Введение к работе
Актуальность темы; Технико-экономические показатели и перспективы развития угольной промышленности в значительной степени зависят от эффективности отработки пластов на глубоких шахтах, доля добычи из которых постоянно возрастает, В настоящее время шахтами, отрабатывающими пласты на глубинах, превышающих 600 м, добывается более 35 от общего объема добычи подземным способом. Величина данного показателя для Донецкого бассейна, обаспечиващего потребности энергетики и металлургической промышленности в антрацитах и коксующихся углях наиболее ценных марок, превышает 60.
От.т подземной отработки пластов показывает, что при переходе горных работ на более глубокие горизонты технико-экономические показатели угледобычи ухудшаются, Об этом, в частности, свидетельствуют наблюдаемые в годы последних пятилеток тенденции к снижению среднесуточной нагрузки на очистной забой и уровня пространственной концентрации горных работ.
Отрцательное влияние глубины связано с усложнением горногеологических условий и снижением надежности функционирования подсистем шахты.
При использовании на больших глубинах традиционных технологических схем бесцеликовой отработки пластов и способов управления горным давлением фактическая среднесуточная нагрузка на очистные забои, оборудованные современными механизированными комплексами, в 2,5 - 5 раз меньше технических возможностей средств выемки, а уровень пространственной концентрации работ в 1,5 - 2,0 рала ниже эталонного. На глубоких шахтах Донбасса ежегодно ремонтируется до 40 вкрвботок. Трудоемкость их поддержания на 1000 т добычи достигает 70 чєл.-cvjh и более.
Цель» работы являлось создание и научное обоснование схем подготовки и брсцеликопой отработки тонких и средней мощности пологих угольных пластов, позволяющих повысить техни-ко-окономическис показатели ведения горных работ на болызих глубинах при использовании серийно внпускасмідс отечественной промк'їл^'нностьо креп?Я очистнізс и подготовительное "кряботок.
Идея работы заключается в комплексном использовании систем разработки и способов управления горным давлением на основе перераспределения напряжений в массиве для нейтрализации отрицательного влияния глубины на проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-
Установлены закономерности изменения проявлений горного давления в*очистных и подготовительных выработках в зависимости от природных (глубина работ, физико-механические свойства вмещающих пород) и технологических факторов, позволившие обосноваті приоритетные направления совершенствования способов управления горным давлением и систем разработки пластов в условиях глубоких шахт.
-
Построены физические модели формирования зон повышенной нарушенности пород непосредственной кровли в лавах, тремя основными системами трещин эксплуатационного происхождения, определяющими интенсивность и характер обрушений пород кровли в при-забойном пространстве лав, отрабатываемых на больших глубинах: частота трещин первой системы зависит от технологии выемки пласта, второй системы - от глубины ведения горных работ и прочностных, характеристик пород кровли, третьей системы - от условий формирования областей неупругих деформаций в окрестностях подготовительных выработок. -
-
Выдвинута и экспериментально подтверждена гипотеза о возможности регулирования степени нарушенности пород кровли трещинами эксплуатационного происхождения путем искусственного перераспределения напряжений впереди очистного забоя и в окрестностях подготовительных выработок, позволяющего увеличить боковое давление в областях опасных напряжений и тем самым повысить сопротивляемость пород кровли разрушению.
-
Выявлены особенности процессов деформирования и разрушения пород непосредственной кровли на различных участках по длине лавы и их зависимость от системы разработки и способов охраны подготовительных выработок, что позволило сделать вывод о необходимости дифференцированного подхода к вопросам
управления кровлей на средних участках лав, расположзнных вне зон влияния неподвижных краевых частей угольного массива и подготовительных выработок, на концевых участках лав, прилегающих к нетронутому массиву или целикам, и на концевых участках лав, прилегающих к выработанному пространству.
5. Установлена зависимость роли факторов, определяющих
интенсивность обрушений пород кровли в лавах и устойчивость
подготовительных выработок, от глубины разработки пластаг на
малых глубинах, характеризующихся значениями коэффициента
» < 0,4, вывалы в лавах связаны с осадками основной кровли и геологическими нарушениями, на больших глубинах (0 »' 0,6) до 85 от общего числа вывалов обусловлено разрушением пород кровли впереди забоя лавы; основными факторами, определяющими устойчивость подготовительных выработок на малых.глубинах,.являются опускания и разрушение пород кровли, на больших глубинах - пучение пород почвы, доля которого в конвергенции достигает 80 и более."'
-
Показано, что при разработке, пластов на больших глубинах определяющее влияние на долю пучения пород почвы подготовительных выработок в конвергенции оказывают соотношение пределов прочности'пород кровли и почвы, способ охраны выработок, мощность пучащего слоя и ориентация выработок относительно линии простирания пласта. Дана количественная оценка доли пучения пород при различном сочетании указанных факторов.
-
Установлено, что при бесцеликовой технологии отработки пластов на больших глубинах основными причинами, сдерживающими внедрение- прогрессивных столбовых систем разработки,являются высокая интенсивность обрушений пород кровли на концевых участках лав и отсутствие надежных способов и средств, обеспечивающих устойчивое состояние выработок за лавой при залегании в почве пласта пород, склонных к пучению.
Практическая значимость работы заключается в том, что: I. Установлены и проанализированы причины возникновения негативных тенденций изменения основных технико-экономических показателей подземной угледобычи в течение последних пя-
-.6 -
тклеток и определены пути преодоления этих тенденций.
-
Разработаны инженерные методы прогноза интенсивности обрушений пород кровли в лавах и смещений пород почвы в участковых: подготовительных выработках.
-
Оценены перспективы и эффективность использования из-вевтных способов управления горным давлением в очистных и подготовительных выработках на больших глубинах разработки.
4» Разработаны эффективные способы управления горным давлением, позволяющие исключить основные причины обрушений пород кровли в лавах, отрабатываемых на больших глубинах, и расширить область ^рационального использования серийно выпускаемых механизированных крепей поддерживающего типа.
6, Предложен* столбовая.система разработки пологих угольных ПЛ60Т08 на больших глубинах, позволяющая в 1,5 - 2,0 раза увеличить концентрации рабо?, исключить влияние очистной выемки на состояние подготовительных выработок, в несколько раз уменьшить ватраты на поддержание повторно используемых подго-товителпых выработок.
6. Созданы пространственно-планировочные решения по подготовке и отработке овит сближенных пологих угольных пластов, позволяющие уменьшить объемы горно-подготовительных работ и нейтрализовать отрицательное влияние глубины на проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках на-драбвтшвемых пластов.
?. Разработаны блок-схемы выбора расчетных вариантов рекомендуемых систем разработки в зависимости от горно-геологи-чаеких условий отработки пластов.
При выполнении работы использованы методы научного аналізе и обобщения данных, опубликованных в горно-технической Литературе как отсчественнь'ми так и зарубежными учеными,ана-латичее. .>е, лабораторные и шахтные исследования. Полученные при Проведгний исследований результаты обрао'атнвялись на ЭВ.У. с использованием методов математической статистики."
Рвбета выполнялась в 1971 - 1939 гг. в Ленинградском горком институте в-соответствии с планами НИР Отраслевой горко-
технологической лаборатории МУЛ CCCF. В проведении этих исследований с 1971 по 1983 гг. автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя, а с 1983 г. - в качестве научного руководителя тем (номера госрегистрации тем 01825059249, 01830015972,01850006597,01870007900).
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом производственных и лабораторных экспериментов, проведенных в 1971 - 1989 гг. для широкого диапазона горно-геологических условий, удовлетворительной сходимостью прогнозируемых и фактических результатов, полученных при опытно-промышленной проверке и внедрении рекомендуемых систем разработки и способов управления горным давлением, а также длительным использованием предложенных технических решений и методических разработок как при проектировании, так и на действующих шахтах восточного района Донбасса.
Внедрение результатов работы.
Результаты исследований использованы при подготовке отраслевых нормативных документов, утвержденных Ыинуглепромом СССР: "Методических рекомендаций по предотвращению вывалов пород из кровли в лавах, отрабатываемых на больших глубинах в условиях шахт восточного района Донбасса", г.Шахты, 1986.} "Указаний по рациональному расположению, охране и поддержанию выработок на угольных шахтах СССР", ВНИМИ, 1978г.; "Временных указаний по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м и углом падения до 35", Л., ВНШИ, 1982 г. Разработанные технологические схемы и способы управления горным давлением используются как на отрабатываемых горизонтах, так и при проектировании схем подготовки и отработки новых горизонтов глубоких шахт восточного района Донбасса. Экономический эффект, связанный с внедрением результатов работы, превышает 1,1 млн.руб.
Научные и практические результаты работы широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля.
- 8 -Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Международной конференции по проблемам гесмеха-ники в глубоких шахтах (ПНР, г.Краков, 1968); Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование, прогноз и контроль проявлений горного давления", Ленинград, 1982; совместном заседании секции подземной разработки угля и сланца Научно-технического совета Минуглепрома СССР и секции новой технологии подземной добычи угля Научного совета по проблеме "Новые процессы и способы произ-эодства работ в горном деле" Государственного комитета СССР, по науке и технике (Ворошиловград, 1983); технических совещаниях по вопросам отработки пластов на больших глубинах, проводимых по инициативе Минуглепрома СССР в производственном объединении по добыче угля "Гуковуголь" (г.Гуково, 1988 и 1989 гг.) и институте "Ростовгипрошахт".
Решением конкурсной комиссии Северо-Западного территориального Правления и Президиума НТО работа на тему "Способ управления кровлей в лавах при разработке пластов на больших глубинах" награждена дипломом Ш степени (Л., 1983). Работа на тему "Изыскание эффективных схем разработки уклонных панелей" (Л., 1987) награждена почетной грамотой на Всесоюзном конкурсе на лучшую НИР.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 48 печатных работах. Новые технические решения, созданные в процессе работы над диссертацией, защищены 23 авторскими свидетельствами на изобретения.
Материалы исследований явились основой для утвержденных Мин-углепромом СССР "Методических рекомендаций по предотвращению вывалов пород из кровли".
В издательства находится принятая к печати монография.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных литературных источников из 182 наименований.
Общий объем рвботы - 456 страниц, в том числе: 22 таблицы, 135 рисунков, 299 страниц машинописного текста.
Автор выражает глубокую благодарность за консультации и методическую помощь члену-корреспонденту АН СССР проф., д.т.н. Проскурякову Н.М., заслуженному деятелю науки и техники РСФСР Борисову А.А. и доценту Андрушкевичу С.Г., за консультации по проблемным вопросам разработки угольных пластов на больших глубинах - главному горняку Главподяемуголь МУП СССР Афонину Н.И., за помощь, оказанную при проведении производственных экспериментов и внедрении результатов исследований, - к.т.н.Лазченко К.Н., инженерам Иванову А.А., Рутькову К.И., Гуцалюку B.C.
