Ведение горных очистных работ

24.05.2018
Впереди очистного забоя, как известно, расположена зона опорного давления, интенсивность и распределение нагрузок в которой определяются глубиной разработки, прочностью боковых пород, мощностью и механическими свойствами пласта угля и рядом других природных факторов. Вместе с тем характер распределения нагрузок в зоне опорного давления во многом определяется также горнотехническими факторами. К ним могут быть отнесены следующие: длина лавы, скорость подвигания очистного забоя, ширина захвата выемочной машины или глубина шпуров, способ и средства управления кровлей и пр.

Принципиальное отличие этой группы факторов состоит в том, что они могут меняться при ведении работ в желаемом направлении, а потому позволяют, в известной мере, управлять распределением нагрузок в опорной зоне.

Правда, в последние годы достигнуты значительные результаты и по изменению природных факторов, таких, например, как механические свойства угольного пласта нагнетанием воды в пласт или камуфлетными взрывами, что также может быть использовано для активного влияния на характер распределения нагрузок в опорной зоне.

Рассмотрим влияние ряда горнотехнических факторов на напряженное состояние краевой части пласта угля впереди очистного забоя.

Зависимость величины опорных нагрузок от длины лавы может быть объяснена, если представить себе схему зависания подработанных пород. Принципиальная схема распределения площадей подработанной толщи, тяготеющих к целикам по границе выработки, приведена в работе проф. С. Г. Авершина. На рис. 130, а приводится подобная схема с той лишь разницей, что углы, противостоящие торцевым опорам, приняты равными 90°. Из этого следует, что точки, расположенные на линиях ВС, AC, исходя из условий тяготения к опорам, должны быть равноудаленными от соответствующих краевых опор.

Рис. 130 показывает, что площадь зависающих пород, тяготеющая к очистному забою AB, оконтуривается треугольником ABC.

При этом сумма опорных нагрузок Р, распределяющаяся впереди забоя на площади AEFB, для случая полного зависания пород будет равна:

В случае же обрушения и полного сдвижения пород под углом w3 величина P несколько снизится за счет исключения веса пород, получивших опору на почву пласта, а именно:

Необходимо иметь в виду, что приведенные зависимости отражают лишь схематически принципиальную сторону излагаемого вопроса и не могут служить для расчетов опорных нагрузок во всех случаях. Пригодность их для расчетов может относиться лишь для условий небольших глубин и простейших схем зависания пород.

Вместе с тем из этих зависимостей можно увидеть, что опорные нагрузки существенно зависят от длины очистного забоя или высоты этажа.

В случае, когда отработка пласта ведется без оставления целиков у штрека вентиляционного горизонта (рис. 130,б), наибольшие опорные нагрузки в верхнем углу лавы будут складываться из нагрузок от зависания пород над выработанным пространством, образовавшимся выше отрабатываемого этажа (подэтажа), и нагрузок, возникающих от зависания пород позади действующего забоя лавы AB.

Рассмотрим случай, когда опорные нагрузки от вышележащего выработанного пространства являются постоянными, а изменяется лишь длина действующей лавы.

Сумма опорных нагрузок от действующей лавы будет определяться зависанием пород на площади ABС, тяготеющих к массиву угля впереди забоя лавы AB. Породы, располагающиеся правее линии AC, тяготеют к нижней опоре — массиву угля ниже откаточного горизонта.

Суммарная опорная нагрузка от действующей лавы, распределяющаяся на площади AEFB, за вычетом веса пород, получивших опору, будет равна:

Таким образом, подбирая длину лавы, можно существенно влиять на напряженное состояние пород и угля впереди очистного забоя.

Приведем один из примеров использования полученного вывода.

В 1956 г. на шахте № 2-Капитальная Кизеловского бассейна возникла необходимость надработки камеры подъемной машины уклона с VI на VII горизонт. Во избежание разрушения бетонной крепи камеры большими опорными нагрузками от забоя лавы длиною 120 м по пласту № 9, расположенному выше камеры на 5—6 м, была осуществлена надработка камеры лишь нижним уступом лавы, опережающим основной забой ее на 30 м.

В результате такой меры предосторожности надработка не оказала заметного воздействия на крепь камеры. Эта схема была рекомендована также для надработки полевых штреков и штреков, пройденных по нижележащему пласту.

Уже говорилось, что распределение напряжений на краю пласта в значительной степени определяется боковым давлением, направленным в глубь пласта и возникающим в результате проявления сил трения на контактах угля и пород и сил защемления пласта боковыми породами. Указанные силы бокового давления, препятствуя выдавливанию угля из забоя, повышают несущую способность краевой части пласта. Причем, если силы бокового отпора, образовавшиеся за счет трения угля и пород, не могут быть существенно изменены по воле человека, то силы, возникающие в результате защемления пласта породами, в некоторой степени могут изменяться путем применения крепи различной жесткости, изменения шага ее переноски и др. Толчкообразность процесса деформирования краевой части пласта тем выше, чем больше защемление пласта боковыми породами. Понятно, почему при возрастании зависания непосредственной кровли позади забоя возрастает удароопасность краевой части пласта.

Рассмотрим далее влияние ширины захвата добычной машины на распределение нагрузок в опорной зоне впереди очистного забоя.

Многочисленный опыт применения на пластах, опасных по горным ударам, добычных машин с разной шириной захвата показывает, что этот фактор является определяющим в формировании и распределении нагрузок в краевой части угольного пласта, примыкающей к очистному забою.

Вывод о превалирующем влиянии ширины захвата на напряженное состояние угля и пород в районе работающей добычной машины подтверждается многочисленными инструментальными наблюдениями за деформацией пород и угля и за проявлением сейсмоакустических импульсов в лавах шахт Кизеловского бассейна. На рис. 131 приводится один из таких результатов, из которого следует, что с увеличением длины бара врубовой машины возрастает как общее количество импульсов, так и количество сильных импульсов.

Существенное влияние на характер распределения нагрузок впереди очистного забоя оказывает скорость подвигания очистного забоя. Чем больше скорость, тем ближе к забою располагаются повышенные нагрузки. И, наоборот, при медленном подвигании забоя происходит пластическое деформирование краевой части угольного пласта и повышенные напряжения «уходят» в глубь массива угля.

Подобные явления происходят во время работы добычной машины. При большой скорости подачи бар врубовой машины или комбайна врезается в сильно напряженный уголь, при меньшей — в разгруженный уголь. В первом случае, при внедрении бара могут происходить горные удары, во втором — горных ударов может и не быть.

Интересный опыт при выемке угля комбайном «Донбасс» накоплен па шахте им. Калинина Кизеловского бассейна. Если в нижней и средней частях лавы № 525 комбайн работал на второй скорости, то в верхней ее части, в которой наблюдалось повышенное опорное давление на массив угля (работы велись без оставления целиков у вентиляционного горизонта), приходилось переключать машину на первую скорость. Попытки продолжать работу на второй скорости в верхней части лавы кончались горными ударами с разрушением отдельных деталей и узлов комбайна.

Распределение напряжений в пласте угля при зарубке определяется соотношением скорости нагружения, зависящей от скорости подачи машины, и скорости рассеивания напряжений в пласте во времени, или, иначе говоря, скорости выхода пласта из-под нагрузки за счет его пластической деформации. При этом каждый угольный пласт имеет свою предельную скорость пластического деформирования, превышение которой ведет к хрупкому разрушению, т. е. к горному удару.

При отсутствии работ по выемке угля на данном участке очистного забоя скорости деформации угля, как правило, меньше допустимых, и потому горные удары в указанных местах не происходят. Исключением являются только те случаи, когда в силу искривления очистного забоя или местного уменьшения мощности угольного пласта появляются зоны больших концентраций напряжений на указанных участках пласта.

В районе очистного забоя, в котором в данный момент ведется выемка угля (например, зарубка врубовой машиной), скорости смещения пород и раздавливания угля возрастают в 5—10 и более раз. Создаются условия для хрупкого разрушения угля, т. е. происходят горные удары.

В работе приводятся данные, показывающие, что из 140 случаев горных ударов, происшедших в лавах Кизеловского бассейна, для которых установлено состояние горных работ на момент проявления удара, 122 или около 90% от общего количества произошли в результате внедрения в пласт угля бара комбайна или врубовой машины, сверла, пики отбойного молотка, взрыва шпуров.

Таким образом, если уменьшение защемления пласта угля позволяет избежать излишней концентрации напряжений на кромке очистного забоя, то выбор способов выемки угля, очевидно, дает возможность управлять проявлением горных ударов. Чем быстрее и глубже происходит внедрение в уголь режущего органа, т. е. чем больше образующаяся разность вертикальных и горизонтальных напряжений в пласте угля, тем точнее можно предполагать, что разрушение угля произойдет в форме удара и именно в момент внедрения режущего органа в пласт.

Поэтому по вероятности вызова горного удара способы выемки угля можно расположить в следующей убывающей последовательности: при помощи буро-взрывных работ, комбайнов, врубовых машин, отбойных молотков и стругов. В каждом из перечисленных способов выемки угля сила проявления горных ударов может регулироваться глубиной внедрения в уголь режущего органа. Так, в каждой лаве можно подобрать такую оптимальную глубину вруба, при которой будет обеспечено безопасное ведение работ, а также максимально использованы силы горного давления для облегчения процесса отбойки угля. При этом микроудары рассматриваются как нормальная разрядка упругих напряжений в условиях разработки краевой части удароопасного пласта, находящейся в предельно напряженном состоянии.

Поскольку горные удары в очистном забое происходят обычно в месте выемки угля и в момент ее, а следовательно, в отсутствие людей (согласно принятому режиму работ), желательно сократить время между циклами работ по углю. Это обеспечит более регулярную разрядку опасных напряжений в пласте угля, почти полностью исключит возможность непредвиденных ударов и гарантирует большую безопасность работ.

Эти данные можно принять за основу для утверждения о необходимости быстро подвигать очистной забой. Очевидно, выгодно иногда сократить длину очистного забоя, например, за счет разделения этажа на несколько подэтажей и независимого ведения в них очистных работ.

Вопрос об оптимальной скорости подвигания очистного забоя на пластах, опасных по горным ударам, не раз поднимался в горнотехнической литературе.

Большинство исследователей утверждает, что чем меньше скорость подвигания забоя, тем безопаснее ведение работ в лаве.

Наша точка зрения в этом вопросе основывается на активном воздействии на предельно напряженную часть угольного пласта, с тем, чтобы вызвать регулярную разрядку напряжений в ней в момент внедрения добычного механизма или ведения взрывных работ, При этом указанная разрядка, проявляющаяся в форме мелких горных ударов, приурочена к моменту, когда в опасном месте нет людей. Интенсивность проявления микроударов при этом регулируется глубиной и скоростью внедрения в пласт угля. Отсюда следует вывод, что быстрое и регулярное подвигание очистного забоя способствует повышению безопасности ведения горных работ.

Далее излагается опыт применения отдельных способов выемки угля на пластах, опасных по горным ударам.