УДК 622.273

Совершенствование и повышение эффективности разработки мощных пологих и наклонных пластов

   На шахтах Кузбасса около 20% угля добывают из мощных пологих и наклонных пластов. С освоением в ближайшие годы проектной мощности действующих шахт в Ерунаковском геолого-экономическом районе добыча угля из мощных пластов возрастет в бассейне до 26-28%. Мощность примерно 88% пластов этой группы составляет от 3,6 до 5 м и их отрабатывают без разделения на слои с применением механизированных комплексов.

    Подготовительные выработки проводят с оставлением угольных пачек (толщ) мощностью до 1,6-2 м у кровли или почвы, или одновременно у кровли и почвы пласта. Оставление в кровле и почве выработок угольных пачек приводит к существенному снижению их устойчивости и безопасности эксплуатации, увеличению потерь угля, осложнению работы механизированных комплексов на сопряжениях лавы с выемочными штреками. Сохраняемые подкровельные и надпочвенные угольные пачки особенно затрудняют эксплуатацию выемочных штреков столбов, которые составляют 78-80% общей протяженности проводимых выработок по мощным пологим и наклонным пластам в условиях шахт бассейна. В зонах опорного давления очистных работ подкровельные пачки довольно часто теряют связь с кровлей пласта и обрушаются на крепь, а надпочвенные пачки выдавливаются внутрь выработок. По этой причине нарушается устойчивость выработок и до 15-20% из них приходится ремонтировать и перекреплять, хотя нагрузка на крепь зачастую меньше ее несущей способности.

    Проведение выработок с оставлением у кровли угольной пачки частично или полностью (в зависимости от ее мощности) исключает возможность крепления их сравнительно экономичной анкерной крепью. Кроме того, площадь сечения выемочных штреков, составляющая в подавляющем большинстве 10-13 м2, зачастую сдерживает рост добычи угля в лавах по условиям проветривания и транспорта. Уголь подкровельных и надпочвенных пачек в выработках является также потенциальным очагом эндогенных пожаров в выработанном пространстве, о чем свидетельствует опыт горных работ на шахтах бассейна.

   В связи с большими недостатками способов проведения и эксплуатации подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам с оставлением угольных пачек в кровле или почве авторами выполнены в последние годы работы по разработке способов и средств повышения устойчивости выработок по этим пластам и безопасности горно-подготовительных и очистных работ. Сущность работ заключается в обосновании эффективных и надежных способов и средств проведения выработок, прежде всего выемочных штреков столбов, высотой на полную мощность пластов. Для этого проводили специальные инструментальные и визуальные наблюдения в выработках по мощным пластам на шахтах Ленинского, Беловского и Ерунаковского районов бассейна и лабораторные испытания механических свойств боковых пород пластов и прочности закрепления в них анкеров. Наблюдения показали, что главными факторами влияющими на проявление горного давления и устойчивость подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, являются размещение выработок относительно боковых пород, мощность пачки угля, оставляемой в кровле и почве выработок, мощность пласта, прочность вмещающих пород и угля, глубина расположения, площадь сечения и способ охраны выработок от влияния очистных работ. Наиболее опасно деформируется и разрушается уголь подкровельной пачки пластов в выработках, расположенных на глубине более 250-300м и охраняемых от выработанного пространства целиками угля (обычно шириной до 15-20м). Смещение, расслоение и отделение подкровельной пачки угля происходит по двум схемам: первой – угольная пачка и породы кровли пласта смещаются как единая толща с расслоением угля и породы от контура выработки в глубь массива; второй – угольная пачка, как почти единое целое, отделяется от породы кровли пласта и деформируется и разрушается под воздействием смещающейся кровли пласта. По первой схеме происходит смещение и расслоение угольных пачек, обычно разнородных по составу и строению, сила сцепления внутри которых меньше силы сцепления угля пачки на контакте с породами кровли пласта, по второй, – когда сила сцепления угольной пачки на контакте с породами кровли меньше силы сцепления угля в пределах пачки.

    Отделение от кровли пласта и обрушение угольных пачек практически единой толщей наиболее опасно при мощности пачки более 1,5-1,6м и плохой забутовке закрепного пространства. При этом зачастую происходят сдвиг и нарушения крепи и вывалы разрушенного угля в выработки. Пачки угля, оставляемые в почве выемочных штреков и других выработок, в основном разрушаются и выдавливаются внутрь выработок в зоне повышенного опорного давления очистных работ. Особенно интенсивно пучит уголь пачек мощностью до 0,6-0,7м.

    На рис.1 приведены характерные графики смещений кровли в выемочных штреках по мощным пологим и наклонным пластам на глубине расположения 320-350м, пройденных без оставления и с оставлением у кровли пласта пачки угля мощностью 1,4-1,8м и графики смещений почвы без оставления и с оставлением над почвой пласта пачки угля мощностью 0,6-0,8м под влиянием очистных работ. Выработки охранялись в массиве угля и погашались за очистным забоем, крепь трапециевидная из СВП-17, шаг установки рам 0,8м.

   Рис. 1. Характерные графики смещений кровли (а) и почвы (б) в выемочных штреках: 1 – при оставлении угольной пачки; 2 – без оставления угольной пачки

    Данные рис.1 показывают на существенно различные смещения угольных пачек, оставленных у кровли и почвы пласта и опасные деформации пачек угля.

    На шахтах осваиваемого Ерунаковского района (ИК “Соколовская” и др.) горные работы ведут на глубине до 200м. В этих условиях смещения кровли и почвы в выемочных штреках по мощным пластам, охраняемых в массиве угля и погашаемых за очистным забоем, составляют за срок их службы от 30 до 70мм, смещения угля в боках – от 11 до 42мм, протяженность зоны опорного давления впереди забоя лавы – от 12 до 28м. В выемочных штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиком угля шириной 10-15м, смещения кровли и почвы, отжим угля в боках и протяженность зоны опорного давления впереди забоя лавы, при прочих равных условиях, в 1,2-1,4 раза больше, чем в штреках, охраняемых в угольном массиве. Исключение составляют штреки и другие выработки, проводимые в слабых и очень слабых породах вблизи выходов пластов под насосы. Для условий района получены впервые данные по проявлению горного давления и устойчивости подготовительных выработок.

    В условиях шахт Ленинского и Беловского районов (глубина горных работ 200-400м) смещения кровли и почвы в выемочных штреках по мощным пластам, поддерживаемых в массиве и погашаемых за очистным забоем, составляют за срок службы от 70 до 135мм, смещения угля в боках - от 40 до 80мм, протяженность зоны опорного давления впереди забоя лавы – от 22 до 34м. В штреках, охраняемых со стороны выработанного пространства целиком шириной 10-16м, смещения кровли, почвы и угля в боках, при прочных равных условиях, в 2-3 раза больше, протяженность зоны опорного давления впереди лавы – 1,3-1,6 раза больше, чем в штреках, охраняемых в массиве угля и погашаемых за лавой.

    В монтажных камерах шириной 6-6,5м, проводимых на полную мощность пласта (4-5м), с боковыми породами прочностью при сжатии 50-70МПа, смещения кровли и почвы за срок их службы (обычно не свыше 5-6 мес.) составляют не более 70 мм, боков – 25мм. Со стороны боков камер смещения кровли и почвы в 1,8-2,1 раза меньше, чем посредине.

    Анализ результатов шахтных наблюдений и накопленного практического опыта показывает на целесообразность и эффективность проведения выемочных штреков, других выработок по мощным пологим и наклонным пластам (до 5м) высотой, равной мощности пласта. При этом повышается устойчивость выработок и безопасность их эксплуатации, сокращаются потери, упрощаются работы на концевых участках лавы, отпадает необходимость в косых съездах механизированных комплексов (обычно протяженностью 10-13м) из-за различной высоты выемочных штреков и очистной выработки. Кроме того, проведение выработок без оставления угольной пачки у кровли пласта позволяет их крепить анкерной крепью. При оставлении угольной пачки их крепят обычно металлической рамной крепью, так как опасные деформации угля в зоне опорного давления очистных работ приводят к разгрузке анкеров и потере их работоспособности. При проведении выработок на полную мощность пласта смещение кровли и почвы в них в 2-3 раза меньше (при прочих и равных условиях), чем при проведении с оставлением угольных пачек в кровле или почве.

    Выявлены условия, в которых проведение выработок на полную мощность пласта невыгодно и не рекомендуется: породы непосредственной почвы пласта, обычно мощностью не более 0,5-0,6м, очень слабые, склонны к интенсивному пучению, и прочность их меньше прочности угля надпочвенной пачки пласта; непосредственно у кровли или почвы пласта, или одновременно у них, залегает пачка угля небольшой мощности, обычно до 0,5-0,6м, а над ней или под ней прослоек из пород средней прочности и прочных мощностью 0,35-0,4м и более; пачка угля у кровли пласта существенно размыта и размывы заполнены в основном слабосвязными и рыхлыми породами.

    В первом случае эффективно проводить выработки и отрабатывать столбы с оставлением в почве пласта угольной пачки, в основном мощностью 0,5-0,6м. При этом предотвращается пучение маломощного пучащего слоя непосредственной почвы пласта и обеспечивается нормальная работа механизированных комплексов в лавах. Во втором случае экономически выгодно выработки проводить, а столбы отрабатывать с оставлением подкровельной или надпочвенной пачки угля и породного прослойка непосредственно под или над ним. При этом породный прослоек служит кровлей или почвой вынимаемой части пласта. При таком порядке отработки пластов (Полысаевский-2, Сычевский-1, Сычевский-4 и др.) в условия шахт Кузбасса снижаются зольность добываемого угля на 6-16% и затраты на его выемку, транспортирование и обогащение на 12-18%. Участки с интенсивными размывами пластов у кровли (в подавляющем большинстве пачки мощностью до 0,4-0,6м местами на выходах пластов под наносы), заполненными слабосвязными породами, рекомендуется подготавливать и отрабатывать с оставлением угольной пачки у кровли пласта, обычно мощностью 0,5-0,7м.

    Площадь сечения монтажных камер механизированных комплексов по пластам мощностью 3,8-5м, проводимых на полную мощность пласта, составляет в основном 19-30м2 , выемочных штреков столбов – 16-25м2. Накопленный опыт и выполненные исследования показывают, что с использованием отечественного горнопроходческого оборудования (комбайнов и др.) и, в особенности, по условиям трудоемкости возведения крепи и безопасности работ, выработки высотой более 3,8м наиболее целесообразно проводить в два слоя в нисходящем порядке и крепить их в такой же последовательности. В выработках повышенной высоты особое значение имеют вопросы обеспечения устойчивости боков выработок. Для выявления более устойчивой формы поперечного сечения выработок по мощным пластам проводили шахтные наблюдения с использованием контурных и глубинных реперов. Полученные при этом результаты показывают, что выемочные штреки, монтажные камеры и другие выработки внутри столбов на глубине до 180-200м от земной поверхности целесообразно проводить с прямыми боками как при креплении их рамной, так и анкерной крепью. На глубине расположения более 200-250м, в особенности при низкой прочности углей, выемочным штрека, монтажным камерам и другим выработкам, закрепляемым анкерной крепью, наиболее выгодно придавать форму перевернутой трапеции с большим основанием в кровле и с наклоном их боков в сторону массива или целиков под углом 84-86о. При таком угле наклона боков выработок высотой 3,5-5м ширина их в кровле превышает ширину в почве на 0,5-0,8м. Дополнительные затраты на расширение выработок у кровли пласта на указанную величину значительно меньше затрат, связанных с предотвращением сползания и обрушения угля и обеспечением безопасного состояния и обрушения угля боков выработок. При перевернутой трапециевидной форме поперечного сечения смещения угля в боках выемочных штреков на уровне кровли за срок службы в 1,5-2 раза меньше, чем при прямых боках штреков и значительно повышается безопасность горнопроходческих и эксплуатационных работ.

   Самым трудоемким процессом при проведении горизонтальных и наклонных подготовительных выработок, в особенности высотой более 3,5м является крепление их рамной крепью, которое практически полностью выполняется вручную. Наиболее прогрессивным техническим решением в этой области является крепление выработок металлической анкерной крепью, имеющей большие технико-экономические преимущества перед всеми типами рамных крепей. По данным лабораторных испытаний предел прочности на сжатие пород кровли более 80% мощных пологих и наклонных пластов в Кузбассе составляет от 40 до 130МПа и прочность закрепления в них сталеполимерных анкеров диаметром 20-24мм, 90-120кН. При этих нагрузках смещение анкера в шпуре колеблется от 0 до 6мм. Прочность закрепления анкеров в угле пластов – 50-60 кН.

   Инструментальными наблюдениями получены предельные величины безопасного смещения (опускания) заанкерованных пород кровли в выемочных штреках и монтажных камерах за срок службы (в основном не более 2,5 лет) по мощным пологим пластам (рис.2).

    Рис. 2. Графики зависимости предельных величин безопасного смещения заанкерованных пород кровли в монтажных камерах (1) и выемочных штреках (2) от их ширины

    Глубина расположения выработок 200-280м, прочность пород кровли на сжатие 46-50МПа, выработки охранялись в массиве угля и погашались за очистным забоем, длина анкеров 2-2,4м, плотность установки 1 анкер на 0,75-0,8м2.

    Из рис.2 следует, что в интервале ширины 3,8-5м предельные величины безо- пасного смещения заанкерованных пород кровли в монтажных камерах на 20-30 мм меньше, чем в выемочных штреках. Обусловлено это различным влиянием очистных работ на выработки. На основе результатов шахтных наблюдений обоснована возможность и эффективность крепления деревянными анкерами боков выемочных штреков, монтажных камер и других выработок по мощным пологим и наклонным пастам с небольшим сроком службы (обычно до 2-2,5 лет), охраняемых в массиве угля и погашаемых за очистным забоем. По данным шахтных и лабораторных испытаний, рекомендуются анкеры диаметром 40-42мм из сухой сосны и лиственницы. Прочность их закрепления в угольных пластах 18-21кН, в алевралитах – 19-25кН, в песчаниках - 16-18кН. При замоноличивании замковой части анкеров химическими вяжущими материалами прочность их закрепления в угольном массиве возрастает в 1,5-2 раза. Деревянные анкеры в боках выемочных штреков (а также монтажных камер при выемке угля первых циклов в лавах) легко разрушаются исполнительным органом очистного комбайна, что существенно упрощает по сравнению с металлическими анкерами выемку угля на сопряжениях штреков с лавой.

    Выполненные исследования и накопленный опыт в последние годы показывают на возможность и эффективность крепления 80-85% всех подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам на шахтах Кузбасса анкерной крепью и около 10-12% анкерной в сочетании с металлической рамной. Комбинированную крепь наиболее целесообразно возводить в два этапа – при проведении выработок (главным образом вне зоны влияния очистных работ) – анкерной, затем, перед попаданием их в зону влияния очистных работ, дополнительно рамной.

    В 2000 г. на шахтах Кузбасса из общей протяженности, пройденных подготовительных выработок по мощным пологим и наклонным пластам, отработанным без разделения на слои, анкерной крепью закреплено 72,6%, а в целом на шахтах бассейна 46,1% (212км). На шахтах Прокопьевско-Киселевского района анкерной крепью закреплено всего 2,5% (4,8км) из всего объема пройденных здесь за год выработок (192,2км), на всех же остальных шахтах бассейна – 77,5%. На ряде шахт объем выработок, закрепленных анкерной крепью, составляет 96-100% (“Распадская”, им.Кирова, “Колмогоровская”, “Юбилейная”, “Заречная”, “Новая” и др.). Дальнейшее увеличение объема (всего до 75-80% по геомеханическим и горнотехническим условиям) и эффективности применения анкерной крепи в подготовительных выработках на шахтах Кузбасса, а также повышенная безопасность работ, связанных с ее использованием и эксплуатацией, требуют главным образом создания и выпуска высокопроизводительных и надежных средств бурения шпуров под анкеры (длиной до 3-3,5м) и механизации их установки.