УДК 622.063.46(477.61/62)

Канд. техн. наук С. И. СТАРОСЕЛЬСКИЙ

Горлoвское отделение Донугля

На пласты мощностью до 0,7 м приходится около 45% лав Центрального района Донбасса. Несмотря на проведенное в последние годы техническое перевооружение шахт, внедрение механизации и улучшение условий труда шахтеров, в технологии и технике разработки крутых пластов мощностью до 0,7 м не было достигнуто существенного прогресса. Отрабатываются эти пласты преимущественно с помощью отбойных молотков и комбайнов «Комсомолец». Особенно неблагополучное положение на защитных пластах мощностью до 0,5 м, где используются отбойные молотки с подрывкой вмещающих пород, вследствие чего нагрузка на лавы в 2 раза ниже, зольность в 1,6 раза выше, а трудоемкость работ в 1,3 раза больше, чем в среднем по лавам на крутых пластах Донбасса [1].

Следует отметить, что практически все весьма тонкие крутые пласты Центрального района вскрыты и содержат на действующих горизонтах более 70 млн. т ценного коксующегося угля. Учитывая условия и характер залегания таких пластов и, исходя из экономической и социальной значимости проблемы, наиболее перспективным решением по их выемке считались и считаются технологические схемы, базирующиеся на безлюдных способах [2, 3]. Все созданные и прошедшие промышленные испытания за последние 40 лет технологические схемы безлюдной выемки угля из тонких крутых пластов основывались на определенных предпосылках и предположениях, наиболее существенные из которых заключались в том, что при высоких (до 6—8 м в сутки) темпах подвигания линии очистного забоя удастся обеспечить сплошность вмещающих пород, побудить их в выработанном пространстве к плавному прогибу, сохранить призабойную зону достаточной для свободного прохода исполнительного органа и пропуска угля, отказаться от крепления и как следствие вывести людей из забоя.

С точки зрения непосредственно способов выемки угля технологические схемы основывались преимущественно на машинных способах отделения угля от массива. Среди них выделяются схемы с применением стругов, комбайнов и угольных пил. Эти средства использовались в условиях сложившейся планировки горных работ при отработке участков лавами по простиранию, а также полосами по падению или восстанию (последние — только при пилах). В основе технологических схем со струговой выемкой угля лежали различные принципы обеспечения контакта и взаимодействия исполнительного органа с угольным массивом. По этим признакам различались схемы с диагонально опрокинутым забоем и применением статических или динамических стругов и схемы с диагонально нависающим забоем со стругами статического действия. В первом случае одна из составляющих веса исполнительного органа направлена в сторону угольного массива, принуждая струг постоянно контактировать с забоем. Кроме того, предусматривалось в отдельных случаях прижимное устройство, растянутое между концевыми конструкциями — схемы со стругами Макнии, Донгипроуглемаша (БСКЗ), Днепропетровского горного института (КМС), струга-тарана Донуги (УСК), динамическим стругом донецкого машзавода им. Ленинского комсомола Украины (ПОМ-1) и др. Технологические схемы с диагонально нависающим забоем характеризуются тем, что напорные нагрузки со стороны исполнительного органа на забой создаются, благодаря криволинейному в плоскости пласта очертанию забоя обратной (со стороны выработанного пространства) ветвью тягового органа либо специальным опорно-направляющим элементом — схемы со стругами Донуги (УТС), горловского машзавода им. Кирова (УВК), комплекса Донуги (КБН) и др. Считалось, что в данном случае из-за большого предварительного натяжения опорно-направляющего элемента будут получены необходимые усилия и равномерно высокие темп» подвигания линии очистного забоя. Предполагалось также, что при определенном значении угла нависания забоя удастся обрушающиеся в выработанном пространстве боковые породы разместить в нижней части лавы под углом естественного откоса и тем самым обеспечить сохранность прибойной зоны. В процессе внедрения технологических схем со струговой выемкой были выявлены такие положительные качества как простота и надежность конструктивных решений, обслуживания и управления, высокий уровень автоматизации, равномерная дегазация пласта, лучшие по сравнению с другими способами условия для безопасности обслуживающего персонала. При выемке стругами скорость сближения боковых пород в 4—5 раз меньше, чем при молотковой и в 7 — 8 раз меньше, чем при комбайновой, что несомненно способствовало сохранению сплошности и устойчивости вмещающих пород в призабойном пространстве [4]. Кроме того, анализ напряженного состояния и сейсмоакустической активности выбросоопасного пласта продуктивной мощности ( Мазур на шахте «Юнком»), защищенного предварительной отработкой весьма тонкого смежного пласта (Чегарка) с помощью струговой установки УТС, показал, что в защищенной зоне отсутствует ярко выраженная область концентрации напряжений, а сейсмоакустическая активность пласта продуктивной мощности невелика [5]. Выявлены и недостатки рассматриваемых технологических схем. Наиболее существенные из них следующие. Несовершенство процесса разрушения угля стругом, обусловленное неустойчивостью его в очистном забое под действием различного уровня и направления сил. Это вызывало разрушение исполнительным органом вмещающих пород, чем объясняются низкие темпы подвигания очистных работ. Так, в диагонально опрокинутом забое нормально составляющей веса исполнительного органа оказалось недостаточно для удержания струга у забоя и стабилизации режима его работы. Повышение массы исполнительного органа не способствовало решению задачи, так как было сопряжено с ростом , габаритных размеров и, следовательно, с увеличением зоны свободного прохода струга, приспосабливаемостью его к сложной гипсометрии и т. п. Увеличение же угла опрокидывания забоя вызывало непреодолимые трудности в управлении нависающим массивом обрушающихся боковых пород, приводило к опрокидыванию исполнительного органа на забой и к разрушению почвы пласта. Применение стругов-таранов не позволяло, кроме того, получить относительно устойчивый динамический режим работы исполнительного органа, что обусловлено, прежде всего непрерывно изменяющимся по длине лавы основным динамическим параметром установки — жесткостью тягового органа между приводом и стругом-тараном. В результате (например, при использовании установки УСК на пласте k4 Рудный шахты «Полтавская») струг-таран практически работал в статическом режиме и подвигание лавы в смену не превышало 0,25 м, что привело к интенсивному отслаиванию кровли в верхней части лавы, забучиванию нижней, нарушению вентиляционного режима на участке и в конечном счете к прекращению очистных работ. В диагонально нависающем забое из-за неуравновешенности всех сил на исполнительном органе разрушался неравномерно угольный массив (земник, присуха), а также разрушались вмещающие породы. При мощности обрушающихся в выработанном пространстве боковых пород больше мощности пласта естественный откос не формировался, в средней части лавы происходило забучивание, распространяющееся на призабойную зону и препятствующее нормальному проходу струга. Сравнение результатов применения стругов с различным принципом взаимодействия их с угольным массивом (статические струги, струги-тараны, динамические струги с пневмоударниками, струги с вращающимися резцовыми головками и т. п.) не дает основания выделить какой-либо из этих типов. Учитывая конструктивную сложность, трудоемкость обслуживания и управления динамическими стругами, а также то, что 86% весьма тонких крутых пластов содержат уголь сопротивляемостью разрушению менее 180 кгс/см [6], следует отдавать предпочтение статическим стругам. Промышленные испытания прижимных и опорно-направляющих элементов (в виде канатов, цепей, рельсов, коробчатых желобов и т. п.) показали: они не создают равномерных по всей длине лавы необходимых напорных нагрузок со стороны струга на угольный массив. Это, очевидно, объясняется тем, что указанные конструкции, представляемые с точки зрения классической механики достаточно точно гибкими нитями, предопределяли постепенно изменяющуюся в сторону увеличения кривизны форму забоя в плоскости пласта, а следовательно, непропорциональный рост всех нагрузок в системе привод — струг (предварительного натяжения, тяговых усилий, сил трения, упругих сил в опорно-направляющем элементе и т. д.). В конечном счете, по мере подвигания линии очистного забоя нарушалось соответствие между этими нагрузками и техническими возможностями средств перемещения и подачи струга. Такой вывод подтверждают и приведенные в работах [5, 7] иллюстрации фактических форм забоя, а также данные по снижению темпов его подвигания по мере отхода от разрезной печи при испытании установки УТС и комплекса КБК. При неспокойной гипсометрии и переменном угле падения пласта опорно-направляющий элемент еще в большей степени нарушал устойчивость исполнительного органа и делал его неуправляемым, что усложняло эксплуатацию всего выемочного оборудования. Поэтому в перспективных технологических схемах безлюдной выемки тонких крутых пластов целесообразно применять прямолинейную форму забоя (опрокинутую или нависающую), что может быть достигнуто при весьма жестком опорно-направляющем элементе и равномерной принудительной подаче его на забой. Но поскольку конструктивная разработка и использование такого элемента в рассматриваемых условиях практически невозможны, то свои основные функции (опоры и направляющей для исполнительного органа) реальная конструкция может нести только за счет надежной фиксации в пространстве очистного забоя. С учетом необходимости выполнять и функции по управлению горным давлением и ограждения призабойной зоны от обрушающихся в выработанном пространстве пород опорно-направляющий элемент неизбежно трансформируется в своеобразную крепь оградительно-поддерживающего типа. Ни увеличение массы исполнительного органа (струговая установка БСК-3), ни различные формы очистного забоя в плоскости пласта (УТС), ни применение динамического исполнительного органа (струго-таранная установка VCK), ни наличие ограждающих устройств (комплексы КБК и КБС) не обеспечивали устойчивых темпов отработки выемочного участка (1,5—2 м в смену), не предотвращали даже в самых благоприятных горногеологических условиях нарушения сплошности и обрушения вмещающих пород, проникновения их в призабойную зону. Наибольшая скорость зарегистрирована в диагонально опрокинутом забое пласта k13 Дерезовка на шахте «Ольховатская» при струговой установке КМС: за 8 рабочих дней подвигание забоя составило 20 м, однако после этого произошел завал лавы и работы по выемке были прекращены. В большинстве первых промышленных испытаний из-за низких темпов подвигания очистного забоя не удавалось осуществить выемку без крепления выработанного пространства и вывести людей из лавы, а это не давало ощутимых экономических выгод от внедрения новой технологии по сравнению с основными способами выемки. Таким образом, длительный период шахтных испытаний на весьма тонких крутых пластах технологических схем безлюдной выемки со стругами при принятых конструктивных и технологических решениях не позволил подтвердить правильность исходных предпосылок и предположений. В Центральном районе Донбасса за последние 15 лет испытаны также технологические схемы безлюдной выемки тонких крутых пластов с применением в качестве выемочных машин узкозахватных комбайнов УКР, «Темп», «Комсомолец» и «Малыш». В основе схем по существу лежали те же принципы, что и при струговой выемке, однако при рассмотрении их целесообразно разграничить два хронологических периода. В первом предусматривалось ведение очистных работ без каких-либо решений по управлению вмещающими породами в машинной части лавы. Так, на шахте «Красный Профинтерн» по пласту k13 Дерезовка выемка угля комбайном УКР велась в диагонально опрокинутом забое без крепления и без присутствия человека в призабойной зоне машинной части лавы. Очистные работы начались с разрезной печи, пройденной по целику в 7 м от выработанного пространства. Подвигание достигало 3 м в сутки, и 11 дней участок выполнил месячный план добычи. Но когда оставленный в выработанном пространстве целик рушился, началось интенсивное обрушение вмещающих пород и пришлось перейти на молотковую выемку. Общее подвигание лавы составило 15 м по откаточному и 25 м пи вентиляционному штреку. Последующим развитием этого направления безлюдной выемки предусматривалось оградить призабойное пространство, от выработанного дистанционно возводимыми крепями и устройствами — комплекс, Донуги-ВНИМИ с деревянными клиновыми тумбами КБТ, комплекс ДГИ с опускными полками и комбайном «Малыш», комплекс Донуги с пневмобаллонной крепью КЭБ и др. Эти схемы более сложны конструктивно и по управлению, громоздки, чувствительны к изменениям горногеологических условий (колебаниям мощности и угла падения пласта, микрорельефу вмещающих пород, их устойчивости и сплошности). Здесь требуется предварительная подготовка вмещающих пород для установки крепи, что существующими типами комбат при отсутствии надежной обратной связи между пирс лавой не обеспечивалось. Характерные признаки с многооперационность, длительность процесса возведения крепи, трудоемкость в управлении и согласовании не связанного каким-либо образом между собой оборудования по выемке и по возведению крепи, незначительная на предварительное распора крепи. Отмеченные недостатки не позволили получить положительные результаты и представительные данные для совершенствования технологических схем. Устранение недостатков рассматриваемых технологических схем лежит в настоящее время, по нашему мнению, на пути использования подвижных быстротвердеющих материл: для целей управления горным давлением. Ряд вопросов, существенных для обычных способов крепления выработанного пространства, например, влияние микрорельефа, гипсометрии, переменного угла падения и мощности пласта, трещиноватости вмещающих пород, не оказывает заметного влияния на работоспособность новой крепи, а такие качества, контактируемость, взаимодействие, предварительный распор), предопределяются прежде всего свойством быстротвердеющего материала и в меньшей степени техникой, технологией его применения. В этом отношении примечателен эксперимент, проведенный Донуги в лаве пласта k\ Андреевский на шахте «Комсомолец». Испытывалась схема безлюдной выемки угля, при которой в выработанном пространстве через каждые 3,6 м по простиранию параллельно забою дистанционно возводилась искусственная полоса из водогипсовой смеси. Очистные работы велись комбайном «Комсомолец», который работал как бы в условиях камерно-столбовой системы. Смесь нагнеталась из вентиляционного штрека в сооруженные в лаве опалубки и через 10 мин с момента затвердевания приобрести прочность на сжатие 13—18 кгс/см2, а через 1,5 ч достигала 45—53 кгс/см2. Однако несовершенство технологии сооружения опалубок, ненадежность оборудования и отсутствие оптимального композиционного состава смеси не посолили провести испытания в представительном объеме, тем не менее была показана принципиальная возможность изменения подобного способа управления горным давлением в лаве тонкого крутого пласта. Работы в этом направлении следует продолжить. Технологические схемы на основе угольных пил были опробованы на многих каменноугольных бассейнах страны. В Донецком бассейне прошли промышленные испытания схемы выемки угля полосами по восстанию с помощью канатных пил конструкции ДГИ и ВНИМИ, а также канатно-цепной пилы Донуги. Схема выемки угля полосами по па-опию наиболее представительна комплексом КВГП [8]. Особенность первой технологии заключалась в том, что полоса подрезалась исполнительным органом и под действием горного давления и составляющей веса разрушалась. Подрубленный уголь либо магазинировался в выработанном пространстве, а затем выгружался, либо сразу после отбойки перепускался в углеспускную печь. Однако в одном случае уголь зажимался сближающимися боковыми породами, а в другом обрушающиеся породы перекрывали углеспускные печи, что не позволило вести дальнейшую выемку. Технологические схемы разработки полосами по восстанию г. помощью угольных пил из-за присущих им принципиальных недостатков (значительных — до 40—50% — потерь угля в выработанном пространстве, неуправляемости исполнительного органа по мощности пласта, неудовлетворительного проветривания очистного забоя, большого объема работ по подготовке полосы, неуправляемости процесса выпуска угля из забоя) нельзя считать перспективными для защитных и склонных к самовозгоранию пластов. Особенностью технологической схемы выемки угля полосами по падению с помощью комплекса КВГП является агрегатная увязка исполнительного органа типа скрепероструга с оградительно-поддерживающей пневмобаллонной крепью, что обеспечивало выемку угля из пласта со слабыми боковыми породами. Однако испытания комплекса подтвердили правильность только общих принципиальных технологических и конструктивных решений. Из основных недостатков следует отметить значительную трудоемкость подготовительных работ, связанных с направленным бурением скважин большого диаметра (до 300 мм); неблагоприятные условия активного проветривания очистного забоя, выпуска отбитого угля и подачи сжатого воздуха. Контроль и управляемость пневмобаллонной крепью затруднены. Данную технологическую схему при соответствующих конструктивных доработках следует считать наиболее вероятной в нейтрально-газовой среде. Таким образом, промышленные испытания технологических схем безлюдной выемки угля пилами выявили и подтвердили необходимость решения тех же вопросов, что и в схемах со стругами. Наиболее характерным положительным моментом для всех рассмотренных схем является то, что сравнительно устойчивые результаты и длительный период испытаний имели место при небольших (до 500—600 м2) обнажениях боковых пород и интенсивной (в 3—4 смены) выемке угля. Поэтому перспективные направления по созданию технологии и средств безлюдной выемки из тонких крутых пластов должны предусматривать комплексное решение вопросов отбойки угля, управления горным давлением и организации труда на участке и в последующей технологической цепи шахты. Указанные требования должны быть решены в результате: минимизации основных операций в технологическом процессе и полной их автоматизации и управляемости; надежной функциональной связи всех элементов схемы, обеспечивающей интенсивный экономически целесообразный режим работы выемочного участка, с технологическими перерывами, не превышающими 1,5—2 ч; работы в нейтральной воздушно-газовой среде.

Перечисленные условия в принципе отражают внутренние признаки перспективных схем безлюдной выемки угля из тонких крутых пластов. Кроме того, схемам должны быть присущи и такие внешние признаки, как прямолинейная форма очистного забоя в плоскости пласта, надежное крепление призабойной зоны и ограждение ее от выработанного пространства; агрегатная увязка исполнительного органа с крепью; равномерная по длине лавы принудительная подача исполнительного органа на забой. При безлюдной выемке защитного или самовозгорающегося пласта естественно требование отсутствия в выработанном пространстве целиков угля, а также устройств, передающих опорное давление на смежные пласты. Все указанные требования свойственны гипотетической технологической схеме безлюдной выемки тонких крутых пластов, однако уже имеются возможности удовлетворить большую их часть.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коник И. Д., Попович А. С, Спожакин А. И. Опыт работы шахт комбината «Артемуголь» по разработке пластов, подверженных внезапным выбросам угля и газа. «Уголь», 1974, № 10.

2. Гринько Н. К- О направлениях развития технологии выемки угля без присутствия людей. «Уголь», 1976, № б.

3. Трофимов В. П. Безлюдная выемка угля. Киев, «Техтка», 1969.

4. Локшин Б. С, Рахутин В. С. Смещение боковых пород при выемке весьма тонких крутых пластов стругами типа КМС. «Уголь Украины», 1966, №11.

5. Васильев Н. Ф., Лепихов А. Г., Овчаров В. С. Струговая выемка защитных крутых пластов мощностью 0,2—0,45 м. «Уголь», 1974, № 1.

6. Кривченко А. А., Залмаев Н. Д., Атабеков В. А. и др. Исследование сопротивляемости углей резанию в антрацитовых районах. «Уголь», 1969, № 1.

7. Проявкин Е. Т., Горгонов А. Т. Определение форм забоя при струговой выемке на тонких крутых пластах. В сб.: «Технология добычи угля и проведения подготовительных выра-ток», № 50. М., «Недра», 1971.

8. Овчаров В. С. Перспектива безлюдной выемки угля пилами на крутых пластах. «Уголь Украины», 1977, № 11.

«Уголь Украины», январь, 1978