Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахте «хечам» 8
1.1 Общие сведения о шахте «Хечам» 8
1.2 Характеристика горно-геологических условий отработки пластов
1.2.1 Основные характеристики угля 11
1.2.2 Физико-механические свойства горных пород 12
1.3 Фактическое состояние технологической схемы шахты «Хечам» 16
1.3.1 Схема вскрытия и способ подготовки шахтного поля. 16
1.3.2 Применяемые системы разработки и их параметры 18
1.3.3 Технологии введения очистных и подготовительных работ 22
Выводы по главе 25
2 Анализ известных технологий подземной разработки пологих и наклонных угольных пластов 26
2.1 Классификация систем разработки пологих и наклонных угольных пластов 26
2.2 Анализ применяемых на угольных шахтах мира систем разработки пологих и наклонных угольных пластов 28
2.3 Оценка областей использования известных способов охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок, поддерживаемых на границе с выработанным пространством. 45
Выводы по главе 49
3 Оценка областей рационального использования способов крепления и охраны участковых подготовительных выработок 51
3.1 Крепление подготовительных выработок рамной крепей 51
3.2 Анализ опыта использования анкерной крепи на угольных шахтах 55
3.2.1 Области применения анкерной крепи на угольных шахтах мира 55
3.2.2 Примеры практического применения анкерной крепи на угольных шахтах 61
3.2.3 Примеры практического применения анкерной крепью на угольных шахтах Вьетнама 67
Выводы по главе 71
4 Исследования влияния горно-геологических факторов на процессы деформирования пород кровли пласта 73
4.1 Оценка параметров напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестности повторно используемой выработки 73
4.1.1 Постановка задачи 73
4.1.2 Принятые расчетные схемы и горно-геомеханические модели 75
4.1.3 Результаты оценки параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород 81
4.2 Оценка минимально необходимого расстояния от повторно используемой выработки до границы выработанного пространства 85
Выводы по главе 90
5 Рекомендуемая технология отработки пологих и наклонных угольных пластов в условиях шахты хечам 91
5.1 Рекомендуемая система разработки пологих и наклонных пластов мощностью до 4,55,0 м 91
5.2 Крепление подготовительных выработок при использовании рекомендуемых вариантов системы разработки длинными столбами 99
5.3 Технико-экономическая оценка рекомендуемой технологии отработки пологих угольных пластов в условиях шахты «Хечам» 109
Выводы по главе 111
Заключение 112
Список литературы
- Основные характеристики угля
- Анализ применяемых на угольных шахтах мира систем разработки пологих и наклонных угольных пластов
- Области применения анкерной крепи на угольных шахтах мира
- Принятые расчетные схемы и горно-геомеханические модели
Введение к работе
Актуальность темы исследований.
В настоящее время на угольных шахтах мира при отработке пологих и наклонных угольных пластов с выемкой их на полную мощность наиболее широко используют технологии, основанные на применении системы разработки длинными столбами, позволяющими достигать максимальные нагрузки на очистные забои. Существенными недостатками данных технологий при применении вариантов с повторным использованием участковых подготовительных выработок являются, как правило, большие затраты на поддержание выработок и значительные эксплуатационные потери угля. При реализации вариантов с одноразовым использованием участковых подготовительных выработок указанные технологии характеризуются резким увеличением удельных затрат на проходку выработок.
Вопросами, связанными со снижением издержек производ
ства и минимизацией эксплуатационных потерь угля при системах
разработки длинными столбами, занимаются научно-
исследовательские организации практически во всех странах мира, развитых в области горного дела: Россия, Австралия, Вьетнам, Китай, Украина, Германия и др. Большой вклад в решение этих вопросов внесли исследователи: М.П. Бажин, В.В. Райский, К.А. Ардашев, В.П. Зубов, И.А. Черняк, В.Н. Фрянов, Г.Г. Штумпф, В.В. Мельник, Ю.Н. Кузнецов, Г. Эверлинг, О. Якоби, Во Чонг Хунг и др.
Вместе с тем, варианты системы разработки длинными столбами с оставлением целиков угля между выемочными участками, применяемые в настоящее время при отработке пологих и наклонных угольных пластов мощностью до 4,55,0 м на шахтах указанных стран, характеризуются значительными эксплуатационными потерями угля, составляющими 1015% и более балансовых запасов выемочных участков. Так в условиях перспективной российской шахты «Котинская» при длине столба 3000м невосполнимые потери угля ликвидных марок только в одном целике шириной 25 м составляют около 0,5 млн. т.
Цель работы. Обоснование параметров системы разработки длинными столбами пологих и наклонных угольных пластов мощ-3
ностью до 4,55,0 м в условиях шахты «Хечам», позволяющих снизить эксплуатационные потери угля при креплении участковых повторно используемых подготовительных выработок анкерной крепью.
Идея работы.
При подготовке выемочного столба выработки, предназначенные для повторного использования, необходимо проходить за пределами площади, занимаемой подготавливаемым столбом, на удалении от его границы, исключающем отрицательное влияние опорного давления, формирующегося у краевой части угольного массива, на состояние выработок.
Основные задачи исследований.
1. Анализ особенностей геологических и горнотехнических
условий отработки пологих и наклонных угольных пластов в усло
виях шахты «Хечам».
2. Определение технической результативности способов
охраны участковых подготовительных выработок при использова
нии системы разработки длинными столбами.
3. Оценка возможности и перспектив использования извест
ных технологий отработки пологих и наклонных угольных пластов
мощностью до 5м в условиях шахты «Хечам».
-
Разработка экономически эффективных паспортов крепления повторно используемых участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, на участках, расположенных в зонах опорного давления.
-
Определение минимально допустимой ширины целика угля между повторно используемой участковой подготовительной выработкой и выработанным пространством при креплении выработки анкерной крепью.
Методы исследований. Анализ мирового практического опыта использования систем разработки пологих и наклонных угольных пластов. Моделирование с использованием метода конечных элементов напряжённо-деформированного состояния краевой зоны пласта, прилегающей к выработанному пространству. Аналитические исследования влияния горнотехнологических факторов на параметры области повышенной интенсивности трещин, формиру-
ющейся у краевых частей угольного массива. Анализ результатов экспертных оценок разработанных рекомендаций.
Научная новизна.
1. Установлена зависимость ширины целика, оставляемого
между закрепленными анкерной крепью сдвоенными подготови
тельными выработками, от глубины распространения в массив по
род непосредственной кровли над краевой частью пласта трещин
эксплуатационного происхождения.
2. Установлена зависимость высоты области разрушения
массива вмещающих пород в кровле повторно используемой подго
товительной выработки в период поддержания ее в зоне влияния
очистных работ от ширины целика, оставляемого между сдвоенны
ми подготовительными выработками при их проходке.
Основные защищаемые положения.
-
Снижение потерь угля и уменьшение затрат на проходку подготовительных выработок при отработке пологих и наклонных пластов мощностью до 4,55,0 м достигается при проходке подготовительных выработок на удалении от границ столбов, исключающем отрицательное влияние на повторно используемые выработки опорного давления, формирующегося у краевой части угольного массива, с последующей отработкой целиков на одной линии с очистным забоем.
-
При применении рекомендуемой системы разработки и креплении повторно используемых участковых подготовительных выработок анкерной крепью параметры анкерного крепления необходимо определять с учетом напряженного состояния массива в зоне опорного давления, формирующегося в краевой части угольного массива, прилегающей к выработанному пространству смежного добычного участка.
3. При использовании анкерной крепи в качестве основной
крепи повторно используемых участковых подготовительных выра
боток в процессе крепления в общем случае необходимо различать
три этапа: крепление выработки при ее проходке анкерами первого
уровня; дополнительное крепление выработки анкерами второго
уровня в период охраны ее по схеме «массив-целик»; установка кре-
5
пи усиления на участке выработки, расположенном в зоне опорного давления, формирующегося впереди забоя лавы.
Практическая значимость работы.
-
Для условий шахты «Хечам» предложена система разработки пологих пластов мощностью до 4,55,0 м длинными столбами, использование которой позволяет снизить потери угля в пределах выемочных участков на 1015% и уменьшить затраты на поддержание повторно используемых участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью.
-
Разработан паспорт крепления участковых подготовительных выработок анкерной крепью, обеспечивающий их технологически удовлетворительное состояние в течение всего срока службы.
3. Определена минимально необходимая ширина целика,
оставляемого между повторно используемой участковой подготови
тельной выработкой, закрепленной анкерной крепью, и выработан
ным пространством.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов обеспечивается применением современных научных методов исследования и обработки полученных результатов; большим объёмом проанализированной горнотехнической литературы по вопросам, связанным с повышением эффективности и безопасности отработки пологих угольных пластов с повторным использованием участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью; удовлетворительной сходимостью результатов исследований с данными, полученными в производственных условиях на шахте «Хечам».
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции, посвященной 110-летию Горного факультета: «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный»; на научно-технических советах шахты «Хечам» Куангниньского бассейна.
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи ис-6
следований; выбраны методики проведения исследований; проанализированы геологические и горнотехнологические условия отработки пологих и наклонных угольных пластов в условиях шахты «Хечам»; проведена оценка известных технологий отработки пологих угольных пластов; обоснованы параметры рекомендуемой системы разработки с повторным использованием участковых подготовительных выработок при отработке пологих угольных пластов мощностью до 4,55,0 м в условиях шахты «Хечам»; сформулированы защищаемые положения и выводы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи в изданиях из списка, рекомендованного ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 121 страница состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 91наименования, включает 54 рисунка и 23 таблицы.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных результатов, сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы, инженерно-техническим работникам шахты «Хечам» за оказанную помощь в проведении шахтных исследований.
Основные характеристики угля
Анализ практического опыта работы шахты «Хечам», а также других перспективных шахт Куангниньского угольного бассейна («Маохе», «Тхонгнат», «Донгбак» и др.) показал, что при отработке пологих и наклонных пластов на шахте «Хечам» в основном используют систему разработки длинными столбами с оставлением угольных целиков между транспортными штреками верхнего столба и вентиляционными штреками нижнего столба.
Для подготовки выемочных столбов по углю проходят сдвоенные штреки 1 и 2, с оставлением между выемочными столбами целика угля шириной 2540 м (рисунок 1.5). Штреки используются при отработке только одного выемочного столба, за лавой данный штрек погашают.
Схема подготовки выемочных столбов, применяемая на шахте «Хечам»: 1,3 – вентиляционные штреки нижнего и верхнего столбов; 2,4 –транспортные штреки нижнего и верхнего столбов; 5 – транспортный восстающий; 6 – вентиляционный восстающий. Данная система разработки широко применяется в большинстве шахт Вьетнама. В зависимости от уровня инвестиций и от горно-геологических условий, в лавах используют различие виды крепи - деревянную, металлическую, гидравлическую, щитовую. Способы отбойки угля в очистном забое -буровзрывной или механизированный. Применяемые на шахтах Вьетнама варианты системы разработки длинными столбами характеризуются следующими параметрами: длина столбов составляет до 800 м, длина лав 100130 м. Между столбами оставляют целики угля шириной до 40 м. В условиях шахты «Хечам» при длине лавы 120150 м обеспечивается нагрузка на забой около 700 т угля в сутки.
Применяемая система разработки пласта №12 на шахте «Хечам»: 1,3 – вентиляционные штреки нижнего и верхнего столбов; 2,4 – транспортные штреки нижнего и верхнего столбов; 5 – транспортный восстающий; 6 – вентиляционный восстающий. В целом система разработки длинными столбами по простиранию в вариантах, используемых на шахте «Хечам» и других перспективных шахтах Куангниньского угольного бассейна («Маохе», «Тхонгнат», «Донгбак» и др.), характеризуется весьма низкими технико-экономическими показателями. Так, эксплуатационные потери угля, связанные с оставлением целиков угля для охраны повторно используемых выработок, составляют до 40 % балансовых запасов выемочного участка. Низкими являются скорости проходки участковых подготовительных выработок по углю (6570 м/мес), что отрицательно сказывается на своевременности подготовки новых выемочныых участков. Характеристики крепи участковых подготовительных выработок
В качестве основной крепи участковых подготовительных выработок применяют металлическую податливую крепь ыс арочным (СВП-17, СВП-22, СВП-27, I-110) (рисунок 1.7) или трапециевидным сечением.
Срок службы участковых подготовительных выработок обычно составляет 3 года. Эти выработки проходятся буровзрывным способом сечением 9,1 12 м2. Размеры сечения подготовительных выработок:
В последние годы угольной корпорацией «ВИНАКОМИН» на ряде шахт бассейна Куангнинь предпринимаются попытки внедрения анкерной крепи в качестве основной крепи участковых подготовительных выработок (рисунок 1.8). Следует отметить, что анкерное крепление в широких масштабах используется на угледобывающих предприятиях многих стран мира и объемы его применения ежегодно увеличиваются.
Достоинствами анкерной крепи являются уменьшение затрат на проходку выработок за счет существенного снижения расхода крепежных материалов и уменьшения сечения выработок в проходке, повышение безопасности ведения горных работ, значительное упрощение процесса крепления, возможность механизации и автоматизации процесса крепления. Рисунок 1.8 – Паспорт крепления участковых подготовительных выработок анкерной крепью: 1 – сталеполимерные анкера длиной 2,3 м (расстояние между анкерами в рядах: 0,7 м; расстояние между рядами: 1 м) Опыт креплении подготовительных выработок анкерной крепью в условиях перспективных шахт Куангнинского бассейна показывает, что скорость проходки выработок и производительность труда увеличивается не менее чем на 2023 %.
Вместе с тем процесс внедрения анкерной крепи идет достаточно трудно, в частности, из-за низкой надежности анкерной крепи в зонах влияния очистных работ, особенно, в ситуациях, когда повторно используемая подготовительная выработка поддерживается на границе с выработанным пространством.
Анализ применяемых на угольных шахтах мира систем разработки пологих и наклонных угольных пластов
Практический опыт использования сплошных систем разработки показал, что основными ее недостатками являются: - взаимное отрицательное влияние очистных и подготовительных работ, что является причиной простоев и низких темпов подвигания как очистных, так и подготовительных забоев; - отсутствует предварительная разведка условий залегания пласта; -трудности обеспечения устойчивости участковых подготовительных выра боток при отработке пластов мощностью более 1,3-1,4 м; - большие утечки воздуха через выработанное пространство. Данные недостатки в большинстве случаев делают невозможным экономически эффективное использование современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов.
Технико-экономические показатели при сплошных системах разработки значительно ниже, чем при системах разработки длинными столбами. Поэтому в настоящее время сплошную систему разработки используют, в основном, только при отработке весьма тонких пластов на шахтах Донбасса. По мнению проф. В.П. Зубова конкурентоспособность сплошной системы разработки в ближайшие 1520 лет будет возрастать. Объективными предпосылками для этого являются: - интенсивное увеличение глубины горных работ и связанное с этим уве личение числа участков, где значительное газовыделение, повышенное горное давление и высокая температура вмещающих пород существенно затрудняют предварительное оконтуривание выемочных столбов подготовительными выработ ками, обеспечение технологически удовлетворительного состояния подготовитель ных выработок, надежное проветривание лав и проходческих забоев; - интенсивная отработка наиболее качественных запасов шахтных полей с использованием высокопроизводительных очистных механизированных комплексов и связанное с этим уменьшение числа выемочных участков, размеры которых отвечают требованиям эффективного использования современного дорогостоящего очистного оборудования; - существенным достоинством сплошных систем разработки является то обстоятельство, что их использование связано с минимальными инвестициями, а, следовательно, и минимальными экономическими рисками, что особенно важно в начальный период развития бизнеса; при функционировании угольной отрасти в кризисных ситуациях, связанных с низкими ценами на уголь; реформами макроэкономики; социальными изменениями в обществе; - повышением актуальности вопросов, связанных с опережающей отработкой весьма тонких и тонких защитных угольных платов.
Системы разработки длинными столбами
Практический опыт отработки угольных месторождений в различных странах мира показывает, что технологии, созданные на основе систем разработки длинными столбами, в наибольшей степени отвечают требованию максимальной реализации возможностей современных высокопроизводительных механизированных комплексов. Это является основной причиной постоянного расширения области использования систем разработки длинными столбами. В зависимости от взаимного расположения лав, принятых схем транспортирования угля и проветривания лав в настоящее время различают несколько перспективных вариантов систем разработки длинными столбами. Общими их принципиальными отличиями являются: до начала отработки выемочных участков проходят все подготовительные выработки, необходимые для ведения очистных работ, выемочные столбы отрабатывают обратным ходом – от границ участков к основным подготовительным выработкам.
Анализ практического опыта использования систем разработки длинными столбами показал [25,29,35,37,47,54,64,80,82], что при использовании механизированных комплексов отработку пластов без разделения их на слои применяют обычно при мощности пласта до 5,5 м. При этом применяемые на практике технологические схемы отработки мощных пологих пластов (более 3,5) принципиально не отличаются от технологических схем механизированной выемки пологих пластов средней мощности (1,23,5 м).
В настоящее время на угольных шахтах России, Австралии, Польши, Германии, Китая и др. наиболее широко используется система разработки длинными столбами одиночными лавами. Принципиальные схемы этих систем разработки приведены на рисунках 2.5.
При отсутствии фланговых выработок и использовании схемы с повторным использованием ярусных штреков (рисунок 2.5,а) работы по восстановлению штреков для их последующего повторного использования могут быть начаты только после полной отработки столба. Разрыв во времени между завершением работ в лаве и пуском лавы в нижерасположенном ярусе зависит от продолжительность восстановления штрека, величина которого в сложных горногеологических условиях соизмерима с временем, затрачиваемым на проведение нового штрека. Данное обстоятельство является одной из основных причин снижения уровня пространственной концентрации работ на угольных шахтах Восточного района Донбасса и Украины. Среднегодовое число одновременно работающих лав в пределах панели на этих шахтах, как правило, не превышает 1,2-1,3, а панели отрабатывают по схеме: в одном крыле панели отрабатывают столб, в другом подготавливают к отработке очередной столб.
Области применения анкерной крепи на угольных шахтах мира
На основании обобщения результатов наблюдений в подготовительных выработках на шахтах Кузбасса установлены следующие основные виды деформации и разрушения (рисунок 3.7) заанкерованных пород кровли:
1) Под воздействием горного давления породы однородные или тонкослоистые общей мощностью более 1,8-2,5 м с пределом прочности на одноосное сжатие с сж 40 МПа деформируются постепенно и разрушаются хаотично, от контура выработок вглубь пород кровли (рисунок 3.7, а), с образованием небольших вывалов в пролетах между анкерами, которые соединяются между собой, образуя единый свод естественного равновесия довольно правильного очертания.
При надежном закреплении анкеров за пределом свода естественного равновесия пород и достаточно прочной перетяжке кровли, разрушенные породы удерживаются на анкерах и перетяжке.
При высоте свода естественного равновесия больше длины анкеров и длительном сроке службы выработки породы кровли обрушаются вместе с анкерами. Образовавшиеся в кровле полости имеют, в основном, сводчатую форму или близкую к ней.
При недостаточной прочности закрепления замков анкеры в скважинах (шпурах) смещаются под действием веса обрушающихся пород, причем смещения средних анкеров по ширине выработки больше смещений анкеров у боков выработки. В этих условиях замки анкеров следует располагать за пределами возможных вывалов пород кровли не менее чем на 0,5 м.
2) Слоистые породы кровли (рисунок 3,б) с сж 40-45 МПа деформируются и разрушаются постепенно по контактам напластования и другим поверхностям ослабления от контура выработки вглубь массива до 0,5b (где b - ширина выработки) и более в зависимости от прочности пород, глубины расположения и способа охраны выработок. В случаях, когда длина анкеров больше глубины, на которую распространяются опасные деформации в кровлю, и прочность закрепления анкеров больше веса пород в своде обрушения, последние зависают на анкерах, подхватах и затяжках. Развитие расслоения и разрушения пород вглубь кровли на величину, превышающую длину анкеров, указывает на их недостаточную длину в данных условиях.
Для этого типа пород кровли состояние заанкерованных пород в значительной мере зависит от начального распора анкеров при установке. Увеличение натяжения анкеров при установке способствует сохранению естественной связи между слоями и совместной их работе. По данным шахтных наблюдений оптимальное натяжение анкеров при их установке составляет 3540 кН для выработок вне зоны влияния очистных работ и 50 кН - для выработок в зоне повышенного влияния очистных работ. Натяжение анкеров свыше указанных величин не приводит к заметному снижению расслоения и опусканию заанкерованной кровли.
3) Заанкерованные породы обрушаются вместе с анкерами практически как единая составная плита по контакту слабого и очень слабого прослойка угля или породы, залегающего на уровне закрепления анкеров или обычно на 0,5-0,6 м выше места их закрепления. Эти поверхности зачастую служат очагами расчлене ния и обрушения заанкерованных пород (рисунок 3.7, в). Под действием нараста ющего горного давления, прежде всего при попадании выработок в зону влияния очистных работ обрушается, в основном, вся заанкерованная толща кровли вместе с анкерами без существенных деформаций и расслоений ее вплоть до места зале гания угля или слабого прослойка породы. В этих случаях вес скрепленных пород и напряжения больше сцепления пород на контакте их расчленения и обрушения. Данный вид обрушения пород - наиболее опасный. Для предотвращения опасных деформаций и обрушений пород необходимо иметь надежные данные о строении и свойствах пород кровли в пределах не менее двух мощностей скрепляемых по род, так как в этом интервале происходят наиболее существенные процессы, вли яющие на безопасное состояние поддерживаемых выработок.
Наличие плоскостей ослабления пород кровли, содержание в них прослойков угля, слабых глинистых и других веществ следует выявлять при бурении шпуров на указанную глубину по мере проведения выработок, при геологоразведочных работах или геофизическими методами.
4) Нижние слои кровли, преимущественно мощностью 0,60,7 м, представ лены в основном макродефектными породами низкой прочности, а над ними зале гают прочные породы (рисунок 3.7 г). В зоне повышенного влияния очистных ра бот эти слои обычно разрушаются до прочных пород и нависают над затяжкой и анкерами. В результате происходят разгрузка анкеров и, при несвоевременном ремонте выработок, деформации вышележащих пород. Выполненные исследования и накопленный опыт подтверждают целесообразность и эффективность проведения выработок с присечкой слабых слоев непо 67 средственной кровли, особенно ложной кровли пластов, мощность которой в условиях шахт бассейна не превышает 0,6 м.
5) Разрушение и обрушение заанкерованной толщи угля (рисунок 3.7, д), обычно мощностью 1,52 м, оставляемой в кровле выработок по мощным пла стам. Из-за сравнительно низкой силы сцепления между породами кровли и угольным пластом в зоне повышенного горного давления происходят расчленение угля и породы по контакту «кровля - пласт угля» и обрушение заанкерованной толщи угля вместе с анкерами.
Исходя из неудовлетворительного опыта анкерного крепления выработок, проводимых с оставлением угольной пачки в кровле, применение в них анкерной крепи в качестве самостоятельной допускается лишь при закреплении замковой части анкеров не менее чем на 0,50,6 м в прочных породах кровли пласта и тщательной затяжке кровли.
6) Породы однородные, в основном песчаники, мощность их превышает ширину выработки (обычно основная кровля пластов), сж 70 МПа. При закреп лении анкерами породы деформируются незначительно и на протяжении всего срока эксплуатации выработок сохраняют устойчивое состояние. Они функцио нируют как единая плита (рисунок 3.7, е). В случае повышенного горного давле ния заанкерованная кровля опускается со значительным выдавливанием угля из боков выработок. Для предотвращения опасных деформаций угля бока выработки следует закреплять анкерами в сочетании с перетяжкой, преимущественно метал лической решетчатой.
Анкерная крепь на шахтах Вьетнама применяется для крепления кровли подготовительных выработок с пределом прочности пород на одноосное сжатие не менее 25 МПа. В основном используемые анкеры, конструкция которых представлена на рисунке 3.8. Анкер состоит из стержня 1, изготовленного из арматурного проката, металлического прутка, винтового профиля и др., опорной шайбы 2 и гайки 3. Применяются анкеры совместно с подхватами различных конструкций и ампулами с быстротвердеющими составами. Время отверждения данных составов после перемешивания в шпуре находится в пределах 15170 секунд, в зависимости от марки применяемого состава. Число ампул в шпуре и физико-технические свойства скрепляющего состава выбираются на стадии составления паспорта крепления выработки. Технические характеристики типовых анкерных крепей представлены в таблице 3.8.
Принятые расчетные схемы и горно-геомеханические модели
Наибольший практический интерес при решении задачи улучшения технико-экономических показателей шахты «Хечам» представляют пологие и наклонные пласты мощностью до 4,55,0 м, при отработке которых достигаются максимальные среднесуточные нагрузки на очистные забои. Доля таких пластов составляет около 3035 %.
Фактически применяемая на шахте «Хечам» система разработки длинными столбами (рисунок 1.5 и 1.6) характеризуется следующими существенными недостатками: - значительными затратами на проходку и поддержание участковых подготовительных выработок, закрепленных металлической податливой крепью с арочным (СВП-22, СВП-27, I-110) или трапециевидным сечением; - низкими темпами проходки участковых подготовительных выработок (6575м/мес), что отрицательно сказывается на своевременной подготовке фронта очистных работ; - значительными эксплуатационными потерями угля (до 38 %) в целиках, оставляемых для охраны участковых подготовиельных выработок между смежными выемочными участками. Несмотря на значительные затраты на крепление участковых подготовительных выработок выработок рамной крепью и оставление целиков угля, ежегодно перекрепляют до 30 % участковых подготовительных выработок. С увеличением длины выемочных столбов и глубины горных работ отрицательное влияние указанных затрат и потерь угля на экономические показатели шахты возрастает, что предопределяет перспективность и актуальность исследований, связанных с поиском технических решений, позволяющих минимизировать эти затраты.
Выполненные исследования (Главы 1-4) показали, что при фактически сложившейся технологической схеме шахты «Хечам» существенное повышение ее экономических показателей при отработке пологих пластов мощностью до 4,55,0м может быть достигнуто при использовании систем разработки, обеспечивающих возможность обеспечения технологически удовлетворительного состояния повторно используемых участковых подготовительных выработок, закрепленных анкерной крепью, в течение всего срока их службы.
К числу систем разработки, удовлетворяющих этому требованию, относятся варианты системы разработки длинными столбами по простиранию (или падению), разработанные проф. В.П.Зубовым [31,33,32,35]. На рисунках 5.1и 5.2 представлены варианты, рекомендуемые для проектной оценки при выборе системы разработки пологих пластов мощностью до 4,55,0м в условиях шахты «Хечам».
В вариантах, представленных на рисунке 5.1, при подготовке очередного выемочного столба ABKF ярусный штрек 3 проходят за пределами площади, занимаемой данным столбом, на удалении Z от его границы, расположенной со стороны падения пласта [31,32,33,].
С увеличением расстояния Z уменьшается влияние на процесс деформирования штрека как временного опорного давления, возникающего впереди забоя лавы, так и стационарного опорного давления, формирующегося у неподвижных краевых частей угольного массива. При величине Z, превышающей ширину зоны опорного давления, возникающей у краевой части угольного массива, отрицательное влияние очистных работ на состояние ярусных штреков исключается. То есть, условия поддержания штреков в течение всего срока их службы будут аналогичны условиям поддержания штреков, расположенных в нетронутом массиве. а)
Рекомендуемые варианты бесцеликовой системы разработки пологих пластов мощностью до 4,55,0 м в условиях шахты «Хечам»: а, б - соответственно с проведением и без проведения вспомогательного вентиляционного ходка на границе с выработанным пространством В варианте системы разработки длинными столбами, приведенном на рисунке 5.1,а, в верхней части отрабатываемого выемочного столба с опережением лавы вприсечку к выработанному пространству проходится ходок 7. Ходок проходится с неснижаемым опережением забоя лавы на величину: b S +d n +2 an , (5.1) cos a где: b - расстояние между забоем ходка 7 и лавой; S - ширина зоны опорного давления, возникающей впереди забоя лавы на уровне верхней границы выемочного столба; dn- расстояние между печами; ап– ширина печи; а – угол между осью печи и линией очистного забоя
Проведение ходка 7 (рисунок 5.1,а) с опережением лавы на величину S, определяемую из выражения (5.1), позволяет в любой период времени производить обслуживание лавы по участку вентиляционного штрека 2 и печам 4, расположенным вне зоны опорного давления, возникающей впереди забоя лавы. Так, при подходе лавы к ближайшей печи 4 на расстояние, равное ширине зоны опорного давления, ходок 7 будет пройден до соединения его с следующей печью 4. Это позволяет исключить необходимость выполнения ремонтных работ в печи 4 и на участке ярусного вентиляционного штрека 2, находящегося в наиболее неблагоприятных условиях поддержания.
При нисходящем проветривании очистного забоя проведение просека 6 и печей 4 планируется в ремонтно-подготовительные смены. При использовании технологической схемы, в которой не предусматривается проведение вспомогательных присечных выработок на границе с выработанным пространством (рисунок 5.1, б), расстояние Z от штреков до границ столба принимается меньше предельно допустимой (по правилам безопасности) длины тупиковой части очистного забоя. На негазовых шахтах с углами падения до 10 длина тупиковой части очистного забоя может быть принята не более 10 м, на газовых шахтах величина этого параметра составляет 6м. Ширина полосы угля, оставляемой между столбами, принимается равной 12 вынимаемой мощности пласта. В период отработки выемочного столба на его границе, прилегающей к нетронутому массиву, с опережением лавы проходится просек 6 (рисунок 5.1,б), ко 95 торый соединяется с ярусным откаточным штреком 1 печами 4. Угол между осями печей и линией очистного забоя принимается равным 2030. В горно-геологических условиях позволяющих производить «открепление» в выработанном пространстве за лавой ходка 5 (рисунок 5.1,б), просек 6 не проводится. Связь лавы и штрека 1 осуществляется через ходок 5 и расположенные за лавой печи 4.
Максимальная эффективность использования вариантов системы разработки длинными столбами, представленных на рисунке 5.1, достигается при отработке выемочных столбов длиной до 600700 м.
При длинах столбов более 700800 м для использования в условиях шахты «Хечам» рекомендуется вариант безцеликовой системы разработки длинными столбами [35,37,38], представленный на рисунке 5.2. При реализации данного варианта подготовку выемочного столба ABKF производят сдвоенными штреками 1 и 2, проходимыми по углю, с оставлением между ними целика угля шириной Z. При отработке выемочного столба BCLK один из сдвоенных штреков 3 используется как транспортный штрек, который сохраняется для повторного использования в качестве вентиляционного штрека при отработке нижерасположенного смежного столба ABKF. Второй штрек 4 используется при отработке только одного выемочного столба, за лавой данный штрек погашают.