Материал: Разработка эффективной технологии выемки мощных пологих пластов на участках с ограниченными размерами

В то же время применение на оставляемых целиках и участках как длинных, так и коротколавных механизированных комплексов нецелесообразно, а в большинстве случаев невозможно. Выемку угля в этих условиях можно осуществить только короткими забоями.

Оценка запасов угля, пригодных для отработки этой технологией, была произведена по 47 шахтам России, кроме Подмосковного бассейна, Ростовской области и Ерунаковского месторождения (мощность пластов - более 1,5 м, угол залегания - до 18°)[8].

Значительные запасы имеются в шахтах Ростовской области. Кроме того, эта технология может быть распространена на шахты-новостройки модульного типа (Ерунаковское месторождение) для проведения вскрывающих выработок и последующей отработки без применения механизированных комплексов, а также на особо мощные пожароопасные пласты с литой твердеющей закладкой. Это резко расширит область применения технологии.

С комплектом короткозабойного самоходного оборудования (проходческо-очистной комбайн и самоходный вагон):

по отработке запасов угля в целиках и пожароопасных пластах с литой твердеющей закладкой;

по отработке запасов угля в целиках с литой твердеющей закладкой в сочетании с обрушением;

по отработке запасов угля в целиках с обрушением с выемкой части запасов и оставлением целиков;

по отработке участков любой формы и ограниченных размеров с обрушением.

.2 Использование камерно столбовой системы при отработке целика угля неправильной формы в пределах горного отвода ОАО «шахты им. 7 Ноября»

В статье [5] авторами изложены результаты исследований по изучению безопасных параметров камерно-столбовой технологии при отработке ранее оставленного охранного целика в горно-геологических условиях пласта Полысаевского-1 в границах горного отвода ОАО «Шахта им. 7 Ноября».

Подготовка участка оставленного целика неправильной формы по пласту Полысаевскому-1 в границах шахтного поля ОАО «Шахта им. 7 Ноября» к отработке по нетрадиционной технологии началась с проходки путевого уклона № 2 в августе 1999 г. [4].

Рассечка устья путевого уклона № 2 была произведена с борта одного из забоев Моховского угольного карьера.

На своей трассе забой путевого уклона № 2 прорезает целик, оставленный для охраны участка железной дороги Новосибирск - Новокузнецк [7].

На протяжении 20 м от устья путевой уклон № 2 проводился по наносам, состоящим из суглинков. На этом протяжении он закреплен арочной металлической крепью КМП АЗУ 16-27. Далее на протяжении 288 м путевой уклон № 2 пройден по пласту угля и закреплен сталеполимерной анкерной крепью.

В качестве опорных элементов анкерного крепления (подхватов) применялись отрезки из спецпрофиля № 17, 22, швеллера № 12, 14 длиной 1,0 м с одним отверстием под анкерный стержень в центре, а также легкие верхняки - штрипсы.

Для перетяжки кровли использовалась решетчатая затяжка из металлического прутка диаметром 6-8 мм.

По расчету, произведенному специалистами НП «ЗАО «ЦАКК» в соответствии с проектными размерами выработки, в один ряд должно быть установлено четыре анкера длиной 1,8-2,0 м, расстояние между рядами анкеров должно было составлять 0,8 м. Фактически местами оно достигало 1,0 м.

При проведении путевого уклона № 2 в результате допущенных отклонений от паспорта местами над крепью выработки образовались пустоты высотой до 400 мм, которые были забучены отрезками деревянных шпал, но имелись также пустоты до 100-200 мм, вообще ничем не закрепленные (незабученные).

По проекту высота выработок должна составлять 2,5 м, фактически она колебалась от 2,4 до 2,6 м, ширина выработки должна составлять 4,0 м, но местами она увеличивалась до 6,0-7,5 м за счет дополнительной подрезки бортов. Увеличение ширины выработки проводилось специально для исследования геомеханических параметров кровли пласта.

Геологическая характеристика угольного пласта и окружающих пород приведена в таблице 1.

Общее время отработки оконтуренного целика продолжалось с 01.05.2000 г. до 1.02.01 г., т. е. в течение 8 месяцев, или 240 суток.

Величина конвергенции в путевом уклоне № 2 за время наблюдения составила не более 3,33 мм. Наиболее интенсивно она развивалась в течение примерно 15 суток, в это же время была отмечена и наивысшая скорость развития конвергенции, затем она стабилизировалась.

Таким образом, конвергенция в путевом уклоне № 2 за время наблюдения не превысила критической величины. Состояние крепления выработки было нормальным без заметных деформаций. Оборудование замерной станции № 1 в путевом уклоне № 2 было обусловлено тем, что выработка прорезала оставленный целик для охраны железной дороги Новосибирск - Новокузнецк, в связи с чем было необходимо проверить воздействие данной выработки на ее состояние.

При отработке запасов угля, заключенных в оконтуренном целике, было пройдено 16 выемочных заходок с оставлением ленточных целиков, которые затем разрежались (прорезались) выемочными печами, как показано на рисунке 10. За счет проведения выемочных печей (сбоек) ленточные целики преобразовались в «точечные» целики. В заходках № 9 и 14 были оборудованы замерные станции № 3 и 4 соответственно.

Таблица 1

Геологическая характеристика пласта Полысаевского-1 и вмещающих пород

При отработке по камерно-столбовой технологии незначительной части запасов, заключенных в целике угля, негативные проявления горного давления в выемочных выработках не наблюдались. Наблюдались редкие обрушения пород кровли на незначительную высоту при наличии различных прослоев с потерей контакта с основной толщей непосредственной кровли.

При значительной площади отработки, которая на 28.07.01 г. достигла почти 4025 м2 (комбайн ГПКС в это время находился уже в верхней части выемочной камеры № 10), произошло незначительное обрушение кровли на сопряжении выемочной камеры № 8 и конвейерного штрека № 340. В данное время на замерных пунктах станции № 3, оборудованной в выемочной камере № 9, замеры еще не производились. Замеры на этой замерной станции были проведены гораздо позже, в период с 11.09 по 21.09.01 г.

На 11.09.01 г. комбайн ГПКС находился в ее устье выемочной камеры № 12. В это время на замерных пунктах 1-КЗ станции № 3 отмечено нарастание величины и увеличение скорости конвергенции. Особенно резко это выражено на опорном пункте № 2 замерной станции № 3.

Рис. 3. Схема оконтуренного участка угля с заходками в пределах горного отвода ОАО «Шахта им. 7 Ноября»

В связи с тем что замерная станция № 3 на 21.09.01 г. находится в отработанном пространстве, дальнейшие наблюдения по условиям безопасности продолжать было невозможно.

Но следует отметить, что в то время, как уже проходилась выемочная камера № 12, в выемочной камере № 11 произошло несколько незначительных обрушений кровли, горное давление на оставленные целики увеличивалось. Это было заметно по потрескиванию угля в целиках и его отскакиванию от целиков угля в виде отдельных мелких кусочков.

На замерных пунктах замерной станции № 2, оборудованной в конвейерном штреке № 340, в период с 11.09 по 21.09.01 г. также наблюдалось незначительное, до 2,0 мм, увеличение конвергенции.

При дальнейших наблюдениях, которые продолжались до 11.10.01 г. (комбайн ГПКС при этом прошел уже более половины выемочной камеры № 14), наблюдалось дальнейшее увеличение конвергенции. Так, на опорном пункте № 3 она достигла 2 мм и в дальнейшем стабилизировалась, но на опорном пункте № 4 на 80-е сутки после начала отработки конвергенция возросла до 7 мм.

Необходимо отметить, что когда проходилась выемочная камера № 12 (примерно 27.09 - 25.10.01 г.) и было отмечено проявление горного давления (описано выше), было принято решение целик между выемочными камерами № 11 и 12 не уменьшать в размерах и не прорезать его выемочными печами. После исполнения данного решения горное давление стабилизировалось, что позволило не только осуществить проведение выемочных камер № 13, 14, 15, 16, но и уменьшить оставленные целики до 1,0-1,5 м, а целик между выемочными камерами № 12-13 еще и преобразовать за счет проведения 11 выемочных печей.

По замерам, произведенным на пяти замерных пунктах станции № 4, оборудованной в выемочной печи № 14 (замеры производились с 3.11 по 30.11.01 г.), наблюдалось увеличение конвергенции, но она не превысила 4,0-6,0 мм. На 30.11.01 г. было уже пройдено более половины выемочной камеры № 15.

Первоначально планировалось в подготовленном к выемке целике пройти 14 выемочных камер с частичной выемкой межкамерных целиков.

В результате проводимых дальнейших наблюдений повышения горного давления не наблюдалось, и было принято решение о проходке в оставленном целике еще двух выемочных камер - № 15 и 16 с оставлением между камерами № 14-15 и 15-16 целиков угля шириной до 6,0 м с последующим их уменьшением до 1,0-1,5 м.

Как показал анализ данных наблюдений, проведенных специалистами НП «ЗАО «ЦАКК», выбранные параметры камерно-столбовой системы для горно-геологических условий пласта Полысаевского-1 в границах шахтного поля ОАО «Шахта им. 7 Ноября» позволили отработать запасы угля в оставленном ранее целике безаварийно.

Всего в оконтуренном целике угля, предусмотренного к выемке по нетрадиционной для ОАО «Шахта им. 7 Ноября» технологии (камерностолбовая), было подготовлено 26174 т угля.

В таблице 2 указаны объемы извлеченного угля из всех выработок. Всего из оконтуренного и подготовленного к выемке целика угля было извлечено 19143 тугля.

Потери угля при его извлечении в оставленных целиках составили 7031 т, или 26,86 %. Незначительные потери угля при отработке запасов в целике пласта Полысаевского-1 в границах шахтного поля ОАО «Шахта им. 7 Ноября» подтверждают, что применение камерно-столбовой системы является экономически эффективной.

Таблица 2

Характеристика полноты выемки запасов

В результате объективных причин, обусловленных несовершенством используемого оборудования, среднемесячная добыча составила всего 2393 т. Как уже ранее отмечалось, при использовании более современного оборудования этот показатель может быть значительно увеличен за счет повышения интенсивности выемки запасов.

Отрицательным моментом при изучении геомеханических процессов, проходящих в выработках и оставленных целиках, является то, что при наблюдениях не были задействованы датчики с дистанционным съемом данных, которые позволили бы фиксировать и наблюдать протекание основных геомеханических процессов в отработанном пространстве до полного обрушения всех слоев кровли.

Необходимо отметить, что независимо от специалистов НП «ЗАО «ЦАКК» наблюдения за ходом работ производили специалисты ИГД Сибирского отделения Российской академии наук.

В результате наблюдений было установлено, что кровля в отработанных выемочных камерах обрушалась в основном через три выемочные камеры, т. е. в 27-28 м от рабочей (т. е. последней) выемочной камеры.

Прирост напряжений в целиках по замерам фотоупругих датчиков составил 0,8-1,5 МПа.

При глубине горных работ 60-70 м напряжения в целиках составили 1,9-3,1 МПа. Коэффициент прочности угля равен/= 1,5, следовательно, прочность угля на сжатие составляет не менее 15 МПа.

При расчетах прочность угля на сжатие была занижена до асж= 10 МПа. В этом случае запас прочности в оставленных целиках составляет 3,5-5,2.

Кроме того, сотрудниками ИГД СО РАН проводились измерения деформаций смещений в оставленных целиках на реперных станциях с использованием микрометренной стойки.

Было отмечено, что деформация целиков носила знакопеременный характер (нагружение, разгрузка), при этом абсолютные деформации сжатия не превышали 5,43 мм, а растяжения - 5,85 мм, относительные деформации составляли от 0,00585 до 0,00545 и во всех случаях не выходили за пределы упругих деформаций. Оставленные целики во время наблюдений не разрушались.

Данные результаты получены для горно-геологических условий пласта Полысаевского-1 в границах горного отвода ОАО «Шахта им. 7 Ноября» на глубине ведения горных работ 60-70 м.

.3 Использование камерно столбовой системы при отработке пласта 7-7а в горно-геологических условиях ОАО «шахта Распадская»

В условиях шахты «Распадская» отработка пласта производилась с использованием импортного оборудования фирмы «Джой». Отрабатывался пласт 7-7а в блоке № 5а. В состав оборудования входили: комбайн 12СМ18-10В, самоходный вагон на пневмоколесном ходу типа 108 С32-36УО-4.

Пласт 7-7а в пределах отрабатываемого участка имеет мощность 3,5-3,6 м, угол падения 10-12°, сопротивление угля сжатию 13,8 МПа, растяжению - 2,3 МПа. В непосредственной кровле залегают переслаивающиеся слои песчаника и мелкозернистого алевролита, основная кровля представлена крупнозернистым песчаником. Глубина горных работ 150 м в районе припойменной части реки Ольжерас[11].

Схема подготовки и отработки выемочного участка представлена на рисунке 12. Выемочный столб подготовлен тремя выработками: вентиляционным, конвейерным штреками и нижним вентиляционным штреком. Между конвейерным и вентиляционным штреками оставлен целик угля шириной 30 м для сохранения нижнего вентиляционного штрека.