Особенности поддержания выемочных выработок глубоких шахт.

Автор: Малышева Н.А.
Описание: Анализ опыта ведения горных работ на больших глубинах, повторное использование подготовительных вырабток.
Источник: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2002/fgtu/malysheva/library/article1.htm

Особенности поддержания выемочных выработок глубоких шахт Анализ опыта ведения горных работ на больших глубинах показывает, что применяемые в настоящее время способы сохранения устойчивости интенсивно деформируемых выемочных выработок /1 - 3/ не обеспечивают возможность эффективной их эксплуатации. Неудовлетворительное состояние выработок отрицательно влияет на работу транспорта, ухудшает условия проветривания, снижает безопасность при ведении горных работ. Развитие горных работ на больших глубинах обусловило качественные изменения и интенсификацию проявлений горного давления, что зачастую приводит к значительным деформациям и повреждению крепи подготовительных выработок и, как следствие, увеличению расходов на поддержание. Около 70% затрат на поддержание приходятся на транспортные и вентиляционные выработки, расположенные в зоне влияния очистных работ. В неудовлетворительном состоянии находится до 50%протяженности поддерживаемых выработок. Средняя трудоёмкость ремонта горных выработок по всем угольным шахтам Украины составляет 47.3% от трудоёмкости подготовительных работ, а в ГХК “Александрияуголь”–103.9%, “Павлоградуголь”–84.2%, “Донецкуголь”–62% и т. д.

В связи с постоянным ростом глубины разработки угольных пластов охрана выработок угольными целиками нерациональна, т. к. ведёт к значительным потерям угля, увеличению протяженности проводимых выработок, повышению затрат на их ремонт. Применение же целиков небольшой ширины приводит к неудовлетворительному состоянию подготовительной выработки. Так, например, расчетная ширина целика для охраны 10-го восточного откаточного штрека пласта m3 шахты имени 60-летия Великой Октябрьской социалистической революции ГХК “Октябрьуголь” составляет 39 метров (глубина 750 метров, мощность пласта 1.05-1.1 метра, угол падения 13 градусов). Паспортом ведения очистных работ 10-й восточной лавы предусматривается целик шириной 10 метров, а фактически оставляется целик 5-6 метров. В результате уже в 20 метрах позади лавы до 15-20% рам крепи требуют ремонта, а пучение почвы достигает 250-300 мм, что создает неудовлетворительные условия для работы подземного транспорта и водоотлива.

В последние годы широкое распространение получили бесцеликовые способы охраны подготовительных выработок, обусловившие возможность их повторного использования. Эффективность повторного использования подготовительных выработок при бесцеликовой технологии ведения горных работ убедительно доказана в работах ВНИМИ, ДонУГИ, МГИ, ИГД им. А.А.Скочинского и др. Необходимость повторного использования выработок обусловлена стремлением снизить объёмы подготовительных выработок, затраты на проведение которых ложатся на себестоимость угля, которая сейчас в Донбассе превышает рыночную цену. Кроме того, повышение метанообильности очистных забоев и выемочных участков с увеличением глубины работ потребовало применение прямоточных схем проветривания с подсвежением и отводом исходящей струи в сторону выработанного пространства, для чего повторное использование выработок является обязательным условием. Однако повторно используемые выработки поддерживаются в самых неблагоприятных горнотехнических условиях, основными из которых являются значительные смещения пород в зоне влияния очистного забоя и в выработанном пространстве.

Характерной особенностью эксплуатации поддерживаемых за лавой выработок является большая величина смещений пород на их контуре, что приводит к разрушению крепи. Переход горных работ с 500 до 1000 метров вызвал почти трёхкратное увеличение смещений боковых пород. Широкое распространение для охраны подготовительных выработок в Донбассе получили породные бутовые полосы, основным достоинством которых является возможность оставления породы в шахте. Однако высокая трудоёмкость возведения полос вручную, значительный расход крепёжного леса при широких полосах, а также большая их податливость при ручной или скреперной выкладке (до 50%) снижают эффективность их применения. Так на шахте имени 60-летия ВОСР при работе 10-й восточной лавы пласта m3 вентиляционный штрек, проводимый вслед за лавой вприсечку к выработанному пространству, охранялся бутовой полосой, возводимой скреперной установкой. Штрек проводился БВР с верхней подрывкой и породы кровли, представленные песчаными сланцами и песчаником, не позволяли достичь высокой плотности полосы. В результате усадка полосы достигает 40-50% при обрушении основной кровли происходила осадка массива пород по контуру выработки и всё давление толщи пород ложилось на присечной целик и крепь выработки. Целик под действием повышенного давления раздавливался, вызывая наряду со смещениями кровли большие смещения бока выработки со стороны целика, существенно осложняя работу транспорта. По данным исследований ДонУГИ более 20% протяженности выработок, охраняемых породными полосами, находятся в неудовлетворительном состоянии

Применение закладочного комплекса “Титан-1” позволяет в значительной степени повысить эффективность поддержания выработок за счет повышения плотности породной полосы и снижения её усадки. Увеличение объёма применения столбовой и комбинированной систем разработки с поддержанием штреков за лавой обусловило выполнения значительного объема работ, направленных на создание искусственных околоштрековых ограждений. Наименее трудоёмкими являются способы охраны деревянными кострами и чураковыми стенками, но их малая несущая способность и большая податливость приводят к значительным смещениям пород кровли выработки и ограничивает их применение на больших глубинах.

На шахте “Рассвет” ГХК “Октябрь- уголь” при работе 9-й западной лавы пласта l3 обратным ходом конвейерный штрек (глубина 540м, мощность пласта 1.2м, угол падения 16 градусов) охранялся деревянными кострами и рядом органной крепи. Большая податливость костров привела к вывалообразованию у контура штрека. В итоге все деревянные ремонтины были поломаны и штрек потерял 35-40% площади сечения. Более высокой несущей способностью обладают накатные костры, бутокостры, кустокостры, органные ряды, а также костры из шпального бруса, заполненные породой, но податливость этих сооружений также высока (до 30%). Кроме того, их малая эффективность обусловлена отсутствием начального распора, а также повышенным расходом материалов, большей трудоёмкостью возведения. В последние годы для охраны выемочных выработок получили распространение опоры высокой прочности и ограниченной податливости – тумбы из железобетонных блоков БЖБТ, способные воспринимать усилия до 100кН на 1 метр выработки. По данным ДонУГИ 18.8% выработок, охраняемых БЖБТ, находятся в неудовлетворительном состоянии. Эффективность их снижается при наличии в кровле мощных труднообрушающихся пород. Недостатками этого способа являются неравномерность нагружения тумб вследствие неровностей поверхности кровли, низкая устойчивость тумб при мощности пласта более 1.5 м, неравномерная податливость тумб, обусловленная не всегда высоким качеством работ по их сооружению.

На шахте “Рассвет” при работе 8-й “бис” восточной лавы пласта l3 откаточный штрек охранялся сочетанием деревянных костров с двумя рядами тумб БЖБТ. Различная податливость тумб при волнистой кровле вызвала образование трещин в кровле параллельно линии очистного забоя и относительные смещения отдельных блоков пород кровли. Это привело к неравномерной пригрузке крепи выработки, поломам арочной крепи и крепи усиления. С середины 60-х годов на шахтах Германии и Великобритании, а спустя 20 лет и в нашей стране опробован и применяется способ охраны подготовительных выработок литыми околоштрековыми полосами из твердеющих материалов. В качестве твердеющего материала используется строительный бетон или быстротвердеющие фосфогипс, природный или искусственный ангидрит. Этот способ охраны устранил ряд вышеуказанных недостатков. Обладая высокой прочностью и заполняя все неровности кровли и почвы, материал создаёт равномерно нагружаемую опорную конструкцию с высокой несущей способностью, обеспечивая благоприятный режим её работы и работы крепи выработки. Литая полоса достаточно быстро набирает свою несущую способность [1] и более качественно работает в роли обрезной крепи, что снижает давление на крепь выработки от зависающих породных консолей. Литые полосы обладают высокой жесткостью, поэтому их применение снижает конвергенцию пород кровли, что существенно снижает расслоение пород кровли, создающих нагрузку на крепь выработки. Промышленное внедрение этого способа охраны на шахтах Донбасса показали его явную эффективность.

Однако остаётся ряд нерешенных проблем, снижающих эффективность применяемых способов охраны. Например, актуальна проблема своевременного возведения охранных сооружений, т. к. они возводятся в зоне максимальной интенсивности смещений пород и зачастую не успевают развить сопротивление для предотвращения расслоения приконтурных пород кровли. В качестве решения этой проблемы предлагается идея использования в сочетании с литой полосой пневмокостров или гидравлических тумб “Спутник”, которые должны создать начальный распор породам кровли до окончательного затвердевания литой полосы. Также предлагается возведение охранных сооружений высокой жесткости впереди очистного забоя в зоне, где породный массив ещё не испытал опорного давления лавы, а также разрабатывается вариант возведения охранных сооружений в период проведения выработки. Все предлагаемые решения требуют детального научного исследования и промышленной апробации. Другая серьёзная проблема связана с тем, что применение охранных сооружений высокой жесткости и прочности приводит к появлению в породах почвы повышенных напряжений, сказывающихся на повышении вероятности и величины пучения. В результате увеличивается необходимость в проведении мероприятий по предотвращению пучения. Успешный опыт применения деревянных и гидравлических стоек в качестве крепей усиления позволил говорить о том, что пучение в значительной мере зависит от величины пролёта обнаженных пород почвы. Следовательно, можно предполагать, что изменение параметров и геометрии расположения охранных сооружений в выработанном пространстве вблизи подготовительной выработки можно будет добиться если не предотвращения, то значительного уменьшения величины пучения пород почвы.

Совершенствование технологии возведения литых полос должно быть направлено на более качественного заполнения выработанного пространства при минимальном расходе закладочного материала. При выборе материала литой полосы необходимо подобрать прочность, близкую к прочности вмещающих пород, т. к. в противном случае имеет место вдавливание полосы в кровлю или почву или её разрушение. Следует отметить, что рассмотренные способы крепления и охраны подготовительных выработок, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ, достаточно широко применяются в условиях глубоких шахт и их применение не позволяет в полной мере снизить негативные проявления горного давления и высокие затраты на ремонт и перекрепление выработок. Это объясняется значительным несоответствием параметров охранных сооружений специфике проявлений горного давления в условиях больших глубин разработки.

Для совершенствования существующих и разработки новых способов охраны, а также для обеспечения возможности прогнозирования горнотехнической ситуации на выемочном участке в плане охраны подготовительных выработок необходимо разработать универсальную методику сравнению эффективности применяемых технологических решений.