Системы разработки на пластах

Основные требования к системам разработки на пластах, опасных и угрожаемых по горным ударам, сводятся к тому, чтобы отработка пласта проводилась без оставления целиков и выступающих участков пласта при полном или почти полном, отсутствии выработок в массиве угля впереди очистных работ.

Этому требованию наиболее полно отвечает сплошная система разработки. Ее и надо рекомендовать в качестве основной для отработки тонких и средней мощности угольных пластов. При разработке мощного пласта, опасного по горным ударам, наклонными слоями выемка первого слоя должна проводиться также преимущественно сплошной системой разработки.

Сплошная система разработки, может при этом применяться в двух вариантах: по схеме «лава-этаж» и с разделением этажа на подэтажи.

При ведении работ по схеме «лава-этаж» возможно применение нескольких вариантов. Нa рис. 99 изображен вариант, который наиболее широко применяется в Кизеловском бассейне (шахты им. Урицкого, им. Калинина). При этом варианте откаточный штрек проходят узким ходом с большим опережением очистного забоя лавы. Позади лавы выше откаточного штрека выкладывают два ряда костров или один ряд костров и бутовую полосу из породы, получаемой от подрывки в бутовом штреке.

Назначение бутового штрека, помимо получения из него породы для выкладки бутовой полосы, заключается в том, чтобы подрезать кровлю в нижней части лавы в целях повышения обрушаемости ее позади забоя. На шахте им. Калинина бутовый штрек, используемый в качестве конвейерного, поддерживался на протяжении 60—70 м позади лавы. Выше штрека был выложен один ряд костров и установлена органная крепь.

Вопрос поддержания выработок на границе с выработанным пространством заслуживает серьезного внимания. С 1951 г. эта схема широко опробована на шахтах Кизеловского бассейна. В последние годы она получила применение в Донбассе. Необходимость перехода на эту схему возникает на шахтах Воркуты, Сучана, Средней Азии и других районов.

Схема поддержания выработок на границе с выработанным пространством была обоснована опытом.

Общепризнанным средством предохранения выработок от разрушения является оставление целиков угля около них. При этом размеры целиков возрастают с увеличением глубины расположения выработок (рис. 100,а, положение I).

Однако с некоторой глубины предохранение выработок целиками становится нецелесообразным, так как приходится оставлять чрезмерно большие целики угля. Действительно, если на небольших глубинах оставление целика шириною 10—30 м позволяло вывести выработку из зоны опорного давления, то на глубинах 500—1000 м, когда ширина зоны опорного давления достигает 50—70) м и более, требуемые размеры целиков непомерно возрастают. Если оставить сравнительно небольшие целики (например, положение I на рис. 100, а), охраняемая выработка попадает в зону максимальных нагрузок, достигающих на глубинах 500—1000 м 400—1000 кг/см2, и поддержание ее крайне осложнится. Более того, даже если бы удалось поместить выработку за пределами зоны опорного давления (рис. 100, а, положение II), то и в этом случае при расположении выработки в слабых породах возникнут трудности в ее поддержании, так как на глубинах 500—1000 м, когда коэффициент концентрации нагрузок около выработки равен 2, нагрузки достигают 250—500 кг/см2.

Все это свидетельствует о том, что способ охраны горных выработок с помощью целиков угля, успешно применявшийся на верхних горизонтах, в условиях больших глубин либо не достигает своей цели, либо связан с громадными потерями угля.

Ho имеется другой способ вывода горной выработки из зоны опорного давления. Он заключается в приближении горной выработки к выработанному пространству. Крайним и наиболее благоприятным будет положение выработки в соседстве с выработанным пространством (рис. 100, а, положение III). При применении этой схемы следует использовать податливую крепь. Величина податливости может быть рассчитана на основе принципиальной схемы (рис. 100,б). Надо иметь в виду, что величина Ah, представляющая собой сближение пород за счет раздавливания края пласта угля, на глубинах 500—1000 м не превышает обычно 5—10% от мощности пласта (или высоты выработки — на мощных пластах). Естественное сближение боковых пород б с удалением от края пласта достигает 3—5 см/м. Указанные величины деформации возникают вне зависимости от прочности и вида крепи, наличия или отсутствия бутовой полосы выше выработки и пр. В связи с этим крепь выработки должна иметь достаточную податливость.

Применение описанной схемы поддержания откаточных штреков дает возможность сохранить штрек после прохода лавы без дополнительной его подрывки и даже без замены крепи, если последняя имеет податливость порядка до 0,2 м по нижней и до 0,4 м — по верхней стенке штрека.

В случаях проходки штрека в слабых породах несущая способность крепи должна предохранять выработку от обрушения пород.

Изложенный выше принципиальный подход к поддержанию горизонтальных горных выработок на границе с выработанным пространством в полной мере относится и к наклонным выработкам.

Рассмотрим положение, когда верхние вентиляционные штреки (бывшие откаточные) поддерживаются позади забоя с помощью бутовых полос (рис. 99), При этом в дополнение к бутовой полосе или кострам, выложенным выше штрека, когда он был откаточным, целесообразно ниже штрека позади очистного забоя выкладывать бутовую полосу из породы, получаемой от подрывки кровли в самом штреке. Высоту подрывки принимают с таким расчетом, чтобы после оседания пород кровли на величину, составляющую 70—80% мощности пласта, сечение штрека было достаточным. Ширина бутовой полосы ниже штрека при этом определяется из условия размещения всей породы, полученной при подрывке штрека, и изменяется на практике в широких пределах, в зависимости от размеров сечения штрека и мощности угольного пласта.

Для придания крепи штрека податливости стойки на длине до 40 см затесывают «па карандаш». С той же целью их со стороны восстания устанавливают в лунки глубиной до 0,60 м, заполненные породной мелочью, а со стороны падения — на породу бутовой полосы (рис, 99, разрез II—II).

Система «лава-этаж» позволяет применять и такую схему, по которой верхний штрек не поддерживается среди отработанных пространств, и в этих условиях, следовательно, отпадает надобность в возведении бутовой полосы ниже его (например, при работе на передний квершлаг или при фланговом проветривании).

Некоторые варианты дают возможность проходить откаточный штрек вслед за очистным забоем. Эту возможность, прежде всего, следует использовать в районах, особо опасных по горным ударам, чтобы в нижней части лавы избежать появления участков с излишними концентрациями напряжений.

Наконец, при разработке особо опасных угольных пластов в условиях больших глубин может оказаться необходимой проходка откаточных штреков широким забоем с двусторонней раскоской. Такая схема проходки штрека применена, например, на шахте им. Урицкого (рис. 101).

Разработка мощных пластов, опасных по горным ударам, может производиться также сплошной системой при выемке наклонных слоев, особенно первого слоя, являющегося опасным по ударам. В этих случаях мощность первого слоя должна быть тем меньше, чем опаснее пласт. Остальные слои могут иметь большую мощность и отрабатываться как неопасные. В ряде случаев опережающая отработка верхнего маломощного слоя с соблюдением мер борьбы с горными ударами может оказаться единственным способом, обеспечивающим безопасность отработки мощных пластов с углом падения до 60—70°. Сказанное позволяет сделать вывод, что на таких пластах перспективной является система разработки с гибким перекрытием, при которой монтажный слой может отрабатываться также сплошной системой.

Вторым вариантом применения сплошной системы разработки, как уже говорилось, является отработка этажа с подразделением на подэтажи. При этом опережение между подэтажами, вообще говоря, может быть любым. Однако более благоприятные условия для отработки этажа в целом, если иметь в виду предотвращение горных ударов, складываются в том случае, когда общая линия очистных забоев в этаже максимально приближается к прямой. Поэтому желательно, чтобы опережение подэтажей в условиях пологого и наклонного падения пластов не превышало 5 л, а в условиях крутого падения — 25 м (подразумевается, что отработка ведется с опережением верхних подэтажей по отношению к нижним).

Вместе с тем можно допускать и большее опережение подэтажей и даже просто последовательную отработку их в нисходящем порядке. Опережение между смежными подэтажами при одновременной их работе лучше всего иметь более 2l (l можно определить по графикам, изображенным на рис. 30). Соблюдение указанного опережения между очистными забоями смежных подэтажей исключит их взаимное влияние и, следовательно, позволит более эффективно решать вопросы борьбы с горными ударами и вопросы управления кровлей в процессе ведения горных работ (рис. 102).

При последовательной отработке подэтажей сверху вниз опережение между подэтажами может быть любым. Однако в этом случае время остановки или пуска соответствующего подэтажа в эксплуатацию должно определяться завершением очередного цикла процесса управления кровлей в останавливаемом подэтаже.

При ведении работ сплошной системой разработки с разделением на подэтажи верхние штреки могут как погашаться позади забоя лавы, так и поддерживаться в выработанном пространстве. Способы поддержания штреков при этом не отличаются от способов, описанных выше.

Вопрос о последовательности отработки этажей и подэтажей следует рассматривать исходя из условий распределения и интенсивности зон опорного давления в местах выемки угля. Наиболее благоприятные условия, обеспечивающие наименьшее вредное воздействие опорного давления, создаются при нисходящем порядке отработки этажей и подэтажей. При восходящем порядке отработки этажей в пределах шахтного поля подэтажи надо отрабатывать так же в восходящем порядке. Следует отметить, что восходящий порядок отработки этажей на пластах, опасных по горным ударам, в ряде случаев может оказаться в сравнении с нисходящим более целесообразным.

Применение смешанного порядка отработки этажей и подэтажей приводит к появлению сильно нагруженных участков угольного пласта, к наложению зон опорного давления от выработанных пространств с трех или даже с четырех сторон. Опыт показывает, что в этих условиях отработка удароопасных пластов сопряжена с большими трудностями и серьезной опасностью для работающих.

Последовательная отработка подэтажей в нисходящем порядке, а также совместная их отработка при значительном опережении успешно применялись на кизеловоких шахтах им. Урицкого и № 6-Капитальная. На последней была применена полная закладка выработанного пространства. Мощность отрабатываемого пласта № 13 составляла 1,8—2,2 м.

Необходимо отметить, что ведение работ с большим опережением подэтажей имеет преимущества в сравнении с отработкой этажа в целом или при малом опережении подэтажей. Эти преимущества заключаются в том, что опорные нагрузки на пласт угля впереди очистного забоя снижаются в связи с уменьшением площади зависающих пород за счет сокращения длины лавы.

Чтобы не допустить опасности проявления горных ударов в сторону верхних штреков, можно отнести штрек от кромки пласта угля на 2—3 м, выложив в промежутке деревянные костры, или кромку пласта привести в неудароопасное состояние.

Например, для обеспечения безопасного ведения работ в лаве № 201-бис на шахте им. Урицкого, отрабатывающей пласт № 11 на глубине около 900 м, было осуществлено камуфлетное взрывание шпуров длиною по 4—5 м как в массиве угля ниже транспортерного штрека, таки в краевой части забоя остановленной лавы № 203-бис, расположенной в нижнем подэтаже, по которой проходила транспортировка угля из верхней лавы № 201-бис.

Применение столбовой системы разработки на пластах, подверженных горным ударам, должно допускаться лишь как исключение, причем с обязательным проведением мероприятий по обеспечению безопасности работ.

Основное затруднение при применении системы разработки длинными столбами по простиранию объясняется необходимостью отработки целиков угля при переходе очистными работами через передовые бремсберги или скаты (рис. 103). Вопросы, связанные с выбором опережения между подэтажами и способом охраны подготовительных выработок, должны решаться так же, как и при применении сплошной системы разработки.

Чтобы сократить количество случаев перехода очистным забоем через передовые выработки, расстояние между скатами (бремсбергами) должно быть наибольшим, максимально возможным для данных условий. Это требование диктуется тем, что переход через передовые выработки связан, как правило, с большими осложнениями: в соответствии с «Инструкцией по горным ударам» погашение целиков угля между очистным забоем и передовой выработкой должно производиться специальными способами и по особому проекту (об этом будет сказано ниже).

В целях повышения безопасности и безаварийности ведения работ рекомендуется передовые скаты проходить по нижележащим неопасным пластам угля или даже по породе. Такая схема подготовки применяется, например, при выемке пласта № 13 на IV горизонте шахты № 6-Капитальная.

При выемке особо опасных по горным ударам пластов применение системы разработки длинными столбами по простиранию возможно при условии проходки подготовительных выработок широким ходом, с двусторонней раскоской, либо приведения выработок в момент проходки в неудароопасное состояние камуфлетными взрывами или нагнетанием воды в пласт.

Система разработки длинными столбами по простиранию успешно применяется на пластах, опасных по горным ударам, на кизеловских шахтах им. Урицкого, № 6-Капитальная, им. Калинина. В условиях же шахт № 2-Капитальная и им. Ленина применение этой системы стало возможным лишь после опережающей подработки защитными пластами.

Особая опасность применения этой системы разработки на шахте № 2-Капитальная заключалась в том, что в условиях крутого падения отработка длинных столбов велась полосами по восстанию, т. е. при наличии нависающего угля в очистном забое: малейший толчок мог вызывать бурное обрушение угля. Чаще всего удары возникали в момент подхода очистных работ к передовым скатам на расстояние 16—20 м. В 1950—1954 гг. на шахте произошел ряд крупных горных ударов, в результате чего очистные работы по пласту № 13 были остановлены. После подработки пласта № 13 защитным пластом применение той же системы проходит очень успешно, без осложнений. Аналогичный опыт применения системы разработки длинными столбами по простиранию имеет шахта им. Ленина, которая тоже занимается выемкой пласта № 13, опасного по ударам. И на этой шахте указанная система стала безопасной только после подработки пласта № 13 нижележащими защитными пластами.

Применение столбовой системы разработки на одиночных опасных пластах возможно, как уже было сказано выше, при условии приведения краевых частей пласта угля в неудароопасное состояние. Большой опыт применения этой системы разработки с рыхлением пласта камуфлетными взрывами накопила шахта № 62-Капитальная при выемке наклонного пласта № 13 мощностью 3—5 м. Обработка массива угля в этих условиях проводится с опережением очистных работ на 0,5 l.

Во время работ на пластах, опасных и угрожаемых по горным ударам, нельзя допускать встречных и догоняющих очистных забоев, а также опережения нижних подэтажей, так как при этом создаются условия для повышенной концентрации напряжений на отдельных участках угольного пласта и, как следствие этого, условия для опасного проявления горных ударов.

Отработка этажей двойным фронтом, при условии использования расходящихся очистных забоев, особой опасности не представляет и может применяться успешно. Однако надо учитывать, что здесь наблюдается взаимное влияние очистных работ в обоих забоях, по крайней мере, до расхождения их на расстояние, равное длине забоя. Вследствие этого режим ведения работ в обеих лавах должен быть согласован.

Несмотря на особую опасность применения встречных и догоняющих забоев, иногда, особенно при большой длине крыльев шахтного поля, горнякам все же приходится идти на их применение. В этих случаях при приближении очистного забоя на расстояние l к встречному забою или выработанному пространству очистные работы следует проводить по специальному проекту, который должен предусмотреть такие мероприятия:

1) приведение горных выработок в пределах целика в неудароопасное состояние одновременно с их проходкой путем применения камуфлетного взрывания или нагнетания воды в пласт;

2) приведение в неудароопасное состояние краевой части пласта со стороны очистного забоя.

При подходе очистного забоя к выработанному пространству па 0,6l оставшийся целик можно отрабатывать способами, исключающими присутствие людей в забое, или, после приведения его в неудароопасное состояние на всей площади, путем, например, использования защитного пласта или нагнетания воды в пласт и камуфлетного взрывания.

В ряде случаев может оказаться полезным применение системы длинных столбов по падению. Один из вариантов этой системы, предусматривавший использование передвижных крепей типа КВКП, предлагался в 1956 г. применительно к отработке пласта № 13 на шахте № 2-Капитальная. Ширина столбов при этом могла быть доведена до 50 м и более. Преимущества этого варианта системы разработки состоят в том, что при его осуществлении удароопасный пласт в очистном забое находится внизу, в результате чего выброс угля в рабочее пространство практически исключается, и, во-вторых, вариант позволяет легче решать вопрос ведения работ без оставления целиков.

В 1967 г. группой инженеров Воркутинского месторождения была предложена система разработки длинными столбами по падению для пластов с углом падения 5—15°, предусматривающая отработку столбов шириной до 150 м с помощью комплекса ОМКТ. Эта система предполагает, что поддержание бремсберга позади забоя осуществляется на границе с выработанным пространством по выше описанной принципиальной схеме (рис. 100).

Сказанное о системах разработки относится к случаям, когда выемка угля проходит в присутствии людей в очистных забоях. В случаях же применения безлюдных способов выемки угля значительная часть ограничений может быть снята. Более того, при безлюдных способах выемки не исключается возможность применения ряда других систем разработки, в том числе и таких, как камерная и камерно-столбовая. Примером может служить отработка пластов, опасных по горным ударам, безлюдным способом с помощью канатных пил, практиковавшаяся на шахтах «Нагорная», им. Ленина в Кизеловском бассейне и № 10, 21 на Сучанском месторождении, о чем будет сказано далее. В этих случаях можно допускать и оставление целиков угля позади забоя (в технологических целях), и любое расположение очистного забоя, так как проявление горных ударов не представляет опасности для людей, находящихся вдали от очистного забоя. Исключение могут составить лишь случаи отработки сильно газонасыщенных пластов, когда при мгновенном разрушении целика или краевой части пласта возможно выделение большого количества газа.