Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и геомеханическое обоснование подземной отработки угольных пластов Приморья

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка и геомеханическое обоснование подземной отработки угольных пластов Приморья"

КУКСИН ДМИТРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

Разработка и геомеханическое обоснование подземной отработки угольных пластов Приморья (на примере Липовецкого месторождения)

Специальность 25. 00. 22 -< Геотехнология» (подземная, открытая, строительная)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2004г.

КУКСИН ДМИТРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

Разработка и геомеханическое обоснование подземной отработки угольных пластов Приморья (на примере Липовецкого месторождения)

Специальность 25. 00. 22 -« Геотехнология» ( подземная, открытая, строительная)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В. Куйбышева)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Федянин А.А. Научный консультант - доктор технических наук Лесовский Б. Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Лушпей В.П. кандидат технических наук, Садардинов И.В.

Ведущая организация - ОАО «Приморскуголь»

Защита состоится « 29 » апреля 2004г. в 14 час.

на заседании диссертационного совета Д212.055.04 в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В. Куйбышева: 690950, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 33 , ауд. Г-135

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ДВГТУ

Автореферат разослан " 27 " марта 2004г.

Ученый секретарь диссертационного <совета, кандидат технических наук, доцент

ЖМакишин

Общаяхарактеристикаработы

Актуальность работы Отсутствие спланированной технической политики в угольной отрасли Приморского края, стратегических ориентиров развития и занижение роли местного угля в топливно-энергетическом комплексе края привели к глубокому кризису ТЭК. Имея местное значение и малые мощности, ограниченные рынком сбыта, угледобывающие предприятия Приморья (в том числе шахтоуправление Липовецкое) своевременно технически не оснащались, а сохранившиеся предприятия продолжают работать по устаревшим технологиям добычи и переработки угля. Несоответствие организационных и технологических систем новым экономическим условиям привело к закрытию ряда угледобывающих предприятий и резкому снижению объемов добычи на действующих шахтах и разрезах.

Следует отметить, что Липовецкое месторождение недостаточно изучено в вопросах геологии, геомеханики и геотехнологии, что не позволяет эффективно производить добычу угля подземным способом, а открытый способ подошел к граничным коэффициентам вскрыши (как и на большинстве месторождений Приморья) и становится экономически не целесообразным.

Продолжающаяся разработка Липовецкого месторождения по старым технологиям привела предприятие к тому, что цена на уголь стала не конкурентна в сравнении с привозными каменными углями, и значительно возросли потери при добыче угля (на 1.5-3%).

На основании выше изложенного «Липовецкая Гидрошахта Экспериментальная» стало единственным предприятием в Приморье по добыче каменного угля (остальные все закрыты или в стадии ликвидации) и имея значительные промышленные запасы угля для подземной отработки более 10 млн. тонн, не может на сегодня удовлетворить потребности края в каменном угле. Поэтому разработка новых технических и технологических решений по повышению эффективности работы угледобывающих предприятий края подземным способом с вовлечением в отработку имеющихся разведанных запасов угля является одной из главных задач, решение которой обеспечит стабилизацию угольной отрасли края и в связи с этим тема настоящего исследования является актуальной.

Цель работы На основе исследований горно-геологических и

геомеханических условий и особенностей залегания угольных пластов и вмещающих пород Липовецкого месторождения и изучения их физико -механических свойств. Разработать технические и технологические решения для подземной отработки угольных месторождений Приморья с целью повышения эффективности ведения горных работ за счет сокращения потерь угля и уменьшения затрат на его добычу.

Идея работы Заключается в использовании выявленных в процессе исследований закономерностей геомеханических свойств угольных пластов и вмещающих пород в технологических решениях подготовительных и

очистных работ и обоснование перехода от открытого способа добычи угля к подземному.

Задачи исследований:

1. Изучение горно-геологических условий и особенностей залегания угольных пластов и вмещающих пород и их физико-механических свойств.

2. Оценка состояния вопроса оптимизации технических и технологических решений для угольных шахт и анализ применяемых технологий на Липовецком месторождении.

3. Установление закономерностей формирования геомеханических процессов в окрестности очистных выработок с охватом всех природных условий угольных пластов и вмещающих пород и обосновать выбор очистного оборудования.

4. Исследование геомеханического состояния породных массивов в окрестности подготовительных выработок и разработка конструкции крепей с минимальными затратами на их возведение и поддержание.

5. Разработка технологических схем на ведение очистных и подготовительных работ с уменьшением материальных и трудовых затрат на добычу угля.

В качестве объекта исследования было выбрано Липовецкое месторождение каменного угля, являющееся типичным геологическим образованием при разработке месторождений каменных углей Приморья.

При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, производственного эксперимента и прогнозирования.

Научные положения, представленные к защите:

1 Результаты исследований геомеханического состояния породных массивов, обеспечивающие выбор оптимальных параметров сечения и крепления выработок и их сохранения для повторного использования.

2 Комплекс технологических решений, заключающийся в разработке рациональных схем подготовки и раскройки шахтных полей, параметров и технологии проведения и крепления подготовительных выработок, позволяющий обеспечить снижение материалоемкости и трудоемкости очистных и подготовительных работ.

3. Методика выбора эффективной механизированной крепи для данных горно-геологических условий, позволяющая увеличить нагрузку на очистной забой.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности проявления горного давления и зоны его стабилизации в окрестности очистных работ, на основе которых определены места установки крепи усиления по выемочным штрекам, что обеспечивает их сохранность для повторного использования на Липовецком месторождении.

2. Разработан критерий выбора типа механизированной крепи для подземных условий Липовецкого месторождения, характеризующий

показатель тяжести проявлений горного давления и критическую скорость опускания системы «крепь - кровля».

3. Установлены закономерности взаимодействия пород с крепью подготовительных выработок и целесообразность применения облегченных видов крепей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

представительным объемом статистической информации и экспериментальных данных;

удовлетворительной сходимостью прогнозных и фактических данных при доверительной надежности около 0,8-0,85%;

положительными результатами внедрения в производство отдельных технических и технологических решений;

Практическая ценность работы

1. Разработаны технологические схемы очистных и подготовительных работ для условий Липовецкого месторождения, позволяющие комплексно решать вопросы механизации основных производственных процессов и повышать технико-экономические показатели работы шахт.

2. Обоснован мотивированный подход к определению необходимого удельного сопротивления механизированной крепи в зависимости от нагрузочных свойств кровли, позволяющий правильно выбирать тип механизированных комплексов для нормальной и безопасной работы очистных забоев.

3. Определены параметры установки анкерной крепи для крепления выемочных выработок при повторном их использовании.

4. Обоснована восходящая схема подготовки и отработки выемочных блоков, позволяющая сокращать протяженность поддерживаемых горных выработок по мере отработки запасов и создавать благоприятные условия для фильтрации шахтных вод через обрушенные породы выработанного пространства.

Реализация работы Результаты исследований включены: в Инструкцию по упрочнению неустойчивых массивов органо-полимерными и минеральными закрепляющими композициями в условиях шахт Приморья Владивосток 1999г. Согласована Приморским управление Госгортехнадзора России 14 июля 1999г. Инструкцию по креплению горных выработок штанговой крепью на шахтах Приморья с закреплением анкерных стержней по всей длине вяжущим составом Владивосток 2001г. Утверждена Приморским управлением Госгортехнадзора России 1 марта 2001г. Методическое руководство о порядке и контроле ведения работ в опасных зонах на открытых горных работах Приморья Владивосток 2003г. Методическое руководство по предупреждению и тушению пожаров на угольных разрезах Приморья. Владивосток 2003 г.

Полученные в работе теоретические и экспериментальные данные реализованы на уровне технического проекта строительства участка «Восточный» Липовецкого месторождения, протокол внедрения от 28.03.2003г.

Теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе горного института ДВГТУ в программе курса «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и в разработке технических проектов строительства и реконструкции шахт Приморья в институте «ДальвостНИИпроектуголь».Протокол внедрения от 10.04.2003 г.

Личный вклад автора:

- проведение статистических, аналитических и лабораторных исследований по установлению условий залегания угольных пластов и физико-механических свойств угля и вмещающих пород.

- установление закономерностей проявления горного давления в окрестности очистных и подготовительных работ.

- организация и проведение опытно-промышленных испытаний и внедрения в промышленное производство Ш/У «Липовецкое» облегченных видов крепей для крепления горных выработок.

- установление зависимости показателя надежности работы крепи от площади поперечного сечения выработки.

- разработка методики выбора механизированной крепи в зависимости от нагрузочных свойств кровли.

Апробация работы Основные положения и содержания диссертационной работы докладывались на научных чтениях «Приморские Зори» (2000 - 2001 г.г.), на первой (2001 г.) и второй (2002 г.) Международных научных Конференциях «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», на международной конференции «Совершенствование технологий добычи, обогащения и переработки угля», г. Владивосток (2002г.) на технических советах ОАО «Приморскуголь» и шахтоуправления «Липовецкое» (1999 - 2002 г.г.), на совместном заседании кафедр Открытых Горных Работ и Маркшейдерского Дела и Разработка Месторождений Полезных Ископаемых горного института ДВГТУ (2000- 2002 г.г.),

Публикации По результатам исследований опубликовано десять работ, в том числе две инструкции и восемь научных статей.

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 66 наименований. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, 25 таблиц, 24 рисунка и 2 приложения.

б

Основное содержание работы

Реструктуризация угольной промышленности и недооценка местного угля в ТЭКе края привели практически к закрытию всех шахт. Приморья и ограничению открытого способа добычи из-за отсутствия приповерхностных запасов, что явилось главной причиной глубокого кризиса топливно-энергетического комплекса Приморья.

Стабилизировавшаяся экономика края позволила сгладить остроту положения, сложившуюся с твердым топливом, за счет его завоза из Сибирских регионов страны, но в целом не решило эту проблему.

На примере Липовецкого месторождения рассматриваются технические и технологические предложения по повышению

эффективности ведения подземных горных работ на существующей шахте и при строительстве новых шахт, для обеспечения дешевым топливом энергетики края и вывода ее из кризисной ситуации. Эта работа может служить основой для разработки спланированной технической политики в угольной отрасли Приморья.

Проведенный анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации угольных месторождений показал, что несмотря на значительную дешевизну добычи угля открытым способом, подземный способ не вызывает столь значительных разрушений окружающей среды, как открытые горные работы и требует много меньших средств для ее восстановления. Поэтому в ведущих угледобывающих странах (кроме России), где приповерхностные запасы, как и в Приморье, практически отработаны, прослеживается тенденция перехода на подземный способ отработки.

Переход на подземный способ отработки угольных месторождений требует решения многих технических задач, главной из которых является изыскание таких технологических решений, которые позволили бы максимально компенсировать вредное проявление природных факторов и за счет этого обеспечить снижение удельных затрат на 1 т проектной мощности предприятия. Конечной целью поиска и оптимизации технологических решений угольных предприятий в народно-хозяйственном значении является обеспечение их наибольшей безопасности и технико-экономической эффективности.

Сложность в принятии решений заключается в необходимости учета большого количества противоречивых критериев и высокой степени неопределенности, обусловленной недостаточным уровнем информации, необходимой для принятия обоснованных решений.

Недооценка объективных физических закономерностей взаимодействия элементов технологических подсистем с горным массивом влечет за собой не только непредвиденные отклонения в выполнении производственных программ, но и возникновение критических состояний отдельных звеньев или всей шахты. Причина этого - потеря соответствия параметров технологии состоянию среды при изменении горно-

геологических условий и режимов интенсивности ведения горных работ, что обуславливает образование диспропорций и «узких» мест в технологических схемах, влекущее за собой ухудшение технико-экономических показателей и закрытие угледобывающих предприятий.

Поэтому при выборе варианта строительства шахты (в том числе и на Липовецком месторождении) на стадии технического проекта необходимо решить много задач, но главными из них являются:

1. Соответствие схемы подготовки и системы разработки природным факторам при обеспечении минимальных, но экономически обоснованных потерь угля, экономичности при достижении устойчивой и высокой нагрузки на очистной забой путем:

а) применения эффективных способов охраны пластовых выработок при безремонтном их содержании;

б) соблюдения оптимальных параметров лав;

в) исключения влияния на работу лав вывалов пород и угля в призабойном пространстве.

2. Безремонтное поддержание подготовительных выработок в течение всего срока службы, для чего необходимо:

а) соответствующее расположение горных выработок в толще пород и пласта, исключающее влияние стационарного опорного давления;

б) проведение выработок такой площади поперечного сечения, чтобы после деформации оно было не менее допустимой по условиям эксплуатации.

3. Высокая безопасность технологических схем, т.к. при подземной разработке чрезвычайно важно исключить разрушение крепи и обрушение пород в горных выработках, запыленность, загазованность, повышенную влажность и температуру.

Неоднородность и пространственная изменчивость свойств горных пород обусловливает многообразие технических решений и систем разработки, что приводит к формированию различных геомеханических ситуаций, которым посвящен целый ряд работ различных научных направлений.

Значительный вклад в решении проблем физики и механики горных пород, связанных с технологией подземной разработки, внесли С.Г.Авершин, К.А.Ардашев, Д.Ф.Борисов, А.С.Бурчаков, Г.И.Грицко, Л.Н.Гапанович, Н.В.Курленя, А.М.Линьков, И.М.Петухов, С.Т.Кузнецов, Б.Г.Таросов, И.П.Черняк, В.В.Ходат, С.А.Христианович, Е.И.Шемякин, С.А.Ярунин и др. Несмотря на несомненные успехи в данной области исследований, следует отметить, что в практике применение аналитических методов по определению закономерностей формирования полей напряжений подвергнутого горными работами массива весьма ограничено из-за невозможности учета всех местных физико-механических, геомеханических и горно-геологических условий.

Хорошие результаты, учитывающие действительную геомеханическую обстановку, дают решения, в основе которых лежит использование

экспериментальных данных на базе существующих теоретических предпосылок.

Определение работоспособности технологических схем по экономическому критерию является необходимым, но недостаточным условием, т.к. экономический критерий не раскрывает взаимосвязей между элементами технологии и среды. Следовательно, выбор технологических решений возможен только на принципах физического и геомеханического обоснования.

Углубленный анализ работы угледобывающих предприятий Липовецкого месторождения показал, что из всего многообразия неотложных задач на первый план следует отнести уменьшение затрат на проведение и поддержание горных выработок и увеличение нагрузки на очистной забой за счет внедрения механизированных комплексов нового технического уровня, позволяющих коренным образом улучшить технологию очистных работ, экономичность и безопасность их ведения.

Изучение материалов доразведки шахтного поля показало, что особенностями залегания угольных пластов на исследуемом участке является то, что промышленное значение имеют только пласты «Средний - I», «Рабочий - I» и «Рабочий - II», которые распространены по всей площади участка.

Диапазон колебания общей мощности пласта «Средний -1» находится в пределах от 1,50 до 4,0 м, при среднем значении 2,2 м. Пласты «Рабочий -I» и «Рабочий - II» на данной площади можно рассматривать как один пласт с разделяющим породным прослойком мощностью 0,1 - 0,5 м. Общая мощность пласта изменяется в пределах от 1,60 до 6,0 м, при средней -3,86 м.

В целом пласты сложного строения, имеют пологое падение (3-8 град.) и невыдержанное простирание, но вполне пригодны по всей площади шахтного поля для подземной отработки с применением механизированных комплексов в очистном забое. Однако существующая технология раскройки и подготовки шахтного поля не обеспечивает своевременную замену выбываемого очистного фронта.

Решить проблему своевременного воспроизводства фронта очистных работ и снизить затраты на проведение и поддержание горных выработок можно за счет:

— сокращения трудозатрат и материалоемкости возводимых в выработке крепей;

— увеличения запасов в выемочном столбе, путем доведения длины лавы до конструктивной возможности механизированной крепи и работоспособности забойного конвейера;

— сохранения и повторного использования одного из выемочных штреков при отработке лав по существующей традиционной технологии.

Инструментальные наблюдения показали, что вокруг выработок, пройденных вне зоны влияния очистных работ (выработки основного направления) образуется зона трещиноватых пород на глубину до 1,8 - 2,0 м , которая формируется в основном напряжениями растяжения и иногда (при

наличии ложной кровли) с последующим возникновением зоны сжатия (уплотнения уже разрушенных пород за крепью).

Смещений пород почвы в полость выработок не наблюдалось, а смещения боков не превышали 30 мм.

Скорость вертикальных смещений пород на контуре выработок начинает затухать в течение 60 - 80 дней позади забоя до 1,5 - 1,8 мм/сут. и по истечению 8-12 месяцев она стабилизируется на уровне 0,5 - 0,1 мм/сут. до наступления равновесия, (рис.1 и 2)

Наличие монтажного зазора (закрепного пространства) между крепью и контуром массива, обусловленного конструкцией применяемых рамных крепей, способствует столь длительному смещению пород в полость выработки. Смещения пород прекращаются при создании плотного контакта между массивом и крепью, т.е. при отпоре крепи смещающимся породам. Если крепь достаточной несущей способности, то дальнейший процесс деформации и разрушения пород в кровле выработки прекращается и наступает равновесие, если недостаточной (как правило в местах геологических нарушений), то смещения пород продолжаются с той же скоростью 0,5 - 0,1 мм/сут. вплоть до разрушения крепи.

Результаты обследований пластовых выработок и наблюдений за конвергенцией пород (кровля - почва) на их контуре показали, что применяемые рамные крепи обеспечивают высокую надежность поддерживаемых выработок (0,8 — 0,9), которая определялась по формуле:

(О

где L¡ - общая протяженность i-oro участка выработки с исследуемой крепью;

^—протяженность i-oro отказавшего участка выработки; п - число обследованных участков.

Однако эти крепи материалоемки, требуют применения ручного труда и больших материальных и трудовых затрат.

Учитывая незначительные смещения приконтурных пород в окрестности подготовительной выработки и незначительный срок службы шахты (15 лет), применяемую рамную крепь для крепления капительных горных выработок целесообразно заменить на анкерную в сочетании с набрызг-бетоном. Эта крепь выгодно отличается от рамных крепей отсутствием закрепного пространства и наличием надежного контакта с массивом, что обеспечивает хорошую работоспособность крепи в течение длительного времени, значительную экономию металла на 1 м выработки (до 250 кг), снижение трудоемкости работ по возведению крепи в 2,5 раза и увеличение скорости проведения выработок.

Рис.1. Зависимость величины смещений U,MM ОТ времени Т,сут по результатам наблюдений на: а) транспортерном уклоне; б) вспомогательном уклоне; в) конвейерном штреке лавы №55 шахтоуправления «Липовецкое».

Рис.2. Зависимость величины относительных скоростей смещения Хмм/сут. от времени Т, сут. по результатам наблюдения на: а) транспортерном уклоне; б) вспомогательном уклоне; в) конвейерном штреке лавы №55 Ш/У «Липовецкое».

Вероятность безотказного функционирования выработки определяется

как

вероятность полного отказа выработки.

Максимально допустимую длину дефектного участка и предельный уровень дефектности можно определить исходя из физического смысла одного из основных показателей надежности подготовительной выработки -коэффициента готовности Кг.

При принятой на шахте организации труда (из четырех смен одна отводится на ремонтно-восстановительные работы), коэффициент готовности определится из выражения:

где 1р — время на ремонтно-восстановительные работы крепи в подготовительной выработке в добычной смене.

Полный отказ (Кг = 0) наступит в том случае, если время на восстановление выработки будет более или равным 18 часам (трем добычным сменам), в течение которых выработка должна выполнять свои основные технологические функции, и Кг = 1, если время восстановления не будет превышать 6 часов (продолжительности ремонтно-восстановительной смены).

Трудоемкость ремонтных работ по восстановлению крепи выработки, зависит главным образом от площади поперечного сечения и объема выпуска (присечки) пород.

Учитывая, что полный отказ, выработки определяется уровнем дефектности произвольно расположенных участков и отказом одного из участков, максимальное количество таких участков, которые можно восстановить без потери функциональных характеристик выработки за три добычные смены определится из выражения

00155ои*^,+0.0336евОЙ,1+0.0095Г.' (4)

где коэффициент совмещения добычных и ремонтных работ в

добычные смены;

8 - площадь сечения подготовительной выработки, м2; Уя- объем пород, выпускаемых при перекрепке, м3;

количество деформированных элементов крепи в данном сечении;

максимально допустимое количество дефектных произвольно расположенных участков;

количество звеньев рабочих, занятых на перекрепке.

Кг=

18-1р 18 '

(3)

С учетом выведенных зависимостей была составлена вероятностная модель определения надежности выработок в зависимости от площади поперечного сечения, ширины выработки, геометрического параметра (отношения площади сечения 8 к ширине выработки Ь) и прочности вмещающих пород.

Установлено, что применительно к горнотехническим условиям Липовецкого месторождения (глубина разработки не более 200 м, прочность пород 35 - 50 МПа, угол падения пласта до 10 град.) наиболее существенное влияние на показатели надежности оказывают изменение площади поперечного сечения выработки и соотношение ее геометрических параметров (ширины и высоты).

Увеличение поперечного сечения с 5 до 15 м2 для моделируемых горнотехнических условий приводит к возрастанию надежности почти в 2 раза. Следует отметить, что увеличение надежности при росте сечения выработки носит гиперболический характер, особенно высокие темпы роста надежности (до 1,7-1,8 раза) происходят при возрастании сечения с 5 до 12м2.

Установлено, что с увеличением ширины выработки с 3 до 6 м происходит снижение надежности выработок, но темпы снижения не велики (5 -8%). При увеличении ширины выработок более 6 м происходит резкое снижение надежности, а при прочности пород практически

полная потеря (Р = 0,3- 0,5).

Наблюдения за изменением надежности выработки в зависимости от отношения ее ширины (Ь) к сечению (8) показали, что с увеличением параметра Ь/Б надежность выработки снижается, т.е. при постоянной площади сечения с увеличением ширины выработки при одновременном снижении высоты происходит возрастание вертикальных нагрузок на крепь. Наибольшая надежность выработок (Р = 0,7 - 0,8) достигается при значениях Ь/Б = 0,2 - 0,3, т.е. при соотношении ширины выработки к ее высоте, равном 4:3; 1 : 1; 3 : 4. Это значит, что ширина выработки должна быть, как минимум, приблизительно равна ее высоте, но для увеличения надежности высота выработки должна несколько превышать ее ширину при неизменной площади сечения, обеспечивающей непрерывность технологических процессов.

Для разработки мер по охране, креплению и поддержанию выемочных выработок и возможности повторного их использования в работе были проведены исследования по установлению величин зон опорного давления (ЗОД) впереди лав и зон активного сдвижения пород (ЗАС) позади лав. В сохраняемой выработке в качестве крепи усиления применялась органная крепь из деревянных стоек, которые подбивались вслед за подвиганием лавы под брус с плотностью установки 4 стойки на 1 п.м.

За граничный критерий разделения характерных зон была принята скорость смещения кровли в выемочном штреке, которая' впереди лавы составила 0,5 мм/сут. и позади нее - 2 мм/сут.

В результате проведенных инструментальных наблюдений установлено, что с изменением скорости подвигания очистного забоя от 0,6

14

м/сут. до 3,6 м/сут. величины ЗОД изменялись от 20 до 45 м, ЗАС соответственно - от 25 до 60 м и более.

Величина смещений пород кровли в выемочной выработке в зоне опорного давления не превышала 240 мм, а в зоне активного сдвижения пород (до момента стабилизации) - 280 мм. В этой зоне наблюдался изгиб металлических верхняков, частичная деформация деревянных затяжек и стоек со стороны отработанного пространства.

Учитывая достаточную прочность вмещающих пород в данных условиях возможно применение анкерной крепи. В этом случае грузонесущая способность приконтурных пород увеличивается настолько (за счет предотвращения расслоения между прослоями), что можно избежать применения громоздких ограждающих крепей."

Для обоснования технологии выемки угольных пластов и определения типа выпускаемых механизированных комплексов нового технического уровня на основании проведенных исследований и опыта работы участка «Южный - 3» было установлено, что принятая схема подготовки и отработки запасов без учета сложной гипсометрии пласта и довольно высокой водообильности участка (до 100 м3/ч), приводит к осложнению в работе транспортной цепочки очистных забоев и торможению в своевременном воспроизводстве очистного фронта. В этой связи ориентировку выемочных столбов в плоскости пласта рекомендуется производить в восходящем порядке, который создает благоприятные условия для фильтрации шахтной воды через обрушенные породы выработанного пространства и позволяет сокращать по мере отработки запасов протяженность поддерживаемых выработок.

На основании многочисленных инструментальных и визуальных наблюдений в лавах № № 1, 2, 53, 54, 55 и 61, оборудованных комплексом 40КП - 70Б был установлен механизм взаимодействия крепи с породами кровли и составлена схема их разрушения (рис.3).

Установлено, что толща ложной кровли мощностью до 1,5 м сразу отслаивается от непосредственной при выходе ее в отработанное пространство (за пределы поддерживающего элемента крепи). В свою очередь непосредственная кровля расслаивается на ряд слоев толщиной 0,8 — 1,5 м. Предельное состояние в слоях достигается под действием изгибающих моментов и сил гравитации, в результате чего толща пород превращается в пачку не связанных между собой слоев, которые обрушаются.

Опускание пород кровли возрастает практически равномерно в течение всего времени поддержания призабойного пространства до момента посадки. Это указывает на консольный характер обрушения пород основной кровли, которое происходит вытянутыми по простиранию блоками.

Рис. 3. Схема разрушения пород кровли при выемке пласта «Средний-1»

При отрыве консоли образовавшийся блок основной кровли завальным концом ложится на обрушенные породы непосредственной кровли, толша которой в призабойном пространстве в этот момент испытывает интенсивное расслоение и разрушение. После этого забойный конец блока основной кровли резко опускается и слои непосредственной кровли в призабойном пространстве подвергаются сжатию. Такая резкая осадка основной кровли проявляется через 30 - 33 м и сопровождается в виде усиленного давления на крепь (до 0,35 МПа), увеличения опускания кровли и образования у забоя трещин, раскрытие которых иногда приводит к образованию куполов.

Между величиной опускания кровли и ее состоянием в призабойном пространстве существует прямая связь. Чем больше опускание кровли, тем хуже ее состояние.

При эксплуатации в очистном забое механизированной крепи, обладающей определенной величиной начального распора (Рнач), происходит поднятие опустившихся слоев ложной и непосредственной кровли вслед за выемкой угля и прижатие их одного к другому с определенным усилием, величина которого зависит от расстояния этого слоя до поверхности приложения сопротивления крепи. Слои кровли прижимаются один к

другому на высоту прижатия ^ пропорциональную начальному сопротивлению крепи

Ь

Г

где у - объемный вес пород кровли, т/м3.

После установки крепи с начальным распором Рнач опускание сжатых слоев толщиной h прекращается, а выше лежащие слои продолжают двигаться с прежней скоростью, ложась поочередно на приостановленные сжатые слои. Общий вес сжатых слоев увеличивается и становится больше Рнач; под воздействием разности усилий балка начинает двигаться. При этом стойка крепи упруго сокращается и ее сопротивление возрастает. В момент равенства веса пород и сопротивления стоек крепи движение консоли останавливается, но только до тех пор, пока следующий слой пород не ляжет на сжатые слои и начнется новый цикл движения консоли до уравновешивания крепью нового веса пород и так до тех пор, пока крепь не выйдет на рабочее сопротивление. После этого сопротивление крепи станет постоянным, а кровля будет непрерывно опускаться со скоростью, соответствующей этому сопротивлению. Крепь будет работать в режиме заданных деформаций.

Давление кровли на крепь зависит от характеристики крепи и не может само по себе в отрыве от других показателей являться критерием тяжести проявления горного давления. Для увязки характеристик, участвующих во взаимодействии системы «механизированная крепь - кровля предлагается уравнение вида

где показатель тяжести проявления горного давления, Р - сопротивление стойки, тс/м2.

Эта зависимость указывает, что давление кровли на крепь зависит от скорости опускания кровли. В пределах рабочей зоны взаимодействия (минимальных сопротивлений крепи, обеспечивающих поддержание кровли в нормальном состоянии) работа кровли в единицу времени по деформации крепи РУ = Иуд является величиной постоянной, т ^дк— сод51л я данных горно-геологических и горнотехнических условий залегания и отработки конкретного пласта.

Эта величина может служить показателем тяжести проявления горного давления. На этом показателе и базируется методика выбора эффективной механизированной крепи для конкретных горно-геологических условий. Чем больше показатель тем большую работу в единицу времени может выполнять кровля по деформации крепи, тем более тяжелым по проявлению горного давления является пласт, а следовательно, чем больше поток энергии от кровли к крепи и больше энергетическая мощность вмещающих пласт

пород, тем более трудно управляемой является кровля пласта (посадка стоек «нажестко», разрушение элементов секций и т.п.).

Для исследуемых пластов Липовецкого месторождения величина показателя тяжести кровли находится в пределах 52,6 тс/м2 * мм/ч.

По показателю тяжести проявления горного давления и критической скорости опускания кровли представляется возможным определить критическое сопротивление крепи

где критическая скорость опускания кровли, под которой понимается наибольшая скорость опускания выдвижной части стойки в период отсутствия производственных процессов в лаве, при которой кровля в призабойном пространстве еще находится в удовлетворительном состоянии; Рк — минимальное сопротивление крепи, обеспечивающее удовлетворительное состояние кровли в очистном забое.

Используя результаты исследований по определению вынимаемой мощности пластов и показателя тяжести проявления горного давления были определены типы механизированных крепей для отработки пластов «Средний - I» и «Рабочий - I + II», которые обеспечат удовлетворительное состояние кровли в очистных забоях при критической скорости опускания выдвижной части стойки.

На основе проведения научно-исследовательских работ разработаны технологические схемы, основанные на комплексном решении всех вопросов, связанных с ведением подготовительных и очистных работ с использованием облегченных видов крепи для крепления подготовительных выработок и индивидуальной гидравлической крепи (крепи усиления) при повторном использовании выемочных выработок.

Согласно предлагаемой схемы на проведение выемочной выработки после выемки и отгрузки угля комбайном на величину заходки (1м) по забою устанавливается временная рамная крепь, состоящая из верхняка шахтного профиля и двух гидростоек 17ГВ25. Затем навесным оборудованием, смонтированным на комбайне, бурят шпуры длиной 1.8м по кровле выработки и бокам (рис.4)

Одновременно с процессом выемки угля и креплением забоя на расстоянии 15м от него производится установка анкерных стержней и нагнетание цементно-песчаной смеси в скважины, а на расстоянии не менее 25м от забоя — навеска верхняков на анкерные стержни и демонтаж рамной крепи, которая доставляется в забой.

Технологической схемой на ведение очистных работ по пласту «Средний-1» предусматривается выемку угля в лаве производить в направлении от конвейерного штрека к вентиляционному с оставлением в почве пачки угля мощностью 0.5-0.6м, который вынимается при обратном ходе комбайна. Такая схема позволяет более равномерно загрузить комбайн и конвейерную линию. Выдвижка секций крепи производится вслед за

ч,

2.5

О

П

ъ

о о

11____

III

\г

• • й 0 0 в

UI

II

ш

II-II

'=4

._ h

l/3h

III-III

1'пс.4. Технологическая схема проведения выемочного штрека ! - гпдростойка 17Г1325; 2 - профпш. СПП - 17; 3 - шнур под анкер; 4 - шпур с анкером и цемептпо-песчапоп смесыо; 5 - перхняк анкерной крепи; 6 - отрезок шахтного профиля.

продвижением комбайна к вентиляционному штреку, а передвижка конвейера - вслед за комбайном при движении его в обратном направлении.

Для сохранения выемочных штреков в нормальном эксплуатационном состоянии в зоне временного опорного давления предусматривается установка инвентарной крепи в сохраняемом штреке которая возводится до начала ведения очистных работ на расстоянии25-30м от монтажной камеры (величина зоны опорного давления). Деревянный брус длиной 3.5м протягивается со стороны лавы по концам верхняков анкерной крепи, под который устанавливаются 3-4 гидравлические стойки 17ГВ25. С противоположной стороны от лавы под концы верхняков анкерной крепи подбиваются деревянные стойки (Рис.5).По мере продвижения лавы установленная ранее инвентарная крепь остается в отработанном пространстве и дополнительно усиливается вслед за отходом лава деревянными стойками, которые подбиваются в окна между стойками гидравлической крепи. Со стороны лавы и по оси выработки по каждый верхняк анкерной крепи.

Извлечение стоек гидравлической крепи производится при отходе лавы на расстояние 40-50м, т.е. при выходе лавы из зоны активного сдвижения пород за лавой. Извлекаемые гидростойки используются в качестве . инвентарной крепи в зоне опорного давления.

По погашенному штреку передвигаемая крепь сопряжения подхватывает верхняки анкерно-рамной крепи, а извлеченные гидростойки устанавливаются при монтаже инвентарной крепи в зоне опорного давления.

Для повторного использования штрека по пласту «РабочийЛ+П рекомендуется наряду с установкой органного ряда со стороны отработанного пространства выкладывать деревянные клети (костры) размером 2.5м х 2.5м.

В этом случае над выработкой после прохода очистного забоя формируется свод АВ, а над выработанным пространством свод ДЕ (Рис.6). На почве в отработанном пространстве вблизи выработки формируется горка обрушенных пород. По мере обрушения пород крутизна горки возрастает. Если не предусмотреть возведение клетей, то установленный органный ряд (практически без начального распора) под ослабленный массив локального свода пород выдавливался бы обрушенными породами в выработку. Постепенно поддерживаемый участок кровли СД растрескался бы до кусковатой среды, которая перемещаясь по склону горки под собственным весом и от пригрузки основной кровли сформировала бы давление на крепь выработки и деформировала бы ее до нерабочего состояния.

« • t Il 'I

Рис.6. Схемы формирования сводов обрушений в окрестности сохраняемой выработки:

а) - с крепью усиления из органного ряда;

б) — с крепью усиления из органного ряда и костров.

Поддержание подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью (по сравнению с ранее применяемой рамной) обеспечит не только снижение трудоемкости, но и снижение материалоемкости проводимых выработок. В целом внедрение рекомендуемых схем ведения горных работ на Липовецком месторождении обеспечат увеличение нагрузок на очистной забой и повышение безопасности труда. Экономический эффект от внедрения предложенных технических решений на первых годах эксплуатации составит 61120 тыс.руб.

Заключение

Диссертация является квалификационным научно-исследовательским трудом, в котором осуществлено теоретическое обобщение и решение актуальной научной задачи по геомеханическому обоснованию и разработке технологических схем ведения горных работ на месторождениях Приморья, является законченным научно-исследовательским трудом, что позволяет повысить эффективность и безопасность работы шахт и имеет важное значение в геотехнологии.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Приповерхностные запасы угля в крае практически отработаны и рост объемов добычи возможен в основном только за счет подземного способа отработки месторождений, который оказывает к тому же меньшие воздействия на окружающую среду, чем открытые горные работы.

2. Снижение затрат на добычу угля достигается сокращением трудозатрат и материалоемкости возводимых в выработке крепей, увеличением запасов в выемочном блоке и нагрузкой на забой, сохранения и повторного использования одного из выемочных штреков.

3. Установлены закономерности проявления горного давления в подготовительных выработках заключающиеся в том, что формирование зоны трещиноватых пород, обусловленные в основном напряжениями растяжения, происходит на глубину до 1.8-2м, которые затем уплотняются и смещаются в выработку до 200мм; смещение пород почвы при этом не наблюдается. В соответствии с особенностями проявления горного давления в подготовительных выработках разработаны параметры их крепления облегченными типами крепей.

4. Разработаны технологические параметры и конструкция крепи усиления для крепления выемочных выработок с целью их сохранения для повторного использования.

5. Установлены основные закономерности геомеханических процессов в призабойной части очистных выработок заключающиеся в том, что толща ложной кровли сразу же отслаивается от непосредственной и обрушается при выходе её за пределы поддерживающего элемента крепи. Непосредственная же кровля под действием изгибающих моментов и сил гравитации в свою очередь расслаивается на ряд слоев толщиной 0.8-1.5м и обрушается.

Выявленная связь между величиной опускания кровли и её состоянием в призабойном пространстве позволила разработать методику выбора типа механизированной крепи в зависимости от тяжести проявления горного давления.

6. На основе проведенных научно-исследовательских работ с учетом региональной специфики разработаны технологические схемы очистных и подготовительных работ, которые включают вид и параметры крепи с

конструктивными особенностями ее усиления для повторного использования выемочной выработки и мерами борьбы с водопроявлениями.

7. Результаты исследований доведены до конкретных технических разработок (инструкций, методических указаний, технологических схем), утвержденных в установленном порядке и реализованы на уровне технического проекта строительства участка «Восточный» Липовецкого месторождения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Федянин А.А., Куксин Д.В., Лесовский Б.Ф. и др. Инструкция по упрочнению неустойчивых массивов органо-полимерными и минеральными закрепляющими композициями в условиях шахт Приморья. Владивосток: ДВГТУ, 1999. 82 С. Согласована Приморским Управлением Госгортехнадзора России 14 июня 1999г.

2. Федянин А.А, Куксин Д.В. Пути повышения устойчивости горных выработок на шахтах Приморья « Техника и технология разработки месторождения полезных ископаемых». Новокузнецк: АОУК «Кузнецкуголь, 1999. Вып.5. С. 148-152.

3. Федянин А.А., Куксин Д.В. Пути устойчивого развития ТЭК и улучшения экологической обстановки в Приморье // Международ, науч. чтения «Приморские зори». Владивосток: Изд-во ДВГТУД001.- С. 135 - 137.

4. Федянин А.А., Васянович A.M., Куксин Д.В. и др. Инструкция по креплению горных выработок штанговой крепью на шахтах Приморья с закреплением анкерных стержней по всей длине вяжущим составом. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. 61 С. Утверждена Приморским Управлением Госгортехнадзора России 01 марта 2001г.

5. Федянин А.А., Куксин Д.В. Исследование закономерностей смещения пород в выемочных выработках буроугольных месторождений Приморья Совершенствование технологий добычи и переработки угля. 2 междунард, конф. стран АТР. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, ТАНЭБ, 2002. С 116-118

6. Федянин А.А. Куксин Д.В. О возможности и рациональности применения анкерной и облегченных крепей в условиях шахт Приморья// Совершенствование технологий добычи и переработки угля. 2 международ, конф. стран АТР. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, ТАНЭБ,2002. С 139-143

7.Федянин А.А. Куксин Д.В. Область применения анкерной крепи //Совершенствование технологий добычи и переработки угля. 2 международ, конф. стран АТР. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, ТАНЭБ, 2002. С 144-147

8. Федянин А.А. Куксин Д.В. Освоение угольных месторождений Приморья- выход из энергетического кризиса края.

9. Федянин А.А Куксин Д.В. Методическое руководство о порядке и контроле ведения работ в опасных зонах на открытых горных работах. Владивосток: ДВГТУ, 2003.-С.27

10. Федянин А.А. Куксин Д.В. Методическое руководство по предупреждению и тушению пожаров на угольных разрезах Приморья. Владивосток: ДВГТУ, 2003. С 50

Куксин Дмитрий Васильевич Разработка и геомеханическое обоснование технологии подземной отработки угольных пластов Приморья (на примере Липовецкого месторождения)

Автореферат

Подписано в печать 17.11.03 Формат 60x84/16. Усл. Печ. Л. 1,4. Уч-изд. Л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ 191.

Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10