Источник: http://www.rosugol.ru/
УДК 622.273 ? Г.Г.Штумпф, Н.М.Хвещук, А.В.Сурков, 2001
Г.Г.ШТУМПФ
Д-р техн. наук, проф.
(КузГТУ)
Н.М.ХВЕЩУК
Горный инж.
Директор Шахты “Полысаевская” УК “Кузбассуголь”
А.В.СУРКОВ
Д-р техн. наук
Начальник Кузнецкого управления Госгортехнадзора России
На шахтах Кузбасса около 20% угля добывают из мощных
пологих и наклонных пластов. С освоением в ближайшие годы проектной
мощности действующих шахт в Ерунаковском геолого-экономическом районе
добыча угля из мощных пластов возрастет в бассейне до 26-28%. Мощность
примерно 88% пластов этой группы составляет от 3,6 до 5 м и их
отрабатывают без разделения на слои с применением механизированных
комплексов.
Подготовительные выработки проводят с оставлением угольных пачек (толщ)
мощностью до 1,6-2 м у кровли или почвы, или одновременно у кровли и
почвы пласта. Оставление в кровле и почве выработок угольных пачек
приводит к существенному снижению их устойчивости и безопасности
эксплуатации, увеличению потерь угля, осложнению работы
механизированных комплексов на сопряжениях лавы с выемочными штреками.
Сохраняемые подкровельные и надпочвенные угольные пачки особенно
затрудняют эксплуатацию выемочных штреков столбов, которые составляют
78-80% общей протяженности проводимых выработок по мощным пологим и
наклонным пластам в условиях шахт бассейна. В зонах опорного давления
очистных работ подкровельные пачки довольно часто теряют связь с
кровлей пласта и обрушаются на крепь, а надпочвенные пачки
выдавливаются внутрь выработок. По этой причине нарушается устойчивость
выработок и до 15-20% из них приходится ремонтировать и перекреплять,
хотя нагрузка на крепь зачастую меньше ее несущей способности.
Проведение выработок с оставлением у кровли угольной пачки частично или
полностью (в зависимости от ее мощности) исключает возможность
крепления их сравнительно экономичной анкерной крепью. Кроме того,
площадь сечения выемочных штреков, составляющая в подавляющем
большинстве 10-13 м2, зачастую сдерживает рост добычи угля в лавах по условиям проветривания и транспорта. Уголь
подкровельных и надпочвенных пачек в выработках является также
потенциальным очагом эндогенных пожаров в выработанном пространстве, о
чем свидетельствует опыт горных работ на шахтах бассейна.
В связи с большими недостатками способов проведения и эксплуатации
подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам с
оставлением угольных пачек в кровле или почве авторами выполнены в
последние годы работы по разработке способов и средств повышения
устойчивости выработок по этим пластам и безопасности
горно-подготовительных и очистных работ. Сущность работ заключается в
обосновании эффективных и надежных способов и средств проведения
выработок, прежде всего выемочных штреков столбов, высотой на полную
мощность пластов. Для этого проводили специальные инструментальные и
визуальные наблюдения в выработках по мощным пластам на шахтах
Ленинского, Беловского и Ерунаковского районов бассейна и лабораторные
испытания механических свойств боковых пород пластов и прочности
закрепления в них анкеров.
Наблюдения показали, что главными факторами влияющими на проявление
горного давления и устойчивость подготовительных выработок по мощным
пологим и наклонным пластам, являются размещение выработок относительно
боковых пород, мощность пачки угля, оставляемой в кровле и почве
выработок, мощность пласта, прочность вмещающих пород и угля, глубина
расположения, площадь сечения и способ охраны выработок от влияния
очистных работ. Наиболее опасно деформируется и разрушается уголь
подкровельной пачки пластов в выработках, расположенных на глубине
более 250-300м и охраняемых от выработанного пространства целиками угля
(обычно шириной до 15-20м). Смещение, расслоение и отделение подкровельной пачки угля происходит по двум схемам:
первой – угольная пачка и породы кровли пласта смещаются как единая
толща с расслоением угля и породы от контура выработки в глубь массива;
второй – угольная пачка, как почти единое целое, отделяется от породы
кровли пласта и деформируется и разрушается под воздействием
смещающейся кровли пласта. По первой схеме происходит смещение и
расслоение угольных пачек, обычно разнородных по составу и строению,
сила сцепления внутри которых меньше силы сцепления угля пачки на
контакте с породами кровли пласта, по второй, – когда сила сцепления
угольной пачки на контакте с породами кровли меньше силы сцепления угля
в пределах пачки.
Отделение от кровли пласта и обрушение угольных пачек практически
единой толщей наиболее опасно при мощности пачки более 1,5-1,6м и
плохой забутовке закрепного пространства. При этом зачастую происходят
сдвиг и нарушения крепи и вывалы разрушенного угля в выработки. Пачки
угля, оставляемые в почве выемочных штреков и других выработок, в
основном разрушаются и выдавливаются внутрь выработок в зоне
повышенного опорного давления очистных работ. Особенно интенсивно пучит
уголь пачек мощностью до 0,6-0,7м.
На рис.1 приведены характерные графики смещений кровли в выемочных
штреках по мощным пологим и наклонным пластам на глубине расположения
320-350м, пройденных без оставления и с оставлением у кровли пласта
пачки угля мощностью 1,4-1,8м и графики смещений почвы без оставления и
с оставлением над почвой пласта пачки угля мощностью 0,6-0,8м под
влиянием очистных работ. Выработки охранялись в массиве угля и
погашались за очистным забоем, крепь трапециевидная из СВП-17, шаг
установки рам 0,8м.
Рис. 1. Характерные графики смещений кровли (а) и почвы (б) в выемочных штреках:
1 – при оставлении угольной пачки; 2 – без оставления угольной пачки
Данные рис.1 показывают на существенно
различные смещения угольных пачек, оставленных у кровли и почвы пласта
и опасные деформации пачек угля.
На шахтах осваиваемого Ерунаковского района (ИК “Соколовская” и др.)
горные работы ведут на глубине до 200м. В этих условиях смещения кровли
и почвы в выемочных штреках по мощным пластам, охраняемых в массиве
угля и погашаемых за очистным забоем, составляют за срок их службы от
30 до 70мм, смещения угля в боках – от 11 до 42мм, протяженность зоны
опорного давления впереди забоя лавы – от 12 до 28м. В выемочных
штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиком угля
шириной 10-15м, смещения кровли и почвы, отжим угля в боках и
протяженность зоны опорного давления впереди забоя лавы, при прочих
равных условиях, в 1,2-1,4 раза больше, чем в штреках, охраняемых в
угольном массиве. Исключение составляют штреки и другие выработки,
проводимые в слабых и очень слабых породах вблизи выходов пластов под
насосы. Для условий района получены впервые данные по проявлению
горного давления и устойчивости подготовительных выработок.
В условиях шахт Ленинского и Беловского районов (глубина горных работ
200-400м) смещения кровли и почвы в выемочных штреках по мощным
пластам, поддерживаемых в массиве и погашаемых за очистным забоем,
составляют за срок службы от 70 до 135мм, смещения угля в боках - от 40
до 80мм, протяженность зоны опорного давления впереди забоя лавы – от
22 до 34м. В штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства
целиком шириной 10-16м, смещения кровли, почвы и угля в боках, при
прочных равных условиях, в 2-3 раза больше, протяженность зоны опорного
давления впереди лавы – 1,3-1,6 раза больше, чем в штреках, охраняемых
в массиве угля и погашаемых за лавой.
В монтажных камерах шириной 6-6,5м, проводимых на полную мощность
пласта (4-5м), с боковыми породами прочностью при сжатии 50-70МПа,
смещения кровли и почвы за срок их службы (обычно не свыше 5-6 мес.)
составляют не более 70 мм, боков – 25мм. Со стороны боков камер
смещения кровли и почвы в 1,8-2,1 раза меньше, чем посредине.
Анализ результатов шахтных наблюдений и накопленного практического
опыта показывает на целесообразность и эффективность проведения
выемочных штреков, других выработок по мощным пологим и наклонным
пластам (до 5м) высотой, равной мощности пласта. При этом повышается
устойчивость выработок и безопасность их эксплуатации, сокращаются
потери, упрощаются работы на концевых участках лавы, отпадает
необходимость в косых съездах механизированных комплексов (обычно
протяженностью 10-13м) из-за различной высоты выемочных штреков и
очистной выработки. Кроме того, проведение выработок без оставления
угольной пачки у кровли пласта позволяет их крепить анкерной крепью.
При оставлении угольной пачки их крепят обычно металлической рамной
крепью, так как опасные деформации угля в зоне опорного давления
очистных работ приводят к разгрузке анкеров и потере их
работоспособности. При проведении выработок на полную мощность пласта
смещение кровли и почвы в них в 2-3 раза меньше (при прочих и равных
условиях), чем при проведении с оставлением угольных пачек в кровле или
почве.
Выявлены условия, в которых проведение выработок на полную мощность
пласта невыгодно и не рекомендуется: породы непосредственной почвы
пласта, обычно мощностью не более 0,5-0,6м, очень слабые, склонны к
интенсивному пучению, и прочность их меньше прочности угля надпочвенной
пачки пласта; непосредственно у кровли или почвы пласта, или
одновременно у них, залегает пачка угля небольшой мощности, обычно до
0,5-0,6м, а над ней или под ней прослоек из пород средней прочности и
прочных мощностью 0,35-0,4м и более; пачка угля у кровли пласта
существенно размыта и размывы заполнены в основном слабосвязными и
рыхлыми породами.
В первом случае эффективно проводить выработки и отрабатывать столбы с
оставлением в почве пласта угольной пачки, в основном мощностью
0,5-0,6м. При этом предотвращается пучение маломощного пучащего слоя
непосредственной почвы пласта и обеспечивается нормальная работа
механизированных комплексов в лавах. Во втором случае экономически
выгодно выработки проводить, а столбы отрабатывать с оставлением
подкровельной или надпочвенной пачки угля и породного прослойка
непосредственно под или над ним. При этом породный прослоек служит
кровлей или почвой вынимаемой части пласта. При таком порядке отработки
пластов (Полысаевский-2, Сычевский-1, Сычевский-4 и др.) в условия шахт
Кузбасса снижаются зольность добываемого угля на 6-16% и затраты на его
выемку, транспортирование и обогащение на 12-18%. Участки с
интенсивными размывами пластов у кровли (в подавляющем большинстве
пачки мощностью до 0,4-0,6м местами на выходах пластов под наносы),
заполненными слабосвязными породами, рекомендуется подготавливать и
отрабатывать с оставлением угольной пачки у кровли пласта, обычно
мощностью 0,5-0,7м.
Площадь сечения монтажных камер механизированных комплексов по пластам
мощностью 3,8-5м, проводимых на полную мощность пласта, составляет в
основном 19-30м2 , выемочных штреков столбов – 16-25м2.
Накопленный опыт и выполненные исследования показывают, что с
использованием отечественного горнопроходческого оборудования
(комбайнов и др.) и, в особенности, по условиям трудоемкости возведения
крепи и безопасности работ, выработки высотой более 3,8м наиболее
целесообразно проводить в два слоя в нисходящем порядке и крепить их в
такой же последовательности. В выработках повышенной высоты особое
значение имеют вопросы обеспечения устойчивости боков выработок. Для
выявления более устойчивой формы поперечного сечения выработок по
мощным пластам проводили шахтные наблюдения с использованием контурных
и глубинных реперов. Полученные при этом результаты показывают, что
выемочные штреки, монтажные камеры и другие выработки внутри столбов на
глубине до 180-200м от земной поверхности целесообразно проводить с
прямыми боками как при креплении их рамной, так и анкерной крепью. На
глубине расположения более 200-250м, в особенности при низкой прочности
углей, выемочным штрека, монтажным камерам и другим выработкам,
закрепляемым анкерной крепью, наиболее выгодно придавать форму
перевернутой трапеции с большим основанием в кровле и с наклоном их
боков в сторону массива или целиков под углом 84-86о. При
таком угле наклона боков выработок высотой 3,5-5м ширина их в кровле
превышает ширину в почве на 0,5-0,8м. Дополнительные затраты на
расширение выработок у кровли пласта на указанную величину значительно
меньше затрат, связанных с предотвращением сползания и обрушения угля и
обеспечением безопасного состояния и обрушения угля боков выработок.
При перевернутой трапециевидной форме поперечного сечения смещения угля
в боках выемочных штреков на уровне кровли за срок службы в 1,5-2 раза
меньше, чем при прямых боках штреков и значительно повышается
безопасность горнопроходческих и эксплуатационных работ.
Самым трудоемким процессом при проведении горизонтальных и наклонных
подготовительных выработок, в особенности высотой более 3,5м является
крепление их рамной крепью, которое практически полностью выполняется
вручную. Наиболее прогрессивным техническим решением в этой области
является крепление выработок металлической анкерной крепью, имеющей
большие технико-экономические преимущества перед всеми типами рамных
крепей. По данным лабораторных испытаний предел прочности на сжатие
пород кровли более 80% мощных пологих и наклонных пластов в Кузбассе
составляет от 40 до 130МПа и прочность закрепления в них
сталеполимерных анкеров диаметром 20-24мм, 90-120кН. При этих нагрузках
смещение анкера в шпуре колеблется от 0 до 6мм. Прочность закрепления
анкеров в угле пластов – 50-60 кН.
Инструментальными наблюдениями получены предельные величины безопасного
смещения (опускания) заанкерованных пород кровли в выемочных штреках и
монтажных камерах за срок службы (в основном не более 2,5 лет) по
мощным пологим пластам (рис.2).
Рис. 2. Графики зависимости предельных величин безопасного смещения заанкерованных пород кровли в монтажных камерах (1) и выемочных штреках (2) от их ширины
Глубина расположения выработок 200-280м, прочность
пород кровли на сжатие 46-50МПа, выработки охранялись в массиве угля и
погашались за очистным забоем, длина анкеров 2-2,4м, плотность
установки 1 анкер на 0,75-0,8м2.
Из рис.2 следует, что в интервале ширины 3,8-5м предельные величины
безо- пасного смещения заанкерованных пород кровли в монтажных камерах
на 20-30 мм меньше, чем в выемочных штреках. Обусловлено это различным
влиянием очистных работ на выработки.
На основе результатов шахтных наблюдений обоснована возможность и
эффективность крепления деревянными анкерами боков выемочных штреков,
монтажных камер и других выработок по мощным пологим и наклонным пастам
с небольшим сроком службы (обычно до 2-2,5 лет), охраняемых в массиве
угля и погашаемых за очистным забоем. По данным шахтных и лабораторных
испытаний, рекомендуются анкеры диаметром 40-42мм из сухой сосны и
лиственницы. Прочность их закрепления в угольных пластах 18-21кН, в
алевралитах – 19-25кН, в песчаниках - 16-18кН. При замоноличивании
замковой части анкеров химическими вяжущими материалами прочность их
закрепления в угольном массиве возрастает в 1,5-2 раза. Деревянные
анкеры в боках выемочных штреков (а также монтажных камер при выемке
угля первых циклов в лавах) легко разрушаются исполнительным органом
очистного комбайна, что существенно упрощает по сравнению с
металлическими анкерами выемку угля на сопряжениях штреков с лавой.
Выполненные исследования и накопленный опыт в последние годы показывают
на возможность и эффективность крепления 80-85% всех подготовительных
выработок по мощным пологим и наклонным пластам на шахтах Кузбасса
анкерной крепью и около 10-12% анкерной в сочетании с металлической
рамной. Комбинированную крепь наиболее целесообразно возводить в два
этапа – при проведении выработок (главным образом вне зоны влияния
очистных работ) – анкерной, затем, перед попаданием их в зону влияния
очистных работ, дополнительно рамной.
В 2000 г. на шахтах Кузбасса из общей протяженности, пройденных
подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам,
отработанным без разделения на слои, анкерной крепью закреплено 72,6%,
а в целом на шахтах бассейна 46,1% (212км). На шахтах
Прокопьевско-Киселевского района анкерной крепью закреплено всего 2,5%
(4,8км) из всего объема пройденных здесь за год выработок (192,2км), на
всех же остальных шахтах бассейна – 77,5%. На ряде шахт объем
выработок, закрепленных анкерной крепью, составляет 96-100%
(“Распадская”, им.Кирова, “Колмогоровская”, “Юбилейная”, “Заречная”,
“Новая” и др.).
Дальнейшее увеличение объема (всего до 75-80% по геомеханическим
и горнотехническим условиям) и эффективности применения анкерной крепи
в подготовительных выработках на шахтах Кузбасса, а также повышенная
безопасность работ, связанных с ее использованием и эксплуатацией,
требуют главным образом создания и выпуска высокопроизводительных и
надежных средств бурения шпуров под анкеры (длиной до 3-3,5м) и
механизации их установки.