Поддержание подготовительных выработок для их повторного использования

Для повышения эффективности и безопасности работы угольной шахты, актуальной задачей является надежное поддержание и охрана подготовительных выработок, устойчивость которых определяется, в первую очередь, характером и величиной горного давления, а также правильностью выбранных технико-технологических решений по их поддержанию.

Актуальным является этот вопрос для ГП Шахтоуправление Южнодонбасское №1, годовой объем добычи угля на котором составляет около 900 тыс. тонн. Сейчас на шахте работают 3 очистных забоя. Объем проведения подготовительных выработок составляет 8 км в год.

Условия залегания месторождения являются сложными. Угольные пласты по мощности относятся к тонким и очень тонким. Вмещающие породы склонны к обрушению и пучению, а также к потере устойчивости при увлажнении. Концентрация горных работ высокая. Применяемые на шахте средства крепления и поддержания выработок не обеспечивают их эксплуатационного состояния.

В общем случае выработка в процессе эксплуатации последовательно попадает в шесть различных зон поддержания, существенно отличающихся друг от друга по поведению вмещающих пород: I – зона влияния проходческого забоя; II – зона поддержания выработки при отсутствии очистных работ; III – зона временного опорного давления впереди первой лавы; IV – зона сдвижений пород позади первой лавы; V – зона установившегося давления; VI – зона временного опорного давления второй лавы. Влияние указанных зон испытывают только повторно используемые выработки при столбовой системе разработки. В случае если выработка поддерживается после прохода второй лавы, то она снова попадает в зону сдвижений пород за лавой [1].

Обеспечение устойчивости выработок в зоне влияния очистных работ представляет довольно сложную, трудоемкую и дорогостоящую задачу. Устойчивость данных выработок в значительной степени определяется влиянием выработанного пространства на примыкающие к ним области массива горных пород. Очистная выработка вместе с вмещающими породами отличается сложностью по числу влияющих производственных и естественных факторов и является предметом отдельных исследований.

В исследовательском плане участок по добыче угля представляет собой сочетание трех геотехнологических схем: выемочный штрек-массив-крепь, сопряжение-массив-охранныеконструкции и лава-массив-крепь.

Многообразие горно-геологических условий залегания пластов, а также физико-механических свойств горных пород привели к применению многочисленных способов и средств поддержания и охраны подготовительных выработок, направленных на ослабление или противодействие влиянию сил горного давления. Эффективность тех или иных способов зависит от того, насколько правильно определены в экспериментальных исследованиях общие закономерности формирования сил горного давления и насколько они удачно учтены в сочетании с конкретными горнотехническими условиями и задачами.

В настоящее время наиболее хорошо изучены закономерности формирования горного давления вокруг выработок в зонах I и II. Для обеспечения устойчивого, безремонтного поддержания горных выработок, не испытывающих влияние очистных работ необходимо, в первую очередь, обеспечить как можно более раннее вступление крепи в работу. При этом важным является отсутствие переборов и тщательное заполнение закрепного пространства механизированным способом твердеющими материалами. В условиях больших глубин при значительно возросших величинах горного давления, коренным образом изменились функциональные требования к самой крепи. Традиционная металлическая рамная крепь, применяемая почти повсеместно, выполняет подпорно-ограждающую функцию и не препятствует расслоениям вмещающих выработку пород. В настоящей ситуации следует отдавать предпочтение системам крепления, использующих несущую способность вмещающего массива, активно препятствующих расслоениям пород – полное и частичное заполнение закрепного пространства, тампонаж закрепного пространства, глубинное упрочнение массива вяжущими веществами или анкерами. Оценка эффективности известных средств и способов повышения устойчивости выработок показывает, что наибольший положительный эффект дают именно указанные мероприятия.

В зоне III происходит увеличение напряжений в породах вокруг выработки под действием выработанного пространства. При этом возрастают смещения в выемочных выработках. Скорость смещений начинает увеличиваться при подходе очистного забоя к участку выработки на расстояние 20–80 м и редко превышает эти величины. Для сохранения штреков в период прохода очистного забоя применяют различные крепи усиления.

В настоящее время хорошо себя зарекомендовали канатные анкеры, как средство предупреждения деформаций более глубоких участков массива, затронутых воздействием очистных работ. Установка анкеров глубокого заложения производится перед зоной влияния опорного давления и может совмещаться с установкой дополнительных средств усиления – деревянных, металлических или гидравлических стоек.

В зоне активных сдвижений пород после прохода лавы (зона IV) ситуация кардинально меняется. Образование выработанного пространства за лавой приводит к движению пластов кровли и почвы, происходит интенсивное несимметричное опускание кровли, сопровождаемое обрушением (опусканием) пород в выработанном пространстве. Для сохранения выработок после прохода очистного забоя сооружают искусственные охранные полосы, выполняющие роль опор для образовавшихся консолей пород кровли. Одной из основных характерных особенностей поведения приконтурных слоев пород вокруг выработки, как отмечается многочисленными исследованиями [2], является несимметричность смещений кровли. Смещения пород значительно выше со стороны выработанного пространства и являются причиной существенного ухудшения состояния выемочных штреков ввиду несимметричного нагружения крепи. Величина несимметрии во многом определяется жесткостью применяемых охранных полос, а также временем их возведения после прохода лавы. Следует отметить, что крепь выемочных штреков в процессе эксплуатации испытывает не только различную по величине нагрузку, но и различную по направлению – несимметричную. Проектирование подобной крепи представляет весьма сложную задачу.

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. 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.

Прогрессивным методом охраны выработок является возведение литых полос. К основным достоинствам литых жестких полос наряду с полной механизацией их возведения относятся высокая несущая способность,обеспечивающая охрану выработок на пластах со средне и труднообрушающимися кровлями, безопасность работ на сопряжениях с очистными забоями и хорошая изоляция выработанного пространства. Основной эффект заключается в разгрузке горного массива от напряжений, вызванных вредным влиянием очистных работ, путем обрыва консоли зависших пород на жесткой опоре высокой прочности.

Костры из круглого леса возводят с меньшей трудоемкостью, чем бутовые полосы, но тоже вручную. Обычные костры с четырьмя узлами связи имеют большую податливость (40…50% мощности пласта). При их использовании величины смещений пород в выработке и состояние крепи будут примерно такими же, как при охране бутовыми полосами. Более эффективной является конструкции из деревянных стоек, собранных в пакет.[3]

Деревянные костры и чураковые стенки являются наименее трудоёмкими способом охраны и, но их малая несущая способность и большая податливость приводят к значительным смещениям пород кровли выработки и ограничивает их применение на больших глубинах. 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.

Выполненный анализ способов и средств охраны выемочных штреков позволяет сформулировать следующие выводы:
– большинство технологий охраны основано на сохранении целостности углепородного массива, окружающего штрек;
– наиболее эффективными в условиях неустойчивых пород, являются: поддержание кровли околоштрековыми полосами, в том числе породными, а также повышение несущей способности крепи штрека;
– к нетрадиционным способам охраны штрека в условиях неустойчивых пород относится его проходка позади забоя лавы, что требует перехода на комбинированные системы разработки пласта;
– при качественном выполнении вышеперечисленных мероприятий по охране штрека возможно его повторное использование в условиях боковых пород 1-й и 2-й категорий устойчивости.

Список использованной литературы

1. Комиссаров М.А. Некоторые вопросы поддержания подготовительных выработок в условиях пологих пластов Донбасса / В сб. Вопросы охраны и крепления горных выработок // Научн. труды Донецкого научно-исследовательского угольного института. – 1968. – Вып. № 41. – С. 3–25.
2. Повышение устойчивости подготовительных выработок угольных шахт / И.Ю. Заславский, В.Ф. Компанец, А.Г. Файвышенко, В.М. Клещенков. – М.: Недра. – 1991. – 235 с.
3. Диманштейн А.С., Поташников В.А., Волков Н.Н., Лисичкин В.Г. Закономерности развития смещений пород в выемочных выработках // Горный вестник. – 1999. – № 2-3. – С. 48–53.