Проблемы геомеханики при работе высокопроизводительных очистных забоев

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА — 98»
МОСКВА, МГГУ, 2. 02. 98 — 6. 02. 98 СЕМИНАР 8 «ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА» (ПРОБЛЕМЫ «ГЕОМЕХАНИКИ»)
Ю. В. Громов, профессор, д.т.н.
М. А. Розенбаум, д.т.н.
НИИ горной механики и маркшейдерского дела В. И. Магдыч, к.т.н. «Кузнецкуголь»
ПРОБЛЕМЫ ГЕОМЕХАНИКИ ПРИ РАБОТЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ
Достижение высоких нагрузок на очистной забой является комплексной многофакторной научно-технической проблемой, которая не может быть решена только путем применения высокопроизводительной техники. Эффективность работы длинного очистного забоя определяется, в основном, следующими факторами:
1) горно-геологическими и горнотехническими условиями, включая вопросы тектонического строения, напряженного состояния массива горных пород и гидрогазодинамики-
2) уровнем механизации, т. е. применяемой техникой-
3) организацией работ на участке и на шахте в целом или, точнее, состоянием шахтного фонда.
Горно-геологические условия разработки угольных пластов на месторождениях России по сравнению, например, с германскими, американскими или австралийскими месторождениями отличаются в худшую сторону. Из общего объема промышленных запасов на наших шахтах около 17% приходится на пласты с трудно обрушающими-ся кровлями и около 20% - на пласты с неустойчивой непосредственной кровлей. По дизъюнктивной нарушенности более половины (52%) запасов залегают в пластах выше средней нарушенности, а 63% - приходится на шахты сверхкатегорные по газу. В благоприятных условиях работает очень мало отечественных шахт («Распадская»,
V
«Воргашорская», некоторые шахты Ле-нинск-Кузнецкого района). Мощности разрабатываемых пластов на зарубежных шахтах составляют, преимущественно, 1 — 4 м. Слоевых систем разработки у них практически нет. Глубина работ на амери-канских шахтах в большинстве случаев не превышает 300 м, длина лав составляет 200 — 300 м. Сопротивление механизированных крепей на европейских шахтах находится в диапазоне 360 — 820 кН/м2, в США — в основном 1300 кН/м2. Как видим, сопротивление мех-крепей отечественного производства находится в том же диапазоне, однако они, как правило, значительно уступают зарубежным по надежности.
Практика показывает, что к числу основных причин неудовлетворительной работы очистных забоев на наших шахтах относятся некачественные прогноз горно-геологи-ческих условий и оценка геомеханической обстановки, приводящие к необоснованным решениям при планировании горных работ, выборе способов подготовки выемочных полей и соответствующего оборудования. Это подтверждается многочисленными примерами. Так, в Кузбассе на шахте им Ленина при слоевой отработке мощных сближенных пластов столбами в разных направлениях (одного — по простиранию, другого — диагонально) вследствие образования зон ПГД от целиков на вышележащем
пласте в выработках нижележащего пласта постоянно возникали аварийные ситуации. В очистных забоях резко снижалась устойчивость кровли и развивался интенсивный отжим угля. В подготовительных выработках по верхнему слою происходило невиданное ранее пучение почвы, которая поднималась до кровли на всю высоту выработки и требовалась трех-четырех кратная поддирка.
На шахте «Распадская» из-за неправильного выбора направления отработки пласта были вынуждены демонтировать комплекс 2КМТ. Здесь же, в условиях трудно обру-шающейся кровли, крепь комплекса КМ 138 претерпела существенные разрушения из-за неправильного задания распора по рядам стоек. На шахте «Северная» в Воркуте комплекс КМ 137 был демонтирован из-за частых поломок крепи вследствие размещения его в зоне ПГД от целиков на вышележащем пласте. На этой же шахте другой комплекс этого типа КМ137СКВ со струговой установкой был затоплен после осадки основной кровли в результате поступления воды с вышележащего пласта. Таких примеров можно привести немало. Они хорошо известны и свидетельствуют о необходимости тщательной предварительной гео-механической оценки ситуации на выемочном участке. Однако для такой оценки недостаточно знать геометрические и механические характеристики отрабатываемого пласта и вмещающих пород, склонность пластов к самовозгоранию и к газодинамическим явлениям.
Для успешной высокоэффективной работы очистных забоев, по нашему мнению, необходимо производить предварительную оценку технологичности подготавливаемых запасов, в которой наряду с указанными сведениями учитывались бы такие факторы как блочность строения шахтного поля, величины напряжений в породном массиве и их направление, наличие и влияние
горных работ на смежных пластах, наличие геологических скважин, полостей возможных скоплений воды, метана и т. д. В связи с этим необходимо разработать методику оценки технологичности намечаемых к выемке запасов с использованием компьютерной геомеханической модели выемочного участка с учетом влияния выше перечисленных факторов. По степени технологичности запасы могут быть отнесены: к высокотехнологичным, интенсивная отработка которых возможна без проведения каких-либо мероприятий- технологичным, которые могут интенсивно отрабатываться после проведения специальных мероприятий типа осушения, дегазации, искусственного разупрочнения пород, проведения локальных защитных мероприятий по снижению динамических проявлений горного давления, упрочнения пород в зонах геологических нарушений и других мероприятий по подготовке массива в пределах выемочного столба- низкотехно-логичными когда интенсивная отработка запасов в принципе невозможна.
Увеличение скорости подвигания очистного забоя, при прочих равных условиях, приводит к увеличению скорости опускания кровли в призабойном пространстве. Однако абсолютные величины опусканий кровли, а следовательно, и рост сопротивления крепи в течение выемочного цикла уменьшаются. В этом заключается положительное влияние высоких нагрузок на лаву.
Отечественные механизированные крепи нового технического уровня (М138, М142, М144, М145 и др.) по своим техническим характеристикам способны обеспечить надежное управление кровлей и нагрузки на лаву 5−6 тыс. т в сутки. Вообще говоря, таких нагрузок отдельные бригады уже достигали еще 10−15 лет назад даже в забоях с крепями более низкого технического уровня. Основными факторами гео меха н и чес кого характера, сдерживающими эффектив-
ность работы очистного забоя, яв-ляются: неудовлетворительные условия под
держания кровли на сопряжениях их с подготовительными выработками, на которые приходится от 30 до 50% всей трудоемкости работ в лаве, отсутствие оперативного контроля (мониторинга) фактического состояния породного массива и гидросистемы крепи, а также отсутствие спецобору-дования для профилактики условий в призабойном пространстве.
Другая сторона геомеханической проблемы обеспечения высоких нагрузок на лаву — это состояние подготовительных выработок. Лава, оснащенная высокомеханизированным и даже автоматизированным комплексом, а подготовительная выработка с трех-четырех рядной органной, возводимой вручную, никогда не будет рентабельной. Подготовительные выработки, сечение которых на отечественных шахтах обычно не превышает 10−12 м2, крепят металлическими арками или трапециевидными рамами, а в зоне опорного давления дополнительно устанавливают крепь усиления. Состояние выработок, оконтуривающих выемочный столб, нередко является неудовлетворительным, крепь деформируется, особенно в выработках, сохраняемых для повторного использования. Конвейерные выработки, где обычно располагается энергопоезд, насосная станция и средства доставки, сильно загромождены, что отрицательно сказывается на работе очистного забоя.
В мировой практике в настоящее время сформировались принципы конструирования способов отработки выемочных полей, основанные на многоштрековой подготовке выемочных столбов, применении выработок большого (16−20 м2) сечения и сталеполимерных и тросовых анкеров высокой несущей способности, использовании комбинированной системы разработки, сочетающей длинные и короткие очистные забои. На наших шахтах решение этих
вопросов без видимых причин растягивается на многие годы.
Особо следует остановиться на проблемах геомеханики при разработке мощных пластов. Промышленные запасы угля в этих пластах с углами падения до 35° только в Кузнецком бассейне превышают 1 млрд. тонн. Специфика их состоит в том, что они требуют решения целого ряда задач, обусловленных особенностями способов их выемки, наклонными слоями- сразу на полную мощность одним забоем- с обрушением и выпуском угля из подкровёльной или межслоевой толщи. Несмотря на высокие потенциальные возможности, обусловленные большой мощностью, разработка их нередко осуществляется даже менее эффективно, чем пластов средней мощности, сопровождается значительными эксплуатационными потерями и характеризуется весьма высокой трудоемкостью поддержания слоевых подготовительных выработок.
В последние 15−20 лет в мировой практике наметилась устойчивая тенденция к увеличению одновременно вынимаемой мощности пластов (слоев). В настоящее время уже созданы и работают отечественные механизированные комплексы, отрабатывающие одним забоем пласты или слои мощностью 4,5−5,0 м, и ведутся конструкторские разработки по увеличению мощности до 6 м. Применение таких комплексов ведет к сокращению удельного веса слоевой выемки, что следует оценивать в об-щем-то положительно, т.к. сокращается объем подготовительных выработок, отпадает проблема обеспечения устойчивости кровли в нижележащих слоях, представленной не слеживающимися обрушенными породами. Вместе с тем, при увеличении вынимаемой мощности начинают проявляться резкие осадки кровли в очистном забое даже в тех условиях, где ранее они не наблюдались. Кроме того, при выемке пластов (слоев) мощностью 3 м и более начи-
нает интенсивно развиваться отжим угля из забоя, в связи с чем возникает проблема управления не только кровлей, но и угольным забоем. Однако следует признать, что эффективных решений этого вопроса ни геомеханических, ни конструкторских в настоящее время еще нет.
Следует иметь в виду, что около 50% промышленных запасов в мощных пластах Кузбасса по дизъюнктивной нарушенности относятся к пластам выше средней нарушенности. Значительная доля запасов приходится на пласты с резкими изменениями мощности и угла падения. В этой связи решение проблемы эффективной отработки данных пластов должно, очевидно, идти по пути совершенствования систем разработки с обрушением и выпуском угля из подкро-вельной или межслоевой толщи в подсечной слой у почвы пласта. В этом направлении в свое время в 50−70 г. г. у нас уже был накоплен успешный опыт выемки таких пластов в Южном Кузбассе комбинированной системой разработки с комплексами типа КТУ. В последующие годы были испытаны различные типы комплексов, созданных на базе серийных: КМ81 В, КМВ-130, ОКПВ70, КНКМ.
Данный способ выемки пластов за последние годы получил широкое распространение на шахтах КНР. Китайские специалисты, опираясь на мировой опыт (СССР, Франция, СФРЮ), разработали различные модификации мехкрепей и успешно применяют данную технологию на пластах мощностью от 4,5 до 30 м в самых разнообразных горно-геологических условиях. По этой технологии уже. отработано более 300 выемочных столбов. В 1997 г. в эксплуатации находилось около 90 очистных забоев. Средняя нагрузка на очистной забой в 1996 г. составила 800 тыс. т в год, а 26 забоев работали с нагрузкой более 1 млн. т, в том числе в 15 забоях она превышала 1,5 млн. т, а в 3 забоях была на уровне 2,5−3,0 млн. т. Мощность подсечного слоя у почвы
пласта, который отрабатывается с мехкре-пью, составляет 1,7−2,8 м. Выпуск вышележащей угольной толщи осуществляют через люк в перекрытии секции на забойный конвейер или через люк в ограждении либо из-под ограждения на второй (завальный) конвейер, установленный на почве пласта. Коэффициент извлечения угля составляет не менее 80%, что соответствует потерям по мощности при слоевой выемке пластов. При этом китайскими специалистами успешно решаются вопросы противопожарной безопасности при выемке пластов, склонных к самовозгоранию угля, дегазации выемочного участка и обеспыливания.
Первоочередные задачи по обеспечению эффективности этого способа выемки связаны, прежде всего, с обрушаемостью под-кровельной угольной толщи, поскольку требуемая для выпуска кусковатость угля при его самообрушении достигается только при слабых и трещиноватых углях. При наличии прочного угля необходимо его принудительное разрушение. Другой важный вопрос — это обрушаемость пород кровли. На пластах, где кровля склонна к зависаниям, видимо, потребуется ее предварительное разупрочнение.
Во ВНИМИ разработаны основные положения по применению данной технологии и решения вопросов полноты извлечения угля в зависимости от мощности выпускаемой толщи, шага выпуска, площади выпускных люков и очередности выпуска. С учетом отечественного и китайского опыта есть все основания ожидать, что при данном способе выемки мощных пластов можно обеспечить нагрузку на очистной забой 1,5−2 млн. т угля в год.
Таким образом, основные геомеханиче-ские проблемы обеспечения высокой производительности забоев связаны с решением следующих задач: прогноз горно-
геологических условий и оценка геомеха-нической обстановки каждого выемочного столба с учетом тектонического строения и
напряженного состояния массива горных пород (оценка технологичности запасов) — выбор рациональных способов подготовки и отработки выемочных полей, включая сочетание длинных и коротких забоев, с учетом сближенности пластов- разработка методики и широкое внедрение сталеполимерных и тросовых анкеров для крепления подготовительных выработок- применение для мощных пластов систем разработки с
обрушением и выпуском угля- разработка и внедрение методов оперативного прогноза и контроля фактического состояния породного массива и гидросистемы крепи- разработка и оснащение шахт спецоборудовани-ем для предварительной подготовки массива в пределах выемочного столба к отработке и для профилактики состояния массива в призабойном пространстве.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой