Оценка подготовленности выемочных участков для отработки высокопроизводительными забоями

© С.Г. Баранов, М.А.Розенбаум, В.Б.Хапсироков, 2002 УДК 622.288

С.Г. Баранов, М.А.Розенбаум, В.Б.Хапсироков ОЦЕНКА ПОДГОТОВЛЕННОСТИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ДЛЯ ОТРАБОТКИ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫМИ ЗАБОЯМИ

Проведенный анализ результатов работы предприятий угольной промышленности, разрабатывающих пологие пласты подземным способом в России, показывает, что большинство очистных забоев работает с низкой нагрузкой. Суточная добыча лав, как правило, находится на уровне 700 т и ниже. И только в отдельных случаях производительность забоев достигает уровня передовых зарубежных лав. Однако, эти забои являются единичными и относятся к случаям разработки запасов с благоприятными условиями залегания угольных пластов. Из-за низкой производительности забоев многие предприятия являются убыточными.

Именно поэтому важнейшей задачей, стоящей перед угольной промышленностью России, является разработка комплекса мер, позволяющих резко (в 2-3 раза) повысить нагрузку на очистной забой в большинстве лав, оснащенных механизированными комплексами.

Задача является многофакторной. Она не может быть решена путем проведения отдельных мероприятий, связанных с выбором передового очистного оборудования или технологической схемы отработки, или эффективными способами проведения подготовительных выработок. Цель может быть достигнута в том случае, если обеспечена высокая технологичность запасов.

Под технологичностью запасов понимается не только пригодность, но и подготовленность их для отработки высокопроизводительными механизированными комплексами последних поколений.

Пригодность запасов определяется прежде всего условиями залегания пласта. Это запасы категории А, относящиеся к 1-й группе по условиям залегания [1]. В данном случае рассматриваются пласты пологого паде-

ния (до 300), мощностью от 1,5 до 5,0 м, отрабатываемые одним слоем, в пределах которых имеется возможность нарезать лавы длиной не менее 200 м каждая и выемочных полей длиной не менее 1500 м, коэффициент нарушенности месторождения не превышает единицу, амплитуда сброса которых не более 0,33тв (где тв -вынимаемая мощность пласта или слоя), в пределах выемочного поля нет скважин, пробуренных до пласта с поверхности и заполненных водой, почва пластов не склонна к внезапным разломам, относительная газо-обильность выемочного участка не превышает 50 м3/т добычи угля.

Относительно подготовленности запасов существует ряд мнений. Классификация запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых [1] рекомендует запасы считать подготовленными, если они по степени их изученности относятся к категориям А и В и группам 1й и 2-й. По нашему мнению, в этом случае запасы подготовлены лишь для начала проектных работ, а не для ведения очистных работ. Многие специалисты считают пригодные для отработки запасы подготовленными, если пройдены выемочные штреки и монтажная камера, смонтированы механизированный комплекс и конвейеры для транспортировки угля, электрооборудование и средства доставки в очистной забой запасных частей и материалов.

Выполнение отмеченных работ имеет важное значение для функционирования очистного забоя. Однако, для обеспечения высокой производительности забоев этого недостаточно. Большинство запасов характеризуется рядом осложняющих работу лав факторов, вызывающих снижение нагрузки на лаву таких как: тяжелые по нагрузочным свойствам кровли, неустойчивые нижние слои пород, склон-

ность пластов к горным ударам и выбросам угля и газа, высокая газоносность пласта и склонность угля к самовозгоранию. Для высокоэффективной работы выемочного участка следует разработать мероприятия, позволяющие уменьшить влияние осложняющих факторов на снижение производительности забоев до минимума. Необходимо, кроме того, выбрать соответствующее условиям залегания пласта очистное оборудование, установить такой режим работы и технологию выемки угля, при которых обеспечивается максимально возможный коэффициент машинного времени мехкомплекса, разработать способ безремонтного поддержания выработок, граничащих с выработанным пространством, и экспресс-методы постоянного контроля за состоянием крепи и боковых пород с целью оперативного принятия заранее разработанных мер по ликвидации локальных нарушений.

С учетом сказанного нами разработана концепция высокой подготовленности выемочных участков, выполнение которой позволяет резко повысить нагрузку на очистной забой. Она основана на результатах длительных исследований, проведенных в различных горно-геологических условиях в лавах с механизированными комплексами, на установленных закономерностях проявлений горного давления и взаимодействия мехкрепи с боковыми породами, результатах работы передовых забоев отечественной и зарубежной практики, разработке на их основе перспективных методов повышения эффективности работы лав, способов оценки ожидаемой нагрузки на очистной забой, установленных уровнях технологичности запасов и разработанном методе оценки повышения рентабельности выемочного участка при выполнении рекомендуемых мероприятий.

Такой подход позволяет заранее определить перечень мероприятий по повышению эффективности работы участка и целесообразность их выполнения в конкретных условиях. В работающем забое он позволяет установить причины неудовлетворительной работы забоя и очередность их устранения.

Сущность концепции сводится к следующему.

Устанавливается пригодность запасов для отработки высокопроизводительными мехкомплексами. Работа имеет исключительно важное значение и выполняется до начала проектных работ по нарезке выемочных участков. При этом используются положения классификации запасов [1] для категории А 1-й группы и разработанные ВНИМИ критерии пригодности, которые изложены выше.

При изучении условий залегания пластов необходимо получить сведения, позволяющие установить тип боковых пород и их класс. Для этого надо знать: линотипы пород кровли на высоту, равную десятикратной мощности пласта, слоистость их, толщину слоев, прочность на одноосное сжатие, процентное содержание углистых фракций в породах, устойчивость нижних слоев, их обрушаемость, наличие зон выклиниваний пород и пласта, обводненность и газоносность участка, склонность пласта к горным ударам, внезапным выбросам угля и газа и самовозгоранию, системы главных кливажных трещин, расположенных в породах кровли и в пласте, углы их падения и азимуты. При изучении пород почвы устанавливаются линотипы пород, залегающие непосредственно под пластом на глубину до 2-х мощностей пласта, их мощность, прочность на одноосное сжатие, склонность к размоканию и пучению. Определяется также мощность и колебания мощности пласта, угол его падения, строение, наличие породных прослойков и твердых включений, склонность угля к отжиму. Все перечисленные факторы являются исходными данными для решения проблемы в целом.

Схема подготовки и отработки выемочных участков учитывает опыт работы передовых отечественных и зарубежных технологий, который заключается в том, что до начала работ по раскрою шахтного поля, расположению основных вскрывающих капитальных и подготовительных выработок, необходимо изучить напряжения, действующие в пределах шахтного поля и определить направления главных горизонтальных напряжений. Проведенные на шахтах исследования показывают, что при расположении выработок параллельно направлению главных горизонтальных напряжений

затраты на поддержание выработок уменьшаются в 1,5-2,0 раза.

Кроме того, выработки проходятся спаренными забоями одновременно в двух зонах: в зоне нарезки выемочных штреков и в зоне проходки (по падению) монтажной камеры и вспомогательного вентходка.

Выемка угля ведется обратным ходом с помощью механизированной крепи, которая концевыми секциями выходит на выемочные штреки. Концевые секции, по 2-3 с каждой стороны лавы, имеют удлиненные верхня-ки, которые перекрывают вход (выход) в лаву (из лавы). Штреки гасятся по мере подвигания очистного забоя.

Проветривание лавы осуществляется по возвратноточной схеме.

Выбор формы, сечения и крепления выемочных штреков диктуется следующими положениями. Выемка угля должна выполняться без ниш, косых заездов и по челноковой схеме; на сопряжениях лавы с выемочными штреками не должно выполняться работ, сдерживающих очистную выемку угля в лаве. Это может быть осуществлено при креплении выемочных штреков сталеполимерными анкерами без установки на сопряжениях стоек усиления крепи, проходка штреков должна осуществляться без нарушения сплошности кровли, а ширина выработок, как показывает опыт работы передовых лав, должна быть не менее 5,0 м (для вентиляционной выработки) и 5,5 м (для конвейерной). В этом случае очистной комбайн может выемочным органом полностью выезжать на штрек, что исключает необходимость выполнения работ по выемке ниш и косых заездов и обеспечивает наиболее высокие темпы отработки запасов.

Как показывает опыт отработки пожароопасных угольных пластов, исключить возникновение эндогенных пожаров можно при выполнении следующих условий:

а) надежная изоляция отработанных участков с помощью воздухонепроницаемых перемычек;

б) минимальное время ^ф? 1 мес) фильтрации воздуха через разрушенный и оставленный в завале уголь;

в) минимальные потери общешахтной депрессии струи воздуха в пределах выемочного участка;

г) нагнетательно-всасывающее проветривание;

д) применение антипирогенов для снижения активности окисления угля;

е) обратно-точная схема проветривания.

Все эти вопросы учтены в предлагаемой схеме подготовки и отработки запасов выемочных участков.

Чаще всего горные удары возникают в зонах угольных целиков. Поэтому стараются отработку запасов вести по бесцеликовой схеме. Однако в этом случае поддержание штрека, граничащего с отработанным полем, существенно затруднено. Во ВНИМИ охрану упомянутой выработки предлагается производить с помощью са-моразрушающихся в выработанном пространстве угольных целиков. Ширина целика зависит от глубины работ, прочности угля и мощности пласта. Она выбирается, исходя из требований безопасности по горным ударам и выбросам угля и газа, достаточности сопротивления угля для надежного поддержания выработки на участке, находящемся напротив лавы и впереди её и разрушения целика в выработанном пространстве, когда он окажется среди обрушенных пород. Это исключает концентрацию напряжений в угольном целике и возникновение в нем очагов горных ударов. Эти положения также воплощены в предложенной ВНИМИ схеме подготовки и отработки выемочных участков.

Выбор очистного оборудования основан на предварительном определении минимума сопротивления мех-крепи, по которому затем выбирается механизированный комплекс. В свою очередь, искомая величина минимального уровня сопротивления устанавливается по коэффициенту тяжести кровли, который зависит от соотношения мощностей легкообрушаю-щейся кровли, залегающей непосредственно над пластом, и вынимаемой мощности пласта (слоя). Разработана методика. и получена зависимость определения искомой величины.

Организация труда должна обеспечивать максимально возможную величину коэффициента машинного времени комплекса (Км.в..). Это обеспечивается не только путем выемки угля без ниш и косых заездов, но и путем применения высокопроизводственных комбайнов. Их производительность должна быть не менее 8 т/мин. Только в этом случае может быть дос-

тигнута нагрузка на лаву в пределах 3,5-

5,0 тыс. т в сутки (уровня эффективной работы выемочного участка при мощности пласта не менее 1,5 м.

Отработка пластов с неустойчивыми нижними слоями кровли связана с определенными трудностями. В условиях, когда площадь обнажения кровли в зоне работы комбайна превышает допустимую величину, в этой зоне начинается интенсивное образование вывалов. Это существенно сдерживает работу очистного забоя. Во ВНИМИ на основании фактических результатов исследований получены зависимости изменения удельной площади вывалов из кровли в условиях наличия неустойчивых слоев от площади обнажения её в зоне работы комбайна [£^ = ^обн)] и зависимость изменения суточной нагрузки на лаву (А<ут) от удельной площади нарушенно-сти кровли $уд). Разработан способ достижения максимальной нагрузки на лаву в зависимости от ширины захвата комбайна при сохранении устойчивости кровли в зоне его работы. По нашему мнению, этот способ в определенных условиях является наиболее эффективным для обеспечения максимальной нагрузки на лаву.

Пучение почвы в штреках приводит к тому, что сечение выработки по высоте уменьшается до недопустимых пределов. Для обеспечения нормального функционирования штреков приходится в этом случае выполнять работы по подрывке почвы. Существующие многочисленные способы борьбы с пучением почвы выработки являются, как правило, неэффективными. Это положение подтверждается и исследованиями других авторов [2]. Они не предотвращают пучение, а лишь временно приостанавливают пучение в вертикальной плоскости. Сотрудниками ВНИМИ разработан метод, при котором зона максимального пучения смещается за пределы выемочной выработки. Для этого проводится раскоска соответствующей ширины и длины и постоянно поддерживается впереди лавы. Ширина её зависит от интенсивности пучения, длина (при известной интенсивности) от скорости подвигания очистного забоя.

Шахтными наблюдениями установлено, что величина отжима угля из забоя зависит от мощности пласта. С увеличением мощности от 1,0 м отжим увели-

чивается. На пластах мощностью до 3,0 м отжим в среднем не превышает 0,3 м. Далее он резко увеличивается до 1,5 м и более. В результате у забоя начинают образовываться вывалы пород, которые сдерживают работу лавы. Поэтому одним из способов борьбы с отжимом угля является выемка пластов слоем не более

3.0 м. В зависимости от мощности пласта выемка может вестись на полную мощность (т = 3,0 м), слоями или с выпуском подкровельной пачки (при т >

3.0 м). Есть другое направление: выемка с опережением верхней части забоя. Для чего создаются специальные комбайны и технология выемки. Однако, эти способы не прошли достаточной проверки на шахтах. Поэтому первый из названных методов в настоящее время является предпочтительным.

Высокая газоносность является существенным фактором, снижающим нагрузку на очистной забой. При определенном уровне газообильности участка нагрузка на забой по газовому фактору уменьшается во столько раз, во сколько повышается газообильность выше допустимого уровня. Расчеты показывают, что по фактору разжижения метана в лаве до 1% (согласно ПБ) газообиль-ность участка не должна превышает 10,8 м3/т добычи. Известны, кроме того, методы дегазации запасов, эффективность которых достигает 80%. С учетом этого фактора газообильность выемочного участка не должна превышать 50 м3/т. В противном случае нагрузку на лаву необходимо будет соответствующим образом уменьшить.

Это средняя величина. Она зависит от ширины призабойного пространства, вынимаемой мощности пласта, склонности пород кровли к зависаниям за крепью. Поэтому её надо рассчитывать в каждом отдельном случае в зависимости от конкретных условий.

Для контроля за состоянием боковых пород разработаны экспресс-методы, позволяющие оперативно устанавливать причины ухудшения состояния кровли, а следовательно, и снижения нагрузки на забой. В соответствии с этим разработаны способы уменьшения влияния отрицательных факторов на снижение нагрузки.

По технологичности выделены четыре группы запасов, учитывающие уровень подготовленности их к выем-

ке: высокотехнологичные, технологичные, низкотехнологичные и нетехнологичные. Запасы, относящиеся к последней группе, нецелесообразно отрабатывать высокопроизводительными комплексами, так как высокая нагрузка в этом случае не может быть обеспечена.

Разработан также метод оценки повышения рентабельности выемочного участка как от проведения отдельных методов повышения эффективности работ очистного забоя, так и от выполнения комплекса мероприятий в целом с учетом дополнительных затрат на выполнение определенных мероприятий.

Это позволяет заранее определить эффективность и целесообразность намеченных для проведения методов. Каждый из перечисленных факторов позволяет повысить нагрузку на забой примерно в 1,5 раза. При исключении влияния 2-3х отрицательных факторов ожидаемая нагрузка возрастет в 2-3 раза.

Предлагаемый регламент концепции резкого повышения нагрузки на очистной забой позволяет решать следующие важные народно-хозяйственные задачи:

1. Выделять участки, не пригодные для отработки высокопроизводительными комплексами.

2. Устанавливать причину низкой производительности очистных забоев.

3. Выбирать мероприятия, способствующие резкому повышению нагрузки на лаву.

4. Оценивать уровень технологичности запасов конкретных выемочных участков.

5. Заранее оценивать уровень повышения рентабельности выемочных участков от проведения намечаемого комплекса мероприятий, рекомендуемых концепцией.

Исходя из сказанного, разработанную ВНИМИ концепцию интенсивного повышения нагрузки на очистные забои путем применения представленных в ней методов, следует рекомендовать для широкого внедрения на шахтах Российской Федерации в различных горногеологических условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

«ь4аАЁУ Аів№еА-2002» NAІЁ^AD 1 12

1. Классификация запасов месторождений и прогнозных ресур- 2. Зубов В.П. Особенности управления горным давлением в ла-

сов твердых полезных ископаемых. - М.: изд. Управления Делами вах на больших глубинах разработки. - Л.: изд. Университета, 1990.

Совета Министров СССР, 1982. - 15 с. - 224 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Баранов Сергей Григорьевич — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский маркшейдерский институт.

Розенбаум Марк Абрамович — доктор технических наук, зав. лабораторией, Всероссийский научно-исследовательский маркшейдерский институт.

Хапсироков В.Б. - горный инженер, директор ОАО «Ростовуголь».