Приоритетная технология очистных работ длинными лавами

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97»

МОСКВА, МГГУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 7 «РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ»

Л.Н. Гапанович, к.т.н. академик Академии горных наук

ПРИОРИТЕТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ДЛИННЫМИ ЛАВАМИ

В мировой практике разработки угольных месторождений преобладающее значение имеют два вида технологии очистных работ: длинными лавами и камерами, как в самостоятельном виде, так и в сочетании с заходками для погашения междука-мерных целиков угля. Исключительное распространение камерные системы разработки изначально приобрели лишь в двух странах - США и Австралии, благодаря особо благоприятным для них горногеологическим условиям, созданию специального горнопроходческого оборудования (погрузочные машины, комбайны и самоходные вагонетки) и анкерной крепи. Еще в 40-е годы в США были достигнуты технико-экономические показатели работы шахт многократно (в 6-7 и более раз) превышающие их уровень в других странах.

Высокая эффективность этого опыта явилась привлекательным стимулом к проведению в 50-60-е годы промышленных испытаний камерно-столбовых систем разработки на базе американского оборудования в ряде стран с высокоразвитой угольной промышленностью: продолжительных

(свыше 30 лет) и широкомасштабных (10,5% от подземной добычи угля в 1950 г.) в Великобритании, ограниченные - в ФРГ и СССР ( 5 комплектов оборудования ).

В связи с относительно сложными горногеологическими условиями в бассейнах этих стран не удалось получить технико-экономических показателей не только сравнимых, но даже и близких к показателям в США, что заставило отказаться от на-

правления на развитие подземного способа добычи угля по американскому пути как бесперспективному.

Происшедшее в последующие десятилетия стремительное развитие в европейских странах очистных механизированных крепей и комплексов оборудования и их успехи в добыче угля определили тенденцию вытеснения в США и Австралии камерных систем разработки более эффективной столбовой системой с длинными лавами, оборудованными высокопроизводительными механизированными комплексами. При этом к настоящему времени удельный вес добычи угля из этой системы разработки достиг соответственно 40 и 50 % от общей подземной в этих странах, нагрузка на лаву типовой шахты США составила от 3 до 9 тыс.т в смену при очень высокой производительности труда - число обслуживающего лаву персонала (включая надзор) не превышало 6-10 человек в смену.

Можно выделить четыре основных составляющих такого исключительного успеха в работе американских комплексномеханизированных лав:

• особо благоприятные горногеологические условия разрабатываемых месторождений в отношении мощности, углов и глубины залегания пластов, прочности вмещающих пород и количества выделяемого метана;

• наивысший уровень производительности и надежности применяемого оборудования;

• минимальное число лав на шахте -1 лава на 75% шахт и 2 лавы на 12-13% шахт, что позволяет в наибольшей степени реализовать технический потенциал механизированных комплексов;

• отсутствие ограничений в работе очистного забоя по причине инфраструктуры транспортных и вентиляционных выработок выемочного участка и шахты в целом.

Последняя составляющая нуждается в более детальном рассмотрении. В американской практике лавы подготавливаются в отличие от классического европейского опыта, не двумя, примыкающими к ней штреками, а как я при камерной системе разработки - группой штреков, состоящей из трех (52%) или реже четырех (46%) выработок с каждой стороны лавы.

Выработки разделены между собой целиками угля, ширина которых определяется из условия их несущей способности в зависимости от глубины разработки, поэтому крепятся они только анкерами и каждой из выработок задается лишь одна функциональная нагрузка. Главным достоинством такой подготовки для двух штреков, непосредственно примыкающих к лаве, является исключение подверженности их долговременному опорному давлению, превышающему геостатическое. Это позволяет проводить их большой ширины ( до 6,1 м ) и не иметь потерь времени рабочей смены на концевых участках и сопряжениях лавы со штреками, а также неблагоприятных деформаций штрекои в течение всего периода отработки лавы.

В этом состоит важное технологическое преимущество подготовки лав группой штреков по сравнению с их подготовкой только двумя, примыкающими к ней штреками, один из которых ( обычно вентиляционный ) в российской и западноевропейской практике является “присечным”, либо

“повторно используемым” и подвержен долговременному опорному давлению со стороны выработанного пространства ранее отработанного выемочного столба со всеми неблагоприятными отсюда последствиями -деформациями крепи, уменьшением сечения вплоть до нерабочего и неоднократными перекреплениями с поддиркой пород почвы и кровли.

Перенос американского опыта подготовки лав группами штреков на отечественные шахты, даже новостройки, неприемлем из-за неадекватных горногеологических условий и нереален по причине отсутствия необходимой горнопроходческой техники, потребности в которой к тому же возрастут в несколько раз.

Однако идея защиты выемочных штреков от долговременного опорного давления в результате влияния ранее образованного выработанного пространства, может быть реализована и при широко распространенной на отечественных перспективных шахтах [ 1 ] бесцеликовой технологии очистных работ (около 80% добычи угля от подземной), которая не имеет альтернативы в связи с значительной глубиной горных разработок, сближенным залеганием пластов в свитах и повышенных газо- и динамических проявлений ( табл. 1).

Высокая результативность 30-ти летнего опыта внедрения бесцеликовой технологии очистных работ выразилась в повышении экономичности, общей и противопожарной безопасности горных работ, а также в извлечении запасов угля, ранее безвозвратно теряемых в недрах, и увеличении срока службы шахт. Это позволяет утверждать, что нет альтернативы применению бесцеликовой технологии очистных работ и при освоении новых угольных месторождений, в особенности таких весьма продуктивных, благоприятных и выгодных для эксплуатации как Соколовское и Менчерен-ское в Кузбассе, характеризующиеся наличием в свитах большого числа пластов ра-

бочей мощности ( до 25 - 29 ), сближенным чительной мощностью ряда пластов ( до 5,2

их залеганием ( от 2 до 64 м ), а также зна- - 6,5 м ).

Таблица 1

Характеристика перспективных шахт РФ, разрабатывающих пласты

с углами падения до 35 ‘

Г руппы шахт с производст венной мощностью, тыс.т/год Кол-во шахт Производственная мощность шахт, тыс.т/год Средняя глубина разработки, м Распределение производственной мощности шахт (%) по мощности пласта, м

до 1,5 1,51 -2,5 свыше 2,5

всего в т.ч. опасные по метану’ всего в т.ч. опасны е по метану* всего в т.ч. опасные по метану*

Более 1750 15 43,5 456 6,2 1,8 23,6 17,5 70,2 59,5

900-1750 23 28,6 435 11,0 - 21,0 10,0 68,0 40,0

500-900 9 6,7 420 22,0 - 31,0 19,0 47,0 -

менее 500 7 2,3 330 12,0 - 59,0 38,0 29,0 13,0

Итого 54 81,1 42,4 9,0 1,1 25,0 15,0 66,0 47,0

Шахты Ш категории, сверхкатегорные и опасные по внезапным выбросам угля и газа

В этих условиях отступления производственников от бесцеликовой технологии даже на отдельных выемочных участках приведут к повышению эндогенной пожароопасности и к образованию зон ПГД, крайне осложняющих ведение работ на смежных пластах, что повлечет за собой снижение экономической эффективности эксплуатации всего месторождения.

Поэтому остается лишь один путь -совершенствовать технологию очистных работ при системе разработки длинными столбами с бесцеликовыми способами охраны выемочных выработок. Т.е. обеспечить требование не оставлять в выработанном пространстве целиков угля позади очистного забоя.

Наиболее простым технологическим решением задачи, уже получившим в одном из вариантов успешную в течение длительного периода промышленную апробацию

[2], является охрана вентиляционного

штрека временным целиком угля, извлекаемым очистным забоем. При этом ширина такого целика должна исключать распространение опорного давления на охраняемую выработку в течение всего срока ее эксплуатации, что позволяет перейти на крепление ее анкерами, вместо опорной крепи.

Известно, что в последние десятилетия в мировой практике получили широкое распространение виды анкерной крепи нового технического уровня, характеризующиеся закреплением металлических стержней и труб по всей длине и имеющие широкую область применения в практически любой прочности породах кровли и не менее, чем в 2 раза более высокую несущую способность по сравнению с анкерами, закрепляемыми распорной головкой. По сравнению с рамными видами крепи (деревянной, металлической) анкерная крепь обеспечивает многократное снижение затрат времени и

труда на проведение выработок за счет меньшего их сечения, меньшей стоимости крепежных материгшов, и их доставки в забой, а также механизированной установки анкеров. В частности, материальные затраты на проведение, крепление и поддержание подготовительных выработок прямоугольного сечения, закрепленных анкерами до 3-5 раз ниже аналогичных затрат на выработки с арочной крепью. Известно также, что в выработках закрепленных только анкерной крепью, нагрузка на лаву не менее, чем в 1,2 - 1,3 раза выше по сравнению с выемочными выработками с рамной крепью. Отсюда бесспорно, что приоритет в совершенствовании технологии очистных работ должен быть признан за такими техническими и технологическими решениями, которые могут обес печить переход на крепление выемочных выработок анкерами.

При отнесении места расположения вентиляционного штрека с концевого участка лавы на некоторое расстояние в массив угля возникает проблема проветривания участка лавы временного надштрекового (подштрекового) целика угля, граничащего с выработанным пространством. При этом могут иметь место несколько вариантов технических решений его проветривания:

1. За счет общешахтной депрессии

Для этого требуется сохранение на границе с обрушенными породами полноразмерной по высоте выработки, которая соответствует требованиям ПБ к запасному выходу из лавы. На пластах мощностью свыше 2,5 - 3,0 м при труднообрушающихся породах кровли этс требование, как показал многолетний опыт, практически не выполнимо - выработки “залавливает” до такой степени, что они не в состоянии пропустить даже необходимого количества воздуха. Потеря высоты и сечения выработки дости-

гает 50 - 60 %. При средне- и легкообру-шающихся порода?: кровли, а также на пластах мощностью меньше 2,5 м, требование

выполнимо, но сопряжено с тяжелым ручным трудом и неоправданно высокими трудовыми и материальными затратами при образовании и последующих перекреплени-ях выработки, характеризующихся повышенной опасностью. Такие трудозатраты являются резким контрастом облегченному и высокопроизводительному труду рабочих очистных забоев, оборудованных современными механизированными комплексами. Очевидна неэффективность и неперспек-тивность общепринятых технических решений.

2. С помощью газоотсасывающего вентилятора типа ВМЦГ

С 1990 г. на шахте “Распадская”, а позже и на ряде других шахт Кузбасса накоплен положительный опыт проветривания участка лавы надштрекового целика угля с применением вентилятора ВМЦГ - 7 в условиях труднообрушающихся пород кровли [ 2 ]. В начале проветривание осуществлялось по частично сохраненному в выработанном пространстве сечению штрека, а затем и при полностью погашенных на всем протяжении ( до 1800 м ) штреках отработанных вышележащих выемочных столбов. Опытом доказана управляемость, высокая экономическая эффективность и безопасность этого способа проветривания при размещении вентилятора в пределах части выемочного участка и газообильности его выработок до 5 м3/мин. При большей газообильности выемочного участка безопасность проветривания может достигаться в соответствии с исследованиями ВостНИИ

[3] за счет использования газоотсасывающих вентиляторов повышенной производительности и размещения их за пределами выемочного участка - непосредственно на уклонной ( бремсберговой ) выработке или у устья, этой выработки ( скважины ) на поверхности. Необходимы дальнейшие исследования и широкомасштабные эксперименты в шахтах по установлению оптимальных

наибольшей степенью надежности. Участок лавы временного целика угля - тупиковый, как это и представлено на схеме подготовки и системе разработки выемочного участка парными штреками ( рис. 1 ).

Способ проветривания тупикового участка лавы га-зоотсасывающи м или нагнетательным вентилятором выбирается в зависимости от конкретных горногеологических условий и принимаемой схемы проветривания.

Подготов ка выемочных участков одинарными штреками целесообразна для разработки пластов мощностью 1,5 -2,5 м.

При проведении таких штреков, как правило, потребуется присе-кать породу, поэтому длина лав должна выбираться наибольшей по техническим возможностям очистного оборудования. Проветривание участка лавы временного целика угля максим альной шириной до 25 -30 м предусмотрено газоотсасывающими вентиляторами типа ВМЦГ, однако, в отличие от предыдущего варианта, при условии сохранения только для этой цели прикон-

турной части сечения ( до 3 м" ) прежнего штрека в породах кровли любой обрушае-мости. Из опыта отработки пластов в Печорском и Кузнецком бассейнах [ 5 ] известно, что поддержание такой выработки не представляет трудностей даже при боль-

Рис.2. Схема подготовки и система разработки длинными столбами, по простиранию пчастов мощностью 1,5 - 2,5 м с сохранением части сечения штрека на границе с выработанным пространством для целевой вентиляции

шом сроке службы ( до 2,0 - 2,5 лет ) и использования ее для прохода людей. Отмечается также положительная роль в этом отношении крепления кровли анкерами еще при проведении выработки. Расположение газоотсасывающих вентиляторов будет зависеть от газообильности выемочного участка и принятой схемы проветривания -

возвратноточной или прямоточной. Схема подготовки и система разработки при возвратноточной схеме проветривания представлена на рис. 2.

Объем подготовки парными штреками, основываясь на данных табл. 1, может составить на перспективных шахтах РФ около 66%, а одинарными - до 25% от суммарной производственной их мощности. Учитывая, что свыше 80 % производственной мощности шахт приходится на глубину работ до 600 м, то перспективы распространения анкерной крепи могут оцениваться в 65-70% от этой же их производственной мощности, при условии, конечно, использования достижения науки и практики зарубежных стран.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. На отечественных шахтах применяемые варианты подготовки выемочных участков и системы разработки, как правило, обеспечивают использование технических возможностей современных механизированных комплексов не более , чем на 50 -60 %.

2. Основными причинами потерь добычи угля в комплексно-механизированных забоях являются: использование выемочных выработок на границе с выработанным пространством в качестве рабочих, плохое эксплуатационное состояние выемочных выработок и в особенности их сопряжений с лавой и ограничения в работе выемочных машин по условиям метановыделений.

3. Рекомендуются два принципиальных варианта схем подготовки и систем разработки на основе использования временных целиков угля для охраны выемоч-

ных выработок и принудительного газоотсасывающего или нагнетательного проветривания участков лавы, соответствующих ширине этих целиков. В результате достигается расширение возможности эффективного применения анкерной крепи в выемочных выработках и как следствие - повышение эксплуатационной надежности этих выработок и нагрузки на очистной забой.

4. Считать использование способов и средств газоотсоса и вентиляции для снижения газообильности выемочных участков и тупиковых участков лав перспективным направлением, в связи с чем целесообразно расширить исследования по установлению оптимальных параметров и области его применения при различных вариантах подготовки выемочного участка и схемах его проветривания.

1. Ю.Н.Малышев, В.Е. Зайденварг, В.М. Зыков и др. Реструктуризация угольной промышленности. - М., 1996 г., с. 269-317.

2. Л.Н.Гапанович, А.В.Брайцев. “Проблемы безопасной разработки мощных пологих и наклонных пластов”. “Горный вестник” № 2, 1994 г., с. 28 -33.

3. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. - Л.ВНИМИ, 1986 г., с. 115121.

4. Временные рекомендации по снижению газообильности выемочных участков шахт Кузбасса поверхностными газоотсасывающими вентиляторами, установленными на устьях вентиляционных скважин. - Кемерово. ВостНИИ, 1988 г., с. 30.

5. Ю.Л. Худин, М.И. Устинов, А.В.Брайцев и др. Бесцеликовая отработка пластов. - М., “Недра”, 1983 г., с. 213-219.

© Л.Н.Гапанович

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ