Повышение безопасности работ при взаимодействии секций механизированных крепей с кровлей в призабойном пространстве лавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.285:624.042.3

Повышение безопасности работ при взаимодействии секций механизированных крепей с кровлей в призабойном пространстве лавы

Г.Д. Буялич

(д-р техн. наук, профессор ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева», ЮТИ ТПУ)

В.М. Тарасов

(аспирант ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева», инженер ООО «РивальСИТ»)

Н.И. Тарасова

(аспирантка ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева», инженер ООО «ИКЦ «ПБ»)

Рассмотрен инновационный подход к монтажу и эксплуатации секции механизированной крепи, который фундаментально меняет работу секции механизированной крепи, позволяет перераспределить горное давление с угольного пласта в завальную часть лавы, взаимодействуя с опорным горным давлением, уменьшает неконтролируемые обрушения угля в массиве и выбросы пылегазовой смеси в призабойной части лавы, повышает безопасность ведения горных работ.

Ключевые слова: ИННОВАЦИОННЫЙ МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СЕКЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ, ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА, ОПОРНОЕ ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ крепь давление угольный лава

An innovative approach to the installation and operation of powered support section is considered, which fundamentally changes the work of power support section; can reallocate rock pressure from the coal seam to the longwall gob area, interacting with the supporting rock pressure; reduces the uncontrolled collapse of coal in the massif and dust-gas mixture outbursts in the face area of the longwall, increases the safety of mining operations.

Key words: INNOVATIVE INSTALLATION AND OPERATION OF POWER SUPPORT SECTION, MINE OPENING, SUPPORT MINE PRESSURE, EFFICIENCY, SAFETY

Механизация и связанная с нею интенсификация во многом изменили горное производство, ставшее характеризоваться значительными скоростями подвигания очистных забоев, бесцеликовой выемкой, большими размерами выемочных блоков и подготовительными выработками большой протяженности. Внедрение современных технико-технологических решений интенсивной добычи угля вызывает ряд негативных явлений техногенной природы в естественно равновесном состоянии горного массива и требует специальных методов управления процессами горных работ и методов их проектирования. В таких условиях на первый план выходят не просто пассивные меры, обеспечивающие безопасные условия труда, но возникает необходимость активного управления системами безопасности и внедрения новых технологий.

В данном контексте рассмотрим воздействие опорного давления на секции механизированной крепи (далее СМК) в лаве.

До начала работы лавы все механизмы и сами секции механизированной крепи монтируют в монтажной камере. Столб угля и боковые породы, подобно губке, пропитаны газом метаном. В процессе, когда лава начинает работать, непосредственно из одного борта монтажной камеры формируется забой. Можно сказать, что сама лава с забойными механизмами есть не что иное, как выработка с постоянно движущимся бортом, где состояние борта в процессе движения лавы перешло в состояние «забоя», а крепление этого борта и его функции взяли на себя секции механизированной крепи [1].

Образуется призабойное пространство для работы забойных механизмов и вентиляции лавы. Состояние противоположного борта остается прежним - неподвижным в монтажной камере или в завальной части лавы.

Попробуем рассмотреть, как влияет опорное давление, описанное проф. М. М. Протодьяконовым [2].

После проведения горной выработки над ней образуется некоторый свод, за контуром которого порода остается ненарушенной. Внутри этого свода происходит постепенное разрушение пород.

Таким образом, разрушаться и обрушаться в выработку будут только породы, заключенные внутри свода, и, следовательно, на крепь, установленную в выработке, давление будет оказывать не вся толщина вышележащих пород, а та их часть, которая ограничена контуром свода. Такое предположение позволяет применить для расчетов законы сыпучих тел с учетом существующих в горных породах сил сцепления.

Мысленно выделенный участок МО (рисунок 1) свода естественного равновесия при условии равномерного нагружения вышележащими породами будет находиться в равновесии при условии, что сумма моментов действующих на него сил относительно любой точки, например М с координатами х и у, равна нулю. На участке свода МО действуют:

- сила Р - равнодействующая равномерно распределенной вертикальной нагрузке, равна по величине рх и приложена в середине отрезка х;

- реакция Т правой части свода (горизонтальный распор свода), направленная по касательной к кривой свода и приложенная к точке О;

- реакция W нижней части левой половины свода, направленная также по касательной к кривой свода и приложенная в точке М.

При условии равновесия сумма моментов этих сил относительно точки М:

. (1)

Решая уравнение (1) относительно y, получаем:

. (2)

Выражение (2) является уравнением параболы.

Следовательно, свод естественного равновесия имеет параболическую форму.

В точке А уравнение (2) направляющей кривой свода принимает вид:

.

Профессор М. М. Протодьяконов установил, что при несвязной (рыхлой) породе наибольшая устойчивость свода будет при его высоте:

,

где a - полупролет свода, м; f - коэффициент внутреннего трения.

По теории свода естественного равновесия давление на крепь горной выработки определяют массой породы в объеме, обозначенном линией свода АОВ.

При площади параболического свода и плотности породы г нагрузка на 1 м выработки составит:

(3)

Здесь г - удельный вес породы кровли, Н/м3.

В породах связных, полускальных и скальных f соответствует коэффициенту крепости пород.

Рассчитанная по формуле (3) величина горного давления соответствует действительной лишь при залегании в кровле выработки пород несвязных.

При сроке службы выработки более года давление на 1 м длины выработки выразится по формуле (4) [3]:

. (4)

На нынешнем этапе эксплуатации секций механизированной крепи секции несут функции крепления противоположного борта, что в принципе противоречит основам горного дела.

Покажем на сравнительных рисунках 1 и 2 крепление выработки трапецией из спецпрофиля СВП, где наглядно видно, как располагаются стойки крепления на расстоянии L от вертикали относительно замка стойки и верхняка.

На рисунке 1 видим крепление бортов выработки с «правильным» расстоянием L, а на рисунке 2 - правый борт закреплен «правильно», а левый борт - «неправильно», где расстояние L направлено внутрь выработки, что недопустимо по технологии возведения крепи горных выработок.

Рисунок 1 - Схема для расчета величины горного давления в горной выработке по гипотезе проф. М.М. Протодьяконова

Рисунок 2 - Крепление горной выработки не по технологии возведения крепи горных выработок

Так как лава с забойными механизмами есть не что иное, как выработка с постоянно движущимся бортом, где состояние борта в процессе движения лавы перешло в состояние «забоя», а крепление этого борта и его функции взяли на себя секции механизированной крепи, необходимо эти две системы объединить в одну. Это обеспечивает инновационная схема монтажа и эксплуатации СМК [1].

При продвижении лавы из монтажной камеры на расстояние от 30 м и более начинается деформация массива и самого пласта. После обрушения основной и непосредственной кровли в завальной части лавы идет обильное суфлярное выделение метана, проявление отжима из забоя и выбросы пылегазовой смеси. При этом максимальное значение растягивающих напряжений сконцентрировано в области сопряжения забоя лавы с кровлей по всей ее длине или по всему фронту лавы, а всю нагрузку опорного горного давления принимает на себя забой, а не секции механизированной крепи.

На линии забоя и в массиве пласта на расстоянии от 40 до 80 м и более по простиранию уголь становится мягким. Это хорошо для резания угля комбайном, но большой минус по всем аспектам промышленной безопасности при эксплуатации секции механизированной крепи, что в корне недопустимо.

Покажем на рисунке 3 расположение СМК, где наглядно видно, что гидростойки и весь многозвенный механизм СМК взяли функцию крепления противоположного борта (правого) в монтажной камере, а функцию крепления борта (левого), из которого образовался забой лавы, игнорируют.

Рисунок 3 - Опорное горное давление при образовании сферы или купола естественного равновесия и взаимодействие СМК с опорным горным давлением по действующей схеме монтажа и эксплуатации СМК

При распространении опережающего горного давления на расстояние 80 м впереди забоя равнодействующая от равномерно распределенной вертикальной нагрузки на 1 м длины лавы выразится как

,

где а - расстояние от шарнира поддерживающего элемента с ограждающим элементом СМК до посадочного места гидростойки поддерживающего элемента, м; а = 1,35 м.

Таким образом, нагрузка на СМК и на сам забой увеличивается в 15 раз.

Рисунок 4 - Разворот поддерживающих элементов в традиционной секции механизированной крепи поддерживающе-оградительного типа при смещении равнодействующей от опорного давления в сторону завала

Рассмотрим процессы, происходящие в кровле очистных забоев с неустойчивой или среднеустойчивой кровлей. В завальной части лавы образуется купол или т.н. свод естественного равновесия, при котором горные породы лучше всего сопротивляются сжатию. При этом обеспечивается устойчивость кровли, однако, с точки зрения взаимодействия с ней крепи, это условие недопустимо.

На рисунках 4 и 5 наглядно видно, как опорное давление воздействует на СМК и на забой: поддерживающие и оградительные элементы занимают положение на одной линии (рисунок 4) и тем самым не обеспечивают поддерживающие функции СМК. СМК зажата (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зажатие секции механизированной крепи

В противоположность этому в предлагаемом способе монтажа и эксплуатации крепи СМК работают по-другому. При формировании забоя из одного борта монтажной камеры функцию крепления борта, допустим трапеции, берет на себя СМК. Вместо приямка под стойку из СВП и соединения стойки с верхняком используют шарнирные посадочные места на основании СМК и поддерживающем элементе (рисунок 6). В этом случае не будет никаких проблем при первых, вторых и третьих циклах выемки угля, гидростойки будут расклиниваться и не позволят отходу СМК в монтажную камеру, как это происходит при действующей системе эксплуатации СМК (см. рисунок 3).

Рисунок 6 - Опорное горное давление при образовании сферы или купола естественного равновесия и взаимодействие СМК с опорным горным давлением при монтаже и эксплуатации (работе) СМК по инновационной технологии

Фактически необходимо пересмотреть схему взаимодействия сил горного давления и СМК, при которой бы образовывались четкая равнодействующая и разграничивающая вертикальная линия на площади параболического свода естественного равновесия, которая определяется массой породы в объеме и которая находится в завальной части свода.

Из рисунка 6 следует, что равнодействующая от равномерно распределенной вертикальной нагрузки на 1 м длины лавы выразится как

или .

Таким образом, вертикальная нагрузка, которая воздействует на поддерживающий элемент СМК от забоя до шарнира с ограждающим элементом делится по линии равнодействующей СД на две части: призабойную - I и завальную - II, где наглядно видно, что опорное горное давление в завальной части на длине а положительно влияет на призабойную часть, тем самым позволяет изменить эпюру взаимодействия сил горного давления и СМК. При этом опорное горное давление будет работать в паре с СМК, в то время как большинство используемых на сегодняшний день СМК воздействуют на опорное горное давление и всегда проигрывают (см. рисунок 3).

Предлагаемая схема монтажа и эксплуатации СМК позволяет в несколько раз уменьшить влияние опорного горного давления на СМК и на сам забой лавы, увеличить безопасность ведения работ и производительность труда по выемке полезного ископаемого, а также исключает аварийные ситуации со взрывами, обеспечивая в шахтах расчетный аэрогазовый режим [4, 5].

Таким образом, секции механизированной крепи при их монтаже необходимо не только раскрывать, но и в процессе раскрытия взводить весь ее многозвенный механизм независимо от конструкции СМК (однорядные или двухрядные).

Библиографический список

1 Пат. 2387841 Российская Федерация, МПК E 21 D 23/00 (2006.01). Способ монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи (варианты) / Тарасов В.М., Тарасова А.В., Тарасов Д.В.; патентообладатель Тарасов В.М., ООО «РивальСИТ». - № 200812934/03; заявл. 18.07.2008; опубл. 27.04.2010, Бюл. № 12. - 18 с.

2 Мельников, Н.И. Проведение и крепление горных выработок: учебник для техникумов / Н.И. Мельников. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 336 с.

3 Заплавский, Г. А. Технология подготовительных и очистных работ: учебник для техникумов / Г.А. Заплавский, В.А. Лесных. - М.: Недра, 1989. - 423 с.

4 Буялич, Г.Д. Инновационный подход к вопросам монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи / Г.Д. Буялич, В.М. Тарасов, Н.И. Тарасова // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 1.1. - С. 115-126.

5 Тарасов, В.М. Инновационный подход к секции механизированной крепи / В.М. Тарасов, Н.И. Тарасова // Биржа интеллектуальной собственности (БИС). - 2012. - № 6. - С. 41-54.

Размещено на Allbest.ru