Оценка технологических схем развития горных работ в практике отработки угольных пластов

© В.Ф. Демин, М.М. Баймульдин, Т В. Демина, 2013

УДК 622.281

В.Ф. Демин, М.М. Баймульдин, Т.В. Демина

ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗВИТИЯ ГОРНЫХ РАБОТ В ПРАКТИКЕ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Произведен анализ области применения анкерной крепи и анкерного крепления выемочных выработок по пластам.

Ключевые слова: аналитическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, технология, приконтурный массив горных пород, крепление горных выработок.

В практике разработки угольных пластов при отработке длинными очистными забоями возможны следующие схемы подготовки и отработки выемочных полей (рис. 1).

Достижение высоких технико-экономических показателей в развитых угледобывающих странах осуществлялось внедрением новых технико-технологических решений. В странах Западной Европы, особенно Германии, наряду с другими, значительное внимание уделяется совершенствованию технологии и механизации горно-подготовительных работ, где проводят выработки большого сечения, осуществляют их тщательное крепление. Однако трудоёмкость проведения и поддержания выемочных выработок, особенно на сопряжениях с лавами, остаются весьма значительными.

За последние годы признание важности этого эффекта оказало значительное влияние на раскройку шахтных полей в Великобритании. Планировка многих шахт радикально изменилась — выемочные выработки стали располагать параллельно направлению главных горизонтальных напряжений.

Британская система высокопрочных анкеров с заливкой анкера предназначена для обеспечения весьма высокой прочности сцепления и высокого сопротивления сдвигу. Действие анкеров — прямое сопротивление сдвигу кровли и обеспечение крепкого её удерживания так, чтобы значительно повысить её прочность по сдвигу. Удерживающий эффект доведён до максимума разработкой высокопрочной анкерной крепи (прочность при пределе текучести — 25 т) и весьма прочной, жёсткой смолы. Новая система успешно внедрена в Великобритании как предпочтительный метод охраны выработок на всех шахтах.

Традиционная европейская практика это расположение лав рядом друг с другом. Это связано с повторным использованием выработки предыдущей лавы или проходкой дополнительной — обычно на расстоянии 0-5 м от него. Данная схема подготовки не способствует высокопроизводительной лавной выемке обратным ходом (рис. 2, а).

Для того чтобы использовать преимущества неглубоких шахт, разработана альтернативная стратегия для глубоких шахт Великобритании.

чнипп /•/,"

/'//7////////1

////////'/л-/1

Условные обозначения

3 — направление отработки

"-— направление транспортирования угля

^ — падение пласта

——— — поступающая струя

~ ""— — исходящая струя

Рис. 1. Возможные следующие схемы подготовки и отработки выемочных полей:

а — при восходящем проветривании и прямом порядке; б — при нисходящем проветривании и прямом порядке; в — восходящем проветривании и обратном порядке; г — при нисходящем проветривании и обратном порядке

Ш&Ш

шш

щмг ....

ШШШ.

ШШ

ШаЖ шШШ

ШВШ2

Традиционная Европейская система

*Ш881 'в

-И

щЖв

чЖ&шв

щшшш

Английская система с одним заездом ис целиком

б

а

Рис. 2. Технологии одноустьевых систем разработки: а — традиционная европейская система; б — английская система с одним заездом

В такой обстановке многоустьевые системы (многоштрековые способы подготовки) непрактичны, потому что размеры столбов (целиков) станут слишком большими, в результате чего длина квершлагов будет экономически не выгодна. Принятое в Великобритании решение — это подход подготовки одноустьевых штреков со столбом (целиком угля) значительных размеров между лавами. При правильном расчёте это способ позволяет быструю проходку с применением анкерного крепления, независимо от прежнего забоя (рис. 2, б).

В отличие от Европейских стран, в США, Австралии почти в таких же горно-геологических условиях высокие показатели достигаются при использовании многоштрековых технологических схем ведения горных работ с проведением выемочных штреков прямоугольного сечения и крепления их анкерами.

Эффективность анкерного крепления возрастает при многоштрековых технологических схемах, вследствие дополнительной охраны выработок целиками.

При многоштрековых схемах выявлены следующие достоинства:

— высокие темпы проведения выработок, вследствие проведения их, в основном, по угольному пласту и использованием специального для этого оборудования;

— полная механизация работ по проведению и креплению выработок, что достигается благодаря прямоугольному сечению выработок и их анкерному креплению;

— безремонтность поддержания выработок виду некоторого усиления крепления впереди очистного забоя целиками угля;

— снижение напряжённости в обеспечении наиболее полного ис-

пользования возможностей техники очистного забоя и повышение безопасности работ;

— механизация технологических процессов на сопряжении лавы со штреками;

Вместе с тем, этим технологическим схемам присущи недостатки:

— значительные объёмы проведения выработок и рост потерь угля в целиках;

— опасность самовозгорания угля в оставленных целиках, что осложняет отработку свиты пластов т. к. создаются зоны повышенного горного давления.

В США и Австралии многоштрековые схемы применяются исключительно при столбовых системах. При этом длина лавы колеблется от 150 до 300 м, большинство 200-250 м. Выемочные штреки прямоугольного сечения проводятся группами из 2-4 параллельных вентиляционных и конвейерных выработок. Штреки, непосредственно примыкающие к лаве, погашаются вслед за её проходом, остальные в большинстве случаев, используют повторно. По штрекам, по которым транспортируются материалы, подаётся, как правило, свежая струя воздуха. Часто один из параллельных штреков используется в качестве аварийного. Исходная струя воздуха отводится по вентиляционным штрекам. В процессе очистной выемки ниши не нарезаются, приводы забойных конвейеров размещаются в выемочных штреках шириной 5-6 м. В качестве крепей сопряжений используется секции лавной крепи, устанавливаемые в сечении штреков (рис. 3, а и б).

На шахтах США наибольшее применение имеют трехштрековая подготовка (52 %), затем четырёхштре-

Аярижянскм сияав "Лшпюл" Австралийская система "ЛингвсЛ"

Рис. 3. Технология многоштрековых одноусгьевых систем разработки с проведением выемочных штреков прямоугольного сечения

ковая (46 %) и незначительно двух-штрековая (2 %).

Преимущества четырёхштрекового способа:

— воздействие горного давления на штреки со стороны выработанного пространства оказывается в меньшей степени, так как они отделены целиками угля;

— обеспечивается возможность подачи значительного количества воздуха в очистной забой, что особенно важно для газообильных шахт отрабатывающих тонкие пласты;

— достигается более высокая безопасность работ.

Основными недостатками системы являются большие потери угля в целиках и сложность организации скоростного проведения выработок.

При трёхштрековом способе уменьшаются потери угля и проще организовать скоростное проведение вырабо-

ток, но при выемочных полях более 3000 м и сильной газоносности затруднительно обеспечить нормальное проветривание очистного забоя. Кроме этого эта система уязвима при обрушении кровли в любом из трёх штреков.

Двухштрековый способ используется лишь на пластах, склонных к горным ударам. При этом используемое оборудование расположено более плотно, что требует большого сечения выработок.

При проведении выработок используется высокопроизводительное оборудование, включающее проходческие комбайны со смонтированным оборудованием для бурения скважин, самоходной вагонетки или удлиняющие конвейеры.

Ширина штреков колеблется в пределах 5-6 м, а скорость проходки от 6 до 100 м в смену. В большинстве случаев она составляет 11-12 м в смену.

Рис. 4. Технология отработки мощных угольных пластов с целиками с последующей их выемкой в Кузнецком бассейне

В практике угледобывающих стран СНГ преимущественно применяются бесцеликовые системы разработки.

В настоящее время подавляющая часть выработок угольных шахт проводится с применением анкерной крепи. При этом происходит расширение технологических возможностей подземной угледобычи.

В России для проведения опытно-промышленной проверки способа с трёхштрековой подготовкой были выбраны условия шахты «Есаульская» АО «Кузнецкуголь». Пласт 29 «а» мощностью 2,3 м, угол залегания 2 — 16о. Непосредственная кровля средней устойчивости, основная — средняя и трудноуправляемая, почва — устойчивая. Длина выемочного столба 15001700 м, длина лавы 200 — 250м. Методами оптико-поляризационного моделирования был определён размер межштрекового охранного целика, равный 20 м и более, так как при величине 15 м в их краевых частях создаются концентрации напряжений, приближающиеся к пределам прочности пород — рис. 4.

Техническое перевооружение горнопроходческих работ в Донбассе в рамках совершенствования и создания проектов шахт нового технического уровня должно обеспечить необходимые скорости и требуемые объемы проходки при создании более совершенного горного хозяйства, позволяющего обеспечить воспроизводство очистного фронта при возросших скоростях подвигания лав. Для достижения поставленной цели необходимо создание новых проходческих комбайнов и проходческой техники, взамен морально устаревших образцов типа 1ГПКС, 4ПП2М, 1ППН-5, 2ПНБ-2 и т. д., либо осуществление комплексной их модер-

низации. Практическая реализация необходимой программы технического перевооружения горнопроходческих работ будет осуществляться на основе использования следующего оборудования:

- комплексов проходческого оборудования с комбайнами нового поколения (комбайн типа КП-25) и соответствующими средствами механизации крепления (анкерной, набрыз-гбетонной и комбинированной крепей), доставки материалов, оборудования и людей;

- комплексов проходческого оборудования с самоходными гидравлическими бурильными установками под анкерные крепи, погрузчиками с боковой разгрузкой ковша емкостью 23 м3, средствами механизации крепления, доставки, пылеподавления и проветривания; развитием монорельсового транспорта, напольных дорог и практически полного отказа от рельсовой доставки в шахтных вагонетках как полезного ископаемого, так и материалов;

- комплексного проходческого оборудования многоцелевого назначения, обеспечивающего на пластах мощностью 1,3-2,2 м с углом падения до 16° проходку нарезных выработок, раздельную выемку угля и породы из забоя и возможность оставления породы в шахте.

В Карагандинском бассейне применяются следующие технологические схемы отработки выемочных столбов представленные на рис. 5.

В табл. 1 приведены факторы, обусловленные горно-геологическим особенностями разработки в странах с развитой угольной промышленностью в сравнении с условиями залегания угольных пластов в Карагандинском бассейне.

б

в

Рис. 5. Бесцеликовая технология отработки выемочных столбов со схемами развития горных работ при подготовке смежного выемочного столба: а — с проведением выработок вприсечку к выработанному пространству; б — с поддержанием конвейерной выработки позади лавы до сбойки со штреком смежного выемочного столба; в — с поддержанием конвейерной выработки позади лавы и использованием ее в качестве вентиляционной для следующего столба; г — с оставлением целиков; д — с проведением дегазационной выработки на вентиляционном горизонте

В табл. 2 и на рис. 6 представлены факторы, связанные с технологическими схемами проведения горных выработок и ведения очистных работ в странах СНГ и на шахтах Западной Европы.

В карагандинских угольных шахтах Центрального Казахстана (угольный департамент «АрселорМиттал Темиртау» — «АМТ») горные выработки имеют как арочное, так и прямоугольное сечение. В табл. 3 приведены технологические факторы эксплуатации систем анкерного крепления, которые показывают, что эффективное и надежное крепление

анкерной крепью (в чистом виде) подготовительных выработок в условиях залегания в кровле слабых трещиноватых пород, на больших глубинах и в различных зонах влияния очистных работ может быть обеспечено при применении сталеполимер-ных анкеров, закрепляемых по всей длине шпура быстротвердеющими смолами, с несущей способностью 250-300 кН и длиной 2-3 м; для использования в сложных горногеологических условиях предусмотрено их усиление специальными анкерами длиной до 6-7 м.

Факторы, обусловленные горно-геологическим особенностями разработки

Параметры Германия Великобритания Австралия США Караганлинский бассейн, шахты УД АО «AMT»

Глубина разработки, м 1000—1200 600—800 200—260 200—360 550—820

Вертикальная составляющая горного давления, МПа 20—23 10—13 5,5—6,0 7—9 10—15

Горизонтальная составляющая горного давления, МПа 20—23 20,0—21,5 10—13 13—17 10—14

Средняя вынимаемая мощность угольных пластов, м 1,12 2,5 3,1 1,5 1,0—8,5/ средняя 2,28

Средний угол залегания разрабатываемых пластов, град 5-10 5 5 5 7 — 20

Характеристика пород кровли пластов аргиллиты, алевролиты, песчаники с прочностью на сжатие 40 — 80 МПа аргиллиты, алевролиты, песчаники с прочностью на сжатие 25 —65 МПа аргиллиты, алевролиты, песчаники с прочностью на сжатие 5—80 МПа аргиллиты, алевролиты, песчаники— известняки с прочностью на сжатие 10—80 МПа аргиллиты, алевролиты, песчаники с прочностью на сжатие 10 — 80 МПа

Характеристика пород почвы, прочность на одноосное сжатие в МПа аргиллиты, 45 аргиллиты, 45 аргиллиты, 40 аргиллиты, частично песчаники, 40 аргиллиты, 20

Факторы, связанные с технологическими схемами проведения горных выработок и ведения очистных работ

Технологические параметры Германия Великобритания Австралия США Карагандинский бассейн, шахты УД АО «АМТ»

Схема подго- прямо- Воз- прямоточ- прямоточная прямоточная прямоточная,

товки вы- точная вратно- ная возвратноточная

емочных точная

участков

Оставление жесткие, податливые, податливые, -(по специальному

целиков 80-120 м 10-20 м 10-30 м проекту)

Форма сече- ароч прямо- прямо- прямоуголь- прямоуголь- арочная, прямо-

ния капи- ное угольное угольное ное ное угольная

тальных,

вспомога-

тельных и

выемочных

выработок

Размеры

выработки, 4,1-4,8 2,5-4,1 2,5-5,1 2,1-4,2 2,1-3,5 3,5-3,7

нысота

ширина 6,1-7,5 5,1-5,8 4,5 -6,1 5,1-6,2 4,7-6,1 5,5-6,5

Целью системы крепления является мобилизация и сохранение свойственной данному массиву прочности с тем, чтобы он становился самоподдерживающим. Анкерная система крепит породу, сохраняя ограничение движения кровли и позволяя горизонтальному напряжению удерживать кровлю на месте, не давая ей выпадать. Для поддержания кровли в подготовительной выработке требуется достаточное горизонтальное напряжение для ограничения движения кровли и ее эффективной фиксации. Слоистая кровля склонна к обрушению, отслаиваясь по напластованию. Буро — взрывные работы способствует выпадению ослабленных пород, что создает небезопасное условия труда. Чтобы под такой кровлей уверенно работать, необходимо создать анкерованием несущую балку в кров-

ле. Главной задачей анкеров при образовании балки является противостояние сдвижению слоев породы по горизонтальным напластованиям.

Это осуществляется двумя способами, а именно: анкерование создает силу трения в слоях породы путем восстановления нормального давления в слоях породы, которое противостоит явлению сдвижения в них; сопротивление сдвигам породы, которое противостоит явлению сдвижения в них: сопротивление сдвигам породы самих анкерных стержней, укрепленных цементирующим составом. Естественно, влияние анкеров больше всего проявляется там, где возникают высокие напряжения сдвига в изогнутой балке, т.е. на концах балки. Исследования показали, что в случае, если выработка имеет прямоугольное сечение, анкер, устанавливаемый

Схема использования штреков

V

ER

Степень напряженности массива

<3.0 A iaaie u oa y

<4.5 <4.5

Biaaieuoay C высокая

Частота использования %

EV

ZR 4

t

Ip

Планируемая

доля применения %

w

1

2

5

3

Рис. 6. Системы анкерного крепления на угольных шахтах Западной Европы в зависимости от степени напряженности породного массива и схемыиспользова-ния выемочных выработок

Таблица 3

Технологические факторы эксплуатации систем анкерного крепления в условиях угольных шахт

Технологические факторы Германия Великобритания Австралия США Карагандинский бассейн, шахты УД АО «АМТ»

Длина анкера по уголь- 2,5-3,05 2,2 1,9-2,1 1,6-1,9 2,4

ному массиву, м

Длина анкера по по- 2,1-2,4 2,1-2,4 1,5-2,4 2,1-2,4 2,3

родному массиву, м

Расчетная несущая спо- 360-540 310 220-320 150-220 250

собность, кН (в зависи-

мости от материала)

Плотность установки

анкеров, анк./м2: 1-2 1,4-2,2 1,1-3,0 0,5-0,7 0,4-0,7 1,0-1,5

Кровля бока 0,6-1,9 0,5-1,2 0,3-0,9 0,11-0,23 0.09-0,15 0,6-0,7

вблизи забоя штрека, имеет очень важное значение. Кроме того, установка большего количества коротких анкеров гораздо эффективнее, чем меньшего числа длинных анкеров. Большое значение для образования имеет установка предварительно напряженных анкеров с цементированием их стержней.

Установка анкеров вблизи забоя обеспечивает относительную незначительность сдвижения пород и максимальное сцепление между отдельными частями. Сохранение такого сцепления является непременным условием само поддержания породного массива, и любая потеря сцепления ведет к значительной потере прочности.

Для сталеполимерных анкеров характерным является уменьшенный диаметр шпура — до 26-28 мм.

В табл. 3 представлены горнотехнологические параметры применения анкерной крепи на угольных шахтах Германии, Великобритании, Австралии и США. По диаметру анкера наибольший в Германии, наименьший — США. По длине анкера в представленных странах верхняя граница 2,4 м, преобладающая форма поперечного сечения — прямоугольная.

При использовании зарубежного высокопроизводительного бурового оборудования, ампул с быстротвер-деющими смолами, витых анкеров это позволит сократить время бурения и установки анкера до 2-3 мин и обес-

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

печит увеличение скорости проходки выработок.

Сравнение факторов, связанных с порядком проведения выработок, показывает, что схема подготовки выемочных участков на шахтах англосаксонских стран существенно отличается от порядка, принятого в Германии (аналогичная в Карагандинском бассейне). Комплексная отработка нескольких пластов на большой глубине в Германии требует в большинстве случаев поддержания выемочных штреков после первого прохода лавы. В некоторых случаях выработки должны обеспечивать отработку второй лавы. Это необходимо по следующим причинам: высокая температура вмещающих пород и газообильность пластов требуют подсвежения исходящей струи за лавой; стремление избежать оставления жёстких целиков, так как опорное давление при отработке нескольких пластов приводит к существенным повреждениям горных выработок и, кроме того, к неравномерному оседанию земной поверхности со значительными повреждениями.

Проведение аналитических исследований с использованием цифрового моделирования, анализа и оценки результатов экспериментальных замеров состояния, параметров дефектности и устойчивости горных выработок позволит сформировать прогрессивные технологические схемы и средства анкерного крепления горных выработок, гтттт?

Демин Владимир Федорович. — доктор технических наук, профессор, Баймульдин Мурат Муратович — магистр, начальник отдела инноваций, Демина Татьяна Владимировна — кандидат технических наук, Карагандинский государственный технический университет, kargtu@kstu.kz