             Н- глубина заложения выработки, м;

             f – коэффициент крепости по шкале проф.  М.М. Протодьяконова.

   При f >8 и К2,5-смещение не превышает 250-300 мм, при f=68 и К3,3-смещение составляет 400-450 мм, при f<6 и К4-величина смещений превышает 500-600 мм. Во втором и третьем случае необходимо применение в комплексе с арочной крепью крепи усиления.

      При значительном объёме поддерживаемых выработок в целом по угольной отрасли Украины (более 12000 км) 600 км ремонтируется и 800 км погашается. Подготовительные выработки, отслужившие свой срок, должны быть ликвидированы в кратчайшие сроки, с целью снижения затрат на их содержание в работоспособном состоянии. Процесс ликвидации подготовительных выработок связан с извлечением металла, который может быть безвозвратно потерян. Металлоёмкость выработок значительна и составляет 250-1000 кг/м [23].

      Таким образом, проведенный аналитический обзор исследовательских работ в области охраны подготовительных выработок угольных шахт показывает, что:

-         во-первых, для различных регионов Донбасса эти проблемы носят специфический характер и требуют в каждом типичном случае своего инженерного, аналитического и прикладного решений;

-         во-вторых, полученный целым рядом работ аналитический аппарат и практические рекомендации по охране горных выработок при переходе на глубокие горизонты (более 1000 м) нуждается в серьёзной трансформации применительно к новым горно-геологическим и геомеханическим условиям ведения горных работ.

 

1.3.         Пути совершенствования технологических способов охраны подготовительных выработок.

      Существо и содержание разделов 1.1 и 1.2 настоящей магистерской работы показывает, что охрана подготовительных горных выработок связаны с уровнем технологических решений, применяемых в горной практике в тех

или иных конкретных горно-геологических условиях. Применительно к условиям шахты им. Е.Т. Абакумова, в которых выполнена настоящая магистерская работа, состояние технологических вопросов охраны подготовительных горных выработок обобщённо сводится к следующему.

       Значительная глубина их проведения, наличие слабых вмещающих пород,  углы залегания угольных пластов переменной мощности (от 0,7-1,6 м).

       Для охраны подготовительных горных выработок, с учётом указанной выше специфики их эксплуатации, в перспективе предполагается использование следующих технологических направлений:

-         использование для охраны подготовительных выработок известных в отрасли конструкций на базе мягких оболочек – пневматических костров;

 

                                         

Рис. 1.1. Пневматический костёр 6ПМ-3, заполненный водой.

 

                  1-стенд, нагружаемый прессами гидравлическими ПММ-250

                  2-пневматический костер 6ПМ-3

                  3-стойка универсальная СУ, СУИ

                  4-манометр образцовый МГ

        5-вентиль запорный

-         использование технологических схем охраны нетрадиционными средствами - керамическими стойками;

 -  использование для охраны подготовительных выработок специальных полимерных рукавов, наполненных породой от прохождения выработки.

     Эти технологические инженерно-технические решения аналогов в практике охраны подготовительных выработок угольных шахт в мировом опыте не имеют. Вместе с тем, реализация их для условий шахты им. Е.Т. Абакумова представляется весьма перспективной. Исследованиям и обоснованию нетрадиционных технологических способов охраны подготовительных выработок шахты им. Е.Т. Абакумова  посвящена настоящая магистерская работа.

 

1.4.         Цель, задачи и методы исследований.

        Предыдущими разделами и аналитическими обзорами исследовательских работ установлено, что успешная эксплуатация подготовительных горных выработок требует технологического обоснования  крупной составляющей технологического цикла:    - охрана подготовительных выработок.

     Ранее отмечалось, что выполненный большой объём исследований, в области охраны подготовительных выработок на действующих глубинах ведения горных работ, нуждается в серьёзном аналитическом и прикладном углублении и развитии.

    Оценка результатов выполненных исследований в указанной области даёт основание утверждать о необходимости постановки научно-исследовательской работы, решающей технологические вопросы эксплуатации подготовительных выработок (охрана).

      Это обстоятельство, в сочетании с аналитической оценкой предыдущих разделов, объясняют технологическую правомочность постановки и выполнения настоящей магистерской работы, определяя её научную направленность и формулировку цели.

     Целью магистерской работы является разработка технико-экономических параметров новых способов и средств охраны подготовительных выработок угольных шахт Украины.

     Идея работы заключается в использовании проявления горного давления, в сочетании с физико-механическими свойствами массива горных пород на глубоких горизонтах, для разработки нетрадиционных технологических способов и средств охраны подготовительных горных выработок.

   Поставленная в работе цель достигается решением следующих задач:

-         обосновать параметры технологии охраны подготовительных выработок нетрадиционными технологическими средствами;

-         экспериментально определить перспективу применения разработанной нетрадиционной технологии охраны подготовительных выработок на шахте им. Е.Т. Абакумова;

-         обосновать эффективность применения разработанной нетрадиционной технологии, определив область её распространения.

 

               1.4.1. Методы исследований.

     Достижение поставленной цели и решение задач магистерской работы обеспечивалось следующими методами:

-         анализ и научное обобщение библиографий и опыта охраны подготовительных выработок угольных шахт;

-         аналитические исследования механики нагружения и прочности крепей усиления;

-         экспериментальные исследования на натурном стенде параметров средств реализации нетрадиционной технологии охраны подготовительных выработок;

-         экспериментальные исследования в шахтных условиях предлагаемой нетрадиционной технологии и средств её реализации.

 

                   Анализ и научное обобщение библиографии.

        Анализу и научному обобщению подвергались отечественные и зарубежные публикации в области охраны подготовительных выработок, авторские свидетельства и патенты, авторефераты диссертационных работ, отчёты научно-исследовательских, учебных и проектно-конструкторских институтов угольного профиля с глубиной научного поиска 10 лет.

 

                  Аналитические методы исследования.

      Аналитические методы исследования, используемые в настоящей работе, базируются на классических положениях строительной механики и сопротивления материалов для получения зависимостей, определяющих запасы прочности в основных технологических средствах предлагаемой нетрадиционной технологии.

 

Экспериментальные методы исследований.

      В качестве экспериментальных методов исследований в настоящей магистерской работе используются стендовые эксперименты по обоснованию параметров средств охраны подготовительных выработок различного технологического назначения.

     Условия стендовых исследований, проводимых на натурном полноразмерном стенде и прессах, полностью моделируют механику нагружения предложенных средств в реальных условиях.

   (Шахтная экспериментальная проверка результатов работы, выполняемая по единой методике экспериментальных исследований, окончательно определит параметры предлагаемой технологии и средств её реализации.)

     Результаты экспериментальных исследований обрабатываются известными методами математической статистики и теории вероятностей.

    Оценка сходимости результатов различных видов исследований (аналитических, стендовых, шахтных) проводится для определения перспективности применения предложенных автором технологии и средств её реализации на шахте им. Е.Т. Абакумова.

 

                        Объекты исследований.

      Объектами исследования являются подготовительные выработки шахты им. Е.Т. Абакумова, а также разработанные средства охраны подготовительных горных выработок.

    Целесообразно и обосновано завершение экспериментальных исследований подразделом, посвящённым разработке рекомендаций по применению предложенной технологии.

 

 

1.5.         Выводы.

-         Выполненным в настоящем разделе аналитическим обзором установлено, что созданная отечественной и зарубежной практикой технология охраны подготовительных выработок, в большинстве случаев, нуждается в трансформации к изменившимся с глубиной горно-геологическим и горнотехническим условиям проведения выработок.

-         Отдельные подготовительные выработки шахты вообще требуют специальной технологии охраны, особенно это проявляется в зоне влияния очистных работ комплексно-механизированных забоев.

-         Обоснование и разработка нетрадиционных технологических решений по охране горных выработок для каждого из типичных регионов Донбасса, вызывает необходимость постановки и выполнения специальных научно-исследовательских работ, комплексно увязывающих все технологические процессы подземных горных работ, связанных с эксплуатацией подготовительных выработок.

-         Приняв, в качестве объекта исследований, подготовительные выработки шахты им. Е.Т. Абакумова, а также базируясь на отечественном и зарубежном технологическом опыте их эксплуатации, установлена корректно обоснованная научно-технологическая возможность разработки нетрадиционной технологии охраны горных выработок.