Охорона виїмкових штреків у виробленому просторі за суцільної системи розробки в умовах Червоноармійського району Донбасу

У першому розділі досліджені сучасні тенденції підземної розробки вугільних пластів Донбасу і визначені перспективи застосування суцільної системи розробки, дана коротка характеристика гірничо-геологічних умов Червоноармійського району Донбасу, визначені особливості проведення та охорони виїмкових штреків за суцільної системи розробки і виконаний критичний аналіз результатів досліджень охорони виїмкових штреків на межі та безпосередньо у виробленому просторі.

За допомогою аналізу даних практики і результатів досліджень інших авторів встановлено, що стовпова система розробки, яка повсюдно застосовувалася раніше, при переході гірничих робіт на більші глибини почала втрачати свої переваги як через значний розрив у часі між завершенням відробки виїмкових стовпів і підготовкою нових, так і через низьку стійкість виїмкових штреків.

Аналіз зміни питомої ваги розробки у вугільній промисловості України свідчить про те, що на глибині до 600 м частка стовпової системи складє 68%, комбінованої - 19%, а суцільної - 13%. На глибині від 600 до 1000 м питома вага стовпової системи зменшується до 39%, а суцільної, навпаки, збільшується з 13% до 24%. Ця система розробки не тільки усуває основні недоліки стовпової системи, але й більш екологічна через те, що вся порода від проведення виробок залишається у шахті.

У перспективі виймання пластів потужністю < 0. 8м буде проводитись в 50% очисних вибоїв з малостійкою покрівлею, на пластах потужністю m=0. 8м близько 70% лав будуть працювати в умовах нестійких і дуже нестійких покрівель. Це утруднює попереднє оконтурювання запасів підготовчими виробками та ускладнює їх підтримку, у зв`язку з чим перспектива використання суцільної системи розробки значно розширюється.

На основі аналізу результатів досліджень вітчизняних і закордонних вчених (М.П. Бажин, А.Ф. Булат, В.В. Виноградов, В.Г. Глєбов, В.Т. Глушко, Ю.Б. Грядущий, М.П. Зборщик, А.М. Зорін, В.І. Кузяра, Г.Г. Литвинський, Л.В. Новікова, Л.Я. Парчевський, Г.С. Піньковський, Б.М. Усаченко, І.Л. Черняк, О. Якобі та ін.) встановлено, що на сьогодні відсутній спосіб охорони виїмкових штреків, який можна було б однозначно вважати кращим. Існує значна кількість комбінацій охорони і вибір найбільш раціонального з них слід здійснювати у відповідності з конкретними гірничо-гелогічними та гірничотехнічними умовами.

Так, одним з нейсприятливіших способів охорони виробок є такий, коли виробка з одного боку охороняється масивом вугілля, а з іншого межує з виробленим простором. Саме в такому положенні знаходяться відкотні штреки при відробці панелей. Навпаки, самий сприятливий спосіб охорони -розташування виробок в обвалених породах. Останнім часом поширюється застосування варіанту суцільної системи розробки з трьома виїмковими штреками, два з яких проводяться слідом за лавою в обвалених породах та охороняються протягом усього строку служби закладними смугами з подрібненої породи. Незважаючи на ефективність цього варіанту ні раціональні способи охорони штреків у виробленому просторі, ні самі параметри суцільної системи розробки до цього часу науково не обгрунтовані.

Другий розділ присвячений обгрунтуванню параметрів суцільної системи розробки. Цьому питанню були присвячені роботи О.С. Бурчакова, М.Ф. Дукалова, О.В. Колоколова, Ю.М. Липковича, Б.С. Локшина, Б.О. Резентретера, Ю.М. Рубинського, К.Ф. Сапицького, О.А. Скочинського, Л.Д. Шевякова та ін.

У більшості досліджень задача визначення оптимальних параметрів системи розробки зводиться до визначення оптимальних параметрів очисного вибою. Причому, практично всі економіко-математичні моделі розроблені для умов стовпової системи розробки, були складними з точки зору формування масиву вихідних даних, відображали середньогалузеву статистику і не враховували специфіку конкретного гірничого підприємства. Тому вони, як правило, використовувались в проектних організаціях і майже не використовувались інженерно-технічними робітниками вугільних шахт.

В даній роботі, для умов сучасного етапу, запропонована економіко-математична модель, що дозволяє шляхом імітаційного моделювання гірничо-технічних умов відробки ділянки шахтного поля визначати питомі витрати. Ця методика відрізняється від раніше розроблених тим, що процес оптимізації виконується не тільки за чотирма основними параметрами (довжиною лави, швидкістю посування очисного вибою, довжиною виїмкового поля, потужністю пласта), але й охоплює ширший діапазон витрат, що розглядаються (заробітну платню працівників, погашення вартості вуглевидобувного комплексу, монтаж і демонтаж комплексу, транспортування вугілля вздовж лави конвейєром, проведення підготовчих виробок, підтримку виробок, траспортування вугілля транспортними виробками, кількість підготовчих виробок, провітрювання виїмкової ділянки). Це дозволило розробити методику оптимізації всіх основних параметрів технологічної схеми очисних робіт, що реалізується за допомогою персональних ЕОМ. За критерій оптимальності даної економіко-математичної моделі прийнятий вартісний критерій - собівартість 1 т вугілля. За розробленою програмою на персональному комп`ютері Pentium 2-300 виконані розрахунки собівартості 1 т вугілля для лави довжиною 100, 150, 200, 250, 300 м що відробляє пласт потужністю 0. 8; 1. 0; 1. 2; 1. 4 м виїмкового поля довжиною 800, 1000, 1200, 1600 м з швидкістю посування вибою 0. 6; 1. 0; 1. 4; 2. 6; 1. 8; 2. 2; 3. 0; 3. 4; 3. 6 м/доб.

Результати розрахунків собівартості 1т вугілля в різних поєднаннях цих параметрів та їх графічна інтерпретація повністю наведені в дисертації.

Установлено, що зі збільшенням швидкості посування очисного вибою, потужності пласта, довжини лави і довжини виїмкового стовпа собівартість зменшується. Разом з тим, вплив цих параметрів суцільної системи розробки на зниження собівартості неоднаковий - самий значний вплив здійснює швидкість посування очисного вибою, а самий незначний - довжина виїмкового стовпа. Особливо наглядно це проявляється при збільшенні швидкості з 0. 6 до 1. 8 м/доб. Подальше збільшення швидкості вибою також зменшує собівартість, однак, темпи цього зниження зменшуються. Ця закономірність справедлива для різних значень потужності пласта, довжини лави і виїмкового стовпа. Так, при відробці стовпа довжиною 1200м лавою довжиною 200м (табл. 1) збільшення швидкості посування очисного вибою з 0. 6 до 1. 8 м/доб. (в 3 рази) зменшує собівартість вугілля в 2. 6 рази. (з 39. 36 до 15. 27 грн/т при m = 0. 8м; з 31. 57 до 12. 24 грн/т при m =1. 0м; з 26. 39 до 10. 27 грн/т при m =1. 2м і з 22. 68 до 8. 87 грн/т при m =1. 4м).

Подальше збільшення швидкості посування очисного вибою з 1. 8 до 3. 6 т/доб. (в 2 рази) знижує собівартість 1. 6 рази (з 15. 2 до 9. 13 грн/т при m=0. 8м; з 12. 24 до 7. 38 грн/т при m =1. 0м; з 10. 27 до 6. 22 грн/т при m =1. 2м і з 8. 87 до 5. 38 грн/т при m =1. 4м).

Ця закономірність спостерігається не тільки для різної потужності пласта, але й для різних довжин лави та виїмкового стовпа, що дозволяє зробити наступний висновок: за одних і тих же швидкостей посування очисного вибою збільшення потужності пласта, довжини виїмкового стовпа і довжини лави зменшує абсолютну величину собівартості вугілля, однак, зменшення собівартості за відносною величиною при збільшенні швидкості посування очисного вибою не залежить від потужності пласта, довжини вийманого стовпа і довжини лави.

Зміна собівартості 1 т вугілля при збільшенні швидкості посування очисного вибою на пластах різної потужності (lл = 200м,
L_ст = 1200м).

За результатами моделювання установлена лінійна залежність собівартості вугілля від потужності пласта і довжини виїмкового стовпа та її ступенева залежність від швидкості посування очисного вибою та довжини лави.

Характер залежності між собівартістю і впливаючими параметрами, описаний для двох виробок, є справедливим і для трьох виїмкових штреків. Наприклад, коли швидкість посування очисного вибою дорівнює 1 м/доб., а довжина лави дорівнює 100, 150 и 250 м собівартість для двох і трьох виїмкових штреків відповідно дорівнює 21. 87 та 22. 24, 18. 39 та 18. 63, 15. 79 та 15. 93 грн/т. Незначне збільшення собівартості спостерігається й за інших значень довжини лави та потужностей посування очисного вибою. Це свідчить про те, що за суцільної системи розробки проведення та охорона третього виїмкового штрека суттєво не впливає на зростання собівартості вугілля.

За результами моделювання побудована номограма (рис. 1), за допомогою якої можна підібрати раціональні параметри суцільної системи розробки, виходячи з конкретних гірничо-геологічних і гірничо-технічних умов.

Розроблена модель і пакет програм, створений на її основі, дозволять ІТР шахт виконувати необхідні розрахунки та їх аналіз безпосередньо на підприємстві.

В третьому розділі з метою кількісної оцінки впливу параметрів закладної смуги на стійкість штреку, що охороняється у виробленому просторі, вирішувалась просторова задача геомеханіки для області масиву, геометрія якого обумовлена суцільною системою розробки. Робоча схема містила сполучення лави з відкотним і проміжним відкотним штреками, закладну смугу між штреками, вироблений простір за лавою і неторкану частину масиву попереду вибою (рис. 2). Використовувся метод граничних елементів у формі розривних зміщень. Вихідна система рівнянь формувалась на основі аналітичного розв»язку задачі Рогведа щодо розриву зміщень на прямокутному елементі в пружному просторі. Розглядались гірничо-геологічні умови типові для Червоноармійського району Донбасу.

Вміщуючі породи - аргиліти з модулем пружності Е₁=3. 510⁵, МПа, коефіціентом Пуасона, ₁=0. 27, питомою вагою =2. 5210^-3, кГ/см³. Межа міцності породи на стиснення ^с=35. 5, МПа, а на розтягнення- ^р=2. 0 МПа. Властивості вугільного пласта: модуль пружності Е₂=0. 2510², МПа, коефіціент Пуасона ₂=0. 13. Глибина розробки Н=800м, довжина опереджуючої частини відкотного штреку d=20м. Діюче навантаження - вага породи: у вертикальному напрямку , у горизонтальному - ( - коефіцієнт бокового розпору). Межі зони граничного напруженого стану в покрівлі пласта визначались за критерієм Парчевського-Шашенка:

де ; - межа залишкової міцності. За даними лабораторних випробувань Інституту геотехнічної механіки Національної академії наук України для аргиліта =7. 5 МПа.

Модуль закладної смуги Е₃ варіювався в межах 0. 05Е₁Е₃Е₁. В результаті статистичної обробки отриманих розрахункових даних установлена залежність максимальних еквівалентних напружень в покрівлі пласта від співвідношення модулей пружності закладної смуги і породи:

, МПа

де .

Результати розрахунку показали, що для виконання умов стійкості покрівлі охороняємого штреку (максимальна протяжність зони граничного напруженого стану чи контура виробки не перевищує 2м) необхідно створити закладну смугу з модулем пружності, ширина якої не менша 20м.

Несуча здатність кріплення проміжного відкотного штреку досліджувалась методом граничних елементів у формі фіктивних навантажень.

В якості базового використовувалось аналітичне рішення задачі Кельвіна щодо дії нормальних та дотичних навантажень рівномірно розподілених на прямолінійному відрізку, довільно орієнтованому в безкінечному пружному середовищі. Розглядалось аркове кріплення з спецпрофілю СВП-22 з кроком установки l=1 м. Розрахунок виконувався за методикою Л. В. Новікової. Поперечний переріз замінювався прямокутним, жорсткість якого еквівалентна жорсткості реальної конструкції з урахуванням забутівки на ділянці, що дорівнює кроку установки кріплення. Розрахунки виконані для деяких значень, що визначають параметри: межу міцності порід на стиснення , МПа, глибину м, дозволили установити залежність максимальних нормальних напружень в кріпленні від параметра _:

, МПа

З цієї формули виходить, що використання профілю з спецпрофілю СВП-22 на глибині Н=800 м з кроком установки її l=1 м можливе, якщо межа міцності порід на стиснення складає Це відповідає гірничо-геологічним умовам Червоноармійського району Донбасу.

Результати теоретичних досліджень впроваджені при відробці виїмкових полів 11-ої південної, 11-ої північної та 12-ої південної лав пласта К₈ на шахті № 1/3 «Новогродовська» ДХК «Селідоввугілля». Потужність пласта 1-1. 2 м, кут падіння 12-13^о. Довжина стовпів від 800 до 1500 м. Довжина лав від 312 до 340 м. Глибина розробки 660-810 м.

В цих лавах проходка усіх штреків виконувалась буро-вибуховим способом у змішаному вибої з розташуванням вугільного пласта у верхній частині перерізу виробки з підриванням підошви. Відкотні штреки кріпились піддатливими трапецієвидними кріпленнями КПС, а проміжні відкотні і вентиляційні - піддатливим арковим металевим кріпленням КМП - А5. Переріз виїмкових штреків в проходці та кріпленні відповідно складали: відкотного - 10. 6 і 8. 8 м², а проміжного відкотного та вентиляційного - 17. 7 і 15. 3 м².

В усіх трьох випадках відкотні штреки проводились у вугільному масиві з опередженням лав на 30-40м, вентиляційні - слідом за лавою. Також слідом за лавами на відстані 35-40м від відкотних штреків проводились проміжні штреки. Через кожні 60-70 м відкотні та проміжні штреки об»єднувались збійками, що слугували для транспортування вугілля з відкотного на проміжний відкотний штрек, провітрювання, переміщення людей і доставки матеріалів. Після введення в експлуатацію нової збійки попередня збійка і частина відкотного штреку між цими збійками були погашені. За такої схеми проведення виробок відкотний штрек підтримувався на межі з обваленими породами не за всією довжиною, а лише від лави до збійки, що дозволило використовувати кріпильні рами повторно.

Штреки у виробленому просторі охоронялись закладними смугами, що споруджувались за допомогою двох дробильно-закладних комплексів «Титан», установлених на проміжному відкотному і вентиляційних штреках. В якості закладного матеріалу використовувалась порода підошви штреків.

Для впровадження рекомендацій аналітичних розрахунків щодо збільшення модуля пружності закладки (Е₃) через кожні два метри паралельно лаві до дерев`яних стійок прибивалась металева сітка, що збільшувало щільність закладного масиву.

Ситовим аналізом за стандартною методикою встановлено, що порода подрібнюється до класу 0-70мм. Причому, породний дрібняк (класу 0-6мм) складає в закладному матеріалі понад 30%. З одного боку це збільшило щільність бутової смуги, а з іншого - спричиняло суттєве пилоутворення в лаві і створювало передумови до налипання пилу в трубопроводі. Дослідженнями адгезійних властивостей аргиліту встановлено, що коли його вологість менша 20% небезпека налипання дрібної фракції на внутрішній поверхні трубопроводу не виникає.

Шахтними дослідженнями також установлено, що заповнення закріпного простору подрібненою породою за допомогою установки «Титан» не тільки зменшує зміщення покрівлі в 1. 8-2 рази, але й сприяє рівномірнішому навантаженню штрекового кріплення, що підтверджується практично однаковими зміщеннями сполучених сегментів у вузлах піддатливості штрекового кріплення.

Збійки між відкотним і проміжним відкотними штреками кріпились піддатливим трапецієвидним металевим кріпленням з спецпрофілю СВП-22. Через те, що збійки знаходились в обвалених породах, вони не зазнавали високого гірського тиску. Навіть на відстані 500-600м від лави вони практично не втрачали стійкість, що дозволило збільшити відстань між ними під час відробки 12-ої південної лави з 60-70м до 200-220м, а їх довжину - з 35-40м до 20м.

Механізоване заповнення закладних смуг і закріпного простору штрекового кріплення подрібненою породою дозволили відпрацювати усі три виїмкових стовпи без перекріплення виїмкових штреків, збільшити довжину лави до 340м, а довжину стовпа до 1500м. Максимальний місячний видобуток вугілля склав 23391т, а максимальна швидкість посування очисного вибою - 44. 1 м/міс. Ці цифри співставимі з показниками очисних вибоїв, що відробляють виїмкові стовпи зворотним ходом, у зв»язку з чим ДХК «Селідоввугілля» взяла курс на широке впровадження суцільної системи розробки.

Обгрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій підтверджена результатами впровадження технічних вирішень під час відробки 11-ої південної, 11-ої північної і 12-південної лав за суцільною системою розробки на шахті № 1/3 Новогродовська ДХК «Селідоввугілля».

ВИСНОВКИ

В дисертації, що є завершеною науковою роботою, поставлена і вирішена актуальна наукова задача, що полягає в розкритті закономірностей розподілу напружень і зміщень навколо виїмкових штреків у розвантаженій зоні та розробці на їх основі способів забезпечення стійкості і безремонтної підтримки штреків у виробленому просторі за суцільної системи розробки.

Основні результати досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, полягають в наступному:

Досліджені сучасні тенденції підземної розробки вугільних пластів Донбасу. Установлено, що з переходом глибини розробки з 600 до 1000 м питома вага стовпової системи розробки зменшилася з 68 до 39%, а суцільної збільшилась з 13 до 24%. У зв`язку зі збільшенням глибини проведення гірничих робіт, переходом до розробки малопотужних і особливо викидонебезпечних пластів обгрунтована перспектива подальшої заміни стовпової системи суцільною.

2. Обгрунтована і розроблена економіко-математична модель, яка відрізняється тим, що процес оптимізації виконується не тільки за довжиною лави, швидкістю посування очисного вибою, довжиною виїмкового поля, потужністю пласта, але й охоплює ширший діапазон витрат, що розглядаються. Установлено, що збільшення швидкості посування очисного вибою, потужності пласта, довжини виїмкового стовпа і довжини лави зменшує собівартість 1 т вугілля. Однак, вплив цих параметрів нерівнозначний - самий великий вплив на зміну величини собівартості має швидкість посування очисного вибою, а самий маленький - довжина виїмкового стовпа.

3. За допомогою числового методу граничних елементів досліджений вплив закладної смуги на стійкість виробки, що охороняється, за суцільної системи розробки та несуча здатність штрекового кріплення. Отримана нова залежність максимальних еквівалентних напружень в покрівлі виробки від співідношення модулей пружності закладної смуги і породи покрівлі. Установлено, що для виконання умови стійкості покрівлі охороняємого штрека необхідно створити закладну смугу шириною 20-22м з модулем пружності закладного матеріалу 0. 1Е_пор покрівлі. Правильність цього висновку підтверджена результатами промислового впровадження запропонованого способу охорони виробок в 12-ій південній лаві пласта К₈ на шахті №1/3 «Новогродовська».

4. Експериментальними дослідженнями в шахтних умовах установлено, що механізована закладка подрібненою породою закріпного простору між контуром перерізу виробки в прохідці і кріпильними рамами, що дорівнює 0. 35 - 0. 4 м сприяє більш рівномірному навантаженню кріплення і зниженню покрівлі і 1. 8 - 2. 0 рази у порівнянні з заповненням його деревом і пустою породою вручну.

Результати досліджень впроваджені на шахті №1/3 «Новогродовська» ДХК «Селідоввугілля» і прийняті до впровадження в проекти відробки вийманих стовпів на інших шахтах цієї компанії.

Основні положення і результати роботи опубліковані в наступних публікаціях: