Направления дальнейшего развития способов управления хрупким разрушениям угольных пластов

Ранее был рассмотрен ряд способов выемки угля, при применении которых установлена возможность управления хрупким разрушением пластов и эффективного использования горного давления для облегчения выемки угля и повышения безопасности горных работ. Наиболее существенный эффект хрупкого разрушения достигается при применении дистанционной зарубки пласта с помощью врубовых машин и, особенно, с помощью канатных пил.

Способ выемки крутых пластов угля с помощью канатных пил типа ДГИ-ВНИМИ является простым, экономичным, безопасным, в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к способам так называемой безлюдной выемки угля. Поэтому дальнейшему развитию и совершенствованию этого способа, применительно к пластам, опасным по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, необходимо уделить серьезное внимание. Основные направления развития и применения способа выемки угля с помощью канатных пил сформулированы в работах.

Отметим лишь, что в ближайшее время необходимо наладить серийное производство автоматически действующих установок канатных пил.

Такие установки должны отвечать следующим основным требованиям:

- иметь тонкий режущий орган (не свыше 60—90 мм);

- иметь малогабаритный автоматически действующий пневматический или электрический привод во взрывобезопасном исполнении, обеспечивающий тяговое усилие до 3 т и возможность контроля и регулировки положения режущего органа;

- обеспечивать возможность выемки угля полосами (столбами) по восстанию и по простиранию при условии, что оконтуривание полос по восстанию может быть произведено как печами, так и скважинами диаметром до 300 мм;

- быть простыми и надежными в работе.

Эти требования нашли отражение в «Технических условиях на разработку конструкции установок канатных пил для комплексной механизации выемки крутых пластов», разработанных ВНИМИ и ДГИ при участии комбинатов Кизелуголь, Приморскуголь, а также институтов Пермгипрогормаш, ПермНИУИ, ПечорНИУИ и одобренных семинаром, состоявшемся во ВНИМИ 27—29 июня 1961 г.

На основе этих технических условий Пермгипрогормаш и ПермНИУИ разработали опытные варианты приводов канатных пил, результаты которых позволили уточнить и сами технические условия. В 1966 г. Пермгипрогормаш разработал рабочие чертежи на привод КПЦ-З, по которым будет выпущена первая опытная партия установок канатных пил.

Выпуск автоматически действующих установок канатных пил позволит перейти к промышленному внедрению безлюдного способа выемки крутых пластов и, в первую очередь, пластов, опасных по горным ударам. Канатные пилы на опасных пластах можно будет применять и на пологом падении.

Описанные выше результаты исследовательских и опытных работ позволяют говорить об управлении процессом хрупкого разрушения в целях использования энергии горного давления для выемки угля и повышения безопасности ведения горных работ как о вполне реальной задаче, решение которой может дать значительный экономический эффект в горной промышленности. Уже отмечалось, что конструктивный показатель измельчения угля при дистанционной зарубке пласта врубовыми машинами и канатными пилами составляет всего лишь 1—5% вместо 20—100% при всех других способах, не предусматривающих использования эффекта хрупкого разрушения. Последнее положение является существенным не только с точки зрения снижения энергозатрат на выемку угля, но и значительного увеличения выхода крупных классов угля. Более того, подбирая ширину захвата и скорость внедрения, можно регулировать крупность добываемого угля.

Дальнейшие исследования и горно-экспериментальные работы целесообразно вести, имея перед собой следующую схему. Краевые части угольного пласта, примыкающие к очистному забою, а также боковые породы в этой области сосредоточивают в себе большие запасы потенциальной энергии. Выбирая ширину захвата добычной машины и режим ее работы, можно вовлекать в процесс разрушения угля необходимое количество энергии.

Более того, при конструировании машин необходимо иметь в виду, что чем меньше радиусы закругления режущих элементов, тем большие дополнительные концентрации напряжений возникают в пласте угля в месте их работы и, следовательно, тем меньшие усилия требуются для их внедрения.

При выборе схем взаимного расположения отдельных звеньев исполнительного органа выемочной машины необходимо исходить из представлений о их совокупном воздействии в процессе внедрения в пласт угля на существующее в пласте напряженное состояние, чтобы в максимальной степени снизить энергоемкость процесса.

Снижение энергоемкости процесса разрушения позволит, в свою очередь, создать более простые, а следовательно, и более надежные в работе машины и другие средства для выемки угля. Это имеет первостепенное значение в том случае, когда речь идет о разработке пластов так называемыми безлюдными способами выемки. Необходимо подходить к разрушению пласта угля не как к разрушению инертного материала, а как к разрушению системы с запасом потенциальной энергии, достаточным для ее разрушения. При этом добычная или проходческая машина с правильно выбранными параметрами исполнительного органа и режимом работы должна в основном лишь управлять процессом саморазрушения пласта.

Следует иметь в виду, что добычной или проходческой машине придется работать в динамическом режиме, испытывая на себе толчки и удары при хрупком разрушении угля. Необходимо, чтобы отдельные части машины имели в соединениях достаточные амортизационные средства.

На некотором расстоянии от края пласта в зонах повышенного опорного давления возникают условия для саморазрушения угля в процессе бурения скважин. Скважина, пробуренная в напряженном пласте, часто увеличивает свой диаметр в 2—5 раз и более. Так, бурение скважины диаметром 100 мм в целике угля на шахте им. Калинина приводило к тому, что в 1,5 м от края целика диаметр се возрастал до 250—300 мм. Скважины по пласту № 13 шахты им. Ленина при диаметре бурового снаряда 300 мм в результате проявления толчков имели диаметр 1—1,5 м.

Установлено, что выход штыба при бурении скважин на участках с повышенными напряжениями возрастает в 5—40 раз в условиях пластов угля Кизеловского бассейна и в 10—40 раз в условиях пласта Мощного Воркутинского месторождения. Уголь «течет» на буровой снаряд. Это говорит о том, что в процессе бурения скважин происходит разгрузка массива угля в окружающем районе за счет выдавливания и разрушения его в сторону скважины. При этом характер выдавливания и разрушения может в значительной степени определяться скоростью бурения. Сопротивление вдавливанию штампа в стенки и торец скважины в зонах максимума опорных нагрузок приближается к нулю. Можно предположить, что сопротивление срезу и отрыву будет также весьма пониженным. Таким образом, крепкий уголь, на разрушение которого непосредственно со стороны забоя нужно тратить большие усилия, в глубине может быть разрушен чрезвычайно легко (может буквально «выгребаться»).

Все эти обстоятельства необходимо учитывать при создании машин для добычи угля и проходки горных выработок на пластах, опасных по горным ударам и другим динамическим явлениям.

Таким образом, буренке скважины диаметром 250—300 мм может служить самостоятельным средством выемки пластов угля на крутом падении, а на пластах пологого и наклонного падения и средством приведения участков пласта в неудароопасное состояние. При этом расстояние между скважинами должно подбираться в каждом конкретном случае, исходя из степени напряженности пласта. В большинстве случаев расстояние между скважинами будет, по-видимому, около 2—3 м. Кроме того, буровой снаряд может быть использован в качестве составной части исполнительного органа выемочной или проходческой машины.

Одним из средств выемки угля, а также приведения пласта к неудароопасное состояние может явиться вымывание угля из зон опорного давления с помощью воды через скважины небольшого диаметра. Вместо воды для разрушения угля (особенно в условиях крутого падения) можно применять специальные приспособления, предусматривающие разрушение угля через скважины.

Нуждается в осуществлении предложение С.Г. Авершшга и И.М. Петухова относительно применения вибрационных машин для возбуждения в краевой части пласта угля, опасного по горным ударам, упругих волн с частотами, задаваемыми в широком диапазоне. Последнее будет способствовать высвобождению потенциальной энергии, сосредоточенной в угле, и может быть использовано для управления процессом деформирования пласта угля и его хрупкого разрушения.

Интересным и заслуживающим внимания является вопрос управления процессом хрупкого разрушения породы и угля при проходке горных выработок. Рассмотрим его на примере проходки выработок по выбросоопасным песчаникам на глубоких шахтах Донбасса,

Проходка указанных выработок, как ранее уже отмечалось, сопровождается динамическими явлениями, близкими к горным ударам.

Проявление выбросов (горных ударов) в данных условиях вызывается действием следующих факторов:

- высокими концентрациями напряжений в районе забоя выработки, обусловленными весом пород;

- динамической передачей нагрузок на вновь образовавшуюся в результате взрыва кромку забоя выработки, на которой нагрузки до взрыва были выше или равны сопротивлению пород одноосному сжатию;

- хрупким поведением материала иод действием нагрузок, приложенных в динамическом режиме;

- хрупким разрушением краевой части забоя, которое сопровождается динамической передачей нагрузок дальше, вызывая разрушение следующей области пород (процесс разрушения носит лавинный характер).

Давление газа способствует отрыву и выносу материала. Возможно первоочередное проявление выбросов породы (горных ударов) в местах, в которых прочность песчаника в результате прошлых тектонических процессов несколько ослаблена.

Локализация лавинного развития разрушения породы определяется действием двух главных причин:

1. Разрушение породы взрывом с последующим разрушением в форме горного удара приводит к возрастанию объема породы в 1,5—2 раза. Следовательно, создаются условия для заполнения полости породой, образующейся при разрушении. Это способствует появлению достаточного бокового распора, направленного против действия сил, вызывающих развитие разрушения.

2. Полость разрушения, развиваясь в глубину массива, стремится к устойчивой форме, на контуре которой напряжения меньше предельных.

Описанная приближенная гипотеза о причинах проявления выбросов породы и их локализации позволяет рассмотреть вопрос борьбы с ними путем создания условий, локализующих развитие выбросов и ударов.

Направление борьбы с вредным проявлением горных ударов и выбросов породы путем локализации их развития должно предусматривать меры, которые обеспечат безопасное и безаварийное ведение горных работ по проходке выработок, а также будут способствовать использованию горного давления для облегчения разрушения пород.

В качестве основной меры по локализации развития выбросов в породных выработках могут применяться щиты, перекрывающие выработку и препятствующие излишнему перемещению породы вдоль выработки.

Место установки щита перед очередным взрывом шпуров в забое выработки нужно выбирать таким образом, чтобы между щитом и новым положением забоя разместилась порода, образовавшаяся в результате взрыва и локального хрупкого разрушения. Таким образом, место установки щита будет определять степень использования энергии горного давления для проходки.

Обоснованием возможности использования щитов для локализации развития выбросов является, по-видимому, то, что при горном ударе разрушение происходит не во всей массе породы одновременно, а развивается последовательно от границы выработки в глубь массива. Опыт борьбы с горными ударами на угольных месторождениях и опыт применения заградительных перемычек МакНИИ в Донбассе показывают на возможность локализации выбросов и ударов.

Основные требования к щитам для управления процессом хрупкого разрушения в первом приближении сводятся к следующему:

- щит должен обладать достаточной податливостью (сетка из канатов, например);

- щит должен быть способным выдерживать нагрузку не менее 30 т/м2;

- конструкция щита должна предусматривать работу его в режиме самораспора в выработке;

- щит должен быть простым в изготовлении и эксплуатации.

В области изыскания условий и средств эффективного управления процессом хрупкого разрушения угля и пород и использования энергии горного давления для их выемки сделаны пока лишь первые шаги. Дальнейшие научные, проектно-конструкторские и горно-экспериментальные работы позволят, как нам представляется, выдвинуть эту проблему в разряд важнейших в деле создания высокопроизводительных, дешевых, безопасных способов и средств разработки полезных ископаемых и, в первую очередь, пластов угля, подверженных горным ударам, внезапным выбросам угля и газа и динамическим явлениям промежуточного типа. При этом наибольшего внимания должны заслуживать способы и средства выемки, не требующие постоянного присутствия людей в очистном забое.