Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Взаимодействие механизированных крепей с тяжелыми кровлями при интенсивной отработке пологих угольных пластов

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

Автореферат диссертации по теме "Взаимодействие механизированных крепей с тяжелыми кровлями при интенсивной отработке пологих угольных пластов"

На правах рукописи 005005041

ЛОГИНОВ Михаил Александрович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ

КРЕПЕЙ С ТЯЖЕЛЫМИ КРОВЛЯМИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

005005041

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Розенбаум Марк Абрамович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Мельник Владимир Васильевич,

кандидат технических наук, доцент

Сидоренко Андрей Александрович

Ведущая организация - ФГУП «ННЦ горного производства - ИГД им. А.А.Скочинского».

Защита диссертации состоится 27 декабря 2011 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (bogusl@spmi.ru), ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Основным направлением развития подземной добычи угля при отработке пологих угольных пластов подземным способом в России является резкое увеличение нагрузки на очистные забои, оснащенные механизированными комплексами. Решение этой проблемы связано с созданием высокопроизводительных комплексов новых поколений.

В настоящее время в России и за рубежом созданы высокопроизводительные комплексы, с помощью которых нагрузка на лаву в благоприятных условиях возросла в несколько раз. При этом скорости подвигания лав возросли сЗ-4 до 13-15 м/сут. Одновременно увеличились шаги осадок основной кровли. В результате при обрушении основной кровли существенно возросла динамика нагружения крепи.

Этот важный фактор не учитывается ГОСТом Р 52152- 2003 «Крепи механизированные для лав. Основные параметры. Общие технические требования. Методы испытаний» при определении номинального сопротивления крепи. Не учитывается также суммарное сопротивление крепи на 1 м длины лавы. Зафиксированы случаи деформирования крепи при осадках основной кровли.

Чтобы исключить их стали применять крепи с завышенным коэффициентом запаса необходимой величины сопротивления крепи.

Исследованиями установлено, что увеличение сопротивления крепи на 100кН/м2 поддерживаемого призабойного пространства приводит к увеличению веса крепи в 1,5 - 2,0 раза и соответствующему значительному удорожанию комплекса.

Вопросами определения силовых параметров механизированных крепей при отработке пологих угольных пластов занимались такие ученые как: Ардашев А.К., Баранов С.Г., Бушуев Н.П., Вавилов В.В., Громов Ю.В., Грязнов Б.П., Журило А.Е., Калинин С.И., Коров-кин Ю.А., Кузнецов С.Т., Мышляев Б.К., Орлов A.A., Розенбаум М.А., Савченко П.Ф., Старичнев В.В., Хорин В.Н. и др.

На практике используются два основных метода определения сопротивления механизированной крепи: а) искомая величина сопротивления крепи для пластов, над которыми залегают легкообрушаю-щиеся породы, определяется с помощью ГОСТа Р и б) способа, учитывающего нагрузочные свойства кровли.

Учитывая сказанное, расчет сопротивления крепи следует производить по схеме, в которой крепь максимально нагружается породным блоком при первой осадке кровли.

Следует, кроме того, учитывать тот факт, что разрабатываемый способ определения сопротивления крепи должен позволять определять искомую величину с наименьшей погрешностью.

Цель диссертационной работы - разработка способа определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи для условий отработки пологих угольных пластов, когда непосредственно над пластом залегают прочные и мощные слои песчаников ( алевролитов) при интенсивной отработке запасов.

Идея работы - необходимое номинальное сопротивление механизированной крепи следует определять для условий крупноблочного разрушения кровли с учетом высокой скорости подвигания лавы, глубины работ и мощности слоев основной кровли.

Основные задачи исследований;

- выбор модели взаимодействия крепи с тяжелой кровлей, которая обрушается по мере подвигания лавы крупными блоками;

- установление закономерностей проявления горного давления в очистном забое в зависимости от скорости подвигания лавы, глубины работ и мощности пород основной кровли;

- разработка расчетного метода определения необходимого сопротивления крепи для условий крупноблочного разрушения слоев основной кровли с учетом установленного соотношения между необходимым сопротивлением крепи и весом той части пород обломившегося блока, которая взаимодействует с крепью.

Методы исследований:

- анализ и обобщение сведений литературных источников по вопросам изучения закономерностей взаимодействия крепей с боковыми породами при высоких скоростях подвигания лавы, изменении глубины работ и различной мощности пород основной кровли;

- натурные измерения и наблюдения в лавах с механизированными крепями при отработке угольных пластов с тяжелыми кровлями;

- установление зависимостей изменения основных параметров взаимодействия крепи с кровлей при изменении скорости подвигания лавы, глубины работ и мощности пород основной кровли;

- комплексный одновременный учет всех изучаемых факторов, влияющих на силовые параметры механизированных крепей.

Научная новизна работы:

1 Установлены закономерности изменения шага осадки основной кровли от скорости подвигания забоя, глубины ведения горных работ и мощности пород основной кровли. В условиях фиксированной мощности и глубины работ увеличение скорости подвигания в два -три раза (с 2 - 4 м/сут до 8 - 12 м/сут) приводит к увеличению предельного пролета кровли на 30 - 40%.

2 Установлен критерий КСг определяющий фактический уровень нагрузки на механизированную крепь, представляющий собой отношение веса пород, нагружающих крепь в выемочном цикле, к общему весу взаимодействующих с крепью пород. При значении Кс > 0,7 отрицательное динамическое воздействие на крепь обрушенных слоев не сказывается.

3 Разработана физическая модель взаимодействия мехкрепи с тяжелой кровлей, обрушающейся по мере ведения очистных работ крупными блоками, и метод определения необходимого номинального сопротивления крепи комплекса для отработки пластов с труднооб-рушаемой тяжелой кровлей, включающий закономерности по определению шага осадки.

Защищаемы научные положения:

1 При отработке пологих угольных пластов с тяжелыми труд-нообрушающимися слоями пород, залегающими непосредственно над пластом, во время их облома выделяется значительное количество энергии упругого сжатия, что вызывает динамическое нагружение крепи, при котором происходит заброс давления в поршневых полостях стоек крепи выше уровня срабатывания предохранительных клапанов. Это вызывает деформирование и зажатие секций механизированной крепи и остановку очистного забоя.

2 При увеличении скорости подвигания очистного забоя динамика воздействия обрушающихся пород на крепь возрастает. Это

связано с тем, что в этом случае из-за изменения прочности пород, уменьшения скорости расслоения и трещинообразования в прочных слоях кровли увеличивается объем пород, участвующих в нагружении крепи. Для обеспечения условий эффективного управления кровлей необходимо при определении сопротивления крепи учитывать этот фактор.

3 При определенном уровне сопротивления крепи передний конец обломившегося блока, поддерживаемый крепью, не проседает, обломившийся блок разворачивается и расклинивается между породами, находящимися впереди плоскости облома и обрушенными в завале, вследствие чего динамика воздействия пород на крепь снижается до минимума. Этот уровень сопротивления крепи является искомым, при котором обеспечивается надежное и безопасное управление кровлей в очистном забое.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей воздействия силовых параметров крепи на механизм поведения и динамику проявления горного давления при интенсивной отработке пластов с тяжелой кровлей.

Практическая ценность работы:

- определены предельные пролеты основной кровли для конкретных условий залегания угольных пластов;

- разработана методология определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи при крупноблочном разрушении пород основной кровли с учетом шага осадки основной кровли;

- результаты исследований являются основой для разработки дополнений в ГОСТ Р 52152 - 2003. Крепи механизированные для лав. Основные параметры. Общие технические требования. Методы испытаний.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами:

- большого объема шахтных исследований по изучению закономерностей взаимодействия крепей М138, 2М142, М130, ОКП70 с боковыми породами классов ТУП, ТИП, ТдУП;

- лабораторных исследований воздействия на гидроопоры механизированных крепей динамического нагружения с использованием быстродействующей записывающей аппаратуры ЦР - 2;

- шахтных исследований нагружения гидроопор секций крепи при резких осадках основной кровли с применением быстродействующей аппаратуры ЦР - 2;

- внедрением рекомендаций автора по определению необходимого номинального сопротивления механизированных крепей комплексов на шахтах Кузнецкого и Воркутинского бассейнов.

Апробация диссертации - Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на И Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий», (Санкт-Петербург, 2011); на Всемирном конгрессе, Польша, Краков, 2008; на межрегиональной научно-практической конференции, Воркута, 2009.

Личный вклад автора заключается в участии в шахтных исследованиях, в анализе полученных результатов, в разработке физической модели взаимодействия крепи с тяжелой труднообрушающейся кровлей, в установлении новых закономерностей воздействия крепи на механизм проявления горного давления, в разработке метода определения необходимого номинального сопротивления крепи для отработки пластов с тяжелой труднообрушающейся кровлей и с учетом шага осадки основной кровли.

Публикации. Основные научные результаты, полученные автором диссертации, опубликованы в 8 статьях, в том числе 5 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 104 страницах машинописного текста, содержит общую характеристику работы, 4 главы, заключение и список использованной литературы из 99 наименований, 19 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 диссертационной работы изложены результаты анализа публикаций различных авторов по изучению влияния скорости подвигания лавы на параметры взаимодействия механизированных

крепей с тяжелой кровлей, сформулированы цель и задачи исследований.

В главе 2 представлены факторы, определяющие типы пород кровли по устойчивости и нагрузочным свойствам, почвы - по прочности слоев, выделены обобщенные схемы разрушения пород кровли над крепью и соответствующие модели взаимодействия крепи с кровлей, определены наиболее тяжелые условия проявления горного давлении в очистном забое.

В главе 3 изложены методика и результаты исследований в лавах с тяжелыми кровлями, установлено влияние сопротивления крепи на проявление горного давления при осадках основной кровли (по мере увеличения сопротивления крепи с 670 до 1400 кН/м* среднее значение коэффициента динамичности снижается с 8,5 до 2,6), установлены зависимости изменения шага осадки основной кровли от скорости подвигания лавы, от глубины работ и от мощности пород основной кровли.

В главе 4 представлена расчетная схема и математическая модель, изложена методология по определению величины необходимого номинального сопротивления механизированной крепи при интенсивной отработке пластов с тяжелой кровлей.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1 При отработке пологих угольных пластов с тяжелыми труднообрушающимися слоями пород, залегающими непосредственно над пластом, во время их облома происходит значительное выделение энергии упругого сжатия, что вызывает динамическое погружение крепи, при котором происходит заброс давления в поршневых полостях стоек крепи выше уровня срабатывания предохранительных клапанов. Это вызывает деформирование и зажатие секций механизированной крепи и остановку очистного забоя.

Исследования проводились на шахте «Распадская» объединения «Южкузбассуголь» в лавах с механизированными комплексами КМ 138 и КМ142.

В лаве с комплексом КМ138 на начало наблюдений отход лавы от разрезной печи составлял 63м. Первая осадка кровли еще не

произошла. Наблюдениями охвачено 230м подвигания лавы, в том числе 160м непосредственно под песчаником. Песчаник разнозерни-стый, переходящий в гравелит. Мощность его 20м. Предел прочности на одноосное сжатие составлял 113 МПа (1130кгс/см2).

Влияние облома пород основной кровли при динамическом нагружении сказывается на резком увеличении нагрузки на стойки крепи, которое происходит интенсивно (рис.1, 20-й цикл). Сопротивление в этот момент мгновенно увеличивается, происходит заброс его выше номинального. Максимальная нагрузка на стойку в рассматриваемом случае превысило номинальное значения в 1,5 раза и не совпадало с концом выемочного цикла, оно было приурочено к моменту облома песчаника. При этом задние стойки крепи нагружались в большей степени по сравнению с передними.

Просадка штоков стоек, примерно, равна опусканию кровли за тот же период времени.

Высокие нагрузки приводили к разрушению элементов крепи. За время эксплуатации крепи М138 на шахте «Распадская» были зафиксированы многочисленные деформации элементов крепи комплекса КМ 138.

При осадке кровли превышение максимального сопротивления крепи над уровнем её номинального значения составило в среднем 250кН/м2. Максимальная нагрузка на крепь в период воздействия на неё обломившегося блока составила 1350кН/м2. Просадка штоков стоек составила 75мм, коэффициент динамичности при осадке кровли составил 8,5. Опускание кровли равнялось79мм. На шахте «Распадская» во время отработки пласта 7-7а мощностью 4,4м и углом падения 3-9° применялся комплекс КМ142. Над пластом залегал слой алевролита, мощностью 5м прочность которого изменялась от 50 до 120МПа, выше был расположен песчаник прочностью 70-190 МПа.

Условия эксплуатации осложнялись тем, что работы велись в зоне повышенного горного давления от влияния оставленных угольных целиков на отработанном выше пласте.

В одном из выемочных циклов с помощью быстродействующей аппаратуры ЦР-2 было записано изменение нагрузки на стойку при осадке основной кровли. В период осадки крепь работала под песчаником мощностью 20м и прочностью 130МПа. Предохранительный

Р, кН

1600 1200 800 400 0

/>,кН 2000 1600 1200 800 400 О

а)

--------------

ч

—ГТ"

Р ном

нижняя задняя стойка

1в 19 20 21 22

б)

а Т"~—1 ■ Тт ¿Ь- . Л—

ЦИКЛЫ

ном

верхняя задняя стойка

1 2 3 4 5 6 7 I, час

Рис.1 - Изменение нагрузки на стойки крепи М138 при осадке основной кровли: а) в циклах и б) во времени

клапан гидростойки, в поршневую полость которой были подключены датчики давления, имел уровень настройки 56МПа.

Время записи процесса нагружения стойки было установлено равным 1,000с. Это позволило детально изучить изменение давления в поршневой полости гидростойки при динамическом нагружении её обломившимся блоком. В первый момент после нагружения в течение 5мс просадка штока составила б,2мм в то время, как прибор не фиксирует увеличение давления в поршневой полости стойки. Из-за инерции элементов фиксирующего давление прибора происходит запаздывание

записи изменения давления.

Далее наблюдается интенсивное увеличение податливости стойки. За время 46 мс шток стойки просел на 16мм, что соответствует средней скорости его просадки 356мм/с. Давление в поршневой полости стойки возросло на 4,9МПа. Затем шток стойки не проседает, но давление в стойке увеличивается. В течение последующих 87мс оно возросло до 67,2МПа. Скорость нарастания давления в среднем составила 127,ЗМПа/с.

В это время сказалось действие упругих сил восстановления системы: перекрытие - основание - штыб на перекрытии и под основанием секции. При жестком заневоливании стойки график изменения нагрузки на неё будет изменяться по прямолинейному закону. После упругого восстановления происходит снижение давления в поршневой полости стойки сначала интенсивно, затем более медленно. Средняя скорость падения давления за время 0,424с составила 21МПа/с.

Наибольшая скорость податливости штока стойки имела место в самый первый момент после воздействия обломившегося блока на крепь. Средняя скорость просадки в этот момент составила 1240мм/с.

Начальный распор крепи перед динамическим воздействием блока на крепь М142 был равен 1300кН/м2, конечное сопротивление 1560кН/м2, среднедействующее за период нарастания давления сопротивление крепи составило 1430кН/м2, заброс давления выше номинального значения был равен 260кН/м2, среднее значение коэффициента динамичности за время действия нагрузки от обломившегося блока составило 2,6, В таблице 1 представлены параметры взаимодействия крепи с кровлей при динамическом нагружении.

Таблица 1 - Таблица основных показателей взаимодействия крепи с кровлей

Крепь Шахта ДА, мм Кб Сопротивление крепи, кН/м^

распор максим. среднее

М138 «Распад-ская» 75 8,5 290 1097 693

М138 «Молодогвардейская» 42 5,2 500 1220 860

М142 «Распад-ская» 16 2,6 1300 1560 1430

Из таблицы видно, что с увеличением среднедействующего сопротивления крепи в цикле величина просадки штоков уменьшается. При этом коэффициент динамичности Кд уменьшается в среднем

с 8,5 до 2,6. Представленные цифры коэффициента динамичности являются средними за время нагружения стойки.

Определение коэффициента динамичности производилось по общепризнанной формуле (1):

(1)

£

где а-ускорение просадки штока гидростойки, м/с ; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.

2АИ

а=-<>

(2)

где АЛ - величина просадки штока стойки за время роста нагрузки, м;

/ - время просадки штока стойки, с.

В рассмотренном выше случае за время 0,005с шток стойки просел на 6,2мм (0,0062м). Подставляя эти данные в формулы (1 и 2), получим: Кд =51,6, что в 20 с лишним раз превышает коэффициент

динамичности при свободном падении тела.

2 При увеличении скорости подвигания очистного забоя динамика воздействия обрушающихся пород на крепь возрастает. Это связано с тем, что в этом случае из-за изменения прочности пород, уменьшения скорости расслоения и трещинообразования в прочных слоях кровли увеличивается объем пород, участвующих в погружении крепи. Для обеспечения условий эффективного управления кровлей необходимо при определении сопротивления крепи учитывать этот фактор.

Из анализа рассмотренных опубликованных работ следует основной вывод о том, что скорость подвигания очистного забоя оказывает существенное влияние на проявления горного давления в лаве.

Отмеченные закономерности были получены при изменении скорости подвигания лавы, не превышающей бм/сутки.

Основной задачей исследований автора является установление количественных зависимостей изменения шага осадки основной кровли / в широком диапазоне изменения скорости подвигания очистного забоя У3 при различной мощности пород основной кровли тж , залегающих непосредственно над пластом и различной глубине работ.

По полученным данным построены соответствующие зависимости (см. рис. 2), из которых следует, что по мере увеличения У3 шаг осадки основной кровли также увеличивается. Отмеченная закономерность наблюдается при всех значениях мощности основной кровли.

Однако наибольшая интенсивность изменения параметра 1Ж происходит в пределах изменения скорости подвигания лавы от 1 до 6 м/сут. Далее рост шага осадки замедляется. При скорости более 10м/сут он снижается до минимума. Особенно это хорошо заметно по графику 3 ( рис. 2), когда над пластом залегают мощные слои основной кровли, достигающие в среднем 47м.

о о.

а «

о X о о я

э

о о и

СЗ

а

70 60 50

40 30 20 10

3

к. А < к ' ! :____ —= 2 1

А > * <

♦

/А ♦

2 4 6 8 ю 12 14 Скорость подвигания лавы, м/сут

16

1 - -♦-при Отосхр = 16 м; 2 при тм.ср = 27 м;

3 - при т^с.ср = 47 м;

Рис. 2 - Изменение шага осадки основной кровли от скорости подвигания лавы

При уменьшении средней мощности основной кровли с 47 до 16м скорость подвигания лавы на изменение шага осадки кровли сказывается в большей степени. Так по мере увеличения скорости подви-

гания лавы с 6 до 12м/сут. шаг осадки пород мощностью 47м увеличивается на 4м, с 54 до 58м (см. рисунок 2, график 3). При том же диапазоне изменения скорости подвигания лавы, но при средней мощности пород основной кровли 16м шаг осадки увеличивается на Юм с 44 до 54м.

3 При определенном уровне сопротивления крепи передний конец обломившегося блока, поддерживаемый крепью, не проседает, обломившийся блок разворачивается и расклинивается между породами, находящимися впереди плоскости облома и обрушенными в завале, вследствие чего динамика воздействия пород на крепь снижается до минимума. Этот уровень сопротивления крепи является искомым, при котором обеспечивается надежное и безопасное управление кровлей в очистном забое.

В настоящее время известны два основных метода определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи: с помощью ГОСТа Рис помощью коэффициента тяжести кровли. В первом случае искомое сопротивление определяется из выражения

^Ол,=^[400 + 80(т-1)]кН/м2, (3)

где Кт - коэффициент тяжести кровли, который при легкой, средней и тяжелой кровле соответственно равен: 1,0; 1,5 и 2,0.

При втором методе

РИШ = [350+АСт -250+100(т-1)1кН/м2, (4) АСт - приращение коэффициента тяжести кровли, определяемое из выражения (5) в зависимости от мощности легкообрушаю-щихся пород кровли, залегающих непосредственно над пластом Иф и

мощности этих пород Ьл0 , при которой кровля переходит из класса тяжелых в класс легких.

ЛСт=АСт.уд(!гЛ0-кф), (5)

В условиях, когда непосредственно над пластом залегают прочные слои пород, пользоваться приведенными формулами (4 и 5) не следует, так как в этом случае получим завышенный результат необходимого номинального сопротивления крепи, что приведет к зна-

чительному удорожанию крепи комплекса и увеличению расходов на эксплуатацию.

В этом случае необходимо пользоваться моделью взаимодействия механизированной крепи с кровлей (рис.2 ,А) и расчетной схемой (рис. 2, Б), а искомую величину сопротивления крепи определять по формуле (6)

Рис. 2 - Модель взаимодействия механизированной крепи с тяжелой кровлей (А) и расчетная схема (Б) для определения необходимого номинального сопротивления крепи

р =Кбл'1п (6)

х иом.расч. / I > у у

1пр'1Я

где д - усилие, с которым обломившийся блок воздействует на перекрытие, кН;

1„ - длина жесткой части перекрытия, м;

1пр - ширина призабойного пространства лавы, м;

1К - расстояние от равнодействующей сопротивления секции крепи до переднего конца жесткой части перекрытия, м.

Рассчитанные по формуле 6 для некоторых отечественных механизированных крепей значения номинального сопротивления крепи представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчетные параметры некоторых двурядных крепей

Крепь Кр' м м /*> м ^пер > М Р 1 уд) кН/м Сопротивление крепи, кН/м2

Р ном Р ном.расч.

1 2 3 4 5 6 1 8

2М142 4,38 2,62 1,59 4,03 5700 1300 1474

2М142М/1 4,60 2,75 1,67 4,30 6900 1500 1400

2М142М/2 4,83 2,89 1,75 4,53 7250 1500 1340

2М142М/3 4,99 2,98 1,81 4,69 7240 1450 1290

МКЮ.4-11/32 4,85 2,90 1,78 4,55 5330 1100 1316

МКЮ.4У.23 /45 5,18 3,31 2,2 4,88 6580 1270 1140

МКЮ.4У-22/40 4,67 2,79 1,70 4,37 6540 1400 1377

• • ' - - --------—> —Ч-"^Г " к « »V»»!/ иишиши ишиид.

удельное номинальное сопротивление механизированной крепи в расчете на один квадратный метр поддерживаемой площади кровли при крупноблочном разрушении кровли при отработке пласта не является объективным показателем, определяющим эффективность управления кровлей (блоком), так как не учитывает ширину поддерживаемого призабойного пространства лавы. Подтверждением могут служить следующие расчетные данные для крепей 2М142 и 2М142М/3 (табл. 2) Результатами исследований установлено, что породы, находящиеся над крепью, не полностью передают свой вес на крепь, а только частично.

Искомое соотношение определяется коэффициентом сопротивления крепи ( Кс ), который равен

б'

где Яср - измеренный уровень реакции крепи, кН/м ; 2 - вес

той части обломившегося блока, которая взаимодействует с крепью, кН.

При хорошем состоянии кровли и мелкоблочном её разрушении величина Кс = 0,4.

Хорошее состояние кровли при крупноблочном разрушении

я

прочных слоев кровли обеспечивается, когда Кс > 0,7.

Установленные коэффициенты сопротивления крепи следует учитывать при определении необходимого её сопротивления.

Эффективное управление кровлей в условиях крупноблочного разрушения пород, залегающих над крепью, при сопротивлении не менее 0,7 от веса той части блока, которая взаимодействует с крепью.

Последовательность выполнения операций при определении необходимого номинального сопротивления механизированной крепи сводится к следующему:

1) расчет по определению искомой величины в условиях, когда непосредственно над крепью залегают мощные и прочные слои основной кровли следует вести по наиболее тяжелой схеме взаимодействия крепи с крупными обрушающимися блоками;

2) для выполнения расчета необходимо детально изучить горно-геологические условия залегания угольного пласта, выбрать наиболее сложный участок отработки угольного пласта и определить исходные данные для выполнения расчета;

3) выбрать расчетную схему взаимодействия крепи с кровлей в соответствии с представленной в работе моделью (см. рисунок 7 в диссертации);

4) выбрать предполагаемые для использования конкретные механизированные крепи и установить их параметры в соответствии с таблицей 2;

5) определить величину коэффициента сопротивления крепи;

6) для выбранных предполагаемых вариантов механизированной крепи в соответствии с выражением (7) рассчитать искомую величину сопротивления;

7) выбрать конкретный тип крепи, который обеспечивает эффективное управление кровлей при наименьшем расчетном сопротивлении крепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 В результате проведенных натурных и лабораторных исследований и анализа полученных закономерностей решена важная проблема, имеющая научное и практическое значение, заключающая в разработке нового метода определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи на основе вновь установленных зависимостей изменения параметров проявления горного давления, связанных с интенсивной отработкой пологих угольных пластов в наиболее сложных условиях их залегания.

2 Установлено, что интенсивность проявления горного давления при отработке пологих угольных пластов с помощью механизированных комплексов зависит от ряда факторов, которые могут оказывать влияние на процесс взаимодействия крепи с кровлей как в отдельности, так и совместно в различных сочетаниях:

а) характера разрушения пород кровли, залегающих непосредственно над пластом;

б) скорости подвигания очистного забоя при отработке запасов;

в) мощности пород основной кровли;

г) глубины работ;

д) сопротивления механизированной крепи.

3 Наиболее тяжелым вариантом взаимодействия крепи с кровлей является тот, когда непосредственно над пластом залегают мощные и прочные слои основной кровли.

4 Установлено, что с увеличением скорости подвигания лавы до бм/сут шаг осадки основной кровли увеличивается интенсивно; дальнейшее увеличение скорости свыше указанной величины на изменение шага осадки оказывает несущественное влияние. При увеличении глубины работ шаг осадки также увеличивается, но влияние её сказывается только до глубины 350 - 400м.

5 Установлен новый характер проявления горного давления в лавах при отработке пластов, в кровле которых непосредственно над пластом залегают мощные и прочные слои пород, заключающийся в том, что при обломе этих слоев выделяется энергия упругого сжатия, которая воздействует на передний конец обломившегося блока и смещает его в сторону крепи. Происходит динамический удар по крепи. При недостаточном её сопротивлении она может быть разрушена. Величина этой энергии тем больше, чем больше шаг осадки основной кровли и мощность обломившихся слоев.

6 По мере увеличения силовых параметров механизированной крепи интенсивность проявления горного давления снижается, средняя величина коэффициента динамичности изменяется от 8,5 при среднем сопротивлении крепи 690 кН/м2 до 2,6 при среднем сопротивлении крепи 1430 кН/м .

7 При обломе блока между породами, находящимися впереди плоскости облома и обломившимся блоком возникает сила трения, которая совместно с реакцией крепи способствует удержанию переднего конца его от проседания. Вследствие этого измеренная величина сопротивления крепи оказывается меньше веса разрушенных пород, находящихся над крепью. Сила воздействия на крепь обломившегося блока может быть учтена в расчетах коэффициентом сопротивления крепи, который равен отношению веса пород, формирующих нагрузку на крепь, к весу взаимодействующих с крепью пород.

8 Разработан метод определения величины коэффициента сопротивления крепи с помощью величины допустимой при обломе блока просадки стоек. Для рассматриваемых в работе условий эта величина равна 0,7; в условиях, где прочные породы, залегающие непосредственно над пластом являются легкообрушающимися, названный параметр равен 0,4.

Публикации по теме диссертации

1) Логинов М.А. Динамика проявления горного давления при отработке пологих угольных пластов с тяжелыми кровлями 1С.Г. Баранов, Д.С. Власенко, М.А. Логинов// Записки Горного института.-СПб., 2011, т. 190.-С. 26-30.

2) Логинов МА. Определение предельных пролетов кровли при интенсивной отработке пологих пластов Кузбасса /С.Г. Баранов, Д.С. Власенко, М.А. Логинов/ Записки Горного института. - СПб., 2011,т. 190.-С. 22 - 25.

3) Логинов МА. Анализ современных методов и средств мониторинга при подземной разработке полезных ископаемых 1Г.И. Коршунов, P.C. Истомин, Б.Ю. Зуев, Л.А. Гладкова, М.А. Логинов.// Горный информационно-аналитический бюллетень № 4, 2010. - С. 19 -25.

4) Логинов МА. Исследование условий работы целиков и поддержания выработок при подготовке выемочных столбов спаренными выработками /Г. И'. Коршунов, Б.И. Зуе, A.A. Ромашкевич, Е.П. Ютяев, М.А. Логинов// Горный информационно-аналитический бюллетень № 4,2010. - С. 7 -12.

5) Логинов М.А. Травматизм на шахтах «СУЭК-КУЗБАСС» и его причины /Г.И. Коршунов, P.C. Истомин, И.В. Курта, М.А. Логинов //Горный информационно-аналитический бюллетень № 6, 2011. - С. 18-20.

6) Логинов М.А.. Научное сопровождение высокопроизводительных очистных забоев /М.А. Логинов, Г.И. Коршунов, В.М. Шик// Журнал «Народное хозяйство Республики Коми». 2008, т. 17. - С. 56 -59.

7) Логинов МА. Горные удары кровли на угольных шахтах /Г.И. Коршунов, М.А. Логинов, В.М. Шик// Всемирный конгресс. Польша, Краков, 09.2008. - С 12 - 15.

8) Логинов М.И. Горные удары кровли на шахтах Воркутин-ского угольного месторождения /Г.И. Коршунов, М.И. Логинов// Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. Труды 7 межрегион, научно-практичн. конф. - Воркута, 8 — 10 апреля 2009 г., т. 2.-С. 306-309.

- Z-C

РИЦ СПГГУ. 21.11.2011. 3.664 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Логинов, Михаил Александрович, Санкт-Петербург

61 12-5/1308

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет»

На правах рукописи

ЛОГИНОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ С ТЯЖЕЛЫМИ КРОВЛЯМИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Специальность 25.00.22- Геотехнология

(подземная, открытая и строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

профессор, д.т.н. М.А. Розенбаум

Санкт-Петербург 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ......................................4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ВЫБОР ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................12

1.1 Краткий обзор выполненных работ.......................................... 12

1.1.1 Работы, связанные с созданием и совершенствованием механизированных комплексов первых поколений...................................................12

1.1.2 Исследования влияния скорости подвигания очистного забоя на шаг осадки основной кровли и параметры взаимодействия крепи с кровлей.........13

1.1.3 Исследования влияния глубины работ на шаг осадки основной кровли.................................................................................................16

1.1.4 Обобщенные схемы разрушения пород кровли над крепью...........19

1.1.5 Анализ результатов рассмотренных работ и выбор задач исследований................................................................................................25

Выводы по главе 1.........................................................................................27

ГЛАВА 2 ТИПИЗАЦИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЗАЛЕГАНИЯ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ВЫБОР МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕПИ С КРОВЛЕЙ..............28

2.1 Факторы, определяющие типы пород кровли по устойчивости и нагрузочным свойствам........................................................................28

2.2 Выбор модели взаимодействия крепи с кровлей..........................33

Выводы по главе 2...................................................................44

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХКРЕПИ С КРОВЛЕЙ............45

3.1 Методика исследований.........................................................45

3.2 Результаты исследований в лавах с тяжелыми кровлями................47

3.3 Совместное влияние скорости подвигания очистного забоя, глубины работ и мощности пород основной кровли на шаг её осадки........................57

3.4 Сопоставление веса взаимодействующих с крепью пород и её реакции...............................................................................................63

Выводы по главе 3...................................................................64

ГЛАВА 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ............................................... .66

4.1 Известные методы определения нагрузочных свойств кровли и силовых параметров механизированных крепей.............................................66

4.2 Выбор расчетной схемы и её параметров для определения необходимого номинального сопротивления крепи...............................................71

4.3 Рекомендации по определению необходимого номинального сопротивления механизированной крепи.......................................................79

4.4 Влияние номинального сопротивления механизированной крепи на её вес и стоимость................................................................................80

Выводы по главе 4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ... ЛИТЕРАТУРА.....

.91 .93 95

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Основным направлением развития подземной добычи угля при отработке пологих угольных пластов подземным способом в России является резкое увеличение нагрузки на очистные забои, оснащенные механизированными комплексами. Решение этой проблемы связано с выбором высокопроизводительных комплексов новых поколений.

В настоящее время в России и за рубежом созданы высокопроизводительные комплексы, с помощью которых нагрузка на лаву возросла в несколько раз. Рекордная производительность очистного забоя с оборудованием для лав фирмы ДБТ была достигнута в США, на шахте "Твентимайл" угольной корпорации "Кипрус Амакс Коул Корп." в Колорадо в августе 1996г., на которой месячная добыча из лавы составила 820 575т товарного угля при коэффициенте использования оборудования фирмы ДБТ 99%; 26 - го октября 1998г. за одну десятичасовую смену было добыто 25 548 т угля [ 1,2].

Высокие нагрузки на лаву были достигнуты и в Германии, где применяются щитовые механизированные крепи, которые в большинстве случаев двух-стоечные с повышенной несущей способностью ( ЮООкН/м и более). На шахте «Фридрих Генрих / Рейнланд» в лаве длиной 430м в течение суток было добыто 18000 т товарного угля.

Известны также случаи работы лав, оснащенных механизированными крепями, с высокой нагрузкой и в России. На шахте им. С.М. Кирова при отработке пласта Болдыревского мощностью 2,2м в лаве длиной 242м была достигнута производительность очистного забоя 10400 т/сут; на шахте «Котинская» при отработке пласта 52 мощностью 4,5м в лаве длиной 200м, оснащенной комплексом ДБТ, нагрузка на лаву 05 составила 12000т/сут; в другой лаве 07 по тому же пласту 52 суточная нагрузка на лаву составила в среднем 23000 т/сут.

Приведенные случаи высокой производительности очистных забоев относятся к благоприятным условиям залегания угольных пластов, когда в кровле

пласта залегали легкообрушающиеся породы и номинальное сопротивление механизированной крепи соответствовало нагрузочным свойствам кровли.

Среди производственников складывалось мнение, что механизированные комплексы новых поколений способны обеспечить высокую нагрузку на очистной забой в любых условиях. Практика работы очистных забоев с механизированными крепями показывает ошибочность этого мнения. Известны случаи, когда высокопроизводительные механизированные комплексы приходилось преждевременно демонтировать, не отработав выемочный столб, из-за несоответствия силовых параметров крепи механизированного комплекса условиям залегания угольного пласта. Это приводило к существенной потере добычи угля и значительным материальным и трудовым затратам. Чтобы исключить аналогичные случаи, необходимое номинальное сопротивление механизированной крепи стали назначать с большим коэффициентом запаса. Такой подход имел положительный факт, так как позволял избегать неприятностей при отработке запасов: исчезли случаи зажатия крепи и её деформирование при осадках основной кровли. Однако это приводило к созданию более тяжелых и более дорогих механизированных крепей, чем это было необходимо по условиям залегания пласта. Исследованиями установлено, что увеличение сопротивления крепи на 100кН/м2 поддерживаемого призабойного пространства приводит к увеличению веса крепи в 1,5-2,0 раза и соответствующему значительному удорожанию комплекса. Положение особо осложнилось в связи с высокими скоростями подвигания очистных забоев, так как при этом отмечались значительные увеличения пролетов обрушения основной кровли. Кроме того, средние по нагрузочным свойствам кровли пластов при высоких скоростях подвигания лавы переходили в категорию тяжелых. Это приводило к тому, что при обрушении основной кровли существенно увеличивалась динамика нагружения крепи. Этот факт не учитывается существующим ГОСТом Р при определении номинального сопротивления крепи.

Вопросами определения силовых параметров механизированных крепей при отработке пологих угольных пластов занимались такие ученые как: Арда-шев А.К., Баранов С.Г., Бушуев Н.П., Вавилов В.В., Громов Ю.В., Грязнов Б.П., Журило А.А., Калинин С.И., Коровкин Ю.А., Кузнецов С.Т., Мышляев Б.К., Орлов А.А., Розенбаум М.А., Савенко Ю.Ф., Старичнев В.В., Хорин В.Н. и др.

В настоящее время известны ряд методов определения необходимого сопротивления крепи. Среди них наибольшей известностью пользуются два: а) искомая величина сопротивления крепи для пластов, над которыми залегают легкообрущающиеся породы, определяется с помощью ГОСТа Р [3] и б) способ, учитывающего нагрузочные свойства кровли [4].

В условиях, когда непосредственно над пластом залегают прочные слои песчаника основной кровли, необходимое номинальное сопротивление крепи не может быть надежно определено при использовании коэффициента тяжести кровли и с помощью ГОСТа Р, так как названные методы не учитывают изменение шага осадки основной кровли при высоких скоростях подвигания очистного забоя и суммарного сопротивления крепи в расчете на 1 м длины лавы. В работе рассматриваются случаи, когда с крепью взаимодействует песчаник основной кровли. Расположенные выше песчаника породы свой вес передают на пласт угля впереди линии забоя и на обрушенные породы в завале. Учитывая сказанное, расчет сопротивления крепи следует производить по схеме, в которой крепь максимально нагружается блоком песчаника при первой осадке кровли.

Подтверждением сказанному служат результаты отработки пласта IV -

V на шахте «Усинская», на которой эксплуатировался комплекс 4КМ 130 с нол

минальным сопротивлением крепи 700 кН/м . В период отработки над пластом залегал песчаник, коэффициент крепости которого находился в пределах 12 -14. Указанного сопротивления крепи было недостаточно для управления кровлей при осадках основной кровли. Поэтому в период осадок основной кровли каждый раз около 10-12 секций сажало «нажестко», что приводило к длитель-

ным остановкам очистного забоя. С другой стороны, на шахте «Распадская» при отработке пласта 7 - 7а механизированным комплексом 2КМ 142 с сопротивлением крепи 1300 кН/м2 в условиях, аналогичных условиям шахты «Усин-ская», осадки основной кровли в лаве визуально не отмечались, они фиксировались только приборами.

При больших скоростях отработки запасов шаг осадки основной кровли увеличивается, что приводит к дополнительным нагрузкам на крепь во время её осадок.

Однако этот вопрос до настоящего времени совершенно не изучен. Приведенные примеры свидетельствуют об актуальности проведения исследований в указанных условиях и разработке на полученных результатах математической модели для определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи в условиях, когда над пластом залегают прочные слои основной кровли, а запасы отрабатываются при больших скоростях подвигания

лавы.

Следует, кроме того, учитывать тот факт, что разрабатываемый способ определения сопротивления крепи должен позволять определять искомую величину с наименьшей погрешностью.

Цель диссертационной работы - разработка способа определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи для условий отработки пологих угольных пластов, когда непосредственно над пластом залегают прочные и мощные слои прочные песчаников ( алевролитов ) при интенсивной отработке запасов.

Идея работы - необходимое номинальное сопротивление механизированной крепи определяется для случая крупноблочного разрушения кровли с учетом высокой скорости подвигания лавы, глубины работ и мощности слоев

основной кровли.

Основные задачи исследований:

- выбор модели взаимодействия крепи с тяжелой кровлей, которая обру-

шается по мере подвигания лавы крупными блоками;

- установление закономерностей проявления горного давления в очистном забое в зависимости от скорости подвигания лавы, глубины работ и мощности пород основной кровли;

- разработка расчетного метода определения необходимого сопротивления крепи для условий крупноблочного разрушения слоев основной кровли с учетом установленного соотношения между необходимым сопротивлением крепи и весом той части пород обломившегося блока, которая взаимодействует с крепью.

Методы исследований:

- анализ и обобщение сведений литературных источников по вопросам изучения закономерностей взаимодействия крепей с боковыми породами при высоких скоростях подвигания лавы, изменении глубины работ и различной мощности пород основной кровли;

- натурные измерения и наблюдения в лавах с механизированными крепями при отработке угольных пластов с тяжелыми кровлями;

- установление зависимостей изменения основных параметров взаимодействия крепи с кровлей при изменении скорости подвигания лавы, глубины работ и мощности пород основной кровли;

- комплексный одновременный учет всех изучаемых факторов, влияющих на силовые параметры механизированных крепей.

Научная новизна работы:

1 Установлены закономерности изменения шага осадки основной кровли от скорости подвигания забоя, глубины ведения горных работ и мощности пород основной кровли. В условиях фиксированной мощности и глубины работ увеличение скорости подвигания в два - три раза (с 2 - 4 м/сут до 8 - 12 м/сут) приводит к увеличению предельного пролета кровли на 30 - 40%.

2 Установлен критерий Кс, определяющий фактический уровень нагрузки на механизированную крепь, представляющий собой отношение веса пород,

нагружающих крепь в выемочном цикле, к общему весу взаимодействующих с крепью пород. При значении Кс >0,7 отрицательное динамическое воздействие

на крепь обрушенных слоев не сказывается.

3 Разработана физическая модель взаимодействия мехкрепи с тяжелой кровлей, обрушающейся по мере ведения очистных работ крупными блоками, и метод определения необходимого номинального сопротивления крепи комплекса для отработки пластов с труднообрушаемой тяжелой кровлей, включающий закономерности по определению шага осадки.

Защищаемы научные положения:

1 При отработке пологих угольных пластов с тяжелыми труднообру-шающимися слоями пород, залегающими непосредственно над пластом, во время их облома выделяется значительное количество энергии упругого сжатия, что вызывает динамическое нагружение крепи, при котором происходит заброс давления в поршневых полостях стоек крепи выше уровня срабатывания предохранительных клапанов. Это вызывает деформирование и зажатие секций механизированной крепи и остановку очистного забоя.

2 При увеличении скорости подвигания очистного забоя динамика воздействия обрушающихся пород на крепь возрастает. Это связано с тем, что в этом случае из-за изменения прочности пород, уменьшения скорости расслоения и трещинообразования в прочных слоях кровли увеличивается объем пород, участвующих в нагружении крепи. Для обеспечения условий эффективного управления кровлей необходимо при определении сопротивления крепи учитывать этот фактор.

3 При определенном уровне сопротивления крепи передний конец обломившегося блока, поддерживаемый крепью, не проседает, обломившийся блок разворачивается и расклинивается между породами, находящимися впереди плоскости облома и обрушенными в завале, вследствие чего динамика воздействия пород на крепь снижается до минимума. Этот уровень сопротивления

крепи является искомым, при котором обеспечивается надежное и безопасное

управление кровлей в очистном забое.

Научное значение работы состоит в установлении закономерностей воздействия силовых параметров крепи на механизм поведения и динамику проявления горного давления при интенсивной отработке пластов с тяжелой кровлей.

Практическая ценность работы:

- определены предельные пролеты основной кровли для конкретных условий залегания угольных пластов;

- разработана методология определения необходимого номинального сопротивления механизированной крепи при крупноблочном разрушении пород основной кровли с учетом шага осадки основной кровли;

- результаты исследований являются основой для разработки дополнений в ГОСТ Р 52152 - 2003. Крепи механизированные для лав. Основные параметры. Общие технические требования. Методы испытаний.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами:

- большого объема шахтных исследований по изучению закономерностей взаимодействия крепей М138, 2М142, М130, ОКП70 с боковыми породами

классов ТУП, ТИП, ТдУП;

- лабораторных исследований воздействия на гидроопоры механизированных крепей динамического нагружения с использованием быстродействующей записывающей аппаратуры ЦР - 2;

- шахтных исследований нагружения гидроопор секций крепи при резких осадках основной кровли с применением быстродействующей аппаратуры ЦР-

2;

- внедрением рекомендаций автора по определению необходимого номинального сопротивления механизированных крепей комплексов на шахтах Кузнецкого и Воркутинского бассейнов.

Апробация диссертации - Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались на 11 Международной научно-практической конференции «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий», (Санкт-Петербург, 2011); на Всемирном конгрессе, Польша, Краков, 2008; на межрегиональной научно-практической конференции, Воркута, 2009.

Личный вклад автора заключается в участии в шахтных исследованиях, в анализе полученных результатов, в разработке физической модели взаимодействия крепи с тяжелой труднообрушающейся кровлей, в установлении новых закономерностей воздействия крепи на механизм проявления горного давления, в разработке мето�