В практике ведения очистных работ при разработке тонких крутопадающих пластов мощностью менее 0,7 м наибольшее распространение получила технологическая схема перемещения очистного забоя по простиранию пласта.
В качестве выемочных машин в этих технологических схемах используются отбойные молотки, комбайны, струги, гидроимпульсные установки.
При этом, в зависимости от ориентации забоя в плоскости пласта по отношению к линии его падения, различают три варианта расположения забоя:
- диагональный с опережением верхней части лавы ("опрокинутый" забой);
- диагональный с опережением нижней части лавы ("нависающий" забой);
- по линии падения пласта ("вертикальный" забой).
В зависимости от горно-геологических условий и применяемых средств механизации
очистных работ предпочтительными может оказаться то или иное положение забоя.
Опрокинутый забой имеет то достоинство, что при разработке пластов, склонных к
газодинамическим явлениям (ГДЯ), в определенной мере снижается влияние гравитационных сил на развязывание
внезапных выбросов и обрушений угля. В этом забое обеспечивается надежный контакт исполнительного органа с угольным массивом.
Для создания необходимых напорных нагрузок выемочных машин пассивного и активного действия
на угольный массив требуется введение дополнительных конструктивных элементов. Для этой цели в конструкцию выемочного оборудования вводится
опорно-направляющий элемент в виде каната (цепи), растянутого по всей длине лавы от нижнего до верхнего штрека
и связанного подвижно с исполнительным органом (стругом, комбайном или гидроимпульсной установкой).
Это позволяет при обводненных и неустойчивых боковых породах, при выемке невыбросоопасных пластов с устойчивой угольной
консолью, применять нависающий угольный забой. При этом часть обрушающихся в выработанном пространстве боковых пород
могла размещаться в нижней части лавы, если таковая располагалась под углом естественного откоса этих пород, и не
препятствовать процессу выемки угля. В этом случае могут наблюдаться случаи нарушения сплошности боковых пород над и под
угольным пластом. При нависающем забое требуется немедленная выгрузка отбитого угля из лавы, в противном случае
неизбежны большие эксплуатационные потери и скопление закладочного массива в выработанном пространстве, что не приемлемо
при разработке защитных пластов.
С точки зрения эффективности применения средств выемки выбор расположения забоя
предопределяется стремлением использовать такие благоприятствующие отбойке угля факторы, как отжим и кливаж угля.
Однако, в условиях нависающего забоя, при обеспечении необходимых напорных усилий на забой требуется весьма значительная
величина натяжения опорно-направляющего элемента. По данным эксплуатации различных конструкций опорно-направляющих
элементов величина предварительного натяжения должна быть не менее 50 тс.
До настоящего времени вопрос формы забоя в плоскости пласта в технологических схемах безлюдной
выемки окончательно не решен. В подавляющем большинстве случаев специалисты в области безлюдной выемки придерживаются точки
зрения, что криволинейное очертание очистного забоя позволяет:
- обеспечить необходимые напорные нагрузки на угольный массив за счет прижа-тия исполнительного органа
выемочной машины к забою опорно-направляющим элементом;
- повысить темпы ведения очистных работ, что окажет положительное влияние на процесс управления горным давлением в забое,
а в отдельных случаях может обеспечивать выемку угля без крепления призабойного пространства и, соответственно, без присутствия людей
в очистном забое. Наиболее полно эти предпосылки получили свое практическое выражение в технологических схемах безлюдной
выемки угля с применением струговой установки УТС, комплекса КБК и комплекса оборудования комбайновой выемки ДГИ,
длительные шахтные испытания которых не подтвердили правильность указанных исходных предпосылок.
Наиболее важные факторы, предопределяющие форму забоя, при применении в качестве опорно-направляющих
элементов тяжелых упругих нитей, которые в современной горной механике представлены тяговыми цепями струговых установок
и скребковых конвейеров, либо канатами подъемных установок.
К этим факторам следует отнести:
- угол падения пласта;
- сопротивляемость угля резанию;
- расположение забоя в плоскости пласта;
- наклонная высота этажа;
- упругие свойства, вес и предварительное натяжение опорно-направляющего элемента;
- габаритные размеры и вес исполнительного органа;
- размещение приводных и натяжных устройств;
- режим работы выемочной машины.
Устойчивость обнажений кровли и почвы при отсутствии крепления в очистном забое представляет
собой способность боковых пород не обрушаться в течении определенного периода. Недостаточная изученность поведения боковых
пород и вопросов проявления горного давления при разработке угольных пластов с применением гидроимпульсной установки, на
глубоких горизонтах во многих случаях подменяется необоснованными предположениями об идеальности и неизменности
горно-геологических условий, а также поведения боковых пород при выемке угля на протяжении всего выемочного участка
(постоянство мощности пласта, состава и структуры вмещающих пород и их физико-механических свойств). Предполагается, что,
изменяя отдельные технологические параметры, например, увеличивая скорость подвигания очистного забоя (10-12 м/сутки),
измененяя направление выемки угля (по падению и восстанию) и пространственное расположение очистного забоя, удастся
увеличить устойчивость пролетов боковых пород, уменьшить расслаиваемость их и тем самым обеспечить наличие необрушаемой
консоли над призабойным пространством, уйти от завала и обрушенных пород, т.е. в конечном итоге обеспечить выемку угля без
крепления.
Исследования по определению устойчивых обнажений и сокращению консолей над призабойным
пространством путем увеличения скорости подвигания очистного забоя до 12 м/сутки показали, что при условии наплывов
глинистого сланца или линзовидных включений при устойчивых породах непосредственной кровли возможно добиться сохранения
консолей необходимых размеров в призабойном пространстве при определенных соотношениях мгновенно образованных пролетов и
принятой ширине камер, ширине оставляемых угольных целиков и сравнительно высокой скорости подвигания очистного забоя.
Наряду с этим, исследования показали, что отставание или замедление деформации боковых пород
и угля при сравнительно больших скоростях подвигания очистного забоя (>10 м/сутки), необходимых для достижения устойчивых
площадей обнажения и консолей над призабойным пространством, вызывает перенапряжение в боковых породах и угле, а так же их
хрупкое разрушение по линии забоя или с некоторым опережением.
Учитывая значительное количество факторов, влияющих на обрушение кровли, устойчивость обнаженных
площадей боковых пород, теоретическое установление качественных оценок оптимальных параметров скорости подвигания очистного
забоя, устойчивых обнаженных площадей и консолей над призабойным пространством весьма затруднительно или практически
невозможно. Поэтому для каждого забоя на одном и том же пласте их необходимо подбирать опытным путем, что не исключает
завалов призабойного пространства и его восстановление с присутствием человека на аварийном участке.
Достижение устойчивых пролетов в забоях за счет оставления угольных целиков приводит к
образованию стационарных зон опорного давления на соседних пластах, что особенно небезопасно для пластов опасных по
выбросам, обрушению угля и горным ударам. Наряду с этим на глубоких горизонтах требования к прочностным свойствам боковых
пород увеличились в два раза. Поэтому объемы применения технологии выемки угля без крепления, при прочих равных условиях, к
настоящему времени резко сократились.
Учитывая отсутствие угольных пластов без наличия местных наплывов и линзовидных включений в
боковых породах, а также принимая во внимание требования по безопасности и эффективности отработки пластов в свитах, не
представляется возможным на данный период осуществить выемку угля без крепления призабойного пространства при неизменности
агрегатного состояния самого угля.
На основании опыта разработки крутых пластов Донбасса с применением выемочных машин активного
действия предложена эмпирическая формула для определения времени устойчивого обнажения в очистном забое при
механизированной выемке угля:
, мин;