УПРАВЛЕНИЕ
ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТО Н К И Х
И СРЕДНЕЙ М ОЩ НОСТИ
КРУТЫХ ПЛАСТО В
В СЛ О Ж Н Ы Х
ГО РН О ГЕО ЛО ГИ ЧЕСКИ Х
УСЛО ВИ ЯХ
Министерство угольной промышленности СССР
Центральный научно-исследовательский институт экономики
и научно-технической информации угольной промышленности
Серия "Технология добычи угля подземным способом"
Ф.Н. Воскобоев
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
ТОНКИХ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ К Р У Т Ы Х ПЛАСТОВ
В СЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Москва 1974
Г*с. публичная
j
»|Шучв<»-Гввида’ат©‘«Ш! |!
%йвл«(Ъ .•--г.
‘
у
;-.■••-'
[
ЧИ Т '
: о ~ : ' ' 'АЛЛ |
УДК 6 2 2 .8 3 1.24:622.333.031.2/ .3-118
АННОТАЦИЯ
В брошюре рассматриваются вопросы уп­
равления горным давлением в сложных гор­
ногеологических условиях
при разработке
тонких и средней мощности крутых пластов с
применением и без применения крепи, а та­
кже с полной закладкой выработанного про­
странства. Предлагается классификация спо­
собов управления горным давлением при раз­
работке месторождений со сложными горно­
геологическими условиями. На основе иссле­
дований даются практические
рекомендации
для производства.
Брошюра предназначена
для широкого
круга работников угольной промышленности.
ЦНИЭИуголь, 1974.
ВВЕДЕНИЕ
Из крутых пластов в СССР добывается подземным спо­
собом около 25% высококачественных
энергетических
и
коксующихся углей. В отдельных угольных бассейнах удель­
ный вес добычи, получаемой из крутых пластов, еще выше.
Тонкие и средней мощности крутые пласты
разрабаты­
ваются в Донбассе, К узбассе, Кизеловском, Сучанском-, Пе­
чорском и других бассейнах. По общей оценке в Донбассе
около 70% крутых пластов характеризуется сложными гор­
ногеологическими условиями. Проведенные исследования поз­
волили разработать критерии оценки степени сложности ус­
ловий, обоснованные количественными и качественными па­
раметрами природных и производственно-технических факто­
ров. К природным факторам относятся мощность п ласта,ко­
лебание мощности, угол падения и его колебания, тектони­
ческие и геологические нарушения, устойчивость
боковых
пород и угольного массива, проявления
вторичных осадок
основной кровли, склонность к динамическим
проявлениям
горного давления (выбросы угля и газа, горные удары) и др.
К производственно-техническим - техническая возможность
создания средств комплексной механизации очистных работ
или возможность и технико-экономическая
эффективность
применения имеющейся техники.
Основным средством выемки угля в сложных
условиях
являются отбойные молотки, а средством крепления и уп­
равления горным давлением - индивидуальные призабойные
деревянные стойки и стационарные или переносные специаль­
ные крепи (костры, органные крепи и д р .).
Применяемые
способы крепления и управления горным давлением отлича3
ются высокой трудоемкостью (.до 80% общей
трудоемкости
очистных работ) , требуют расхода лесоматериалов
в сред­
нем до 60 м3 на 1000 т добычи.
Основным направлением механизации процессов крепле­
ния и управления горным давлением на пологих
пластах
средней мощности являются создание и применение комп­
лексов оборудования с механизированными крепями
для
системы разработки длинными очистными забоями.
Однако
опыт и исследования показали, что современные гидрофицированные крепи поддерживающе-оградительного
типа либо
не соответствую т по своим техническим параметрам слож­
ным условиям тонких и средней мощности крутых пластов,
либо не обеспечивают необходимой
технико-экономической
эффективности. Следует заметить также, что создание гидрофицированных механизированных крепей для определенной,
весьма значительной области сложных условий (наличие ма­
ломощных пластов менее 0,6 м, в том числе нерабочей мощ­
ности, колебания мощности более ± 25% средней,
резкого
колебания параметров гипсометрии)
представляет собой
весьма сложную и до сих пор не решенную техническую з а ­
дачу. В м есте с тем освоение разработки маломощных (м е ­
нее 0,6 м) , в том числе нерабочей мощности, крутых плас­
тов представляет большой практический интерес,
так как
наряду с существенным (до 20-30% ) приращением
добычи
высококачественных углей открывается возможность расши­
рения области использования защитной выемки - радикаль­
ного средства борьбы с внезапными выбросами угля и га­
за, горными ударами.
Результаты исследований позволяют считать,
что для
сложных условий перспективными являются способы разра­
ботки, осуществляемые с постоянным
или периодическим
отсутствием людей в очистном забое, при которых управле­
ние горным давлением производится без крепи или с при­
менением простых, облегченных конструкций
передвижных
vстационарных) дистанционно-управляемых
vустанавливае­
мых) крепей оградительно-поддерживающего типа. Перспек­
тивным также для определенной области сложных условий
(наличие одиночных пластов, опасных по внезапным выбро­
сам угля и газа и горным ударам), ограниченной допусти­
мыми требованиями по мощности пласта и колебанию мощ­
ности^ является способ управления горным давлением с при4
менением гидрофииированнь’х
механизированных щитовых
крепей поддерживающе-оградительного типа при разработке
крутых пластов широкими полосами по падению
с обруше­
нием кровли. Создание и освоение технологии очистных ра­
бот в сложных горногеологических условиях' является ком­
плексной проблемой. Основная роль в ее решении
принад­
лежит вопросам управления горным давлением.
Исследова­
ния в области механики горных пород и горного
давления
необходимы для получения исходных данных для разработки
научно обоснованных технических требований
на создание
работоспособных конструкций механизированных
крепей и
комплексов, выбора и расчета оптимальных параметров сис­
тем разработки и способов управления боковыми породами,
установления рациональной области применения технических
средств механизации крепления и управления горным дав­
лением.
СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
БЕЗ КРЕПЛЕНИЯ
При разработке пластов угля полосами по восстанию без
крепления основным способом управления горным давлени­
ем является временное поддержание боковых
пород уголь­
ными целиками или специальной крепью
(органная крепь,
способы управления
кусты и др.). Менее распространены
боковыми породами с применением самотечной
закладки,'
возводимой в выработанном пространстве
между рядами
органной крепи или с помощью маганизирования
отбитого
угля (рис. 1).
В безлюдном варианте с применением в качестве сред­
ства отбойки канатной пилы схема впервые была предложе­
на ДГИ и опробована на шахтах Донбасса [ l , 2] .
ВНИМИ и комбинатом "Кизелуголь" [з] усовершенство­
ванный вариант пилы, получивший название
пилы ДГИВНИМИ, был применен при разработке крутых пластов, в
том числе опасных по горным ударам. Основой для совер­
шенствования выемочного органа канатной пилы послужила
работа [4] , посвященная исследованию механизма раз­
рушения трещиноватых угольных пластов и пластов, опасных
по горным ударам.
5
Канатная пила ДГИ-ВНИМИ прошла промышленные ис­
пытания при разработке пластов полосами
по восстанию
практически во всех угольных бассейнах страны ( Кизеловский, Кузнецкий, Донецкий, Печорский,
Сучанское м есто­
рождение) в широком диапазоне горногеологических усло­
вий [б] . Работы проводились преимущественно на пластах
с устойчивыми и средней устойчивости боковыми породами.
Наклонная высота этажа (подэтажа) изменялась от 4 0-60 м
(К узб асс, Кизеловский бассейн) до 100-130 м
(Д онбасс),
ширина полосы,определяемая устойчивостью боковых пород и
мощностью применяемого оборудования, не превышала 10-15 м.
Рис. 1. Технологические схемы и способы управления
горным давлением при безлюдной выемке тонких
и средней мощности крутых пластов:
а, б, в - разработка полосами по восстанию - с полным об­
рушением при помощи угольных целиков 1а) , с полной за ­
кладкой и возведением органной крепи (б) , с поддержанием
кровли целиками в сочетании с магазинированием угля 1в) ;
г - разработка полосами по падению с щитовым огражде­
нием, д, е, ж - разработка столбами по простиранию с пе­
редвижными распорно-оградительными крепями - с наклоном
забоя на массив ( д) , по падению ( е)
с наклоном забоя на
выработанное пространство (ж)
Размеры целиков в испытываемом диапазоне условий изме­
нялись от 3 до 10 м, наиболее часто
целики принимались
6
размером 3 -4 м. В условиях кровель, сложенных из проч­
ных пород, типа кварцевых песчаников и песчаников, устой­
чивые площади обнажения достигали весьма
значительных
размеров (до 1700.м ^ ). Там, где боковые пброды были сред­
ней и ниже средней устойчивости, что наиболее характерно
для подавляющего большинства условий угольных месторож­
дений СССР, а также в м естах замещения прочных боковых
пород более слабыми разработка с помощью канатных пил
без крепления осложнялась и з-за внезапных обрушений бо­
ковых пород. В результате применения канатных пил в боль­
шинстве условий потери угля возросли с 18-20
до 35-40% ,
а зольность угля увеличилась с 0,5 до 1,5-5% [ 6 J. На шах­
те "Нагорная" при ухудшении боковых пород
потери воз­
росли до 50-60% [ б] .
Применение схемы выемки полосами по восстанию [5 ] с
использованием канатных пил имеет как положительные чер­
ты: наличие безопасности ведения работ, эффективность раз­
рушения пласта, высокая производительность труда, так и
недостатки, которые существенным образом снижают техни­
ко-экономические показатели добычи угля на пластах с по­
родами ниже средней устойчивости, а в неустойчивых обна­
жениях боковых пород и угольных пластов делают эту схе­
му неприемлемой. Одним из главных недостатков схемы яв­
ляется наличие неблагоприятных условий
для управления
горным давлением целиками, механизм работы которых на
крутом падении за пределами упругого деформирования прин­
ципиально отличается от механизма на пологом падении [7J.
Развивающиеся при дополнительном воздействии касатель­
ных напряжений в периферийных зонах целиков необратимые
деформации сопровождаются на крутом падении системати­
ческим высыпанием целика, способствующим более интен­
сивному, чем на пологом падении, развитию потери его не­
сущей способности вплоть до полного разрушения. При вы­
емке полосами по восстанию, когда скатывающийся поток
угля проходит через всю длину выработанной полосы, этот
процесс разрушения целиков не представляется
возможным
приостановить какими-либо известными способами. Возмож ­
но, однако, продлить срок службы целика путем увеличения
его ширины или уменьшения пролета камеры, но это свя за­
но с повышенными потерями угля в недрах. В особо небла­
гоприятных условиях (наличие слабых боковых пород,
зон
7
геологических нарушений) потерн достигали 60%.
Ощутимо
ухудшалось качество угля (зольность увеличивалась в 3 -10
раз) . При разработке свит сближенных пластов, опасных по
динамическим проявлениям горного давления
(горные уда­
ры, внезапные выбросы угля и газа) , оставление
целиков
сопряжено с увеличением опасности работ и недопустимо по
действующим правилам безопасности.
При высоте этажа 100-130 м (Донбасс, некоторые шахтопласты Сучанского и Воркутппского месторождений) подго­
товка полосами по восстанию связана
с дополнительными
техническими трудностями. Работы по проведению нарезных
ночей вручную (с помощью отбойных молотков или взрывных
работ) весьм а трудоемки, малопроизводительны и небезо­
пасны, особенно на пластах, склонных к внезапным выбро­
сам, горным ударам и маломощных. Направленное
бурение
скважин при высоте этажа 100-130 м остается не решенной
до конца технической проблемой. Попытки разделения эта­
жа не несколько подэтажей с целью осуществления направ­
ленного бурения привели к увеличению объема
подготови­
тельных и нарезных работ на 1 тонну добычи,появлению до­
полнительного количества опасных объектов горных работ.
Вместе? с том, учитывая известные преимущества схемы
пыомкп Кс'шптнмми килями полосами но восстанию Поп кроп­
ления, следует считать перспективным ее
применение па
пластах с устойчивыми боковыми породами, а также
для
выемки оставленных угольных целиков, где вопросы управ­
ления устойчивостью целиков и обнажений
боковых пород
имеют подчиненное значение, а схема выемки полосами по
восстанию является конкурентоспособной с другими техно­
логическими схемами.
Известен опыт разработки полосами но восстанию в б ез­
людном варианте с буро-взрывным способом отбойки угля в
камерах [ft, Л, ю ] (К узбасс, Донбасс), когда применялись
в основном то же способы управления горным давлением,
что и с канатными пилами. Зачастую в качестве средства
поддержания боковых пород применялось
магазииировапие
угля в выработанных полосах между целиками угля или ор­
ганными ( костровыми) рядами. При устойчивых боковых по­
родах и повышенной мощности пластов иногда возникала не­
обходимость принудительного обрушения кровли в отрабо­
танных полосах. Параметры схемы при ее
промышленных
8
испытаниях следующие: в Донбассе высота
этажа 6 7 -7 0 м,
||шрипа полосы 10-12 м; в К узбассе высота подэтажа 3 5 '10 м, ширина полосы 15-20 м.
Анализ применяемых способов и средств управления 'гор­
ным давлением дает основание считать их но эффективными
и не обеспечивающими полной безопасности работ. Обруше­
ние боковых пород в выработанном пространстве, которое на
крутом падении при пойышенных размерах обнажения и от­
сутствии крепи происходит, как правило, бурно, в той или
иной степени сказывалось на смешении боковых пород в по­
лосах с замагазинированным углем. Вследствие этого проис­
ходило зажатие отбитого угля. Взрывной
способ отбойки
отрицательно влияет па состояние боковых пород, a следо­
вательно, на качество полезного ископаемого, при этом з а ­
частую не представлялось возможным осуществить надеж­
ный контроль за полнотой извлечения угля в полосе. В раз­
личных вариантах схемы подготовки полосами по восстанию
достаточно велик объем трудоемких работ
по возведению
органной крепи. В работе [ l l ] приводится конструкция вру­
бово-отбойной машины, позволяющей дистанционно произво­
дить подрубку и отбойку угольного пласта в лаве, ориенти­
рованной по падению и движущейся по простиранию.
Известно сравнительно большое количество
комплексов
оборудования ( струги, тараны, канатные пилы),
созданных
за рубежом [ 12, 13] и в СССР [ 5 , 14, 15] , с дистанцион­
ным управлением для разработки крутых пластов лавами по.
простиранию без применения крепи,, которые прошли промыш­
ленные испытания.
Основными необходимыми условиями, дающими возмож­
ность вести очистные работы лавами без крепи,
являются:
наличие устойчивых боковых пород, почвы, склонной к под­
дуванию, кровли - к главному прогибу и мощности пластов
менее 1 м. Дополнительным условием считалась
высокая
скорость подвигания очистного забоя. Предполагалось, что
при высокой скорости подвигания забоя можно
обеспечить
нормальное функционирование очистного забоя без крепи за
счет плавного сближения боковых пород или обрушения кров­
ли на некотором достаточном удалении от забоя. Длительная
проверка: схемы в произволетвенйых условиях не подтверди­
ла изложенные предположения: в абсолютном
большинстве
условий имели место обрушения пород -кровли (почвы) ло9
кального или массового характера, осложняющие выпуск от­
битого угля и работу выемочных машин, а в целом приво­
дившие очистной забой в аварийное состояние.
Подобные явления наблюдались даже на весьм а
тонких
( 0 ,4 -0 ,6 м) крутых пластах с устойчивыми боковыми поро­
дами. По этой причине опыты в длинных очистных забояхлавах без применения крепи были повсеместно прекращены.
Вм есте с тем исследования в области устойчивости неза­
крепленных обнажений горных пород [16, 17, 18, 19, 20, 2 1]
и производственные опыты [22] , позволили установить ус­
ловия, при которых представляется возможным регулировать
местоположение линии обрушения пород
непосредственной
кровли, отодвигая ее от забоя в сторону
выработанного
пространства без применения крепи вообще и посадочной в
частности.
Для этого длина очистного забоя должна
выбираться
меньше длины предельного пролета основной и непосредст­
венной кровель, т.е. должно соблюдаться условие
К} £ 0 j
(1)
где
- коэффициент запаса величиной менее единицы,при
котором обеспечивается устойчивое состояние основной кро­
вли и временно устойчивое непосредственной кровли.
Тем самым представляется возможным
регулирование
параметров непосредственной кровли - уменьшение угла на­
клона, увеличение шага обрушения (обрушение происходит с
отставанием от забоя за счет эффекта защемления и зави­
сания кровли на контурах забоя и околоштрековых целиков).
В условиях развития предельных деформаций
в - основной
кровле (растрескивание, оседание и обрушение) при
в зоне опорного давления формируются напряжения, вызыва­
ющие обрушение пород непосредственной кровли
по забой
или даже с некоторым опережением в массив.
Анализ поведения боковых пород при разработке тонких
крутых пластов длинными забоями дал возможность подой­
ти к объяснению механизма поведения и обрушения пород и
сформулировать основные требования к способам и средст­
вам управления горным давлением для безлюдной
выемки
[ 2 3 ]. В работе [2 4 ] показано, что необходимым условием
упорядоченного опускания толщи пород, подработанных очи­
стной выработкой, является наличие залегающего непосред10
ственно над пластом монолитного (разум еется, в той мере,
как это понятие можно распространять на осадочные горные
породы) слоя (пачки) пород, мощность которого
находится
в определенном соотношении с вынимаемой мощностью -пласта, а именно
h > т,
где
/77
4
МОЩНОСТЬ
п ласта;
- мощность первого слоя (пачки) пород кровли.
В таких условиях возможно проявление эффекта плавно­
го (упорядоченного) опускания кровли в двух принципиально
различных вариантах (см . рис. 1),
формирование которых
определяется размерами породных блоков, на которые раз­
ламывается подрабатываемый слой (пачка).
Как установлено [24, 25] , подобный механизм разру­
шения и движения имеет м есто ( в определенных показанных
выше условиях) как на пологом, так и на крутом падении,
т.е. является общей закономерностью для всего
диапазона
углов падения. В то же время особенности крутого паде­
ния предопределили и'принципиальные отличия поведения об­
рушенных пород на первоначальной стадии, предшествующей
упорядоченному опусканию [26, 27] , которые
были уста­
новлены в результате шахтных наблюдений при испытании
дистанционно управляемых выемочных комплексов без креп­
ления на пластах с устойчивыми боковыми породами, склон­
ными к плавному прогибу. Процесс развития деформаций и
обрушений толщи пород начинается независимо от состава и
свойств пород обычно в виде местных вывалов, коржений с
поверхности боковых пород. Обрушенная и перепущенная та­
ким образом порода в условиях крутого падения располага­
ется в выработанном пространстве под углом естественно­
го откоса и при расположении забоя по падению вступает с
ним во взаимодействие. При работе без крепления
подоб­
ные явления нарушают нормальную работу дистанционно уп­
равляемых выемочных средств и выпуск отбитого угля. Эти
обрушения, названные нами первичными,
беспорядочными,
предопределяют особенности механизма поведения обрушен­
ных ( перепущенных) пород на крутых пластах. В условиях
работы со стоечной индивидуальной крепью, оставляемой в
выработанном пространстве, таких обрушений не было. При
работе без крепи с ними приходится считаться при решении
11
вопросов управления горным давлением. Результаты наблю­
дений позволили ограничить область, в которой невозможна
работа без крепи длинными очистными забоями
(лавами),
ориентированными по падению или диагонально с наклоном
на отрабатываемый угольный массив независимо от устой­
чивости боковых пород (см . рис. 1, д, е ) .
Наиболее благоприятные условия взаимодействия беспо­
рядочно обрушающихся ( перепускаемых) пород с забоем ла­
вы с точки зрения совершенствования безлюдных способов
выемки создаю тся в диагонально ориентированных забоях с
наклоном в сторону выработанного пространства под углом,
равным или близким углу естественного откоса обрушенных
пород, В забоях, таким образом ориентированных в.п рост­
ранстве на пластах с кровлями, склонными к упорядоченно­
му (плавному) опусканию, возможна работа без
крепи, так
как между забоем и откосом обрушенной породы
имеется
свободное призабойное пространство для перемещения вы­
емочной машины и выпуска отбитого угля (см . рис. 1, ж ).
Однако, судя по зарубежному опыту [28] , надежность ра­
боты выемочной машины при такой технологии выемки не­
высока в связи с неблагоприятными условиями
взаимодей­
ствия выемочной машины с откосом обрушенных пород ( з а ­
кладки) ; при отсутствии жесткой направляющей базы вы­
емочный орган неминуемо вступает
во взаимодействие с
откосом породы (закладки), что приводит к
неблагоприят­
ным последствиям. Поэтому и в условиях нависающего за ­
боя, ориентированного под углом естественного откоса об­
рушенных пород, выемочные органы, требующие для своего
нормального функционирования свободного призабойного про­
странства, необходимо применять в сочетании со средства­
ми ограждения призабойного пространства, в частности с об­
легченными передвижными крепями оградительно-поддерживающего типа.
Таким образом, средствами управления беспорядочно обрушающимися и вступающими во взаимодействие с забоем
породами на пластах с кровлями, склонными
к плавному
прогибу, являются ориентировка забоя с наклоном на выра­
ботанное пространство под углом, близким или равным уг­
лу естественного откоса пород, и применение
облегченных
подпорно-оградительных передвижных крепей.
Применение
таких крепей3^ в забоях, ориентированных
по падению и с
Ф.Н. В о с к о б о е в и др. "Механизированная
ная крепь", Авторское свидетельство
на
№ 206486.
12
оградитель­
изобретение
наклоном в сторону отрабатываемого массива,
позволяет
обеспечить необходимое для выемочных машин
и выпуска
угля свободное призабойное пространство, а также повысить
гарантию устойчивости упорядоченно опускающихся пород­
ных блоков за счет сопротивления крепи, уравновешивающёго вес породного блока в случае нарушения шарнирной свя­
зи его у забоя и потери им устойчивости 1см. рис. 1 , ж , з ) .
Анализ условий работы оградительных крепей при разра­
ботке столбами по простиранию в различно ориентированных
забоях (по падению, с наклоном на забой, на выработанное
пространство) показывает, что наиболее
неблагоприятные
условия работы крепи следует ожидать в первых двух слу­
чаях. В последнем (третьем ) случае, когда забой ориенти­
рован под углом, равным (или близким) углу естественного
откоса обрушенных пород, оградительная крепь теряет фун­
кции подпорной стенки, и ее роль сводится к обеспечению
направленной доставки отбитого угля и некоторого ( незна­
чительного по сравнению с крепями поддерживаюше-оградительного типа) распора, способствующего
устойчивости и
управляемости крепи в процессе передвижки и обеспечиваю­
щего равновесие породного блока у забоя в случае потери
естественной устойчивости.
С позиции повышения эффективности управления- горным
давлением и повышения эффективности разработки вообще
следует рассмотреть вопрос о рациональной форме очистно­
го забоя и обосновании технических требований, предъявля­
ем!. [х и к выемочным машинам в комплексах для безлюдной
выемки. Как известно, одним из закономерных
следствий
взаимодействия гибкого режущего органа статического типа
(при отсутствии жесткой направляющей базы)
с угольным
массивом является криволинейная форма забоя. Степень кри­
визны определяется совокупностью факторов, таких, как ме­
ханические свойства угольного массива, усилие натяжения,
а следовательно, и прижатия выемочного органа к забою и
др. [29] . Возможности управления кривизной забоя
с по­
мощью последнего фактора (усилия прижатия к забою) в е сь ­
ма ограниченны в гибком режущем органе,
а в связи с
этим эффективность отбойки на пластах с углями средней
крепости и крепкими невысока. На это
указывают резуль­
таты применения комплекса малогабаритных стругов ( КМС
и канатных пил ДГИ-ВНИМИ. В криволинейном забое в е с ь 13
ма усложняются условия управления обрушенными породами
и работа оградительных крепей.
В связи с этим в целях расширения возможности управ­
ления конфигурацией очистного забоя (обеспечения прямо­
линейности) , повышения производительности выемочного ор­
гана и создания более благоприятных условий устойчивости
боковых пород и управления обрушенными породами следует
считать предпочтительным в дистанционно-управляемых вы­
емочных комплексах при отсутствии жесткой направляющей
базы применение активных органов - динамических стругов,
узкозахватных комбайнов.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ СЛОЖНОСТИ
ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
ЗАЛЕГАНИЯ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ
Горногеологические условия залегания месторождений по­
лезных ископаемых принято разделять на простые
(благо­
приятные) и сложные. Так, общеизвестно, что угольные ме­
сторождения США отличаются весьма благоприятными гор­
ногеологическими условиями - пологое ( почти горизонталь­
ное) спокойное залегание пластов с превалирующей мощно­
стью 1-2 м, устойчивые боковые породы,
отсутствие г а зо выделения динамических проявлений горного давления и т.п.
Прокопьевско-Киселевское месторождение
в Кузбассе и
Центральный район Донбасса в СССР, например', относят к
сложным по горногеологическим условиям - высокая интен­
сивность тектонико-геологических нарушений, малые ( в Д он­
бассе) или большие (в Кузбассе) мощности пластов, не вы­
держанные в пределах выемочных участков параметры гип­
сометрии и мощности, высокая интенсивность
газовы деления,. опасность динамических проявлений горного
давления
(внезапные выбросы угля и га за , горные удары) и др.
В большинстве случаев давались качественные характе­
ристики горногеологических условий и лишь
в последнее
время стали появляться работы, в которых предпринимают­
ся попытки обоснования количественных критериев для оцен­
ки сложности горногеологических условий.
Следует зам етить, что понятие "степень сложности гор­
ногеологических условий" является относительным, оно оп14
ределяется не только природой происхождения и геологиче­
ской историей развития, но и современным уровнем разви­
тия техники и технологий горных работ, степенью соответ­
ствия технических средств добычи тем или иным горногео­
логическим условиям. Таким образом, критерии
сложности
не являются неизменными во времени.
В работе [30] определяются перспективные направления
развития комплексной механизации очистных работ в слож­
ных горногеологических условиях пологих и наклонных (до
35°) пластов мощностью 0,7 м и более. В работе отм ечает­
ся, что условия, которым соответствую т современные сред­
ства комплексной механизации очистных работ
( так назы­
ваемые благоприятные) практически исчерпаны
во
всех
странах - членах СЭВ, результаты применения комплексной
механизации в сложных горногеологических
условиях не­
стабильны. Указы вается также, что добыча
из забоев со
сложными горногеологическими условиями в странах - чле­
нах СЭВ достиг'ла в 1970 г. 150 млн. т, удельный вес добы­
чи из лав с механизированными комплексами в этих усло­
виях колеблется (в рамках СЭВ) от 11 до 80%,
отношение
числа комплексно механизированных забоев к числу забоев,
в которых крепление производится индивидуальными гидрав­
лическими стойками, составляет 1:11.
По перспективным планам область применения механизи­
рованных комплексов в сложных горногеологических услови­
ях в систем е СЭВ к 1975 г. должна расшириться
примерно
в 2 раза по сравнению с 1970 г. Это указывает на важность
работ в области изыскания, обоснования и разработки тех­
нологических схем и ср ед ств комплексной механизации гор­
ных работ для этих условий.
К природным факторам, осложняющим ведение
горных
работ, относят:
тектонические нарушения дизъюнктивного и пликативного
типов;
геологические нарушения;
колебания в определенном диапазоне мощности
и угла
падения пласта;
слабые, неустойчивые в обнажениях кровли пластов;
Прочные, труднообрушаемые кровли;
слабые почвы, склонные к оползанию;
высокую газоносность угольных пластов;
15
склонность угольных пластов и горных пород, к динами­
ческим проявлениям горного давления ( внезапные выбросы
урля и г а за , горные удары );
склонность пластов к самовозгоранию;
опасность обводнения и прорыва воды в горные выра­
ботки;
наличие в пластах породных прослойков и др.
Вопрос о влиянии различных факторов на формирование
сложных условий разработки находится еще в стадии изуче­
ния, и по нему еще не выработаны окончательные решения.
Так, в работе [30] по фактору тектонической нарушенности
условия рекомендуется считать сложными тогда, когда ам­
плитуда диагонально ориентированного сброса при разработ­
ке пласта средней мощности превышает 20°. Считается так­
же, что при амплитуде сброса, равной
мощности пласта,
единственным средством преодоления нарушений
является
перемонтаж оборудования в новую разрезную выработку; пре­
одоление подобного рода нарушений без перемонтажа обору­
дования возможно при условии создания выемочных средств,
способных эффективно разрушать уголь и породу с коэффи­
циентом крепости
= 4-^5.
В работе [31] учитывается, что тектонические наруше­
ния разрывного типа формируют сложные условия в том слу­
чае, когда их плотность превышает 10-15 шт/км^, В работе
[30] средняя интенсивность сбросов для сложных
условий
оценивается показателем, равным 8,75 шт/км^. в ЧССР [30]
запасы угля в блоках не разрабатываются, если их размеры
по простиранию, ограниченные смежными нарушениями, ме­
нее приведенных ниже.
Мощность угольных плас­
тов, м
0 ,5 -0 ,7 9
0 ,8 -1 ,0 0
1 ,01-2,00
Свыше 2,00
Размеры
блока, м
50
40
30
25
Считается также, что месторождение является неблаго­
приятным в том случае, когда сбросы, превышающие мощ­
ность пласта, появляются по длине лавы на расстоянии ме­
нее чем 100 м.
16
По данным исследований [30] , минимальная длина бло­
ка, при которой экономически целесообразно применение ме­
ханизированных комплексов, определена в 200 м.
Авторы работы [32], характеризуя тектоническую нарушенность Прокопьевско-Киселевского месторождения
Куз­
басса, определяют, что возможная область применения гидрофицированных передвижных крепей составляет
примерно
40-50% выемочных столбов со следующими
параметрами:
длина забоя не более 4 0 -5 0 м, длина столба до 140-150 м
при условии обеспечения технико-экономической эффективно­
сти. Если же эффективное применение механизированных кре­
пей в забоях длиной 4 0 -5 0 м возможно только при
длине
участка по простиранию не менее 250 м, то область приме­
нения их в К узбассе на тонких и средней мощности крутых
пластах ограничивается 12-15%. В длинных очистных забоях
(8 0 -1 0 0 м) по фактору тектонической нарушенности прогно­
зируемая область применения механизированных крепей не
превышает 5-7% выемочных участков. В связи
с этим на
участках с размерами по падению и простиранию 100-120 м,
число которых составляет на Прокопьевско-Киселевском ме­
сторождении 35-40% , рекомендуется применять
простые и
дешевые крепи или выемку этих участков производить без
применения крепи и присутствия людей в очистном, забое.
В Центральном районе Донбасса значительная доля з а ­
пасов сосредоточена на участках, ограниченных по прости­
ранию непереходимыми тектоническими нарушениями с рас­
стоянием между ними менее 3 00-400 м. На таких участках
экономически невыгодно применение гидрофйцированных ме­
ханизированных крепей [33J .
Различие в оценках технико-экономической эффективнос­
ти комплексной маханизации очистных работ можно объяс­
нить совокупностью причин и прежде всего различием при­
родных (горногеологических) условий, различным техничес­
ким уровнем применяемого оборудования, различной произ­
водительностью и трудоемкостью монтажно-демонтажных ра­
бот и наконец несопоставимостью методик расчета.
По определению степени сложности условий по фактору
изменчивости (колебания) мощности известны
следующие
предложения. В работе [30] пласт считается
изменчивым,
если на протяжении 150-200 м изменение моы^юс^^"“ пласта
превышает 20%. По классификации сложности ij горногеологи—
• V1 S£ 7.:.£
§
Ч Л Т А Г ^
'- -
-T i.
i
ческих условий, предлагаемой в работе [3 l] , к сложным
относятся угольные пласты с колебаниями
мощности бо­
лее - 10%.
Предел раздвижности стоек в механизированных
крепях
пологого и наклонного падения предлагается [ЗО] принимать
равным ± 10%.
Изменчивость мощности тонких и средней мощности кру­
тых пластов характеризуется данными, приводимыми в ра­
ботах [7 , 32, 34] . В табл. 1 показаны
данные натурных
измерений [32] .
Таблица 1
Бассейн
Кузбасс
Донбасс
Распределение участков (%) по колебаниям мощности,- 5 %
до 5 I 5 ,1 I -1 0
10,1-1 5
1 5 J-2 0
2 0 ,1 - I 2 5-30
-2 5
!
21,4
18,2
14,3
36,4
28,6
18,3
21,4
9
свыше
30
7,2
9
7,1
9.1
В табл. 2 приведены данные результатов изучения мар­
кшейдерской документации в К узбассе [32] и в Донбассе [34]
Таблица 2
Кузбасс
Итого . . .
18
2
3
4
1.9
1.9
5,3
3,9 21, 6
21, 6 17,7 27,4 5,9
15,6 15,7
21, 6 25,5 13,7 6
5,4 14, 3
10,7 18,9
21, 4 34
13,3
16,7 23,3 10
16,7 20
28,6 14,3 9,5 23,8 19
19,9 22,2 17,2 10,9 10,8 15,4
1 ,0 1 -1 ,5
1 ,5 1 -2 ,0
2 ,0 1 -2 ,5
2 ,5 1 -3 ,0
3 ,0 1 -3 ,6
-
4,8
3,6
о
О
см
1
ю
ю
см
1
о
см
30 и бо­
лее
ю
о
п
2 5 ,1 -3 0
1
колебаниям
5 ,1 -1 0
Бассейн
по
средняя
мощность
пласта,
м
Распределение участков (%)
мощности, ±%
5
6
7
8
9
ю
1
1
Донбасс
Итого . . .
2
3
До 1,0
1,01.-1,5
1 ,5 1 -2 ,0
16
12,5
5
15,9
|4
Продолжение табл. 2
6
8 ! о
5
71
26
24
18,5 7,5
37,5 23,5 21, 5 2
34
22
31
26,1 26,1 18,7 6
-
1
4
-
3,6
4
3
8
3,6
Анализ показывает, что наибольший удельный вес в Дон­
бассе (около 55%) составляют участки пластов с колебанием
мощности от ±10 до ±20%, в К узбассе этот диапазон расши­
ряется до 65% за счет пластов с колебаниями мощности до
± 25%. На пласты с большими колебаниями мощности прихо­
дится около 14% в К узбассе и 18% в Донбассе.?
Непостоянство параметров гипсометрии характеризуется
степенью изменчивости углов падения и простирания в пре­
делах выемочного участка.
По оценке сложности условий, исходя из параметров гип­
сометрии, неизвестно сколько-нибудь обоснованных предло­
жений. В К узбассе ВНИМИ [32] были проведены
в этом
направлении специальные исследования, результаты которых
помещены в табл. 3,4. Из этих данных можно заключить, что
область условий, в которой колебания угла падения в пре­
делах выемочного участка достигают 5 - 6 ° , а радиус кривиз­
ны31^ до 300-400 м, значительна, что необходимо учитывать
при проектировании механизированных крепей применительно
к условиям крутого падения.
В работеСЗф геологические условия залегания угольных
пластов предлагается разделять по степени сложности на
три класса: сложные; благоприятные; особо благоприятные.
Сложные условия залегания определяются
следующими
факторами: боковые породы угольных пластов неустойчивые,
геологические нарушения разрывного типа плотностью свы ­
ше 10-15 шт/км2, значительные включения колчедана, име­
ется опасность внезапных выбросов угля и газа, газообильность выемочного участка после дегазации более. 10 м^/т,
переменный угол падения, колебания мощностью более ± 10%
от средней.
Изменение угла простирания характеризуется
на плане
горных работ радиусом кривизны линии простирания.
19
Благоприятные условия - пласты с боковыми
породами
средней устойчивости, на которых возможны проявления вто­
ричных осадок основной кровли; геологические нарушения с
интенсивностью до 5 -1 0О шт/км^, газообильность выемочного участка менее 10 м /т; мощность пласта и углы падения
выдержаны - колебания мощности и угла падения в лаве не
более ± 10%; боковые породы предварительно осушены.
Таблица 3
Распределение выемочных участков, %
Колеба­
ния угла
падения,
- град
угол падения пласта, град
До 2
3-4
5 -6
7 -8
Более 8
30-40
4 1 -5 0
5 1-60
61-70
7 1 -8 0
8 1 -9 0
20
46,6
26,7
6,7
-
50,6
32
10,7
2,7
4
53,2
34,4
48,8
33,7
12,8
1,2
3,5
50
25
12,5
8,7
4,2
28,6
57,1
-
3,1
9,3
—
14,3
-
всего
47,7
33,9
10,9
3,3
4,2
Т а б л иц а 4
Распределение выемочных участков, % по радиусу
кривизны, м
до 200
Г 20 1 -3 0 0 Г 301-400
_______ j
13,3
] 4 01-500 ! 501-700 I более
I___________ | 700
j___________j
13,3
20
6,7
11,7
35
Особо благоприятные условия - негазовые пласты с ус­
тойчивыми боковыми породами, плотность геологических на­
рушений менее 5 шт/км2 , мощность и углы падения весьма
выдержаны - колебания мощности и углов падения не более
± 5%.
В работах [3 l] , [зЗ ] предложены основы классификаци­
онных признаков. Ряд классификационных признаков, предла­
гаемых в этих работах, а также в работе [30] , нуждаются
в дополнительном научном обосновании. Основное требова­
ние, которое следует предъявить к классификационным при­
знакам, - это их представительность
и универсальность.
20
Как видно из вышеизложенного, горногеологические ус­
ловия месторождений крутого и крутонаклонного ^более 37°)
падения характеризуются большей сложностью по сравнению
с пологими по целому ряду определяющих факторов. В свя­
зи с этим целесообразна разработка классификационных при­
знаков по степени сложности отдельно для пологих, наклон­
ных, крутых и крутонаклонньтх пластов.
Дифференцированный подход можно обосновать тем, что
абсолютное большинство условий крутого падения следует
отнести к сложным, а также тем, что сам по себе угол па­
дения, когда его величина превышает 35°, является факто­
ром, осложняющим решение вопросов комплексной механи­
зации очистных работ.
Основываясь на материалах [30, 31, 32, Зз] ,
относя­
щихся к характеристике сложности горногеологических ус­
ловий залегания при разработке угольных пластов
подзем­
ным способом, можно характеризовать сложные
условия
угольных пластов крутого падения следующими факторами и
их количественными показателями:
1. Мощность пласта менее 0 ,6 мх ' . В этих условиях во з­
никают технически непреодолимые или весьм а большие труд­
ности, связанные с созданием и размещением гидрофицированных механизированных крепей, усложняются условия эк­
сплуатации оборудования и условия работы обслуживающего
персонала.
2. Колебания мощности пластов - более - 15%.
3. Колебания углов падения пласта - более - 5 °, а ради­
усы кривизны линии простирания - менее 300 м.
4. Неустойчивые или труднообрушаемые кровли, интен­
сивные проявления вторичных осадок кровли.
5. Слабые или склонные к сползанию породы почвы.
6. Тектонические нарушения дизьюнктивного типа с ам­
плитудой сброса более ± 15%, средней мощности, плотностью
более 10-15 шт/км^.
х ' Граничные количественные параметры относятся к слож­
ным условиям.
21
7. Размеры участка по простиранию между
смежными
непереходимыми тектоническими нарушениями менее 70 мх^.
8. Локальные геологические нарушения, на площади раз­
мещения которых имеются слабые неустойчивые породы.
9. Опасность по внезапным выбросам угля и газа, гор­
ным ударам.
Каждый из перечисленных факторов
ограничивает опре­
деленную область сложных условий и не исключает отнесе­
ние к сложным Других условий по остальным перечисленным
факторам.
К технологическим схемам выемки и средствам комплек­
сной механизации в сложных горногеологических
условиях
предъявляются следующие общие требования:
максимальная безопасность работ, необходимая технико­
экономическая эффективность;
простота, надежность в работе, облегченность, меньшая
(по сравнению с гидрофицированными агрегатами, предназ­
наченными для работы в длинных очистных забоях) перво­
начальная стоимость и возможность дистанционного управ­
ления забойными механизмами.
Ориентировочные подсчеты показывают, что сложные ус­
ловия залегания имеют около 70% тонких и средней мощно­
сти крутых угольных пластов.
Учитывая многообразие горногеологических условий з а ­
легания пластов крутого падения, целесообразно
сначала
разработать ряд способов управления
горным
давлением
для всего диапазона сложных горногеологических
условий,
каждый из которых является эффективным, в некоторой уз­
кой области; затем в процессе промышленных
испытаний
число- способов должно сократиться за счет отбора наибо­
лее гибких, каждый из которых будет охватывать более ши­
рокий диапазон горногеологических условий.
х) Этот параметр определен из того условия, что для ме­
ханизированных поддерживающ е-оградительных крепей,
работающих в длинных очистных забоях-лавах
экономи­
чески выгодные размеры выемочного
участка между
смежными нарушениями находятся в среднем за преде­
лами 200-300 м, а для щитовых крепей ( полосы по па­
дению) - более 70 м.
22
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ МАЛОМОЩНЫХ (МЕНЕЕ 0,6 м)
УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СТОЛБАМИ
ПО ПРОСТИРАНИЮ С ПРИМЕНЕНИЕМ КРЕПИ
Исследования, способствующие освоению безлюдных спо­
собов разработки весьма тонких крутых пластов ( 0 ,3 - 0 ,6 м ),
выполняются В НИМИ совместно
с Донгипроуглемашем и
ДонУГИ на шахтах Донбасса . При разработке таких пластов
открывается не только возможность использования допол­
нительного источника высококачественных коксующихся уг­
лей ( из весьма тонких пластов нерабочей мощности может
быть получено около 25-30% добычи, получаемой в настоя­
щее время из пластов рабочей мощности) , но и существен­
ного расширения области использования защитной выемки единственного радикального средства борьбы с динамичес­
кими проявлениями горного давления (горные удары, вы­
бросы угля и породы).
По техническим условиям, разработанным
ВНИМЙ и
ДонУГИ, Донгипроуглемашем выполнены проекты двух тех­
нологических схем , предусматривающих разработку
весьм а
тонких пластов длинными очистными забоями - лавами по
простиранию с применением дистанционно управляемого обо­
рудования, обеспечивающего выполнение всех
операций в
очистном забое по выемке, креплению и управлению горным
давлением. В одной из схем (для пластов
с
кровлями,
склонными к плавному опусканию) в качестве средств уп­
равления горным давлением предполагается применение об­
легченных механизированных ограждений (рис. 2 ), во вто­
рой - ( при беспорядочном характере обрушения) применение
стационарных дистанционно-устанавливаемых клиновых кре­
пей (рис. 3 ).
Основными положениями технических условий
являются
следующие.
1. Выемка угля по всей площади должна
производиться
без оставления каких-либо целиков в выработанном прост­
ранстве и вблизи подготовительных выработок.
2. Для управления горным давлением на пластах с ус­
тойчивыми боковыми породами, способными к плавному сбли­
жению, необходимо и достаточно применение распорно-огра­
дительных конструкций, выполняющих функции
ограждения
23
рабочего пространства от местных обрушений и перепуска
пород и направленной доставки полезного ископаемого.
3.
Для создания более благоприятных условий
работы
механизированных ограждений, снижения их металлоемкости
и мощностей подвесного оборудования рекомендуется рас­
полагать очистной забой наклонно в сторону выработанного
пространства под углом, равным или близким углу е с т е с т ­
венного откоса обрушенных (перепущенных) пород.4
Рис. 2. Схема передвижной распорно-оградительной крепи
для безлюдной разработки угольных пластов
мощностью менее 0 ,6 м:
1 - активный выемочный орган; 2 - секция крепи; 3 - ка­
натно-роликовая систем а; 4 - приводные и направляющие
средства; 5 - плоские фиксирующие и прижимные канаты
4.
Струговые установки статического типа
с гибкой
связью при отсутствии жесткой направляющей базы являют­
ся неэффективными средствами выемки на пластах с углями
средней крепости и крепкими. Их применение неминуемо обу­
словливает криволинейную форму забоя, что предопределяет
нерациональные условия управления горным давлением. По­
этому необходимо создавать и внедрять активные выемоч­
ные средства - динамические струги
или
узкозахватные
24
комбайны, дающие возможность более эффективно управлять
конфигурацией очистного забоя при разработке
пластов с
крепкими углями.
Рис. 3. Общий вид механизированного
дистанционно управляемого
комплекса
в
очистном забое для разработки маломощных
угольных пластов:
_ 1 - комбайн; 2 - крепеукладчик; 3 - клиновая
крепь
В настоящее время к промышленному внедрению принята
схема выемки с применением узкозахватного
комбайна и
дистанционно устанавливаемой стационарной клиновой дере­
вянной крепи (см . рис. 3 ). Механизированный комплекс со­
стоит из активного выемочного орган а.узкозахватного,
дистанционно
.управляемого комбайна типа, например, КПСК
конструкции Донгипроуглемаша или "Малыш"
конструкции
комбината "Артемуголь" и крепеукладчика клиновых крепей.
Указанные конструкции комбайна флангового типа имеют
глубину захвата выемочного органа от 0,4 до 0 ,9 м. При до­
стижении определенной, допустимой для данных условий пло­
щади обнажения производится установка клиновой крепи крепеукладчиком. Для этого в обойму крепеукладчика на вен­
тиляционном штреке укладывается пара клиньев в раздвину25
том состоянии так, чтобы габаритный размер
по высоте
был менее минимальной мощности пласта на определенную
заданную величину. Крепеукладчик под действием собствен­
ного веса или с помощью хвостового каната опускается на
лебедке в заданное место забоя и устанавливает клиновую
крепь следующим образом. Платформа крепеукладчика - без
дна, имеет гидравлические захваты , которые удерживают от
сползания нижний клин. Верхний клин с помощью
пневмоили гидродомкрата, установленного на платформе, расклини­
вается с определенным усилием распора между
боковыми
породами (2 -3 т ), после чего захваты , удерживающие ниж­
ний клин, автоматически раскрываются, давая возможность
поднять крепеукладчик на вентиляционный штрек для. повто­
рения производственного цикла.
Первое предложение о применении дистанционно устанав­
ливаемых клиновых крепей для крепления очистных вырабо­
ток при безлюдной разработке маломощных
(менее
1 м)
угольных пластов в СССР приведено в работе [35] . В ра­
боте [Зб] освещаются вопросы по созданию
оборудования
для дистанционного возведения клиновой крепи в очистных
забоях крутого и крутонаклонного падения (более 35°) при
выемке угля таранными или струго-таранными установками.
Конечной целью этих исследований является отработка тех­
нологии выемки таких пластов без присутствия
в
очи­
стном забое. Оборудование было испытано сначала на мо­
дели в виде макета в уменьшенном размере, а затем в про­
изводственных условиях. Были получены результаты,
под­
тверждающие правильность принципиальных решений, реали­
зованных в конструкции, и вскрыт ряд недостатков. Полага­
ют, что данное оборудование может работать на пластах с
углом падения 15° и выше и мощностью свыше 0,3 м .Вер­
хняя граница применения по мощности не
определена.
В
настоящее время конструкция находится в стадии доработки.
В ДонУГИ £37J с 1966 г . ведутся работы по созданию
так называемых опускных клиновых крепей для применения
в комплексе со стругом С ДБ, разработанным ДонУГИ. Кре­
пи испытаны в лабораторных и шахтных условиях. В настой
ящее время ведутся работы по подготовке опытной партии
крепей для испытания в производственных условиях. Крепь
ДонУГИ изготавливается из бетонных клиньев.Предваритель­
ный технико-экономический анализ показал,
что бетонная
26
опускная крепь конструкции ДонУГИ будет
экономически
более эффективна по сравнению с применяемым способом уп­
равления боковыми породами ( стоечная деревянная крепь в
сочетании с деревянными кострами) на пластах мощностью
менее 0 ,6 м при расстоянии между рядами крепи
по про­
стиранию около 1;5 м. При возможности увеличения рассто­
яния между рядами бетонной крепи до 2 ,0 -2 ,5 м область эф­
фективного применения распространяется на пласты мощно­
стью до 0,9 м с боковыми породами, устойчивыми и средней
устойчивости.
ВНИМИ и Донгипроуглемашем изучаются работа клино­
вых крепей, проявления горного давления при их примене­
нии, ведутся работы по конструированию дистанционно уп­
равляемого оборудования для очистных забоев тонких ( ме­
нее 0,6 м) крутых пластов [38, 39] (см . рис. 3 ). В настоя­
щее время завершен этап шахтных испытаний
эксперимен­
тального оборудования и исследований механической харак­
теристики крепи и проявлений горного давления. ВНИМИ со ­
вместно с ДонУГИ составлены "Технико-экономические тре­
бования" на создание •опытно-промышленного оборудования и
начаты промышленные испытания комплексов
на
шахтах
Центрального района Донбасса.
В ГДР разработано оборудование для поддержания непо­
средственной кровли в очистных выработках при разработке
весьм а тонких пластов. Установка в настоящее время экс­
плуатируется при безлюдной разработке медистых сланцев в
Мансфёльде.
Выполненной анализ позволяет считать
перспективным
применение клиновых дистанционно устанавливаемых крепей
для управления горным давлением при безлюдных
способах
разработки маломощных пластов во всем диапазоне
углов
падения благодаря их простоте, надежности и экономичнос­
ти. Самостоятельной весьм а важной проблемой для Донбас­
са является создание безлюдных способов разработки с при­
менением крепей для весьм а тонких ( 0 ,2 5 -0 ,6 м)
крутых
защитных пластов.
В результате комплексных исследований ВНИМИ разра­
ботана методика расчета основных геометрических и си­
ловых параметров клиновых крепей и предложен способ уп­
равления горным давлением при их применении [38, 39]. Ис­
ходными данными для расчета геометрических
параметров
клиновых крепей принимаются:
27
средняя мощность пласта тСр , мм;
максимальная величина колебаний средней мощностиАт,%;
минимально допустимое предельное сопротивление PmLn, тс.
Исследованиями установлено, что Pmin должно
прини­
м аться равным не менее 8 -1 2 т. При заданной длине „if кли­
нового элемента около 700 мм, которая определяется пара­
метрами средств дистанционной установки при разработке
механизированными комплексами, а при ручной установке технологическими факторами, расчет сводится к определению,
угла скоса клиньев Ы. , обеспечивающего необходимый ди­
апазон раздвижки крепи d,
и минимально допустимое ра­
бочее сопротивление Ртсп
Последнее определяется при прочих равных условиях про­
екцией площади взаимодействия клиньев на горизонтальную
поверхность, а при решении плоской задачи - проекцией ли­
нии взаимодействия а.
(рис. 4 ) .
Вначале определяется вы сота клинового комплекта
в
транспортном положении
Л. = (1 - Ат) тср - С,
где
(2)
- величина зазора между кровлей
и комплексом
клиновой крепи в транспортном
положении при
минимальной мощности пласта.
Величину С рекомендуется принимать равной не менее
40 мм. Тогда диапазон раздвижки определится зависимостью
С
d = 2 A m m cp+C;
( 3)
угол скоса клиньев будет равен
об - a z c tp , у- „
(4)
Найденный угол скоса проверяется по условию
cl±
где
Г
,
,
(5)
- угол трения между клиновыми элементами крепи;
fz ’ - угол трения между клином и почвой ( кровлей).
По опытным данным рекомендуется принимать величину
угла скоса в пределах 15 -3 0 °, при которых обеспечивается
самоторможение клиновых элементов в опоре
в процессе
работы крепи.
Далее определяется минимальная ( соответствующая мак­
симальной мощности пласта) величина ц (см : рис. 4 ):
а =Х - £
28
.
( 6)
F
Рис. 4. Схемы
к расчету параметров
клиновой крепи и конструктивные
варианты клиновых крепей:
1; Пг, а ; III.,-б - крепи
с переменными
параметрами механической характеристи­
ки; II и П' , в - крепи с постоянными па­
раметрами механической характеристики;
а - крепь из клиновых полукомплектов;
б - из трапециевидных полукомплектов;
в - комбинированная
29
Величина О.
условию
найденная по формуле ( 6 ) , проверяется по
а £
min
(7.)
где
- предельная прочность материала крепи при сж а­
тии (кг/ см ^ ), получаемая
при испытании на
стенде;
В
- ширина крепи, которая по конструктивным пара­
метрам устройства для механизированной
до­
ставки и установки принимается
равной около
300 мм.
Если найденная по формуле (6) величина а не удовлет­
воряет условию ( 7) , то ее можно увеличить
в указанных
выше пределах. При невозможности
изменения
длины
комплекса нужно увеличить ширину крепи В
в указанных
пределах или заменить материал крепи более прочным. За­
висимость для определения начального распора Р
по из­
вестным величинам усилия расклинивания крепи
и углов
скоса клиньев аС и трения по скошенным поверхностям
,
а также между, верхним клином и кровлей ^
имеет вид
Q'Р
( 8)
ре - - t3 CdL + % ) + t g f z
Необходимое усилие для извлечения крепи Q.Uj при известном
в данный момент сопротивлении Рд
клиновой крепи опре­
деляется по формуле
’
(9)
Сущность разработанного ВНИМИ
способа управления
горным давлением*' при применении клиновых крепей з а ­
ключается в том, что изменением размеров площади взаи­
модействия двух клиновых элементов крепи достигается из­
менение параметров ее механической характеристики. Опыты
проводились при взаимодействии верхнего клина с нижним
по всей площади (100%) и с частью ее (7 5 и 50% ).
При
уменьшении площади взаимодействия в 2 раза несущая спо­
собность крепи снижается с 22 до 12 т, т .е. почти в 2 рах) ф.Н. В о с к о б о е в , П.А. В е л и к а н о в ,
"Способ управления горным давлением
работках". Авторское свидетельство
№ 300622.
30
Я.М. Г е л ь м а н .
в очистных вы­
н а. изобретение
за, а показатель жесткости - в среднем в 3 раза. Для обес­
печения стабильной характеристики клиновой крепи на плас­
тах с переменной мощностью по заданным длине клинового
элемента и мощности пласта, выбранному углу скоса клинь­
ев в диапазоне углов самоторможения рассчитывают по при­
веденной выше методике площадь взаимодействия клиньев,
обеспечивающую требуемое рабочее сопротивление при дан­
ных конструктивных параметрах. Для применения клиновой
крепи данной конструкции с изменением мощности
пласта
верхний клин занимает различные положения
относительно
нижнего, однако площадь взаимодействия, а
следовательно
и величина: рабочего сопротивления остаются неизменными.
В случае необходимости изменения величины рабочего со­
противления в меньшую или большую сторону соответствен ­
но уменьшают или увеличивают длину верхнего клина. Для
получения крепи со стабильной механической характеристи­
кой длину верхнего клина определяют по формуле ( 6 ) . В о з­
можность обеспечения стабильной работы крепи путем регу­
лирования ее механической характеристики позволяет осу­
ществлять переход от одного способа
управления горным
давлением к другому, наиболее целесообразному в данных
условиях. Так, например, чтобы обеспечить
условия для
плавного сближения боковых пород в выработанном
прост­
ранстве, вм есто обрушения необходимо применять клиновые
крепи с менее жесткой характеристикой,
что практически
достигается уменьшением площади взаимодействия нижней
части крепи за счет уменьшения размеров последней. Испы­
тания клиновых крепей на шахтах Донбасса, а также иссле­
дования их механических характеристик и условий взаимо­
действия с боковыми породами [3 8 , 39] показывают
пер­
спективность их применения при разработке
маломощных
(менее 0 ,6 м) пластов без присутствия людей в забое. Т ех­
нико-экономические расчеты свидетельствуют
об экономи­
ческой эффективности замены деревянных костров клиновы­
ми деревянными крепями.
Преимуществом клиновых крепей является большая ( по
сравнению с костровой) площадь взаимодействия с боковы­
ми породами, что обеспечивает большую устойчивость опо­
ры, более эффективное управление* горным давлением в ус­
ловиях смещения боковых пород в плоскости
напластова­
ние
меньшие удельные давления.
Последнее достоинство
31
определяет перспективность применения
этих крепей на
пластах со слабыми боковыми породами, в том числе в ме­
стах перехода геологических нарушений,
часто встречаю­
щихся на месторождениях крутого падения.
Производство
очистных работ в забоях с дистанционно управляемыми м аu инами и механизмами без присутствия людей открывает
возможность пересмотра существующих требований к пара­
метрам средств и способов крепления
(.удельное сопротив­
ление, плотность, коэффициент перекрытия обнажений) . Так,
на пластах мощностью 0 ,5 -0 ,6 м при боковых
породах Щ,
1У и У1 классов (по классификации ДонУГИ) при установке
клиновых крепей с расчетом, что на 4 -5 м^ приходится од­
на опора, обеспечивается удовлетворительное поведение бо­
ковых пород. В случае появления местных нарушений боко­
вых пород плотность крепи должна быть увеличена при не­
обходимости до одной опоры на 1 м^.
В центральном районе Донбасса имеется около 60 забоев
на пластах рабочей мощности (.равных или менее 0,6 м, что
составляет около 20% всего количества действующих забо­
ев) , где можно применить клиновые крепи. По данным Дон­
УГИ и ВНИМИ, количество шахтопластов мощностью от 0,3
до 0,5 м .составляет около 300. Из этого
количества 58
(35%) являются защитными по отношению к пластам рабочей
мощности, опасным по внезапным выбросам угля. При раз­
работке этих пластов будет дополнительно
осуществлена
защита 32 шахтопластов рабочей мощности и защитной вы­
емкой будет обеспечено около 82% всего числа разрабаты­
ваемых опасных пластов.
Оценка технико-экономической эффективности разработки
защитных пластов произведена по следующей методике: рас­
сматривалась в виде базового варианта разработка опасно­
го по выбросам одиночного пласта со средней
мощностью
0,8 м -с выполнением мероприятий, определяемых правилами
безопасности (бурение дегазационных и разгрузочных сква­
жин и т .п .) . В сопоставленной новой технологии производи­
лась разработка без проведения этих мероприятий, а учиты­
вались затраты на разработку маломощного (0 ,3 5 м) за ­
щитного пласта ( по которому пройден групповой штрек) с
применением дистанционно управляемого механизированного
комплекса. Расчеты показали [39] , что, несмотря на уве­
личение капитальных затрат при совместной отработке опас32
ного и защитного пластов, годовая экономия на один забой
составляет 161-240 ты с.р. Участковая себестоимость нд 1 т
угля при этом снижается с 7 р. 7 к. до 5 р. 50 к.;
про­
изводительность рабочего по участку повышается с 2,96 до
3,8 т в смену.
Оценка применения клиновых крепей в качестве
специ­
альной крепи совместно с призабойной стоечной крепью вза­
мен непереносных деревянных костров показывает, что и в
этом случае имеется ощутимый экономический
эффект
(табл. 5 ).
Табли ца 5
со
2
с
А
ь
о
о
X
в
о
2
Деревян­
ные ко­
стры
0,45 0,80
Клиновая
деревян­
ная
крепь
0,45 0,45
1890
1060
руб.-коп.
ь
о
со
руб.-коп.
со
Виды затрат (на 10 ед. кре- £соН
I«
ft
о5
пления
о
h
8
матери- изготов- во звед е- со
н»я
ал
ление
ние
22 ео
ф га
з
!
5^г
'2 «
>»
О
ОVD «О2
СО
« Q* о а.
X
со
я
о
ш
X
и
ю
Ф
X
т
О
чел» час
2
руб.-коп.
Вид
крепления
10,3 1290
5,1 2 -9 0
4080
5,8 7 -9 0 2 8 96
-
4 8 - 39
50
Результаты исследований в области управления боковыми
породами в очистных выработках маломощных
пластов с
применением клиновых крепей реализованы в технико-эконо­
мических требованиях на проектирование дистанционно уп­
равляемых механизированных комплексов
для разработки
маломощных пластов с клиновыми крепями, внедряются при
промышленном испытании этих комплексов на пластах Дон­
басса, а такж е использованы в ГДР для разработки маломощ­
ных ( 0 ,2 - 0 ,4 м) пластов медистых сланцев ( г. Мансфельд).
33
СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
БЕЗ ПРИМЕНЕНИЯ КРЕПИ
Разработка камерными системами с обратной выемкой
Известно несколько схем выемки при камерных и камер­
но-столбовых системах разработки. Одной из них, получив­
шей наибольшее распространение, предусматривается прямой
порядок выемки - полосами (столбами по восстанию).
При.
безлюдном варианте эта схем а, как было показано
выше,
имеет крупные недостатки. По другой, принципиально отли­
чающейся схем е выемка производится в обратном
порядке
после предварительного проведения узкой передовой печи.
Камерная система разработки с обратной выемкой явля­
ется перспективной, так как обеспечивает возможность с о з­
дания благоприятных условий для реализации
эффективных
и экономичных (с точки зрения потерь в целиках) способов
управления горным давлением, а также возможность приме­
нения дистанционно управляемых выемочных машин (напри­
мер, комплексы КМД конструкции Донгипроуглемаша).
Комплекс КМД (рис. 5) состоит1 из трех основных уз­
лов: платформы-, перемещающейся по штреку
на колесном
ходу, на который смонтированы приводы вращения штанг и
подачи режущего органа; двух составных штанг и режущего
органа. Вначале при переднем ходе проводится узкая нарез­
ная выработка - печь прямоугольного сечения (1 ,2 м х 0 ,6 м )
на всю высоту этажа. На вентиляционном штреке на режу­
щий орган надеваются секционные шнековые
расширители,
позволяющие при обратном ходе проводить камеру шириной
до 5 м. Передний ход осущ ествляется с помощью периодиче­
ского наращивания штанг, обратный, при котором произво­
дится очистная выемка, сопровождается снятием штанг. За­
тем машина перемещается по штреку к месту
проведения
новой камеры, и цикл повторяется. При переднем ходе, как
видно из рис. 5, штанги и режущий орган находятся в узкой
выработке (печи), которая охраняется широким целиком со
стороны выработанного пространства. При обратном
ходе
(см . рис. 5) режущий орган машины находится под прикры­
тием щитового ограждения со стороны
обрушенных пород
или закладки. Подробно устройство, принцип действия и ре­
зультаты промышленных испытаний комплексов типа КМД
описаны в работе
А-А
В-В
Рис. 5. Схема к расчету размеров м еж дукамерных целиков при разработад ка­
мерами с обратной выемкой без крепле­
ния с применением
комплексов
типа
КМД
35
При рассмотренной схеме выемки имеется возможность
оперативно вслед за продвижением вниз' режущего органа
осуществлять либо полное обрушение в камере, либо полную
закладку и тем самым создавать условия для применения
узких податливых угольных целиков.
Анализ способов управления горным давлением без при­
менения крепи при камерных и камерно-столбовых системах
разработки, опыт применения комплексов КМД на пластах
Центрального района Донбасса и результаты
исследований
ВНИМИ [7] позволили установить особенности
управления
горным давлением на больших глубинах и обосновать мето­
дику выбора рациональных технологических схем и способов
управления горным давлением. Способ управления горным
давлением путем удержания кровли на опорных целиках,рас­
считываемых на нагрузку от всего веса пород над вырабо­
танным пространством до поверхности, является неприемле­
мым, так как на достигнутых глубинах разработки в Дон­
бассе (более 500 м) он влечет за собой недопустимо высо­
кие потери угля. Способ управления горным давлением плав­
ным сближением боковых пород на разрушаемые горным дав­
лением целики угля, расцениваемый на пологом падении как
один из экономичных, ’в условиях крутого падения при рабо­
те полосами по восстанию оказы вается
неэффективным по
следующим причинам. В указанных условиях целики нахо­
дятся в более сложном напряженном состоянии и потеря их
несущей способности, сопровождающаяся полным разруше­
нием и высыпанием целиков, наступает
при
значительно
меньших величинах сближения боковых пород и деформаций
целика, чем это имеет место на пологом падении.-В резуль­
тате образуются периодически возрастающие пролеты и раз­
виваются массовы е обрушения кровли, создающие опасность
в зоне рабочего пространства очистного забоя и подготови­
тельных выработок. В принципе плавное сближение боковых
пород при камерно-столбовой системе разработки возможно
и на крутом падении, но для этого требуется
оставление
более широких целиков, обусловливающих значительно боль­
шие потери угля, чем на пологом падении.
При разработке камерами с обратной выемкой открыва­
ется возможность управления горным давлением узкими по­
датливыми целиками, так как при обрушении кровли в ка­
мере или подаче закладки во время обратного хода режу­
36
щего органа создается боковой распор на оставляемый це­
лик и угольный массив, и в результате повышается работо­
способность податливого целика и увеличивается срок его
службы. Поэтому при применении комплексов КМД на плас­
тах с неустойчивыми легкообрушающимися
кровлями пер­
спективным является способ управления горным давлением
полным обрушением кровли, осуществляемым в рабочей ка­
мере вслед за выемкой с оставлением узких, предельно де­
формирующихся междукамерных целиков ( см . рис. 5 ) . Послед­
ние должны выполнять функции кратковременного ( в течение
суток) поддержания непосредственной кровли
в рабочем
пространстве камеры с ограждением от прорыва обрушенных
пород из отработанной камеры в рабочее пространство.
Положительной особенностью управления горным давле­
нием с помощью узких предельно напряженных целиков яв­
ляется наличие у них большой податливости, что позволяет
избегать взаимодействия целика с большими массами пород
("заданные деформации"), а поддерживать
лишь нижнюю
пачку сравнительно легко отслаивающихся и обрушающихся
пород непосредственно кровли ("заданные нагрузки") [24].
Вышележащие слои пород при этом находятся во временно
устойчивом состоянии за счет собственной естественной не­
сущей способности ( кровля опирается на угольный массив и
обрушенную породу - см . р и с.4) .Предполагается, что в ус­
ловиях, где осадки основной кровли оказывают вредное вли­
яние на состояние кровли в рабочем пространстве, в допол­
нение к узким целикам необходимо назначать более широ­
кие промежуточные целики, расстояние между которыми оп­
ределяется предельным пролетом основной кровли. Послед­
ние частично (до 60-70%) будут погашаться комплексом по­
сле отработки блока и осадки на его
площади основной
кровли.
Перспективным для больших глубин разработки является
применение самотечной закладки, подаваемой в камеру на
щитовое ограждение в процессе ее расширения. Применение
закладки целесообразно применять также в сочетании с по­
датливыми предельно напряженными целиками, выполняющи­
ми роль ограждения рабочей камеры от выработанной.
В НИМ И предложены расчетная, схема и методика расчета
узких междукамерных целиков для разработки крутых уголь­
ных пластов комплексами КМД (с м . рис. 5 ), размещаемыми
37
под щитовым ограждением, с полным
обрушением пород
кровли в рабочей камере (или полной закладкой выработан­
ного пространства). Пролет камеры выбирается предельным
или близким к пределу устойчивости. Обрушение пород кров­
ли систематически происходит вслед за движением щитового
ограждения и закладочной "подушки" с отставанием от него
на 5 -1 0 м. По данным шахтных и лабораторных наблюдений,
обрушение пород кровли в камере происходит под углом к
вертикали около 15-20°. Мощность обрушающейся пачки сло­
ев кровли в камере ограничивается длительно устойчивым
пролетом CL* (см ..р и с. 5 ), который по данным исследований
для подавляющего большинства условий Донбасса
может
быть принят с запасом 1 м. Приняв для подсчета исходных
нагрузок зону обрушения кровли в камере, ограниченную по
высоте пролетом в 1 м, считаем, что примерно
такая же
или несколько большая ( в пределах максимальной
высоты
свода) толща пород непосредственной кровли будет нагру­
жать узкий целик. Последнее предположение обосновывается
следующими соображениями. В условиях
крутого падения
имеются благоприятные условия для плотной подбутовки об­
рушенными породами вышележащей толщи пород кровли. С
течением времени, когда создаются условия для опускания
вышележащей толщи, подбутовка воспринимает вес опуска­
ющихся пород и служит опорой, препятствующей
передаче
дополнительных пригрузок на целик.
С учетом изменения несущей способности угольного м ас­
сива во времени в натурных условиях, работающего за пре­
делами упругости [40], выражения для определения нагру­
зок, действующих по нормали к напластованию Рп -, сдвига­
ющихся усилий Рс
, действующих по плоскостям напласто­
вания, запишутся следующим образом:
РП— у [(б +f ) / f + h I» f ] (C0S *d+m sen 2C<) ;
(10)
Pc - j f [ ( 6 + f ) h + ^ - ^ - ] ( {- m ) U n Z c L ,
( П)
38
где
У
о
- объемный вес пород, т/м °;
- мощность пород непосредственной кровли, ока­
зывающей давлениена целик, м;
S - ширина целика, м;
Л. - ширина камеры, м;
оС - угол падения пласта, град;
Л7 - боковой распор;
Y - угол обрушения породу
= 15-f20°.
к
Выражения ( 10) , ( l l ) записаны в общем виде с учетом
влияния бокового распора, так как в рассматриваемом слу­
чае боковой распор действует в направлении
вкрест про­
стирания.
Исходная нагрузка на целик принимается при максималь­
ной величине площади A B flF (см . рис. 5 ), так как в момент
образования целика кровля в рабочем пространстве
сохра­
няет устойчивость до тех пор, пока не разовьется достаточ­
ное обнажение пород кровли.
После обрушения кровли в камере целик нагружен
не­
сколько меньшим объемом породы,
определяемым площа­
дью АБС£г .
Условия сохранения прочности целиков в заданный про­
межуток времени запишется уравнением
2
y[(S + § Д * t^LL-XCOS^* т и /еС У 6* * * * * » ■,
где
(12)
- кубиковая прочность угля, полученная в натур­
ных условиях по методике ВНИМИ [4l] ;
кф - коэффициент формы (для целиков с соотношением
высоты к ширине 0 ,5 £ - £ - <
2 );
- коэффициент, учитывающий уменьшение несущей
b
способности целика во времени [40] ;
к - коэффициент, учитывающий неравномерный харак­
тер нагружения, неоднородность материала и др.
Срок службы целика определяется временем,
необходи­
мым для расширения камеры, с учетом технологического за­
паса 1 ,5 -2 суток. Силы бокового распора от обрушенного
(закладочного) массива принимаются в запас прочности це39
<о
I
лика. Вычислив по формуле ( l l ) значения
сдвигающихся
усилий и сопоставив их с величиной сил внутреннего трения
и сцепления в пласте и самого пласта с боковыми порода­
ми, полученных при натурных испытаниях на сдвиг,
можно
произвести проверку прочности целика на сдвиг. При кровлях
прочных, способных к зависаниям на больших
площадях с
последующим бурным обрушением, целесообразно применение
полной закладки выработанного пространства в сочетании с
узкими податливыми целиками, ширина которых определяет­
ся по предложенной выше методике.
Анализ технико-экономической эффективности
рассмот­
ренных технологических схем и способов управления горным
давлением при разработке камерами с обратней
выемкой
комплексами типа КМД показывает [42] , что
даже при
разделении принятой в Донбассе высоты этажа на два под­
этаж а (условия, при которых достигнуты наиболее стабиль­
ные результаты работы дистанционно управляемого обору­
дования комплекса КМД) достигается существенный эконо­
мический эффект по сравнению с базовой технологией ( ком­
байновая лава с индивидуальной крепью: производительность
труда увеличивается в 3,66 раза, себестоимость
угля по
очистному забою снижается в 4,22 раза, а участковая с е ­
бестоимость снижается в 1,46 раза. Отсутствие
людей в
очистном забое позволяет обеспечить полную безопасность
ведения работ.
Камерные системы с обратной выемкой с рекомендуемы­
ми способами управления горным давлением следует при­
менять на шахтах или участках выемочных полей с интен­
сивным распространением тектонических нарушений дизъюн­
ктивного типа, где применение механизированных крепей о градительно-поддерживающего типа либо невозможно, либо
экономически невыгодно. Не рекомендуется применение ка­
мерных систем с обратной выемкой без крепления на сле­
дующих пластах, склонных к высыпаниям угля;
одиночных,
опасных по внезапным выбросам или незащищенных.
На основании результатов испытания комплексов КМД1
и КМД2 в Донбассе и К узбассе и промышленной проверки не­
которых из рассмотренных способов управления горным дав­
лением готовится к изготовлению и промышленному приме­
нению серия таких комплексов.
40
Р а зр а б о тк а сто л б а м и по простиранию
ВНИМИ обоснованы и проверены в производственных ус­
ловиях способ управления горным давлением и технологиче­
ская схем а, позволяющая в значительной степени избегнуть
недостатков, присущих схем е "полосы по восстанию" при ра­
боте канатными пилами. Сущность предложения заключается
в следующем*^ ^рис. 6 ). Очистной забой ориентируется на­
клонно в сторону выработанного пространства
под углом,
равным или близким углу естественного откоса обрушенных
Vперепущенных) пород. В качестве выемочного органа ис­
пользуются канатная пила типа ДГИ—ВНИМИ.
Рис. 6. Технологическая схема и способы управления гор­
ным давлением при разработке крутых пластов столбами по
простиранию без крепления с применением канатных пил:
а - обрушением пород кровли; б - с временным поддержа­
нием боковых пород в призабойном пространстве с помощью
закладки или переспускаемых обрушенных пород; в - под­
держанием кровли в выемочном блоке с помощью
угольных целиков
^
Предложено совместно с И.М. Петуховым.
41
Обеспечение условий нормального функционирования очи­
стного забоя при отсутствии крепи гарантируется тем, что
при таком расположении очистного забоя обрушение пород
кровли будет происходить так, как показано на рис. 6, а; в
верхней части этажа обрушение будет распространяться на
забой, а в нижней части - с некоторым отставанием от з а ­
боя, что обусловливается действием факторов, благоприятст­
вующих устойчивости пород кровли на участке, углубленном
в массив (двустороннее опирание кровли - на угольный м ас­
сив и "подбутовку" из обрушенных пород и угля над отка­
точным штреком).
Лабораторные опыты на объемных моделях
из эквива­
лентных материалов, проведенные во ВНИМИ,
подтвердили
правомерность выдвинутых предположений: при наступлении
предельного состояния обрушение происходило либо в верх­
ней половине этажа, либо на всю высоту этажа, но контур
обрушения был близок фигуре прямоугольника. Площадь же
кровли, близкая по форме треугольнику, углубленная в м ас­
сив в нижней половине забоя, находилась постоянно в ус­
тойчивом состоянии и тем самым
обеспечивались сохран­
ность рабочего пространства и возможность выпуска отби­
того угля. Если в этих условиях использовать для дистан­
ционной подрубки пласта тонкий режущий орган с дистан­
ционным управлением типа, например, канатной пилы ДГИВНИМИ и переместить его перед наступлением предела ус­
тойчивости пород кровли в нижнюю половину забоя, обеспе­
чив его постоянное прижатие к забою, то можносоздать
условия, исключающие возможность его защемления
обру­
шенными породами. Вероятность зажатия каната в. верхней
части забоя, где ожидается распространение обрушения по
забой, ничтожно мала, так как незначительное продвижение
каната после стабилизации последствий обрушения обеспечит
его перемещение под угольный массив. Вслед за этим воз­
можны перемещение режущего органа в часть забоя, взаи­
модействующую с обрушенными породами, и возобновление
работы очистного забоя. При этом, разумеется, не исключе­
ны потери угля в процессе обрушения пород, однако эти по­
тери будут значительно меньше тех, которые имеются при
камерно-столбовых системах разработки с выемкой полоса­
ми по восстанию, поскольку уголь и порода в раздробленном
состоянии располагаются под разными углами естественного
откора.
42 *'
Описанная технологическая схем а успешно прошла про­
мышленные испытания на шахте № 10 им. Артема комбината
"Ворошиловградуголь". В течение трех месяцев
испытаний
на выбросоопасном пласте Л j мощностью 1 ,4 -2 ,8 м нагруз­
ка на очистной забой увеличилась в 2 раза - с 4 до 8 ты с.т
в месяц, производительность труда повысилась почти в 3 ра­
за - с 69,3 до 200,7 т/месяц, себестоимость угля снизилась
более чем в три раза - с 4 р. 80 к. до 1 р. 46 к., расход ле­
са сократился в 5 раз [43] .
‘ Область применения способа выемки ограничивается гус­
тотрещиноватыми слабыми пластами или склонными к вне­
запным высыпаниям и горным ударам с боковыми породами
средней устойчивости и устойчивыми. Этот способ механи­
зированной безлюдной выемки является, по существу, един­
ственно возможным при значительных (более - 25%) коле­
баниях мощности пласта в пределах этажа. Отработку стол­
бов следует вести на передний квершлаг с погашением вен­
тиляционного ( промежуточного) штрека.
При
разработке
столбами по простиранию без применения крепи диагональ­
ным забоем возможно осуществлять подобно опыту ФРГ [28]
управление горным давлением закладкой - регулируемым пе­
репуском пород с вышележащего горизонта либо оставлени­
ем промежуточных целиков с интервалами по простиранию
менее предельного пролета кровли (столбовые
системы в
Ф РГ). При неустойчивом нависающем угольном массиве для
предупреждения произвольных обрушений на больших площа­
дях целесообразно укреплять его искусственными
смола­
ми [28].
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ
ПОЛНОЙ ЗАКЛАДКОЙ
Одним из направлений комплексной механизации работ в
очистных выработках крутых пластов при управлении боко­
выми породами полной закладкой выработанного пространст­
ва является применение механизированных дистанционно-уп­
равляемых выемочных комплексов с облегченными
пере­
движными ограждениями, принцип передвижения которых ос­
нован на использовании сил бокового давдения закладочного
материала. Технико-экономические преимущества такой схе­
мы по сравнению с гидрофицированными крепями поддержи43
вающего типа заключены прежде всего
в сравнительной
простоте конструкций, небольших металлоемкости
и весе,
возможности использования природных сил ( давление заклад­
ки) для производства полезных работ в очистных забоях.
Указанные преимущества предопределяют возможность раз­
работки более надежных конструктивных схем
и осущест­
вления в более простых технических решениях дистанцион^
ного управления забойными механизмами.
Э'то направление привлекло к себе внимание отечествен­
ных и зарубежных специалистов. Наибольший опыт по со з­
данию и применению комплексов с оградительными крепями
в сочетании с полной закладкой выработанного пространства
накоплен в ФРГ [28].
В СССР экспериментальные и научно-исследовательские
работы по совершенствованию комплексов с оградительными
крепями и закладкой проводились в начале 60-х
годов. В
качестве выемочных органов в этих комплексах применялись
главным образом струги и струго-тараны.
Оградительные
крепи представляли собой, как правило, металлические сетки
разнообразных конструкций, снабженные элементами жест­
кости в поперечном сечении. Последние способствуют со­
хранению более или менее постоянных размеров призабойно­
го пространства. В верхней части у вентиляционного (про­
межуточного; штрека ограждение снабжено устройством для
подвешивания в специальных направляющих,
по
которым
производится механизированная передвижка ограждения вслед
за подвиганием забоя. Оградительная крепь выполняет фун­
кцию ограждения призабойного пространства от проникнове­
ния закладки и обрушенных пород, а также
обеспечивает
направленную доставку оббитого угля.
Если
ограждение
снабдить устройствами дЛя распора в боковые породы, то
оно будет относиться к крепям оградительно-поддерживающего типа, выполняющим функцию активного поддерживания
кровли. В большинстве случаев применялись оградительные
крепи U -образной формы поперечного сечения,
обращен­
ные выпуклостью к забою. Известны и другие конструктив­
ные разновидности крепей.
Наряду с успешными результатами промышленной экс­
плуатации дистанционно управляемых комплексов с огради­
тельными крепями и полной закладкой
выработанного про­
странства имели место неполадки и аварийные
ситуации.
44
Фактор,i, их вызвавшие, можно сгруппировать
в три груп­
пы: горногеологические, производственно-технические и кон­
структивные, касающиеся схемы и параметров механизиро­
ванных крепей.
С факторами, отнесенными к первой группе, связана воз­
можная область применения испытываемых конструкций, ко
второй - влияние главным образом ориентировки очистного
забоя в пространстве, к третьей - обоснованность и соот­
ветствие схемы и параметров ограждения условиям приме­
нения и геомеханическим требованиям, предъявляемым к ог­
раждениям.
Анализ отечественного и зарубежного опыта и получен­
ных результатов исследований дает основание
констатиро­
вать недостаточную изученность влияния факторов трех пе­
речисленных групп, и особенно третьей группы, что сдержи­
вает совершенствование конструктивных разработок, техно­
логию выемки и расширение области ее применения.
В свою очередь, как уже подчеркивалось ранее, основ­
ным источником исходных данных для создания работоспо­
собных и эффективных оградительных или оградительно под­
держивающих конструкций является знание закономерностей
взаимодействия крепей с закладкой и боковыми
породами.
Для этого необходимо дальнейшее развитие исследователь­
ских работ.
Наименее "изученным является динамический режим ра­
боты ограждений пространственной формы в поперечном с е ­
чении, поэтому целесообразно рассмотреть комплекс вопро­
сов механики сыпучей среды применительно к этому ре­
шению. В значительном совершенствовании нуждаются ме­
тоды решения ряда статических задач применительно к си­
ловым условиям взаимодействия ограждения
с сыпучими
материалами.
Положительный опыт применения механизированных ком­
плексов с оградительными и оградительно-поддерживающими
крепями в сочетании с закладкой позволяет с достаточным
основанием признавать перспективность этого • метода уг­
ледобычи в определенных горногеологических условиях.
В результате комплексных исследований54^ взаимодейст^ И ссл ед о ван и я проводились совместно с канд. техн, наук
Юд и н ы м Р .Э . В обработке материалов принимали учас­
тие кандидаты техн. наук Юдин Р .Э .,
Андрющен­
ко И.Е. и инженер З в е з д к и н В.А.
45
вия оградительных передвижных конструкций с закладкой и
боковыми породами установлены следующие закономерности:
1. Распределение бокового давления закладки по длине
ограждения (забоя) реализуется по сложным кривым и ха­
рактеризуется резко выраженной неравномерностью.
Коэф­
фициент неравномерности, выражаемый отношением
макси­
мального давления к минимальному, находится в среднем в
пределах двух для статического состояния и более трех для
динамического.
Характерными особенностями закономерностей распреде­
ления бокового давления материалов на оградительные по­
верхности механизированных крепей применительно к иссле­
дованным условиям тонких крутых пластов являются следу­
ющие (рис. 7 ):
а) линейный закон распределения бокового
давления с
примерно постоянным коэффициентом пропорциональности на
незначительном, практически постоянном по величине участ­
ке в глубину от поверхности засыпки;
б) практическая независимость бокового
давления от
степени дальнейшего углубления, которое
характеризуется
на этом, ' втором от поверхности участке эпюры циклоидаль­
ным законом распределения удельных давлений и определя­
ется степенью неравномерности;
в) убывание интенсивности давления по параболическому
закону, начиная от некоторого, примерно постоянного рас­
стояния от основания засыпки (дна бункера);
г) после очередного перемещения подпорной стенки (кре­
пи) характер эпюры бокового давления в основном не ме­
няется, изменяются лишь ее количественные параметры.
2. Изменение угла падения пласта в пределах
от 90 до
45° вызывает пропорциональное снижение нагрузок на эле­
менты ограждения у кровли и повышение у почвы.
3. Общая боковая нагрузка на ограждения при переходе
сыпучего материала из состояния покоя
в движение не­
сколько снижается (на 15-20% ), однако по длине огражде­
ния появляются области с повышенными "пиковыми" нагруз­
ками, величина которых в отдельных случаях в 1 ,5 -2 раза
превышает давление сыпучего материала в состоянии отно*сительного покоя.
4. Гранулометрический состав сыпучего материала опре­
деляет характер и величину бокового давления по длине о г 46
раждения, а именно чем мельче материал, тем равномернее
распределение нагрузок на крепи, и наоборот.
Рис. 7. Эпюры распределения удельного
бокового давления сыпучего материала
по глубине засыпки:
1 - среднестатическая экспериментальная
( объемная модель) ; 2 — расчетная по
Пурону; 3 - расчетная по автору
5.
С введением в конструкцию ограждения манжет ( от­
воротов по почве и кровле) меняются силовые условия вза­
имодействия фронтальной поверхности ограждения с заклад­
47
кой при неизменном характере распределения нагрузок на
нее: их величины снижаются в общем случае на 5-12% по
сравнению с плоской формой ограждения.
6. Динамические условия взаимодействия ограждения с
закладкой (процесс движения) характеризуются изменением
нагрузок на манжеты ограждения следующим образом:
а) на манжеты по почве при углах падения 6 0 -9 0 ° на­
грузки увеличиваются на 20-80% , при угле 45° - на 5-30% ;
б)
, на манжеты по кровле нагрузки увеличиваются до 75%
только при углах падения от 75 до 90°.
7. Установлена прямо пропорциональная связь между ве­
личиной удельного давления закладки на манжету и ее дли­
ной при изменении длины манжеты от 0 до величины,
рав­
ной мощности пласта (0 ,6 -0 ,7 м ) .
8. Сжатие закладки сближающимися боковыми породами
увеличивает давление закладки на фронтальную поверхность
ограждения в среднем на 15%, на манжету по кровле - на
51%, а на манжету по почве - на 12%.
9. Установлено влияние ориентировки ограждения в про­
странстве и сближающихся боковых пород на размеры вовле­
каемых. в движение объемов закладки и характер
физико­
механических процессов, происходящих в движущемся м ате­
риале. Результаты исследований полезны при анализе усло­
вий взаимодействия ограждений с закладкой и боковыми по­
родами и могут быть использованы для обоснования и раз­
вития теоретических методов расчета нагрузок на огради­
тельные крепи. Так, при отклонении крепи от линии падения
в сторону выработанного пространства на 15° боковые на­
грузки снижаются в среднем на 20-30% , а продольные
на­
грузки на подвеску крепи на 20-25% . При отклонении в сто­
рону забоя на 15° боковые нагрузки повышаются на 40-70%,
нагрузки в подвеске - на 60-66% . Влияние
сближающихся
боковых пород выражается в увеличении боковых нагрузок
на 5-15% и в уменьшении продольных нагрузок
в подвеске
в среднем на 20%. Наиболее благоприятный режим работы
ограждения во взаимодействии с закладкой обеспечивается
при расположении очистного забоя примерно по 'падению пла­
ста или с некоторым наклоном в сторону
выработанного,
пространства под углом не более 15°. Допустимый угол на­
клона проверяется из условия самопередвигаемости
крепи
по расчетной методике, приведенной ниже. Ориентировка з а 48
боя может быть использована как средство
регулирования
величины движущегося бокового- давления при изменении, на­
пример, такого природного фактора, как мощность пласта.
В результате анализа теоретических работ
в области
расчета давления сыпучих тел на стационарные и периоди­
чески передвигающиеся оградительные поверхности емкос­
тей в условиях неограниченного (плоская задача) и ограни­
ченного (объемная зад ача) пространства ( Кулон, Янсен, М ахн,о Е .Я ., Гаврашенко Е .А ., Федянин А .С.,
Колоколов О .В .,
Богомолов В.Ф ., Канканян БЛЪ, Бурцев А.И.,
Резничен­
ко В .Я ., Данилов А.А., Швецов Г.И. и д р .), сделаны следу­
ющие выводы. В рассмотренных расчетных зависимостях не
учитывается ряд факторов31^, например, непостоянство физи­
ко-механических характеристик сыпучих материалов в про­
странстве и времени в результате перемещения крепи, сжа­
тие сыпучего материала сближающимися боковыми породами,
динамический режим взаимодействия ограждения с заклад­
кой и боковыми породами и некоторые другие. Отсюда не­
высокая эффективность использования теоретических реше­
ний для обоснования рациональных конструкций крепей и рас­
чета их параметров. Наиболее приемлемыми для ориентиро­
вочного определения суммарного давления сыпучих
тел на
элементы сооружений являются расчетные методы, базиру­
ющиеся на теории предельного равновесия. При
этом для
расчета давления на стационарные оградительные элементы
ограниченных'емкостей ( в том числе очистных
выработок
на крутых пластах), у которых имеются
днища, наиболее
приемлемыми являются расчетный метод Янсена-Махно [44] ,
для траншей с клиновидным поперечным сечением - метод
Гаврашенко Е.А. [45] . Для определения статического боко­
вого давления на оградительные стационарные и перемеща­
ющиеся крепи ( подпорные стенки в условиях ограниченного
пространства) - результаты экспериментальных
работ
Г.П. Канканяна [4б] и расчетный метод
Швецова Г.И.ХХ'
[47]. Дальнейшее совершенствование расчетных методов опх) В расчетах К о л о к о л о в а О .В. учитывается непостоян­
ство объемного веса сыпучего материала по глубине з а ­
сыпки.
хх) По Ш в е ц о в у Г.И. расхождение с экспериментальными
данными возрастает по мере увеличения высоты засыпки.
49
ределения давления сыпучих горных пород на ограждающие
поверхности очистных выработок и элементы механизирован­
ных крепей должно развиваться в направлении более полного
учета существенно влияющих факторов - горного давления,
проявляющегося в сжатии закладочного массива смещающи­
мися породами, динамических условий взаимодействия кре­
пей с закладкой.
Одной из главных причин, обусловливающих ограниченные
возможности расчетных методов при исследовании взаимо­
действия сыпучих сред с оградительными, особенно переме­
щающимися поверхностями, являются чрезвычайная
слож­
ность статически не определенных задач, возникающих при
рассмотрении тех или иных, практически
важных случаев
равновесия сыпучего тела. Известно, что в сыпучих средах
связь между напряжениями и деформациями сложнее, нежели
в твердых телах. Это обусловлено прежде всего неоднород­
ностью сыпучей среды, непостоянством физико-механических
свойств в пространстве и времени. Отмеченное затрудняет
применение для решения инженерных задач строгих методов
теории предельного равновесия или строительной механики и
вынуждает прибегать к равной степени обоснованным допу­
щениям. Так, известные методы расчета для статического
состояния не учитывают изменение объемного веса, коэф­
фициента внутреннего трения, коэффициента распора, проис­
ходящего в процессе перехода сыпучего тела из состояния
покоя
в
состояние
движения.
Вм есте
с
тем
правильный
учет
величины
коэффициента
боко­
вого
распора
имеет
большое практическое
зн а­
чение для разработки эффективной методики определения
бокового давления. При решении практических горнотехниче­
ских задач механики сыпучей среды проявляется
одновре­
менное действие многих факторов, которые необходимо учи­
тывать в расчетах, чтобы обеспечить требуемую
точность
инженерных решений. Учет множества одновременно дейст­
вующих факторов с использованием причинно-обусловленных
и связанных функциональными зависимостями математичес­
ких моделей весьма сложен, а зачастую и просто невозмо­
жен ввиду того, что физические процессы проявлений горно-.
го давления по своей природе характеризуются
совокуп­
ностью переменно-варьирующих ( чаще случайных)
величин.
В связи с этим представляется перспективным для теорети­
ческого описания этих процессов применение вероятностно50
статистических методов и решение задач с использованием
ЭВМ. Предлагается инженерный
(эмпирико-аналитический)
метод расчета давления сыпучих тел на оградительные эле­
менты механизированных крепей, основанный на результа­
тах экспериментальных исследований, обработанных методом
математической статистики с учетом совокупности опреде­
ляющих факторов. Сущность метода заключается в следую­
щем.
1. По данным результатов экспериментальных исследова­
ний4 ' строится эпюра распределения усредненного бокового
(горизонтального) (рис. 7) давления для следующих исход­
ных условий: угол падения пласта - 9 0 °; материал сыпуче­
го - мелкий кварцевый песок ( мелкая гранитная крошка) ;
неподвижные боковые породы; крепь плоской формы в попе­
речном сечении; очистной забой и механизированная крепь
остановлены (статическая з а д а ч а ); коэффициент трения сы­
пучего об ограждения
= 0,5^0,65, о боковые породы - / с =
=0,5-т-0,6; коэффициент внутреннего трения / = 0,7^0,75.
Подбирается аналитическое выражение для описания эпю­
ры среднего бокового давления ( каждый из трех характер­
ных по высоте засыпки участков).
Влияние всех остальных интересующих факторов в стати­
ческой и динамической задачах ( угол падения пласта, гра­
нулометрический состав, сжатие закладки за счет смещения
боковых пород, ориентировка очистного забоя в простран­
стве, конфигурация крепи в поперечном сечении, т.е. разме­
ры манжет, переход от состояния покоя в движение)
учи­
тывается соответствующими эмпирическими коэффициентами,
выраженными в аналитической форме в результате обработя
ки методами математической статистики:
Р ст = 0,286 4
(0
йАб
3,5 дм) ;
Р ст
= 0 ,0 0 4 2 3 (4 - 5 я ) 4 _ 0,0584 (/г~5 л ) 3 + 0,0664 (Л-5/»Я+
+ 1,58 (Л-5л) - 3,49 + 0 ,0 0 5 л
{ 3 ,5 + 5 п
h £ m i n [ 3' 5 + 5 ( п + 1) , Н - 1J } ;
п = 0 .1 .2 ...' , [
5
J '
Р ст = - 0,46 (4-Н + I ) 2 - 0,15 14-Н +1) + Р СТ ( Н—1);
( Н - 1 < Л £ Н) ,
( 13)
хТ Одиннадцать объемных моделей, несколько десятков опы­
тов.
51
где
Р
- удельное статическое давление сыпучего м ате­
риала в любой точке ограждения по высоте для
исследуемой области условий;
А.
- текущая координата глубины расположения от
поверхности засыпки;
Н
- полная (максимальная) высота засыпки, соот­
ветствующая данному объекту;
п - порядковый номер очередного цикла
неравно­
мерности давления*' (период цикла - длина вол­
ны для всех исследуемых условий примерно
равен 5 дм) ;
$ - коэффициент, учитывающий приращение бокового
давления на каждый цикл углубления по высота
( 5 *10- 3 д м ).
Общее ( суммарное) давление на фронтальную поверхность
ограждения находится в результате
интегрирования форм у л
( 1 3 ) :
Q = { J 3’5Q286t}dh + [ f 8'5
(0,00423h*-0,056U3+
+ 0,0664hZ+ 1,5Вh -3 ,4 9 )dA7+ S-10 * - ^ ^ -5+
6-1-58
4
j
2
+J [0 ,0 4 2 3 Л - 0,584 A +0,0663h +1,581,
-
-
-j
м
3,49)dA +(H4-5e-3,5)-5-fO €+J£-0.76(5-0+1)6-1
- o, 15(h -0-1) + P ( 0 -1)]dh}67,
(14)
Величина среднего удельного давления Р
равна:
Р=
Q ст
Н,/77
на ограждение
( 15)
х! Под периодом цикла неравномерности понимается рассто­
яние между смежными (по высоте засыпки) максимума­
ми (минимумами) давления.
52
Динамическое боковое давление на произвольной глубине,
сопутствующее процессу передвижки крепи находится из вы­
ражения
^дин - ^ с т ^дин’
^^
где Кдин - коэффициент динамичности. По данным наших ре­
зультатов экспериментальных исследований Кдин=
= 1,5 -2 .
. Для проектирования механизированных передвижных кре­
пей в общем случае пространственной конфигурации в попе­
речном сечении (с манжетами) и, в частности, для выбора
и расчетов оградительных элементов необходимо знать сле­
дующие данные:
1. Горизонтальное (общее) давление (Зст на фронталь­
ную поверхность ограждения.
2. Силы трения, возникающие при взаимодействии ман­
жеты по кровле FK и почве Fn
. Расчет оптимальных раз­
меров манжет (рис. 8) ведется из условия предельного рав­
новесия ( самоподдержания) оградительной крепи, когда го­
ризонтальное давление ■закладки равно суммарной величине
сил трения манжет о боковые породы:
где
®СТ= Г ~ F« + F» >
FK - сила трения манжет по кровле;
Р
- сила трения манжет по почве.
л,
*
П 7)
Кровля
Рис. 8. Схемы расйределения сил на элементы крепи:
а - плоской формы; б - с манжетами,
равными
мощности пласта; в - с манжетами, равными по­
ловине мощности пласта; г - с манжетами по поч­
ве,. равными половине мощности пласта и наклон­
ной верхней частью
горизонтальной поверхности
53
В свою очередь:
i
(
18 )
где
~ коэффициент трения манжет по кровле;
- коэффициент трения манжет по почве. Учитывая
незначительную разницу между
и
для од­
них и тех же условий, принимаем У - р - р
;
" к - суммарная нормальная сила,
действующая да
манжету по кровле ;
Мц - то же, на манжету по почве.
Выразив в формулах ( 17) , (18) Q ct )
и
через
средние удельные нагрузки и приняв одинаковую ширину ман­
жеты ■£ по кровле и почве, запишем условия предельного
равновесия крепи в решении:
рт =
* л а -ел ) =
+пя ) .
(19)
Откуда
■е =
Рт
J-(n K+
После несложных преобразований
о _ т
1 .0
( 20 )
(
21 )
У 4( 2 лР . * 4 fL )
Р у
Введя обозначение
получим выра­
п« =а *
—
Р - а „п
Р
«
жение для определения длины манжет из условия
предель­
ного равновесия системы крепь-закладка в следующем виде:
т
* =
+а п)
( 22 )
Коэффициенты Q-K и й п характеризуют распределение дав:ления закладки на фронтальные и манжетные
поверхности
ограждения в зависимости от ряда факторов (длина манжет,
угол падения, состояние и свойства сыпучего
материала,
сжатие сыпучего массива боковыми породами и д р .).
По
своему физическому смыслу величины
и йп
являются
своеобразными коэффициентами бокового распора,
получен­
ными опытным путем (табл. 6 ).
Для обеспечения самопередвижки крепи необходимо, что­
бы боковое давление закладки превышало суммарные силы
трения, т .е . необходимо соблюдение неравенства Q CT
F .
Результаты наших исследований, приведенные выше, по54
называют, что. при замене крепи плоской формы в попереч­
ном сечении на крепь с манжетами, общее боковое давление
закладки на фронтальную поверхность (в движении) снижа­
ется на 5-15% .
Таблица 6
ч
со
Материал
а
£-4
те
я
в
а)
ч
со
В
■В
О
и
>>
Крупная гра­
нитная кром­
ка
У = \,40кг/дм^
f = 0,84
/г = 0,53
То же
а«
------- 1 i
о
л
в
ч
в
я „
я «
те 5
те те
оQ
*)
f_
Гы ы
О £
о
о
о
о
I
я
те
я
в
СО
X
те
к
в
со
я
я „ I хО I
* 5
I
* 5
£ 0) во вш
О *
° 8я.
О
о
ч
ив
>>в
с ш
оо
а
0) X
в
о
о
о
в
о
я
я
со
я
0)
2
я
а
С
л
л
90
0,69
0,89
0,75
75
0,80
0,97
1,78 2,52
60
1,04
0,71
3,03 3,42
45
0,57
0,42
4, 13 5,04
90
75
60
45
0,59
1,57
0,99
0,66
1,56 1,39 0,69 1,72 1,55
1,39 1,17 2,62 3,47 3,25
положена
1,08 0,84 3,57 4,58 4,17 параллельно
0,57 0,61 4,20 5,74 5,66
родам
90
75
60
45
0,46
0,70
0,64
0,53
0,58
0,60
0,54
0,37
Л
1,12
Ширина
манжеты во
всех случа­
ях по кров­
ле и почве
равна поло­
вине мощ­
ности плас­
та
0,53 0,59 1,08 0,83
0,57 1,67 2,32 1,92
0,56 2,16 2,64 2,61 положена
под углом
0,37 3,14 3,25 2,88 55°
к
фронтальной
поверхности
Условие компенсирования падений усилий прижатия в креци с манжетами, а также превышение величины трения от
расчетной в связи с- неоднородностью условий и колебания­
ми (в сторону уменьшения) мощности пласта, могут быть
выражены зависимостью
QCT = 1,2 F,
(23)
Превышение максимальной величины падения усилий при­
жатия всего лишь на 5%, предусмотренное этой зависимо­
стью, объясняется необходимостью свести к минимуму ( из
условия самопередвижки) силы трения манжет
и боковые
породы.
Такой подход оправдан также необходимостью
примене­
ния в крепях, передвигающихся за счет сил бокового давле­
ния закладки, дополнительно активных
принудительных
средств передвижения, способствующих гарантированной пе­
редвижке крепи в широком диапазоне изменения условий. В
соответствии с методической последовательностью, изложен­
ной выше, разработана математическая модель для анализа
силовых усилий взаимодействия ограждений с закладкой, бо­
ковыми породами и угольным забоем, в которой учет влия­
ния определяющих факторов производится последовательным
введением соответствующих коэффициентов.
Вид зависимостей, отражающих характер изменения по­
следних, полученных путем отработки
экспериментальных
данных методом математической статистики,
показан
в
табл. 7:
г 'Д е
56
погонная результирующая бокового давле­
ния закладки и сил трения о боковые по­
роды;
коэффициенты динамичности, соответству­
*L
ющие изменяющимся параметрам;
статистические коэффициенты, учитываю­
щие изменение давления сыпучего м ате­
риала на фронтальную поверхность ограж­
дения в зависимости от исследуемых фак­
торов (гранулометрический состав, угол
падения, ориентировка ограждения в про­
странстве, степень смещения боковых по­
род) ;
Р
среднее статистическое удельное давление
сыпучего на фронтальную поверхность;
то же на манжеты по кровле и почве;
Р
Р
ГК0 > п
ПТ - мощность п ласта;
л € к М п - длина манжет соответственно по кровле
и почве;
им
fL
Л - коэффициент трения манжет по кровле и поч—
7 ’' " W
Be (
- коэффициент статического удельного давления
на манжеты, зависящий от изменения
угла
падения пласта.
Выражение для определения погонной результирующей бо­
кового давления закладки и сил трения манжет о боковые
породы и расчета оптимальных параметров крепей в Дина­
мическом режиме взаимодействия с учетом зависимости ( 13)
и’ данных табл. 7 представлено в развернутом виде:
</дм= ( 1,О8+О,ОО2«0 ( 1+0,040+0,001Q2) ( 1,006+0,014/1 Л ) х
Г ( 1-0.02680 + O.OOOie2 )( 1,02 + 0.002^-) р т
(25)
XL
36,6 У - 22,35 У * - 13,89
- ( 2, 59 - 0,0177ot ) ( 1 , 3 9 4 ^ + 2 ,8 6 4 ^ , + 1,04у ,
где У дцн - погонная результирующая бокового
давления
закладки и силы трения манжет о боковые по­
роды.
В решении задачи о нахождении оптимальных
размеров
манжет исходят из условия наименьшей величины бокового
давления в статике, а в расчете крепи на прочность из
наибольшей величины усилия прижатия крепи к забою. Реше­
ние первой задачи на ЭВМ позволило выбрать оптимальный
режим работы крепи в диапазоне от 0 до 15°,
в котором
представляется возможным отработать при самопередвижке
одним типоразмером крепи пласты мощностью от 0 ,5 до 0,8 м
с максимальной величиной колебания от средней ^20% (талгоритм табл. 8 ).
В табл. 9 приводится один из примеров
сопоставитель­
ных данных определения сыпучего материала на оградитель­
ные поверхности крепи различными методами, который по­
казы вает удовлетворительную сходимость результатов, по­
лученных экспериментальным и теоретическим методом.
Ниже приводятся основные геомеханические
требования
к облегченным передвижным крепям для разработки тонких
крутых пластов с закладкой длинными очистными забоямилавами.
1.
В механизированных комплексах должна предусматри­
ваться кинематическая связь выемочного органа с крепью
в целях использования бокового давления закладки для по­
вышения эффективности отбойки угля и обеспечения прямо­
линейного фронта забоя.
57
Таблица 7
Исследуе­
мая зави­
симость
i
s
ь
о
о
2
К
о
Я
CQ
СО
СО
Ц
Я
CQ
I
I
I!
I
t
I
I
к
Я
Я
ф
ж
ф
2
Я
а
с
SJQ
*
О
<0
Ч
ю
С
о<
и0
яa
a
ия
«S
Я
О О
ас
аЗ
° к
22
£5 о
Я
О X
«
S
It *я
1 **
я
IR
i<
а“
!a
Iо
1м
№
is
ф
« я д i Яя
* ое I «
I 5и.ф
:I £ к S I -в*
£ <и ч *©*
* 4 0 ' ОCD
,°чи а I *
^ с - 7- = ^(Ж ) Линейная 45o^*7Ci90°
0,28
Параболи„ _
-1 5 °< 0 i+ 1 5 ° 0,18
УЙУ ческая
Рп + Р D=f(o C ) Линейная 45°<ч* <■ 90° 0 ,с36
Л 4 18%о®,1
70/&.и, 49
K b h l f{ f( A
a hh ) линейная
Линейная U
0 ^%^0З<дА<
Обратная
/Г - { / & )
параболиnf
T IW
ческая
0,7£У£ 0,84 0,34
^A U H z^ (o i) Линейная 45°£
90°
Полином
PCTz / ('(/-г ) 4-й с т е 3,5дм<Н £120м пени
К л в = / ( и ) Линейная 4 5 °< « ^ 9 0 °
/с,
!ь
X
+0,56 ±0,068
8
0,89 ±0,021
+0,73 ±0,041
0,73 ±0,019
42
28
19
0,79 ±0,008 32
0,61 ±0,02
12
0,64
±0,009
14
К е с г ^ (в ) ? еГ а6Г И- - 1 5 % ^ 1 , 5 0 0 . 4 , 0,81
±0,011
18
Pc r *f(H +i->p*\
P f?»-""-.Н-1£Н^120
ческая
Дополнительные обозначения:
в - угол наклона очистного забоя ( крепи)
линии падения , град.
A h - величина смещения кровли ( °/0о ) •
относительно
2.
Рациональной технологией работ с точки зрения
благоприятных условий взаимодействия
ограждения с з а ­
кладочным массивом, исключающих
возможность появ58
ления концентрации боковых нагрузок на отдельные участ­
ки крепи, является одновременная передвижка крепи по
всему фронту забоя.
Таблица 8
Ориенти­
ровка з а ­
боя, град
Мощность
пласта, м
I
о
«
С
4 о
д о
со as
п х
а
0) ф
о д
х о
о с
§1 2
к 2*
S
ь
о
1
к
X
X
Ч
ф
о
1
X
2
со
ч
X
и
Общая при-1 Мангрузка на | жеты,
всю крепь j
дм
( на едини- t
цу мощно- I
сти) , кг/дм J
СО
X
к СО
со X
X д 2 ев
ь
д к
е СО о
<0 2 I я
2 я '5
X и
X X !ю
X со
2 2 О
5
2 3*
о g
a
к Е
а
га
о
2
а
о
ь
о
2 ”*
5a
*
5s
S
5
!
к
со
X
а
ф
я
X
н
со
ь
о
я
со I
X 1
о
ф
Ф
1 кв
X
о
2 ! a
СО
1 X
я
X
о
Ч 1 с
1
ф
В)
tr
о
с
о
с
215 - +15 6,0 5,0 7 ,0 16,67
1,03
0,97 2451
3354 2,6
0 - +15
6,2 5,0 7,4 19,35
1,46
1,23 2652
4300 3,02 1,55
+ 15
6,9 5,0 8,8 27,5
2,5
2,14 2608
5074 4,49 1,72
1,5
Таблица 9
Удельное давление закладки, кг/дм^
Данные
Лабораторные
Шахтные
Расчетные:
по Кулону
по Швецову Г.И.
по автору
на манжете
в кровле
на манжете
в почве
на фронталь­
ную поверх­
ность
0 ,6 5 -0 ,8 5
0 ,6 -0 ,8
2 ,5 -3 ,0
2 ,0 -2 ,5
0, 9-1, 1
1, 1- 1, 6
-
-
5,3
0,75
7,0
3 ,0
120
7,5
1,5
3.
Для достижения равномерного распределения боковых
нагрузок по длине крепи и более эффективного использова59
ния их для передвижки в конструкции крепи необходимо пре­
дусматривать жесткую базу в плоскости пласта.
4. Наиболее предпочтительным из условий устойчивости
боковых пород в рабочем пространстве и силового
режима
работы ограждения является применение узкозахватных вы­
емочных органов с шириной захвата от 0,1 до 0,4 м - дис­
танционно управляемых комбайнов или стругов.
5. Крепь должна взаимодействовать с боковыми порода­
ми с-регулируемым подпором, величина которого принима­
ется с учетом конкретных горногеологичесюих условий, но не
ниже 1 т на 1 м^ призабойного пространства; величина не­
закрепленного пролета кровли не должна превышать
0,8 м
для рекомендуемого диапазона условий применения огради­
тельных крепей.
6. В конструкции крепи должны быть
предусмотрены
средства принудительной передвижки - как концевые, так и
по длине крепи.
Геомеханические требования использованы технологичес­
кими и проектно-конструкторскими организациями при про­
ектировании очистных комплексов для разработки
тонких
крутых пластов с закладкой. В качестве иллюстрации изло­
женных требований в работе приводится возможный конст­
руктивный вариант крепи, предложенный автором совместно
с Р .Э . Юдиным.
Комплекс с оградительной крепью (рис. 9)
состоит из
облегченной распорно-оградительной крепи 1, выемочной ма­
шины у узкозахватного комбайна или динамического струга
2 и подвесного устройства, располагающегося на вентиля­
ционном штреке.
Жесткая база крепи состоит из Двух частей:коробчатой 3
и фигурной 4, служащей одновременно
направляющей /Для
перемещения выемочного органа. В нижней части крепи с
интервалом 1 ,5 -2 ,0 м по ее длине располагаются
опорные
лыжи 5 предназначенные для перемещения крепи по почве
и создания необходимых размеров рабочего пространства.К
коробчатой части жесткой базы крепятся следующие
эле­
менты ограждения: манжеты из металлической сетки по кро­
вле 6 и почве 7, ребра жесткости ограждений 8, распорног
поддерживающий элемент 9, представляющий собой прорези­
ненный пневмобаллон, и пневмобаллонный пульсатор 10 для
отталкивания крепи от закладочного массива в начале пере­
движки; последние питаются сжатым воздухом от шахтной се­
ти.
60
Крепь в верхней части ( на вентиляционном штреке) име­
ет подвесное устройство, перемещающееся
одновременно с
крепью, в нижней части - опорную лыжу,
перемещающуюся
по кострам на уровне магазинного уступа или по целикам
угля над откаточным штреком.
ууу/ уу/ уууууу/ ууууууууууууууууууууутууууууууууууууууу/ уууууууу/
Рис. 9. Усовершенствованный вариант пере­
движной облегченной оградительно-поддерживагощей крепи для разработки тонких крутых
пластов с закладкой
61
В начале выемочного цикла, когда выемочный орган на­
ходится в нижней части лавы, крепь расперта и располага­
ется вплотную к забою, упираясь опорными лыжами в пласт
угля. Распорно-поддерживающий пневмобаллон 9,
который
может быть выполнен либо в виде сплошного рукава, либо в
виде отдельных сообщающихся между собой
гофрированных'
стоек, в это время находится под давлением обычно приме­
няемого сжатого воздуха до 4 атм и создает несущую спо­
собность крепи до 10 т на 1 м , что в достаточной мере пре­
пятствует расслоению пород кровли практически во всем ди­
апазоне условий.
После прохода выемочного органа
до вентиляционного
штрека (и его спуска в исходное положение в случае при­
менения комбайна нечелнокового типа) давление в распорно-поддерживающем баллоне снижается до 0,5 атм
и крепь
под действием закладки и отпора пневмобаллона вновь пе­
ремещается к забою. Одновременно с подачей
воздуха в
пневмобаллон передвижки включается домкрат ( или лебедка)
передвижки подвесного устройства и нижней опорной лыжи,
которые перемещаются вслед за забоем на величину снятой
полосы угля. Затем цикл повторяется.
Механизированные комплексы с облегченными
оградительно-поддерживающими крепями и закладкой можно при­
менить примерно в 70 очистных забоях на крутых пластах
Украинского Донбасса ( около 20% всех за б о е в ).
Расчеты
показывают, что рациональные размеры выемочных участ­
ков для применения механизированных комплексов с распор­
но-оградительными крепями составляют 300 м при сравнении
с комбайновой выемкой и 200 м при сравнении с молотко­
вой.
По расчетам сеоестоимость добычи угля при примене­
нии комплексов с распорно-оградительными крепями и з а ­
кладкой снижается по сравнению с комбайновой выемкой на
1 р. 91 к., а по сравнению с молотковой - на 2 р. 87 к.
62
РАЦИОНАЛЬНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ
ЩИТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
КРУТЫХ ПЛАСТОВ ШИРОКИМИ ПОЛОСАМИ
ПО ПАДЕНИЮ
Одним из перспективных направлений
угледобычи
на
тонких и средней мощности крутых пластах в сложных ус­
ловиях является механизированная разработка широкими по­
лосами по падению с применением щитовых агрегатов. Пре­
имущества этого направления, по
сложившемуся
мнению
[44,7 , 32] , заключаются в следующем:
направление перемещения выемочного агрегата и обру­
шенных пород на забой совпадает с действием составляющей
силы веса;
породная подушка и перепущенные обрушенные
породы
способствуют созданию более благоприятных условий рабо­
ты крепи и поддержанию боковых пород в рабочем простран­
стве ;
схема выемки благоприятствует снижению опасности при
разработке пластов, опасных по выбросам угля и г а за ;
схема выемки по своим технологическим особенностям и
мобильности пригодна для отработки нарушенных пластов и
участков.
В связи с этим работы по совершенствованию
техноло­
гии средств механизации щитовой выемки и управления гор­
ным давлением следует считать актуальными. В НИМ И вы­
полнен комплекс научно-исследовательских работ
в целях
обоснования перспективных условий взаимодействия крепей
щитовых агрегатов с боковыми и обрушенными породами и
оптимизации расчетных параметров сопротивления крепи. В
основу методики был принят метод натурно-производствен­
ных исследований проявлений горного давления в сочетании
с лабораторными на моделях из эквивалентных материалов.
Шахтными исследованиями было охвачено - большинство уча­
стков на шахтах Донбасса и К узбасса31' ,
на которых про­
водились испытания и промышленное освоение щитовых а г Исследования на шахте "Суртаиха" в Кузбассе проводи­
лись КузНИУИ под руководством А.К. Коврижина.
63
регатов. Горногеологическая характеристика пластов и вы­
емочных участков, на которых проводились
исследования,
приведена в табл. 10. Исследования были проведены при раз­
личных типах существующих крепей, отличающихся как про­
ектными параметрами сопротивления, так и принципиальной
схемой взаимодействия с боковыми и обрушенными порода­
ми, а именно:
крепей, передвигающихся с периодической разгрузкой од­
новременно по всей длине забоя под силой собственного ве­
са крепи и обрушенных пород (типы АЩ и 1А.Щ1 ;
крепей, принудительно передвигаемых одновременно по
всей длине забоя с остаточным подпором (тип АНЩ) ;
крепей с посекционной принудительной передвижкой ( тип
АДК1.
Краткая техническая характеристика крепей приведена в
таблице 11. В программу исследований входили измерения
величин и скоростей смещений боковых пород
в рабочем
пространстве, сопротивлений гидростоек, давления обрушен­
ных пород на оградительные элементы, визуальные наблюде­
ния за поведением боковых пород и характером обрушений в
выработанном пространстве.
Как показали результаты исследований (табл. 12), схема
передвижки крепи агрегата АЩ (1АЩ) обусловливает высо­
кую динамичность и неравномерность процесса смещения бо­
ковых пород, что в ряде горногеологических условий приво­
дит к пределу устойчивости пород кровли в рабочем прост­
ранстве, нарушению ее целостности с вытекающими отсюда
неблагоприятными и даже аварийными ситуациями
(пласт
"Подпяток" на шахте № 6 "Булавинка", II класс боковых по­
род по классификации ДонУГИ). В тех условиях,
где при
данном напряженно-деформированном состоянии, обусловлен­
ном схемой передвижки крепей типа АЩ (1АЩ ), не достига­
ется предела прочности (или устойчивости)
пород кровли,
крепи типа АЩ работают удовлетворительно ( например, пласт
"М азурка" на шахте К. М аркса). Однако, учитывая большую
распространенность на месторождениях крутого падения ме­
стных (зачастую непрогнозируемых) геологических наруше­
ний, следует считать несовершенным принцип взаимодейст­
вия крепи с боковыми породами, реализованный в агрегатах
типа АЩ. Отсутствие средств принудительной передвижки
крепи АЩ также является одним из принципиальных недо­
статков, создающих неуправляемость крепи в процессе пере­
движки. Последнее отрицательно влияет на состояние боко64
вых пород, когда в результате заклинивания крепи происхо­
дит ее зависание, и, как следствие, на показатели
работы
щитового забоя. Опыт и исследования показали, что схема
взаимодействия с боковыми породами крепи АЩ не соответ­
ствует условиям разработки пластов с неустойчивыми кров­
лями.
Т а б л и ц а 10
1МощШахта,
пласт
Им. Дзержин­
ского (Дон­
б а с с ) , пласт
' Толсты й -в о с т о к ",го р . 6 1 1 716 м
ность,
м
—
Угол
падения,
град
1.6
60°
Ьулавин- 1 ,2 -1 ,8
М> 6 "Булавин( Д онбасс)
пласт 'Подпи­
ток", запад,
гор. 350 м '
6 0 -6 3 °
То же
1 .2 -1 .8
6 0 -6 3 °
"Суртаиха" <К у з- i ,2- 2,1 7 1 - 7 7 °
б а се ! пласт 1У
"Внутренний" гор. +В0 м
Им. К. Маркса
(Д онбасс) ;
"М азуркавосток"
1 ,7 5 -1 ,9 5
Им. Артема
0 ,8 - 1 ,0 6
( Центральный
район Дон­
б а с с а ), "Д евятка-Нижняя"
6 5 -6 8
5 8 -6 3
Характеристика пород
непосредст­
венные кров­
ли
основ­
ные
кровли
Глинистый сла­
нец, слоистый
( 2 - 8 см)
средней устой­
чивости общей
мощностью 14 м
-
почвы
Глинистый сла­
нец, пучащий
мощностью
0 ,6 5 м; устой­
чивый песча­
нистый сланец
мощностью
2 ,1 5 м
Глинистый сла­
нец неустойчи­
вый мощно­
стью 0,8 м
Глинистый сла­
нец, плитча­
тый, зеркала­
ми скольжения,
неустой чивый
мощностью 1,4 м;
песчанистый
сланец неустой­
чивый мощнос­
тью 3 ,5 -7 м
То же
То же
Аргиллит тре­ Алевролит Аргиллит
устойчимошн. 1,9 м
щиноватый,
/*ж4 мощно­
вый моюсредней у с ностью Юм, тойчивости
стью 0 ,5 м
5 -7
Глинистый сла­ Песчаник Песчанистый
нец средней
разнозер­ сланец, слоис­
тый, склонный
устойчивости нистый
до устойчиво­ устойчи­
к сползанию
мощностью 0 ,5 ;
го мощностью вый ок крепкий песча­
4 ,5 м; выше - варцоник мощностью
угольный про­ ванный
1 2 -1 5 ,8 м
слоек, отде­
мощнос­
ляющий о с ­
тью 11 м
новную кров­
лю
Глинистый сла­
Песчанистый
сланец мощ­
нец с углисты­
ми включения­
ностью 0 ,3 м;
песчаник ус­
ми, слоистый,
тойчивый мощ­
средней крепо­
ностью
сти мощностью
7 -8 ,8 м
0 ,1 4 -0 ,2 5 м;
прослоек угля
мощностью
0 ,0 1 -0 ,1 м,
глинистый сла­
нец средней
крепости, слоис­
тый мощностью
0 ,9 - 0 ,6 м ; песча­
но-глинистый
сланец, слоистый,
трещиноватый,
средней крепости
мощностью
4 ,8 - 5 м
Класс
боковых
пород
по
классиф.
Д онУГИ
ш
Тип
ре­
гата
АЩ
АШ
П
АДК
Ш-
АЩ
1АЩ
Ш
АНЩ
55
Начальный распор
стойки (секции), тс
1-я ступень
АЩ,
шахта им. Карла Маркса
( trt = 1,8 м) , шахта № 6
"Булавинка" (т = 1,8 м)
1 ,2 -2 ,2
15.7
31,4
2 .5 -3 .0
5 ,0 -6 ,0
10.0 14.0
20,0 28.0
1АШ,
шахта им. К. Маркса
1 ,2 -2 ,2
15,7
31,4
-
10.0 8 -10
20,0 16-20
АДК,
шахта № 6 "Булавинка"
1 ,2 -2 ,2
22,1
44,2
13-27
26-54
14.1
28.2
АНШ,
шахта им. Артема
0 ,7 -1 ,2
12
24
12
24
-
1
1
проект­
ный
1
фактиче| ский
фактиче­
ский
j
2-я сту­
пень
проектный
Обслужи
пазон р
ности п
Тип щитового агрега­
та и место его при­
менения
1 1
S о
а
d
« 2 2
«з «ШФ
f F SОО
5ю 10
2 <я К
-
-
На рис. 10 показан характер поведения пород кровли на
пласте "Подпяток" (шахта № 6 "Булавинка") при применении
агрегатов типа АШ и типа АДК. Как видно из рис. 10, по?секционная схема передвижки в подобных условиях обеспе­
чивает значительно лучшие условия поддержания и сохране­
ния естественной несущей способности кровли.В этом можно
убедиться, если проанализировать характер процесса см е­
щения боковых пород при работе агрегата АДК по графикам
смещения и сопоставительным данным,
помещенным
в
табл. 12.
Процесс смешения при посекционной схеме
передвижки
характеризуется значительно большей однородностью, мень­
шей зависимостью от влияния производственных процессов,
что благоприятно сказы вается на устойчивости пород непо­
средственной кровли в очистном забое. Т а к ,в условиях пла66
Таблица
11
Удельное сопротив-| Рабочее сопротив­ Удельное сопро­
тивление секции
ление секции при
ление стойки тс
! при рабочем сопроначальном распоре,
секции''
т / м2
1тивлении, тс/м^
10
20
13,7
-
8,0
-
19,6
39,2
-
2йЛ
49,0
15- 15,7
29 31,4
13,8
9,0 9,0
10,2
-
-
16
32
16
32
фактиче­
ский
19,6
39,2
2-я сту­
пень
проект­
ный
-
фактиче­
ский
8,9
1-я сту­
пень
1проект­
ный
фактиче­
ский
-
фактиче­
ский
проект­
ный
13,7
проект­
ный
фактиче­
ский
2 - я сту­
пень
проект­
ный
1-я сту­
пень
фактиче­
ский
2-я сту­
пень
проект­
ный
1-я сту­
пень
12,5 18.0
17,0 12,5- 11,2 2 2 ,5 25,0 36,0
2,7
17,5
12,5 7 -1 3
17,0 10,0 10-17
25,0 14-26
-
-
15,3 5 ,8 - 11.1
11,6
-
-
11,9 11,9
-
-
ста "Подпяток" на шахте № 6 "Булавинка" применение аг­
регата типа АЩ оказалось невозможным в связи с край­
не неудовлетворительным состоянием, а при применении аг­
регата типа АДК на этом же пласте
представилось во з­
можным эффективно поддерживать боковые
породы, не до­
пуская аварийной обстановки.
Крепи, передвигаемые с остаточным
подпором (типа
АНШ), обеспечивают безразгрузочное силовое . взаимодейст­
вие поддерживающих элементов с боковыми породами. Этот
принцип взаимодействия крепи с боковыми
породами, по
мнению других специалистов, относится также к одному из
эффективных в условиях неустойчивых ( ниже средней устой­
чивости) боковых пород; при его использовании исключают­
ся условия для интенсивного смещения (расслоения)
пород
67
Рис. 10. Характер поведения боковых пород в очист­
ном забое пласта "Подпяток" ( К£ )
на шахте № 6
"Булавинка" в зависимости от схемы передвижки
крепи:
а - при посекционной схем е передвижки ('агрегат ти­
па АДК) ; б - при одновременной по всей длине забоя
при снятом, распоре (типа АЩ)
68
кровли, а следовательно, в меньшей степени нарушается ес­
тественная несущая способность кровли. При использовании
этого принципа взаимодействия предстоит обосновать раци­
ональную величину остаточного подпора для различных гор­
ногеологических условий, которая должна удовлетворять од­
новременно двум противоречивым требованиям: предупреж­
дать нежелательные смещения боковых пород и не вызывать
необходимость в назначении больших тяговых
усилий для
передвижки крепи под распором, которые привели бы к утя­
желению конструкции. Следует зам етить, что
в способе
передвижки подпором боковых пород, основанном на преодо­
лении сил трения скольжения перекрытий по породе, имеет­
ся существенный недостаток, заключающийся в том, что в
процессе передвижки в условиях изменяющейся
мощности
пласта реактивное сопротивление крепи может существенно
меняться, что, в свою очередь, может ' неблагоприятно от­
разиться как на условиях поддержания боковых пород, так
и на силовом режиме передвижки. В связи с этим, по-види­
мому, при этом способе взаимодействия с боковыми поро­
дами следует предусматривать в конструкции автоматизиро­
ванную настройку крепи на необходимую
раздвижность и
величину сопротивления.
Т а б л и ц а 12
Наименование
производственных операций
Выемка
Посадка
Остановка забоя
Средняя ско рость с м е щения
АДК
мм/ч"1
АЩ
мм/ч
1,0
6,0
0 ,0 1 -0 ,0 4
1,0х)
24,0
0 ,0 5 -0 ,0 8
Отношение
средних C K O D O стей при АДК
по сравнению
с АЩ
1,0
0,25
0 ,2 -0 ,5
х"^ Такая величина скорости смещения получена при очень
медленном подвигании забоя, в среднем 0,25 м/сутки.
Более перспективным способом реализации передвижки с
остаточным распором является способ, основанный на ис­
пользовании трения качения при взаимодействии перекрытий
крепи с боковыми по’родами, разрабатываемый
КГМИ под
руководством проф. Савенко Ю.Ф. По данным исследований
проявлений горного давления применительно
к испытанию
агрегата АНЩ на пласте "Девятка-Нижняя" ^
(шахта
им. Артема комбината Артемуголь) в условиях пород кров—
ли средней ( или несколько ниже средней) устойчивости ос­
таточный подпор при передвижке величиной 5-12% от номи­
нального сопротивления (1 6 тонн на стойку) способствовал
уменьшению величины опускания кровли в 1 ,5 -2 ,3 раза и ин­
тенсивности смещения в 1,5-4 раза и был достаточным для
обеспечения удовлетворительной устойчивости боковых пород.
Вопрос о предпочтении одной из близких по области при­
менения схем взаимодействия крепи с боковыми
породами
(посекционная, цикличная с остаточным подпором,непрерыв­
ная с остаточным подпором, групповая с ортаточным подпо­
ром) должен решаться на основании результатов
технико­
экономического анализа и промышленного испытания.
Результаты исследований параметров сопротивления ме­
ханизированных крепей щитовых комплексов АЩ( 1АЩ), АНЩ
и АДК в широком диапазоне горногеологических условий по­
казывают, что фактические сопротивления,развиваемые стой­
ками крепей, в абсолютном большинстве случаев не превы­
шали проектных значений номинального (рабочего) сопротив­
ления (см . табл. 11). Отсюда следует вывод о том, что про­
ектная грузоподъемность крепей удовлетворяет практически
всем условиям применения щитовых комплексов. Разница в
величинах проектного и максимального фактического сопро­
тивлений, как правило, положительна и
незначительна по
величине (в пределах 10-15% ).
На основании результатов исследований разработаны сле­
дующие практические рекомендации и технические требова­
ния к щитовым крепям.
1. Для обеспечения рациональных условий работы крепи
и надежного поддержания боковых пород
в рабочем про­
странстве при управлении кровлей полным обрушением на
пластах с труднообрушаемыми кровлями необходимо перед
началом работы агрегата создавать за ограждением крепи
породную подушку из дробленой породы (максимальный раз­
мер фракции не более
- j - мощности п ласта), длина ко­
торой по восстанию /должна быть равной 3-4 мощностям пла­
ста.
В благоприятных условиях целесообразно
осуществлять
перепуск пород с вышележащего горизонта.
2. Должна обеспечиваться выемка без потерь пластов с
колебаниями мощности в пределах участка не менее i 25%
средней величины.
70
3. Допустимые максимальные величины
незакрепленных
пролетов кровли в призабойном .пространстве:
не более 0,4 м для пород Г1 и У классов по классифика­
ции ДонУГИ;
не более 0,7 м для пород II' и 1У классов;
для пород 1 класса обнажения не допускаются.
4. Для пластов мощностью от 0,7 до 2,2 м
перспектив­
ной является П-образная форма секции с двумя
гидравли­
ческими стойками двойной раздвижности.
5. Конструкция крепи должна иметь принудительную уп­
равляемую передвижку, осуществляемую по следующим схе­
мам:
посекционная с полной разгрузкой секций или с остаточ­
ным подпором (для пластов с кровлями II и У классов по
ДонУГИ);
одновременная по всей длине забоя 'или групповая с ос­
таточным подпором (П! и 1У класс боковых пород).
6. Конструкция перекрытий крепи должна
обеспечивать
коэффициент затяжки боковых пород на поддерживаемой пло­
щади не менее 90%.
7. Для надежного поддержания боковых пород и исклю­
чения самопроизвольного сползания секций крепи рекомен­
дуется принимать следующие значения расчетного рабочего
сопротивления крепи:
для-пластов мощностью от 0,7 до 1,2 м не
менее
12 тс/м^;
для пластов мощностью от 1,2 до 2,2 т
- не
менее
15 тс/м^;
начальный распор - не ниже 80%
величины
рабочего
(номинального) сопротивления.
8. Расчетные параметры сопротивления
оградительных
элементов щитовых крепей:
при передвижке одновременно по всей длине забоя в бросковом режиме для пластов мощностью от 1,2 до 2,2 м 16 t /m^;
при плавной управляемой передвижке
одновременно по
всей длине забоя для пластов мощностью 1,2-2,2 м - 12 т/м^;
для пластов мощностью 0 ,7 -1 ,2 м - 8 т/м2;
при плавной управляемой посекционной передвижке для
пластов мощностью от 1,2 до 2,2 м - 7 т/м ;
для пластов мощностью от 0,7 до 1,2 м - 5 т/м^.
71
Дальнейшее совершенствование технологии щитовой вы­
емки в целях улучшения технико-экономических показателей
должно развиваться в следующих направлениях:
1. Повышения производительности средств
выемки за
счет увеличения энерговооруженности приводов.
2. Снижения трудоемкости и сокращения времени произ­
водства монтажно-демонтажных работ.
3. Увеличения высоты этажа (длины выемочной полосы).
4.
' Совершенствования способов и средств
крепления
поддержания оконтуривающих полосу выработок (вентиляци­
онного и углеспускного гезе н к о в).
КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ
ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РАЗРАБОТКЕ
М ЕСТО РО Ж ДЕН И Й СО СЛОЖНЫМИ
ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ
Классифицирование природных условий или
производст­
венно-технических процессов является методом анализа и
установления области применения тех или инУх результатов
научных исследований. Эффективность классификационных по­
строений определяется прежде всего
представительностью
классификационных признаков - критериев.
Классификаций
способов управления горным давлением для сложных горно­
геологических условий до сих пор не было по той причине,
что вопрос об обосновании и выработке критериев сложно­
сти условий только недавно поставлен на повестку дня на­
учно-технической общественностью в горнодобывающей от­
расли промышленности. В то же время имеются предложен
ния по классификации безлюдных способов разработки уголь­
ных месторождений подземным способом, которые предназ­
начены ( по нашему определению) для сложных горногеоло­
гических условий.
Авторы работы [я] считают, что одним из важных кри­
териев выбора того или иного способа
безлюдной выемки
(технологической схемы) является способ управления гор­
ным давлением. Эта позиция нашла свое отражение при по­
строении классификационной схемы, которая
заимствована
нами из работы [9^ и приводится ниже.
В работе [50] приводится другая классификация:
72
и крепления
I. Средства и способы управления кровлей
очистного забоя:
а) самопередвигающиеся агрегатные крепи;
б) с закладкой выработанного пространства.
II. Средства механизации и способы выемки при отсутствии
работы по управлению кровлей и креплению очистного про­
странства :
а) машинами с удлиненными рабочими органами, движу­
щимися вслед за забоем
1. Буровая и шнекобуровая выемка
2. Гидромеханизация
3. Буро-взрывная выемка.
4. Пилы и струги;
б) машинами, движущимися вслед за забоем
1. Комбайн!.' с дистанционным управлением.
Безлюдная выемка угля
С креплением
призабойного
пространства
Агрегатная
Б е з крепления призабойного пространства
I
ско Я
я
®о
2х
« £s
со 5 о
ЮоР
2о
оX
R
(Q
О
и
>>
а
h
и
СО
к
2
СО
с
я
С
1-н
к
(0
О
а
>>
СО
К
X
я
2
а.
со
ш
СО
X
№
О
X
S
Ч
У.
СО
х
£0
Ш
О
g-OS
5X «д
X*
\о
2
о
X
Приведенные схемы разделения безлюдных способов вы­
емки правильнее отнести к разряду классификационных схем,
нежели к классификациям, так как они являются весьм а об­
щими: в них не дифференцированы все известные
способы
выемки и не показана область их применения. Достоинством
этих схем является в основном правильность выбора клас­
сификационного критерия, который, однако, нуждается
в
дальнейшей конкретизации.
Классификаций способов управления горным давлением в
сложных горногеологических условиях к настоящему време­
ни также не составлено, если не считать предложений част­
ного характера. Так, в работе [5l] помещена
классифика­
ционная схема способов управления горным давлением при
73
Таблица
Класс
\
ч
класс)
способов
1
1а
16
Способы управле•ния горным давлением
Область и условия применения
характеристика
боковых пород и
пласта
13
3
'
технологическая
[
схем а и средства |
выемки
|
дополнительные
условия
Иб
С применением
крепи
Во всем диапазоне Столбы по простира - Во всем диапазоне
устойчивости по­
нию и падению с
пластов тонких и
род и крепости
ориентировкой з а ­
средней мощности
угля
боя по падению
не
менее 0,3 м
(диагонально) и по
* т £: ±. 25%;
простиранию
Л »
250
С применением ме­ Во всем диапазоне Столбы (широкие по
ханизированных
лосы) по падению - Во всем диапазоне
устойчивости по­
мощности от 0,7 м.
гидрофицированных род и крепости
Пласты опасные по
шитовых крепей
угля
внезапным выбро­
поддерживаюшесам и ударам
оградительного
типа и с обруше­
4 т <■ +25% ;
нием кровли
сС ^ -2 5 0
С применением ме­ Устойчивые и сред­ Столбы (широкие
2 ,0 м > т
0,7 м
ханизированных
ней устойчивости;
полосы) по па­
Пласты опасные пс
щитовых крепей
во всем диапазо­
дению
внезапным
выбро­
не крепости угл*Г
оградительного
сам угля и газа,
типа и с обру­
горным ударам
шением кровли
Пв
Иг
4/7?< +15%
Iг
1л
еС & -4 5 °
С применением пе- Устойчивые и сред- Столбы по прости­ 0 , 8 м * т $
о ,3 м,
редвижных легких
ней устойчивости;
ранию с диаго­
Защитные пласты ( l
оградительно-под- средняя крепость
нальным (нависа­ том числе опасные
держивающих креуглей
ющим) забоем под по внезапным вы­
пей (металличес­
углом естествен­
бросам угля и газа,
кие, пневмобал*,.
ного откоса обру­ стрелянию угля)
лонные и др.) и
шенных пород или
Л m i +20%',
обрушением (плав­
ориентированным
ным опусканием)
Ы. ^ -4 5 °
по падению
кровли
С применением с т а ­ Устойчивые и сред­ Столбы по прости­ 0 ,3 м * т ^ 0 ,6 м
ционарных крепей
ней устойчивости
ранию
Защитные пласты,
поддерживающего
боковые породы;
в том числе опас­
типа (например,
угли в сего диа­
ные по динамичес­
клиновых), с пол­
пазоне крепости
ким проявлениям
ным (частичным)
горного давления
обрушением или
А П Ч, ± 20%;
плавным сближе­
нием боковых по­
cL *
45°
род
С применением пе­ Не ниже средней
Столбы по прости­ 0 ,5 м i т i 0 ,8 м
редвижных легких
ранию с располо­
устойчивости; во
Тяжелые труднообоградительно-подвсем диапазоне
жением забоя по
рушаемые кровли,
держивающих кре­
сползающие почвы,
падению и накло­
крепости углей
пей и закладкой
ном до ± 1 5 ° к
под охраняемыми
выработанного
линии падения
объектами на по­
пространства
верхности
Лт
II
На
74
оС ^
Б ез крепи в очист­ Во всем диапазоне
ном забое, полным устойчивости бо­
ковых пород ( ис­
обрушением, пере­
ключая конгломе­
пуском пород, з а ­
раты с линзовид­
кладкой вырабо­
ными несвязанны­
танного простран­
ми выключениями)
ства
и крепости угля
Естественными или Кровли ниже сред­
искусственными по­ ней устойчивости
датливыми междудо неустойчивых,
камерными целика­ исключая конгло­
ми и полным обру­ мераты с несвя­
шением непосред­
занными линзооб­
ственной кровли в
разными включе­
камере с времен­
ниями размерами,
ным удержанием
соизмеримыми с
основной кровли на пролетом Ьбнажебарьерных целиках
ния; крепость
угля любая
Пе
ПГ
± 20%;
45°
Камеры с обратной Во всем диапазоне
выемкой, столбы
мощности, начиная
по простиранию
от 0 ,3 м. Возможно
применение отдель­
ных схем при лю­
бых значениях ко­
лебания мощности
пласта
сС$ 450
Камеры с обратной 0 ,3
т
1,2 м
выемкой шнеко­
Пласты, не опас­
буровыми дистан­ ные по выбросам
ционно управляе­
или приведенные в
мыми комплекса­
неопасное состоя­
ми (например,
ние предваритель­
типа КМД)
ной обработкой
защитных
лтб: ±30%;
U
Пд
45°
Ша
4
5
С временным под­ Устойчивые и сред­ Камеры-лавы с вы­ Во всем диапазоне
ней устойчивости
емкой шнеко-буро­ мощности, начиная
держанием непо­
выми комплекса­
средственной кров­ .боковые породы.
от 0 ,2 м. Для тарами, стругами-тара " нов, стругов и бу­
Для пил и стругов
ли барьерными
нами, пилами
погашаемыми це­ угли слабые, тре­
рошнековых комп­
щиноватые
или
ликами
лексов
склонные к ударам
i20% ;
и выбросам
для пил - любое
o i z 459
Не рекомендуется
на пластах с с а ­
мовозгорающимися
углями
С полным обрушени­ Устойчивые и сред- Столбы по прости­ Во всем диапазоне
ем боковых пород I1 ней устойчивости
ранию с диаго­
тонких и средней
длинном очистном
боковые породы,
нальным ( нависа­
мощности пластов,
забое-лаве
угли мягкие, мел­
ющим) забоем под начиная от Ю ко кливаж истые или углом естествен­
■
0 ,2 м, и любыми
склонные к ударам ного откоса по­
колебаниями мощ­
и выбросам не­
род. Выемка ка­
ности
большой интенсив­ натными пилами
ы. г 45°
ности
типа ДГИ-ВНИМИ
С естественными
Устойчивые и сред­ Камеры с обратной о,з м ~
i.+г м
( искусственными;
ней устойчивости;
выемкой бурошне­ Пласты, не опас­
податливыми меж- угли всего диапа­
ные по выбросам
ковыми комплек­
дукамерными це­
либо защищенные
сами
зона крепости
ликами и заклад­
+30%;
кой
оС ?
45°
С перепуском пород Устойчивые и сред- Столбы по прости­ Во всем диапазоне
или закладкой выней устойчивости
ранию с диагональ­ мощности и коле­
работанного прост- боковые .породы,
ным* (нависающим) бания мощности
ранства в длинном угли мелкокливазабоем под углом
пластов, начиная
жистые мягкие или естественного от­
очистном забоеот tn ■ 0 ,2 м
склонные к ударам коса перепускае­
лаве
oi & 4 5 °
и выбросам в пе­
мых
пород
I
з
а
­
риферийной части
кладки) . Канатная
забоя
пила типа ДГИВНИМИ, струготараны
Поддержание в ус­
Устойчивые и
Полосы по восста­ Во» всем диапазоне
тойчивом состоянии весьма устойчи­
нию, падению,про­ тонких и средней
боковых пород за
вые боковые по­
стиранию вынима­
мощйости пластов,
счет естественно
роды во всем ди­
емые различными
начиная от т "0,2м ,
несущей способно­
апазоне крепости
дистанционно уп­
и любыми колеба­
сти
угля
равляемыми м еха­ ниями мощности
низированными
с С 45 °
выемочными сред­
ствами (струги,
канатные аилы,
комплекс НГМД
и др.)
Комбинированные
Устойчивы** и сред­ Столбы по прости­ Во всем диапазоне
средства управле**. ней устойчивости
ранию, полосы по
мощности и колеба­
ния горным давле­ боковые породы,
восстанию, каме­
ния мощности, на­
нием ( с креплени­
угли всего диапа­ ры с обратной
чиная с tn ■ 0 ,3 м
ем в нарезных вы­ зона
выемкой
крепости
работках и без
o i ? 45 °
крепи в очистном
забое)
С временным удер-:. Неустойчивые и ни­ Камеры с обратной
0(3
6 1,2 м
жанием основной
же средней устой­
выемкой дистан­
Пласты, не опас­
кровли в камерах
чивости боковые
ционно управляе­
ные по внезапным
с индивидуальной
мыми бурошнеко­
породы с проявле­
выбросам или з а ­
посадочной кре­
выми механизиро­
нием вторичных
щищенные
пью, выполняющей
ванными комплек­
осадок
функцию барьер­
30%;
сами I например,
ных целиков, в со ­
типа КМД)
o i = 45°
четании с узкими
предельно напря­
женными межка­
мерными целика­
ми с полным об­
рушением кровли
в камерах
С временным удер­ Устойчивые и сред­ Длинные очистные
0 , 4 u i ® * 2 ,0 м
ней устойчивости
жанием непосред­
забои лавы по
Пласты, опасные
боковые породы
ственной кровли
по горным уда­
простиранию. Ка­
специальными кре­
рам или внезап­
натные пилы типа
пями, предвари­
ным высыпанием
ДГИ-ВНИМИ, струтельно возводимы­
го-тараны, комбай­ угля, несам овозновые установки,
ми в нарезных вы­
бурошнековые ком­ гораюшиеся
работках (костры,
плексы
органка и др.)
75
брзлюдпой niiifiMKG крутых пластов канатными пилами явля­
ющаяся одной из первых попыток детального подраадолопия
способов управления давлением применительно к канатным
пилам.
На основе анализа материалов наших
последований, а
также дополнений других авторов предлагается классифика­
ция способов управления горным давлением применительно к
разработке крутых ( и крутонаклонных) пластов в сложных
горногеологических условиях (табл. 13).
Основным классификационным критерием служат сродства
управления горным давлением; по этому принципу все спо­
соб!,! управления горным давлением разделяются
на
три
класса: I - с применением крепи, II - без крепи, Ш - ком­
бинированные.
В CBOio очередь в каждом классе выделяются подклассы,
которые характеризуются дополнительными классификацион­
ными признаками - типом технологической схемы и выемоч­
ного органа, для которых ориентировочно
устанавливается
область применения.
З АК ЛЮЧЕ НИЕ
В итоге обобщения и анализа мирового опыта управления
горным давлением на крутых и крутонаклонных пластах со
сложными горногеологическими условиями, известных мате­
риалов исследований проявлений горного давления и взаимо­
действия крепей с боковыми и обрушенными породами ( з а ­
кладкой) применительно к этим условиям, результатов ком­
плексных исследований автора в широком диапазоне геоло­
гических и производственных условий па тонких и средней
мощности крут!,IX пластах представилось возможным
сфор­
мулировать следующие общие выводиi и разработать науч­
но обоснованные предложения:
1.
На угольных месторождениях крутого падения подав
ляющее большинство пластов (до 70% )характеризуется слож­
ными горногоологнческими условиями по таким факторам,
как мощность, угол падения, параметры гипсометрии, склон^
ность к самовозгоранию и динамическим проявлениям гор­
ного давления, устойчивость боковых пород
и угольного
массива, интенсивность тектонических и местных ( непро­
гнозируемых) геологических нарушений и др. Для подоб76
ш.i.x условий либо технически невозможны оол/цпшо и при­
менение (на (чтремеппом уровне развития проектирования и
машиностроения) механизированных передвижных крепей в
длинных очистных забоях-лавах, либо их применение мкопомпческп нецелесообразно и но обеспечивает требуемых норм
безопасности.
С учетом известных предложений для пологих и наклон­
ных угольных пластов разработаны количественные критерии
степени сложности по большинству из перечисленных выше
природных факторов, способствующих объективному установ­
лению области распространения сложных горногоологических
условий и решению вопросов рационального выбора и разме­
щения средств и способов управления горным давлением.
2. Перспективными направлениями
совершенствования
способов управления горным давлением в очистных выра­
ботках тонких и средней мощности крут?,1Х угольных плас­
тов являются следующие:
л) применение механизированных крепей поддорживиюшооградительного типа с полным обрушением кровли при раз­
работке широкими полосами по палению щитовыми агрегата­
ми (пласты мощностью более 0,7 м) ;
б) управление боковыми породами с применением облег­
ченных дистанционно управляемых передвижных крепей ог­
радительно—поддерживающего типа с обрушением
(плавным
опусканием кровли) или закладкой, стационарных дистанци­
онно устанавливаемых крепей в
комплексах оборудования,
обеспечивающих разработку с попояппым или периодичес­
ким отсутствием людей в очистном забое
( пласты мощно­
стью 0,6 м, в том числе нерабочей мощности) ;
в) способы управления горным давлением без примене­
ния крепи в очистном забое, при которых
обеспечиваются
возможность и необходимая оффоктивность работы дистан­
ционно управляемых выемочных комплексов в коротких очи­
стных забоях-камерах с обратной выемкой
или в каморахлавах за счет регулирования устойчивостью обнажений бо­
ковых пород, обрушением (полным или частичным)
с по­
мощью угольных (или искусственных) ноликов, ориентиров­
кой забоя в пространстве и другими специальными меропри­
ятиями.
3. Схема выемки' полосами по восстанию ( канатные пи­
лы, буро-взрывные средства отбойки)
предопределяет не­
77
благоприятные условия для управления боковыми
породами
без крепления угольными целиками оптимальных размеров,
механизм работы которых на крутом падении за пределами
упругого деформирования принципиально отличается от та­
кового на пологом падении. А именно интенсивно развива­
ющиеся в периферийных зонах целиков необратимые дефор­
мации при дополнительном существенном влиянии касатель­
ных напряжений сопровождаются на крутом падении си сте­
матическим "высыпанием" целика, способствующим
более
интенсивному развитию потери несущей способности вплоть
до полного разрушения. При этом процесс разрушения це­
ликов не представляется возможным затормозить
или при­
остановить какими-либо известными производственно-техни­
ческими мероприятиями, за исключением увеличения ширины
целиков, что связано с повышенными потерями угля ( до 50%)
и опасностью при разработке свит пластов, опасных по ди­
намическим проявлениям горного давления. В связи с этим
следует констатировать факт неуправляемости процесса про­
явления горного давления при разработке полосами по вос­
станию без крепления с применением угольных
целиков и
считать нецелесообразным применение этого способа управ­
ления горным давлением на пластах с боковыми
породами
ниже средней устойчивости. Имея в виду известные досто­
инства выемки полосами по восстанию канатными пилами в
отношении безопасности и производительности на пластах,
опасных по горным ударам и выбросам, следует рекомендо­
вать ее к применению на пластах с устойчивыми боковыми
породами, где вопросы устойчивости обнажений вмещающих
пород имеют
подчиненное значение, а технология
работ
является конкурентоспособной с другими известными спосо­
бами выемки.
4.
Обоснованы перспективные способы управления
гор­
ным давлением применительно к разработке крутых пластов
короткими забоями (камерами с обратной выемкой)
без
крепления и разработана методика выбора и расчета пара­
метров системы по геомеханическим факторам (размеры це­
ликов и пролетов кам ер). Особенностью предлагаемых спо­
собов управления горным давлением с обрушением или с а ­
мотечной закладкой является применение предельно напря­
женных (податливых) междукамерных
угольных целиков,
предопределяющих технико-экономическую
эффективность
78
способа и перспективу применения камерной системы с об­
ратной выемкой без крепления дистанционно управляемыми
комплексами на глубоких горизонтах в свитах пластов, опас­
ных по динамическим проявлениям горного давления
(вы ­
бросы, горные удары). Методика расчета
предельно на­
пряженных междукамерных целиков
предусматривает учет
макроструктурных особенностей строения угольного массива
и изменение остаточной несущей способности
целиков во
времени.
• 5. Применительно к разработке маломощных
(от 0,3 до
0,6 м ), в том числе защитных, крутых
угольных пластов
дистанционно управляемыми механизированными комплекса­
ми в длийных очистных забоях-лавах, движущихся по про­
стиранию.
Перспективные способы управления горным давлением ба­
зируются на применении:
а) облегченных передвижных крепей
оградительно-поддерживающего типа в диагональном забое, наклоненном на
выработанное пространство под углом естественного откоса
обрушенных пород, на пластах с породами кровли, склонны­
ми к плавному (упорядоченному) опусканию;
б) стационарных, дистанционно устанавливаемых клино­
вых крепей поддерживающего типа с регулируемыми
пара­
метрами механической характеристики на пластах с беспо­
рядочным характером обрушения пород кровель.
6.
Установлены закономерности взаимодействия огради­
тельных передвижных крепей с боковыми породами
и за ­
кладкой при работе в длинных очистных забоях-лавах, дви­
жущихся по простиранию, на пластах мощностью
от 0,5 до
0,8 м и разработаны инженерные методы определения боко­
вого давления закладки на оградительные
поверхности и
расчета параметров крепей в условиях ограниченного про­
странства с. учетом:
а) динамики процесса (движения забоя, крепи, закладки) ;
б) угла падения пласта;
в) гранулометрического состава закладочного материала;
г) ориентировки крепи в плоскости пласта;
д) сжатия закладки смещающимися боковыми породами;
е) отсутствия или налкчия манжет ( в крепи) и размеров
последних.
Особенностью установленных закономерностей взаимодей79
ствия является резко выраженная неравномерность бокового
давления закладки на оградительные элементы
крепи по
г-лубине засыпки (длине крепи), степень которой определя­
ется состоянием закладочного массива (покой, движение) и
гранулометрическим составом последнего.
Разработаны геомеханические требования
на создание
усовершенствованных облегченных передвижных крепей оградительно-поддерживающего типа для работы с закладкой и
предложены принципиальные конструктивные
схемы таких
крепей. Отличительной особенностью предложенных схем яв­
ляется наличие жесткой базы в плоскости пласта, повышаю­
щей надежность работы крепи и способность ее к передвиж­
ке за счет бокового давления закладки, а также поддержи­
вающих кровлю и отталкиваемых крепь от закладки дистан­
ционно управляемых элементов. Перечисленные мероприятия
способствуют повышению надежности работы средств меха­
низации крепления и управления горным давлением, устойчи­
вости боковых пород в забое и обеспечивают
возможность
периодического (в случае необходимости) пребывания людей
в очистном забое.
Область применения закладки с передвижными, облегчен­
ными крепями оградительно-поДдерживающего типа оценена
в работе ориентировочно 18-20% очистных
забоев крутых
пластов Донбасса указанной выше мощности.
7. Исследованы закономерности механизма взаимодейст­
вия механизированных поддерживающе-оградительных крепей
щитовых агрегатов типа АЩДАЩ, АНЩ, АДК при промыш­
ленных испытаниях и применении на шахтах
Донбасса
и
Кузбасса и на этой основе разработан!,i методические ука­
зания по перспективным конструктивным схемам и расчет­
ным нагрузкам на поддерживающие и оградительные элемен­
ты крепей щитовых агрегатов при разработке
тонких
и
средней мощности (от 0,7 до 2 ,2 м ) крутых угольных плас­
тов широкими, полосами по падению.
8. Разработана классификация способов управления гор­
ным давлением для выемки тонких и средней мощности кру­
тых угольных пластов в сложных горногеологических усло­
виях как средство, способствующее установлению рациональ­
ной области применения способов управления горным давле­
нием.
Основные рекомендации работы предусматривают корен­
80
ное решение вопросов безопасности очистных работ за счет
постоянного или периодического отсутствия людей в очист­
ном забое, повышения надежности управления горным давле­
нием, а также существенного расширения области примене­
ния защитной выемки на пластах, опасных по
внезапным
выбросам угля и газа и горным ударам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н е к р а с о в с к и й Я .Э,, Л о к ш и н Б . С. Безлюдная вы­
емка крутопадающих угольных пластов Донбасса, "Угольная
промышленность", Киев, № 4, 1960.
2. Т и х о н о в М .Е. Механизация выемки крутых пластов
угольными пилами. "У голь", № 9, 1958.
3. Р о з о в Б .В ., П е т у х о в И.М. и др. Безлюдная выем­
ка угля с помощью канатной пилы в Кизеловском бассейне.
"У голь", № 7, 1960.
4. П е т у х о в И.М., П а н ь к о в А.А. Использование по­
тенциальной энергии горного давления и особенностей м акроструктурного строения для разрушения угольных пластов.
Л., изд. ВНИМИ, 1961.
5. Опыт применения канатных пил для выемки
крутых
пластов угля на шахтах СССР. М ., ЦИТИугля, 1962.
6. В а л о в Н.А. Опыт применения канатных пил на шах­
тах Кизеловского бассейна. Сборник докладов рабочего с е ­
минара "Вы емка крутых пластов угля с помощью канатных
пил". Л., изд. ВНИМИ, 1961.
7. В о с к о б о е в Ф .Н ., Р а с п о п о в В.И .,
М а х н о Е .Я .,
Ф и щ у к В.А. Совершенствование очистных работ на крутых
пластах Донбасса. М., "Недра", 1972.
8. Т р о ф и м о в В.П . Безлюдная выемка угля. Киев, 1962.
9. С у доп п а т о в А.П., И в а н о в К.И. Новые высокопро­
изводительные способы добычи угля. М.,
Госгортехиздат,
1962.
10. Ши р о к о в А.П., С а м е ц М .Г.
Разработка угольных
пластов без крепления призабойного
пространства.
М.,
Госгортехиздат, 1961.
11. Б е л о в В.И. Основные проблемы управления кровлей.
В сб. : "Управление кровлей" под редакцией проф. А.М. Т ер пигорова. ГНТ, Горногеолого-нефтяное изд-во, 1934.
81
12. М и£ёвг f i . jVenez fietzie& ezfe/izu n ge# m et
d e/ff
5eitscA€a*rgeeat-J<ene/i4c/zg vi j£ei€ez Z a g егпд,
•Geuckau/% /9 5 4 , * 9 /ra f
*
13. Т о п ч и е в А .В ., Б а л ы к о в B.M ., Г е рш e н о в и ч C .E .,
Со с но в Г.А. Механизация выемки угля
при разработке
тонких крутых пластов. М., Госгортехиздат, 1960.
14. Г е х р и д М .Е. Результаты промышленных испытаний
установки УВК для выемки тонких крутопадающих пластов.
'Горные машины", № 5, 1959.
15. Г е х р и д М .Е. Комплекс КБС для безлюдной выемки
угля. 'У го л ь Украины', № 5, 1960.
16. Б о р и с о в Д.Ф., Д я д ь к и н Ю.Д.,
Л е б е д е в В. Н.
Промышленные испытания камерно-щитовой системы разра­
ботки на шахте Кайерман. 'Технология и экономика угледо­
бычи", № 12, 1960.
17. В о с к о б о е в Ф.Н. Управление горным давлением при
разработке крутых пластов дистанционно управляемыми м е­
ханизированными комплексами. Сборник докладов на В сесо ­
юзном научно-техническом совещании по техническому пере­
вооружению шахт Донбасса, разрабатывающих крутые плас­
ты. 'Технология добычи угля подземным способом",
№ 3,
1970.
18. К у з н е ц о в Г.Н. О механизме взаимодействия боко­
вых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих
угольных пластов. В сб. 'Исследования
горного давления
применительно к механизированным крепям". 1954.
19. Д а в и д я н ц В .Т . Новое в области управления кровлей
в Донецком бассейне. М., Углетехиздат, 1952.
20. В о с к о б о е в Ф.Н. Отклик на статью
Башкова А.И.
"Комплексная механизация выемки угля на крутых пластах"
(•Уголь", 1965, № 8) и на статью Красозова И.П.
и др.
"Проблемы комплексной механизации очистных работ
на
крутых пластах Донбасса' (" У г о л ь ', 1965, № 8 ),
"Уголь'
№ 10, 1966.
21. В о с к о б о е в Ф.Н., Г о л о б о р о д ь к о И.П. Отклик на
статью Кудлай Е.Д . ( ДонУГИ) и Шак А.Ф. (комбинат "А ртем уголь") "К вопросу разработки весьма тонких
крутых
пластов Донбасса" ("У го л ь ", 1967, № 8 ) . "Уголь" №2, 1969.
22. Отчет общества каменноугольной
промышленности
ФРГ о результатах научных исследований
по программе
82
"Безлюдная лава на сильно наклонных и крутых пластах".
Эссен, май, 1971.
23. В о с к о б о е в Ф.Н., Юдин Р .Э . Выбор рациональной
формы очистного забоя при выемке угольных пластов гибки­
ми режущими органами. В сб. "Технология и экономика уг­
ледобычи" N" 95, 1964.
24. Комплексная механизация очистных работ при разра­
ботке пластов в сложных горногеологических условиях. Свод­
ный доклад постоянной комиссии СЭВ по Угольной промыш­
ленности по теме № 139/71, делегация ВНР. Будапешт, 1972.
25. Г р и н ь к о Н.К. Механизация выемки топких пластов
на шахтах угольной промышленности. Доклад на Всесоюзном
совещании по разработке тонких угольных пластов, г. Воро­
шиловград, 1972.
26. А р д а ш ё в К.А. Управление горным
давлением при
разработке тонких и средней мощности угольных
пластов
наклонного и крутого падения. Кемерово, 1967.
27. А г а б е к о в В. А. "Исследование и выбор эффективных
способов разработки крутых пластов в сложных горногсолагичоских условиях центрального района Донбасса". Авторе­
ферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата
технических наук . М., 1973.
28. Д а в и д я н ц В. Т. Совершенствование способов
и
средств управления кровлей и кропления. М., Госгортохиздат, 1961.
29. Б а р а н о в с к и й В.И. Костровое кропление забоя (а в ­
торское свидетельство на изобретение № 64742, класс
5с,
1001) , зарегистрированное в Бюро изобретений
Госплана
СССР в феррале 1941 г.
30. Чехословацкая делегация постоянной комиссии СЭВ
но угольной промышленности, тема № 84-1/65 (обобщение).
"Развитие эффективных средств для комплексной механиза­
ции и автоматизации разработки пластов мощностью до 1 м
в различных горногеологических условиях", г. Прага, июль
1966.
31. Отчет ДонУГИ по теме № 1 темплана 1967 г. г. До­
нецк, фонд ДонУГИ.
32. В о с к о б о е в Ф.Н., В е л и к а н о в Л.А. Клиповая крепь
для управления горным давлением при разработке угольных
пластов. "Технология добычи угля
подземным способом'
№ 1, 1970.
83
33. В о с к о б о е в Ф.Н., В е л и к а н о в Л.А.
Руководство
по управлению горным давлением при применении клиновых
крепей на крутых пластах мощностью менее 0,6 м. Л., фонды
ВНИМИ, 1972.
34. В о с к о б о е в Ф.П., Ч у б е н к о П.Ф. Способ определен
ния изменения несущей способности угольного массива во
времени в натурных условиях "Технология и экономика уг­
ледобычи", ЦНИИТЭИуголь, № 8, 1967.
35. Б у б л и к Ф.П. Несущая способность целиков. Авторе­
ферат диссертации на соискание ученой степени доктора тех­
нических наук, изд. Л ., ЛГИ, 1972.
36. В о с к о б о е в Ф.Н., Ч е р н ы х Г.С ., В е л и к а н о в Л.А.
Экономическая эффективность комплексов типа КМД. "Т е х ­
нология добычи угля подземным способом". № 10, 1966.
37. Г р и н ь к о Н.К., Л и с у р е н к о А .В., В о с к о б о е в Ф.Н.
Опыт разработки выбросоопасного пласта столбами по про­
стиранию без крепления. "Техника безопасности,
охрана
труда и горноспасательное дело" № 3, 1970.
38. М а х н о Е. Я. Вопросы разработки крутопадающих пла­
стов угля с применением щитовой крепи. М., Углетехиздат,
1957.
39. Г о в р о ш е н к о Е.А. Обобщенная теория Янсена и ее
приложения. В сб. трудов Азербайджанского научно-исследо­
вательского института сооружений и строительных матери­
алов. Баку, изд. "А зи с", 1939.
40. К а н к а н я н Г.П. Определение величины угла обруше­
ния и давления сухого песка на подпорную стенку. "Техни­
ческая физика", т. У11, вып. 28, 1937.
41. Разработка теории расчета давления сыпучих
пород
на механизированные крепи и гибкие перекрытия для усло­
вий крутых пластов. Автореферат диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук. Л ., 1972.
42. Р ы ж о в А.П. Некоторые приложения теории вероят­
ностей и математической статистики
в горном деле. М.,
из. МГИ^ 1970.
43. В о с к о б о е в Ф.Н., Юдин Р .Э .
Совершенствование
способов и средств управления горным давлением при разра­
ботке тонких крутых пластов механизированными комплекса­
ми с оградительными крепями и полной закладкой. "Техно­
логия добычи угля подземным способом", № 11-12, 1969.
44. Е ф р е м о в В.Ф. Некоторые общие методологические
положения. В сб. 'Разр аботка угольных пластов б ез посто­
янного нахождения рабочих в заб о е". М., ВИТИугля, 1960.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................
. . .
Способы управления горным давлением
. . . .
Критерии оценки сложности горногеологических
условий залегания угольных пластов ...............................
Управление горным давлением при разработке мало­
мощных (м ен ее 0 , 6 м) угольных пластов столбами
но простиранию с применением крепи ..............................
Способы управления горным давлением без
применения крепи
Разработка камерными системами с обратной
выемкой .......................................................................................
Разработка столбами по простиранию .......................
Управление горным давлением полной закладкой . . .
Рациональные конструктивные схемы взаим одейст­
вия и расчетные параметры сопротивления механи­
зированных крепей щитовых комплексов для раз­
работки крутых пластов широкими полосами
по падению ........................................................................................
Классификация способов управления горным давле­
нием при разработке масторожделий со сложлыми
горногеологическими условиями .........................................
Заключение ...........................................................................................
Стр.
3
5
14
23
64
34
4]
43
63
72
76
Ф.Н. Воскобоев
УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ РА ЗРА БО ТК Е
ТОНКИХ И СРЕДНЕЙ м о щ н о с т и к р у т ы х п л а с т о в
В СЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Ответственный редактор С.Д. Терехов
Техн.' редактор А.А. К а д а д о ва
Г
Корректор А .Г . Холоденки
- з
Сдано в пр-во 3 0 / 1 Х -7 4 г . Подп. в печ. 16/ХП -7 4 г . Т -2 1 5 1 4 .
Формат 6 0 x 8 4 V l6 .
Печ. л. 5 ,2 5 .
У ч.-и зд. л.
4 ,8 .
Изд. № Т О -2 6 5 3 . Тираж 2 5 5 0 эк з. Цена 48 коп Заказ N°840
ЦНИЭИуголь. Ротапринт, 2-й Николо-Щеповский пер., 5
t
