Содержание

УДК 622.012.2:622.273.23

ФАКТОРЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПОВЫШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ НА ГЛУБОКИХ ШАХТАХ

Б.А. Грядущий, докт. техн. наук, Сугаренко Г.Г. канд. техн. наук, Алиев Н.А. канд. техн. наук (ОАО НИИГМ имени М.М. Федорова) Сальников Ю.В. инженер, директор ОАО «Углестрой»

      Проблема интенсификации процесса добычи полезных ископаемых является важнейшей при планировании строительства новых горнодобывающих предприятий, их реконструкции и развитии в течение всего срока существования, т.к. именно от успешного решения возникающего комплекса технических, технологических и организационных задач зависят, в конечном счете, стоимостные кондиции, т. е. конечный результат их деятельности.
      Отличительной особенностью горного производства, определяющей конкретное содержание комплекса технико – технологических решений, является непрерывное изменение горно-геологических и горнотехнических условий при нестационарном положении исходного звена технологической цепочки - очистного забоя, что создает дополнительные осложнения. В этой связи необходимо заметить, что общее повышение уровня интенсивности отработки запасов в первую очередь определяется возможностями повышения нагрузки на очистной забой, т.е. применительно к пластовым (угольным) месторождениям - нагрузки на лаву.
      В свою очередь, обеспечение высокого уровня нагрузки на лаву предполагает безусловное соответствие условий ее работы ряду требований, соблюдение которых обеспечивает как собственно количественные показатели отработки, так и стабильно высокий уровень количественных и качественных показателей. Перечень таких условий достаточно детально рассмотрен в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях. Вместе с тем, на наш взгляд, следует подчеркнуть, что наиболее значимыми условиями являются соответствие применяемых технических средств (механизированные очистные комплексы) условиям применения и полная увязка всех звеньев технологической цепи от очистного забоя до поверхности по производительности и надежности. Кроме того, большое значение имеет также выбор системы разработки. Практика применения высокопроизводительных очистных комплексов как на шахтах Украины, так и за рубежом однозначно свидетельствует о том, что высокая суточная нагрузка может быть, как правило, стабильно достигнута только в случае п рименения столбовой системы разработки, в то время как известные случаи достижения высокой нагрузки на лаву при сплошной системе разработки носят единичный характер и получены в экспериментальном порядке при хорошей разведанности параметров залегания пласта, отсутствии геологических нарушений, специальной подготовке (т.н. “установка на рекорд”) и т.д.
      При дальнейшем изложении и анализе принято считать, что в условиях эксплуатации отечественных и зарубежных (Германия, Польша) шахт нормальным уровнем нагрузки на лаву является показатель 2000 - 5000 т. товарного угля в сутки, в зависимости от вынимаемой мощности пласта. На отечественных шахтах, несмотря на использование весьма совершенных механизированных очистных комплексов нового поколения (КД 80, КД 90 и др.) с высоким потенциалом, указанный уровень нагрузки не всегда обеспечивается, в то время как на зарубежных считается обычным. Учитывая, что потенциал применяемой очистной техники на отечественных шахтах не уступает зарубежным образцам, а в некоторых моментах превосходит их, а также то, что до настоящего времени не установлено существенного влияния увеличения глубины отработки на условия в лавах, по крайней мере, в интервале глубин 200...1400 м [1], то причины такого разрыва в показателях следует искать в последующих звеньях технологической цепи.
      В целях упрощения дальнейшего анализа представилось целесообразным временно исключить из рассмотрения следующие звенья технологической цепи:
      - поверхностный комплекс, включая обогатительную фабрику;
      - подъем по вертикальному стволу;
      - транспорт по капитальным выработкам;
      - транспорт по наклонным выработкам;
      -общие вопросы вентиляции и теплового режима,
      При решении этой задачи ограничимся пределами выемочного столба. Таким образом, следующим (после очистного забоя) звеном технологической цепи оказывается выемочный (как правило, конвейерный) штрек, являющийся основной транспортной и воздухоподающей магистралью. Как при конвейерном, так и при рельсовом транспорте его состояние оказывает решающее влияние на возможность обеспечения стабильно высокой нагрузки на очистной забой в силу совершенно очевидных причин. В случаях, когда из-за недостаточной устойчивости выработки не может быть обеспечена работа транспорта и подача необходимого количества воздуха, под вопрос ставится экономическая целесообразность использования в лаве весьма дорогостоящей очистной техники и, естественном образом, также применение столбовой системы разработки как таковой, ибо одно из главных ее преимуществ при этом утрачивается.
      Проблема имеет также другой аспект. Начиная с 70-х годов ХХ века в качестве второго непременного условия достижения высокой нагрузки на лаву выдвинуто требование реализации т.н. “безнишевой” выемки. Оба условия при этом тесно связаны между собой и их выполнение является безусловно обязательным, т.к. без обеспечения устойчивости транспортной выработки на всем ее протяжении в течение всего периода эксплуатации не может быть реализована и технология безнишевой выемки. Ее реализация, предусматривающая вынос приводов забойного конвейера в пределы сечения штрека, предполагает, что это остаточное сечение на уровне окна лавы имеет достаточные габариты и, прежде всего, ширину. Кроме того, в последние годы все чаще в качестве условия экономичности отработки подготовляемых запасов выдвигается старое требование сохранения сечения штрека, после прохода лавы с целью его повторного использования при обработке смежного столба опять таки с возможностью безнишевой выемки [2], хотя в отечественной практике до недавнего в ремени целесообразным считался вариант с погашением штрека и проведением нового. Понятно, что все перечисленные требования осуществимы лишь в одном случае: при безусловном обеспечении устойчивости выработки, начиная с момента ее проведения и в течение всего срока эксплуатации, по всем стадиям развития горных работ.
      Вместе с тем, геомеханические условия поддержания даже одиночной выработки, проводимой в нетронутом массиве, начиная с некоторой глубины разработки изменяются не только количественно, но и качественно. Как это неоднократно отмечалось в известных публикациях [3] и др., особо неблагоприятными являются случаи проведения выработок при значениях критерия устойчивости yH/R>0,4.
      В этих условиях даже одиночные выработки, проводимые в нетронутом массиве, например, конвейерные штреки, наклонные выработки при отработке по восстанию (падению) или диагонально, оказываются неустойчивыми уже в процессе их проведения, т.е. задолго до начала влияния очистной выемки. Практика работы в указанных условиях свидетельствует о том, что перекрепление таких выработок оказывается необходимым уже на стадии проходки (ш.ш. “Трудовская” ГО “Донецкуголь”, им. А.Ф. Засядько, им. А.Ф. Бажанова, ГО “Макеевуголь”, им. А.Г. Стаханова, ГО “Красноармейскуголь” и др.). По данным шахт, полная сметная стоимость перекрепления 1 погонного метра штрека составляет 2,8 - 5,6 тыс. грн., т.е. равна или даже превышает стоимость 1 погонного метра проходки на 10 - 30%. Характерной особенностью является то, что обычно одноразовым перекреплением дело не ограничивается, в зоне опережающего давления очистного забоя, несмотря на дополнительные затраты по перекреплению, подрывке почвы, усилению крепи временными стойками, состо яние штрека таково, что безнишевая выемка оказывается неосуществимой, а вопрос о сохранении для повторного использования даже не ставится. Понятно, что при указанных обстоятельствах достижение высоких показателей интенсивности отработки оказывается труднодостижимым, если вообще возможным. Разработка комплекса технических и технологических мероприятий, обеспечивающих устойчивость выработки, оказывается проблемой первостепенной важности, т.к. такая выработка оказывается “критическим звеном” всей технологической цепи от очистного забоя до поверхности. Проблема оказалась настолько важной, а неудачные попытки ее разрешения в отечественной практике столь многочисленными, что рядом специалистов ставится вопрос о целесообразности применения столбовой системы разработки как таковой [4], а, учитывая высокую стоимость новых очистных комплексов, вполне правомерной представляется также постановка вопроса о экономической целесообразности применения самих комплексов в условиях, когда необходимый уровень нагрузки на л аву не может быть обеспечен по ряду факторов, в т.ч. приведенных выше. Такая точка зрения на наш взгляд представляется полностью несостоятельной. В пользу такого утверждения убедительно свидетельствует практика эксплуатации глубоких шахт Рурского бассейна, являющегося в геологическом отношении наиболее близким аналогом украинского Донбасса, а причину существования разницы конечных результатов следует искать в различиях технических средствах и технологиях крепления, применяемых с целью обеспечения устойчивости выемочных штреков, а также концептуальных подходов к проблеме.
      1. Технические средства.
      Основным техническим средством обеспечения устойчивости выработок является крепь, используемая в виде рамной, анкерной или комбинированной конструкции.
      Основным (свыше 90% общего объема крепления) типом рамной крепи на шахтах Германии является четырехзвенная арка эллипсного (полуэллипсного) сечения. Использование анкерной крепи весьма ограничено горно-геологическими условиями и для глубоких шахт в чистом виде признано неприемлемым. В то же время получен весьма ценный опыт применения комбинированного варианта, позволившего обеспечить достаточную устойчивость выемочных штреков на всех стадиях сооружения и эксплуатации, включая повторное использование [2], что явилось предпосылкой выполнения исходного требования - достижения суточной нагрузки на лаву 5000 т. товарного угля. При производстве рамной крепи в Германии используется спецпрокат, отвечающий современным требованиям (ТН58), низколегированные стали (32 Ми V3, 17Ми V7 и др.) с термическим улучшением (более 80% объема потребления), горячая гибка сегментов, сохраняющая параметр относительного удлинения, поверхностное упрочнение спецпрофиля, изгиб сегментов с использованием копирустройств и т.д.
      В конструкциях применяемых податливых крепей используются весьма совершенные замковые соединения, обеспечивающие высокий уровень рабочего сопротивления во всем интервале конструктивной податливости.
      Результатом комплексного использования перечисленных мероприятий явилось то, что при примерно одинаковой массе комплекта крепи в равных сечениях комплект крепи, используемый на шахтах Германии, обладает в 2 - 2,8 раза более высокой предельной несущей способностью и рабочим сопротивлением, чем комплект арочной крепи традиционного типа, используемого на шахтах Украины (АП - 3, АП - 5), где ни одно из перечисленных мероприятий не реализовано в существенных объемах. Тем не менее даже отдельные имеющиеся примеры весьма положительны, они подтверждают общую правильность направления совершенствования технических средств и даже в опытном применении дали весьма ощутимый эффект [5], по крайней мере, на стадиях сооружения выработки и эксплуатации до прохода лавы с последующим погашением.
      2. Технологии крепления
      Весьма существенные различия имеются также в технологиях крепления при проходке выработок. На шахтах Германии широко осуществляются мероприятия, обеспечивающие быстрый ввод крепи в работу, такие как полный тампонаж закрепного пространства, использование технологии Bullflex, используются межрамные ограждения, соответствующие силовым характеристикам крепежных рам (т.н. “прокладочные решетки” и др.). Для придания крепи, рассматриваемой как пространственная конструкция, большей устойчивости, используется повышенное число межрамных стяжек - распорок. Особого внимания заслуживает упомянутый выше пример комбинированного использования рамной и анкерной крепи по специальной схеме на шахте “Эвальд - Гуго”, что одновременно с полным тампонажем закрепного пространства и повышением плотности рамной крепи до 1,66 рамы на погонный метр позволило обеспечить также повторное использование штрека с геометрическими параметрами сечения, допускающими безнишевую выемку. Перечисленные технологические новинки на шахтах Украины также не применяются в промышленных масштабах, а в полном комплексе не используются вообще. Обращают на себя внимание также и различия в правилах выведения рамной крепи в забое проводимой выработки: уже более 20 лет назад при установке крепежных рам на шахтах Рурского бассейна исключена их расклинка к породному контуру, признанная мероприятием, нарушающим нормальный режим работы при ее податливости. Более того, такого рода мероприятие однозначно оценивается как вредное, приводящее к деформациям спецпрофиля в местах воздействия сосредоточенных сил. В то же время применение расклинки крепежных рам в отечественной практике считается и сегодня обязательным как в шахте, так и при стендовых испытаниях крепей. По нашему мнению, такая разница убедительно объясняется существенными отличиями силовых параметров применяемых конструкций. Их низкие значения, свойственные традиционным отечественным крепям, обычно не приводят к деформациям спецпрофиля в местах расклинки. Даже относительно скромный опыт стендовых испытаний и опытного применения новых крепей с повышенным примерно в 2 раза рабочим сопротивлением комплекта на шахтах им А.Ф. Засядько и им. А.Г. Стаханова однозначно свидетельствует о необходимости отказа от расклинки и замены ее другими мерами по имеющимся аналогам. В указанной связи следует подчеркнуть необходимость комплексного подхода, включающего при создании новых конструкций рамных крепей не только технические решения, относящиеся собственно к конструкции, но также и мероприятия технологического характера, имеющие смысл быстрого ввода крепи в работу и предотвращения местных деформаций конструкции под действием сосредоточенных сил. Применительно к отечественной практике следует, к сожалению, констатировать не только отсутствие такого подхода, но и другие трудности как чисто технического, так и идеологического порядка. Во - первых, состояние технической базы основных заводов - производителей крепи таково, что исключает использование с успехом апробированных зарубежных технических решений способом прямого заимствования и требует поиска новых решений, соответствующих состоянию производственной базы. Как показал опыт разработки и применения таких технических решений на отечественных шахтах, это в принципе возможно: новые конструкции (КМП - А3Р2, КМПА4Р2, КМП - А5С и др.) полностью себя оправдали. Также вполне себя оправдали решения, относящиеся к замковым соединениям [6]. Все прочие перечисленные выше технические и технологические решения, используемые зарубежной практикой (использование качественных сталей, новых прокатных профилей, термических процессов и т.д.) остаются для отечественной практики резервом дальнейшей модернизации и притом весьма существенным. Возможная на сегодняшний день лишь укрупненная оценка ресурсосбережения по трем источникам (прямые затраты при проходке, затраты по статье “поддержание и ремонт”, а также за счет возможного увеличения нагрузки на лаву), свидетельствует о том, что речь идет об объеме ресурсосбережения, размер которого может исчисляться сотнями миллионов гривень и даже достигать 1 млрд. гривень в масштабах угледобывающей отрасли.
      В заключение, считаем необходимым объяснить третью причину сложившегося положения, кроющуюся по нашему мнению в различии концептуальных подходов и оценки роли крепи при решении задачи обеспечения устойчивости выработки.
      3. Концептуальные подходы
      Содержание комплекса используемых технических и технологических решений зависит от концептуальной оценки роли крепи как средства силового взаимодействия с породным контуром. Вплоть до настоящего времени в отечественной практике господствовало мнение о принципиальной невозможности повлиять на величину смещений путем противопоставления им податливой крепи с величиной рабочего сопротивления, возможной в экономически применяемых значениях. Крепь рассматривалась как ограждающе - поддерживающая конструкция, предназначенная для поддержания незначительных отслоений, куполообразных вывалов, носящих случайный характер, или, в крайнем случае, удержания веса пород в пределах параболического свода возможного обрушения. Рассматрение крепи с такой точки зрения, как чисто строительной конструкции, эксплуатируемой в режиме заданной нагрузки, и по сей день, как и во время профессора М.М. Протодьяконова, может считаться вполне правомерным, подкрепляемой практикой применения для соответствующего круга условий. В то же время совершенно очевидно, что по мере увеличения глубины разработки и сопутствующего качественного перехода состояния пород в приконтурной зоне, прежний подход становится невозможным и требует пересмотра. Применительно к шахтам, ведущим отработку в тяжелых геомеханических условиях, крепь не может рассматриваться как строительная конструкция, работающая в режиме заданной нагрузки, т.к., являясь граничным условием задачи предельного равновесия (и именно в силу этого) она является и неотъемлемой частью системы “крепь - породы предельной зоны”, само равновесие которой невозможно при низких значениях силовых параметров крепи (рабочего сопротивления), реализуемых к тому же в смешанном режиме нагружения [7]. Комплекс теоретических, экспериментальных и практических исследований, выполненный как отечественными, так и зарубежными исследователями еще в 70-80-е гг. ХХ века, убедительно и с полной неопровержимостью подтвердил правомерность именно такого подхода и оценки роли крепи. Тем не менее, будучи реализован за границей, в отечественной угольной промышленности распространения не получил. Причины такого положения и их анализ не входят в задачи данной публикации, однако можно предположить, что помимо общеэкономических, связанных с изменениями экономической формации государства, определенную негативную роль сыграло скрытое и явное тормозящее воздействие последователей старого концептуального подхода к проблеме. В частности, недавно опубликованная статья [8] свидетельствует о том, что, игнорируя общепризнанные факты и даже прибегая к некорректным ссылкам на первоисточники, ее авторы остаются на архаичных позициях и даже открыто их пропагандируют, неправомерно предлагая для всех условий использовать концепцию, отражающую совсем другие обстоятельства.
      Необходимо заметить, что успешное решение задачи обеспечения устойчивости подготовительной выработки, создающее надежные предпосылки реализации также и технологии безнишевой выемки, помимо технико-технологического и экономического аспектов обязательно должно рассматриваться также под углом зрения необходимости повышения общего уровня безопасности и улучшения условий труда. Тем самым, реализация технологии безнишевой выемки означает существенное их улучшение, т.к. давно известно, что зоны сопряжения лавы с выемочными штреками являются одновременно и зонами повышенного травматизма, обусловленного как насыщенностью указанных зон работающими, так и характером выполняемых операций, не поддающихся механизации в рамках обычной (с нишами) технологии очистной выемки.
      Выводы
      1. При отработке угольных запасов в тяжелых геомеханических условиях глубоких шахт критическим звеном технологической цепочки от очистного забоя до поверхности оказываются выемочные штреки, т.к. применяемые в настоящее время технические средства (крепи) и технологии крепления не обеспечивают их устойчивости, начиная с момента сооружения и в течение всего периода эксплуатации.
      2. Неустойчивое состояние участковых выработок имеет следствием весьма высокие эксплуатационные затраты и является практически непреодолимым препятствием для перехода к технологии безнишевой выемки угля в лавах, являющейся обязательным условием достижения высокого и стабильного уровня и суточной добычи на лаву.
      3. Потенциал ресурсосбережения при возможном снижений эксплуатационных затрат на поддержание и ремонт выработок, а также в результате возможного увеличения нагрузки на лаву таков, что заведомо и многократно оправдывает неизбежный рост первичных прямых затрат на более совершенную крепь и новые технологии ее возведения.
      Литература.
      1. Шпрут Ф. Металлическая крепь очистных выработок// - М.: Углетехиздат. – 195 – 233 с.
      2. Теньес Б., Фосс Х-В., Мельман В. Штрек с комбинированной крепью на шахте «Эвальд/Хуго»// Глюкауф. – 2001. - №1(2). – С. 28-33.
      3. Черняк И.Л. О механизме деформации пород на глубоких шахтах вокруг подготовительных выработок, не подверженных влиянию очистных работ// Вопросы горного дела. – М.: Недра, 1967.- 256с.
      4. Зубов В.П. О совершенствовании способов охраны и поддержания подготовительных выработок// Уголь.- 1994. – №2 – с. 9-11.
      5. Грязнов В.С. Арендное предприятие «Шахта им. А.Ф. Засядько»// Уголь Украины. – 2002.- №8.- с.6-8
      6.Патент України №56078А. 7 Е21D11/22, E21D11/14. Сугаренко Г.Г., Алієв Н.А., Кириченко В.Я. Замок вузла піддатливості металевого рамного податливого кріплення з шахтних спец профілів. Заявлено 28.10.2002р. Опубліковано 15.04.2003. Бюлетень №4.
      7. Настуев Ю.М., Шипачев В.К. Некоторые проблемы разработки рамных крепей подготовительных выработок глубокого залегания// Уголь Украины.- 2001.- №5.- с.19-21.
      8. Курченко Э.П., Андриенко В.М., Тупиков Б.Т., Сытник А.А. Концепция обоснования плотности крепления подготовительных выработок в глубоких шахтах// Уголь Украины – 2003. - №7. – с. 14-17.

Наверх