ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. "Основными направлениями развития
народного х
озяйства СССР на I976-I980 годы" предусмотрено увеличение добычи угля к
1980 году до 790-810 млн.тонн и повышение производительности
труда в угольной промышленности на 22-24%. Основной задачей при этом
является дальнейшее повышение техники безопасности и улучшение условий
труда на шахтах.
В настоящее время 85% всего угля добывается узкозахватной техникой. При этом 462 очистных забоя по МУП УССР выемка угля производится с применением индивидуальной крепи. В более 60% этих забоев непосредственная кровля угольных пластов представлена неустойчивыми породами. Задача создания бесстоечного призабойного пространства в этих забоях технологически не решена. Процесс поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве лавы, особенно на участках изгиба конвейера, является трудоемким в тяжелым, а также небезопасным.
Схемы крепления бесстоечного призабойного пространства лав унаследованы от технологии выемки угля широкозахватными комбайнами, допускающими незакрепленную площадь кровли до 6,0 м2, что в 4-6 раз меньше при сравнении с узкозахватной выемкой, отсутствуют практические рекомендации их правильного выбора с целью обеспечения необходимой устойчивости кровли, недостаточно изучено напряженно-деформированное состояние пород в призабойной части массива. В техническом арсенале горняков имеется недостаточное количество новых прогрессивных средств индивидуальной крепи.
Цель работы. Исследование и разработка рациональных технологических схем и средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве очистных забоев при узкозахватной \4\ выемке угля с индивидуальной крепью в условиях неустойчивых пород.
В работе защищается: методика выбора рациональных схем крепления лав в зависимости от устойчивости кровли; типизация пород кровли угольных пластов Донбасса пo строению; способ определения допускаемой площади обнажения пород в бесстоечном призабойном пространстве лав в различных горно-геологических условиях; технологические схемы индивидуального крепления лав и рациональная область их применения.
Методы исследования. В качестве основного метода приняты натурные исследования в шахтных условиях с последующей графической и статистической обработкой результатов измерений в сочетании с анализом и обобщением литературных данных.
Научная новизна. Определена допускаемая площадь обнажения пород в бесстоечном призабойном пространстве лав в различных горно-геологических условиях: выявлено изменение устойчивости пород от строения кровли; осуществлена научно-техническая разработка металлических выдвижных верхняков ВВ-2 и технологических схем крепления кровли в бесстоечном призабойном пространстве лав; разработана методика выбора схем и средств крепления кровли на участках изгиба конвейера при узкозахватной выемке угля для пологих пластов Донецкого бассейна.
Практическая ценность. Разработана методика выбора рациональных схем крепления лав, получено универсальное техническое решение задачи создания надежного консольного поддержания кровли на участках изгиба конвейера при неустойчивых породах кровли, рекомендованы рациональные технологические схемы крепления очистных забоев при узкозахватной выемке, определены условия и объемы целесообразного применения металлических выдвижных верхняков ВВ-2 в очистных забоях Донецкого бассейна. \5\
Основные выводы и рекомендации работы положены в основу разработки рациональных технологических схем крепления бесстоечного призабойного пространства лав металлическими выдвижными верхняками ВВ-2, которые прошли успешную проверку при испытании их опытно-промышленной партии (2400 шт.) на шахтах № 3-бис п/о "Торезантрацит" и "Восточная" п/о "Донецкуголь". Межведомственная комиссия рекомендовала верхняки ВВ-2 к серийному производству.
В 1975 г. Горловским рудоремонтным заводом и Ворошиловградским предприятием "Энергоремонт" изготовлена первая промышленная партия верхняков ВВ-2 (1000 шт.), которые внедрены по разработанным технологическим схемам крепления лав на шахтах "Ударник" п/о "Торезантрацит", им. Г.М. Димитрова п/о "Красноармейскуголь"; п/о "Донецкуголь" "Лидиевка", "Северная" п/о "Краснодонуголь", "Ломоватская" п/о "Кадиевуголь". Фактический экономический эффект от внедрения технологических схем крепления лав с применением верхняков ВВ-2 в 6 очистных забоях составил 200 тыс.руб./год.
В 1976 г. изготовлена вторая промышленная партия верхняков ВВ-2 (1000 шт.), которые внедрены в очистных забоях со сложными горно-геологическими условиями на шахтах: "Зуевская" п/о "Шахтерскантрацит", им. Г.М.Димитрова п/о "Красноармейскуголь", им.К.И.Поченкова п/о "Макеевуголь", "Нагольчанская" п/о "Донбассантрацит".
Результаты исследования использованы во "Временной инструкции по применению металлических верхняков ВВ-2 с промежуточной опорой" (ДонУГИ, Донецк, 1975) и "Руководстве по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35°" (ДонУГИ, Донецк, 1976). \6\
Апробация. Работа в целом и ее разделы обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции Донецкого территориального правления НТО горное и ордена Ленина объединения "Донецкуголь" (Донецк, 1975), горной секции ученого совета ДонУГИ (Донецк, 1976), технических советах производственных объединений "Торезантрацит", (Торез, 1977), "Краснодонуголь" (Краснодон, 1975), "Красноармейскуголь" (Димитров, 1977), республиканской межотраслевой научно-технической конференции (Донецк, 1975 г.), областной научно-технической конференции "Молодые ученые научно-техническому прогрессу в угольной промышленности" (Донецк, 1976 г.), семинарах ЦБНТИ МУП УССР и управления Донецкого округа Госгортехнадзора УССР.
Публикация. По результатам исследований опубликовано 17 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений; содержит 105 стр. машинописного текста, 30 таблиц, 52 рисунка, список литературных источников из 103 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Технология узкозахватной выемки угля не предусматривает установки стоек призабойной крепи между забоем и конвейером. В работах советских и зарубежных ученых (А.М.Ильштейн, В.Т.Давидянц, Г.И.Ягодкин, В.Н.Хорин, С.В.Мамонтов, Б.И.Кобзин, В.М.Казьмин, В.Г.Раевский, Б.П.Овчаренко, Н.Д.Медведчук, Н.И.Панков, О.Якоби, Ф.Шпрут и др.), а также производственным опытом доказана возможность создания бесстоечного призабойного пространства и надежного консольного поддержания кровли на участках изгиба \7\ конвейера металлическими шарнирными верхняками. Однако анализом технологических схем и средств крепления очистных забоев индивидуальной крепью при выемке угля узкозахватными комбайнами и стругами установлено, что задача создания бесстоечного призабойного пространства в настоящее время технологически не решена. Основная сложность заключается в креплении бесстоечного призабойного пространства на участках изгиба конвейера. Этот процесс наиболее трудоемкий, тяжелый и небезопасный. Для поддержания пород кровля на указанных участках в более 40% лав с индивидуальными стойками устанавливается временная крепь, которая требует нахождения людей в незакрепленном пространстве между конвейером и забоем. Объем работ по возведению и снятию временной крепи в 1,5-2,0 раза превышает объем работ по возведению постоянной. При отказе от поддержания бесстоечного призабойного пространства при неустойчивых породах кровли объем работ увеличивается в 1,85-2,7 раза.
Для правильного выбора паспорта крепления, соответствующего конкретным горно-геологическим условиям, отсутствуют научно обоснованные критерии оценки устойчивости кровли. Работами Д.С.Ростовцева, Г.Н.Кузнецова, К.И.Иванова, А.Д.Карнышева, Ф.А.Белаенко и А.Д.Панова, В.Т.Давидянца, П.В.Васильева и С.И.Малинина, В.Д.Слесарева, С.Г.Андрушкевича, Г.А.Крупенникова, В.М.Неборского, Б.В.Смирнова и др. установлено, что устойчивость кровли в очистных забоях зависит от ряда горно-геологических (физико-механические свойства пород и их структура, мощность и угол падения пласта, глубина разработки), а также горно-технических (форма и размеры выработки, интенсивность выемки, ширина захвата) факторов. Проведенными исследованиями влияния того или иного фактора на устойчивость пород установлены определенные количественные зависимости, однако учет всех \8\ факторов в совокупности весьма затруднен. Разнообразный подход к оценке устойчивости пород объясняется, прежде всего, недостаточной изученностью ее макроструктурных особенностей (интенсивность, ориентировка, степень раскрытия трещин, форма нарушений сплошности). Трещиноватость сильно меняет свойства среды, иногда значительно сильнее, чем изменение свойства материала, из которого она состоит. В этой связи важнейшей частью проблемы горного давления является установление условий образования нарушений сплошности от способов ведения горных работ, выемки угля, управления кровлей и крепления.
Изучение состояния вопроса определило основную цель исследований: разработку рациональных схем и средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве лав и методики выбора схем крепления в зависимости от устойчивости пород.
В связи с изложенным, в диссертации поставлены следующие задачи:
- установление количественной зависимости устойчивости кровли от литологического состава и строения пород при выемке угля узкозахватными и широкозахватными комбайнами;
- исследование вывалообразования пород за комбайном в зоне изгиба конвейера;
- разработка технологических схем крепления и создание средств поддержания пород, обеспечивающих безопасность работ и повышенную степень их перекрытия в бесстоечном призабойном пространстве при неустойчивой кровле;
- установление области, объема применения и экономической эффективности применения металлических выдвижных верхняков. \9\
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ, ОСОБЕННОСТЕЙ
СТРОЕНИЯ И ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРОД КРОВЛИ НА ЕЕ
УСТОЙЧИВОСТЬ
Исследования включили в себя разработку математической модели количественного выражения устойчивости кровли в очистных забоях с вероятностно-статистических позиций.
Заданной степени устойчивости Y соответствует определенная совокупность горно-геологических факторов, сочетание которых в порядке, соответствующем повышению ее уровня, можно представить в виде некоторого аргумента X. В общем виде зависимость между X и Y можно представить выражением
(1)
- A и B - уровни функции, соответствующие значениям аргумента
и 
;
-
и - относительное
количество выработок с определенной
категорией устойчивости кровли при Y=A и Y=B.
Значения функции A и B соответствуют определенным уровням устойчивости пород P: неустойчивой – P1 и устойчивой – P3.
(В-А) представляет собой превышение уровня устойчивости кровли при данных значениях аргумента над уровнем неустойчивой кровли, а соотношение
- частость случаев
с устойчивой кровлей в данных условиях.
Для определенной группы выработок наиболее характерное значение уровня устойчивости кровли P определяется по формуле
, (2)
где
- удельный вес выработок с неустойчивой, средней
устойчивости и устойчивой кровлей в общей совокупности.
Выражая устойчивость как превышение уровня неустойчивой \10\ кровли, можно записать
. (3)
В относительных величинах, как часть интервала Р3-Р1 формула имеет вид:
. (4)
Допуская, что уровень кровли средней устойчивости P2 находится между уровнями неустойчивой и устойчивой кровли, имеем:
. (5)
Математическая модель для количественного определения критерия устойчивости кровли
имеет вид:
. (6)
Лабораторными исследованиями выявлено, что прочностные характеристики различных пород кровли перекрываются. Песчаники низких степеней метаморфизма (при углях марок Д и Г) имеют такую же прочность, как и аргиллиты высоких степеней метаморфизма, а прочность высокометаморфизованных алевролитов соответствует прочности песчаников низких и средних степеней метаморфизма. Между тем, характеристики
этих типов пород не перекрываются и даже имеют разрыв. Особенно он
значителен между песчаниками и алевролитами.
Из возможных вариантов сочетаний боковых пород угольных пластов Донецкого бассейна выделены 12 типов структур кровли и для них определены значения критерия. Исследованиями
установлено, что устойчивость пород зависит от строения кровли и от
мощности слоя пород. Критерий устойчивости кровли при широком захвате
комбайна при одних и тех же мощностях слоя и типах структур выше, чем
при узком захвате. \11\
Наиболее характерными (43%) нарушениями сплошности при различных типах строения кровли являются крупные трещины, направленные параллельно линии забоя. Располагаются они друг от друга чаще всего на расстоянии, равном или близком по величине захвату комбайна (иногда двум захватам). По этим трещинам наблюдается заколы кровля и ступенчатое смещение блоков.
При потере устойчивости обнажениями кровли в бесстоечном призабойном пространстве происходит образование куполообразных, клиновидных, треугольных и прямоугольных форм обрушения пород.
Анализ обрушений пород, послуживших причиной несчастных случаев в очистных забоях с узкозахватной выемкой и индивидуальной крепью, позволил установить, что вывалы происходят, в основном, на участке изгиба конвейера после прохода комбайна (табл.1).
Исследованием установлены параметры вывалов (высота, длина, ширина) в бесстоечном призабойном пространстве на участках изгиба конвейера. 85% вывалов имеют высоту обрушения до 0,6 м, 55% вывалов имеют ширину до 0,9 м и 68% вывалов имеют длину до 2,0 м. Масса вывалов в большинстве случаев не превышает 1,0 т. \12\ Вывалообразование происходит непосредственно у линии забоя или на расстоянии от нее 0,3-0,5 м.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ШАХТНЫХ
УСЛОВИЯХ И РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЕ КРЕПЛЕНИЯ
КРОВЛИ В БЕССТОЕЧНОМ ПРИЗАБОЙНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Все варианты крепления бесстоечного призабойного пространства лав на участках изгиба конвейере обобщены и разделены на пять схем (табл. 2).
\13\
По степени перекрытия обнажений кровли на участке изгиба конвейера схемы крепления бесстоечного призабойного пространства делятся на необеспечивающие перекрытия бесстоечного пространства (схема I) и обеспечивающие частичное перекрытие кровли (схема II, III, Vа,б), повышенную степень ее перекрытия (схема Vв), максимальное перекрытие кровли (схема IV).
Установлено, что в действующих очистных забоях преимущественное распространение имеют схемы I (45%) и V (41%). Схемы крепления II, III и IV в разной степени позволят перекрывать обнажения кровли в бесстоечном пространстве без нахождения рабочих между конвейером и забоем, что весьма важно для повышения безопасности работ. В то жe время схема V продолжает оставаться основной при поддержании обнажений кровли, причем рабочие находятся в наиболее опасной по вывалообразованию зоне.
При различных типах сочетаний пород и схемах перекрытия кровли в бесстоечном призабойном пространстве исследованы технологические параметры крепления: величина площади обнажения Fo время t сохранения устойчивого состояния этой площади, запаздывание временной tBA и постоянной t3.n крепи, скорость комбайна vp при выемке угля, скорость установки крепи vкр за комбайном, отставание l крепи от шнеков комбайна и коэффициент вывалообразования К на участках изгиба конвейера по зависимости, предложенной Е.П.Мухиным.
По результатам исследований сделаны следующие выводы.
1. В очистных забоях с неустойчивой кровлей максимально допустимая незакрепленная площадь не превышает 10,0 м2. Время сохранения устойчивого состояния этой площади составляет 1-1,5 мин.
2. Значение коэффициента вывалообразования пород на участках изгиба конвейера минимальное при схеме крепления II, \14\ максимальное - при схеме крепления V,б.
3. Скорость установки временной крепи отстает от средней скорости комбайна при выемке угля в 1,3-2,5 раза.
4. Расстояние от места обнажения кровли до установки временной крепи составляет минимум 5 м, максимум - 8,6 м, а постоянной - соответственно 13,0 м и 25,0 м.
5. Запаздывание временного крепления составляет в среднем 2,3 мин, постоянного - от 5 мин до 98 мин.
Проведенными исследованиями в лавах №77 пласта
шахты им. Я.М.Свердлова объединения "Свердловантрацит" и №5-северной
пласта 
шахты им. Д.С.Коротченко объединения
"Красноармейскуголь" с обработкой данных наблюдений на машине
"Минск-22" не установлено зависимости трещинообразования в бесстоечном
призабойном пространстве от параметров крепления (расстояния от места
первого контакта верхняка до забоя, расстояния от места установки
первого ряда призабойной крепи). Результаты исследований показали, что
в данных условиях образование трещин происходит впереди забоя и
активное воздействие на эти процессы существующими средствами крепления
не представляется возможным.
Для подтверждения полученных результатов в натурных условиях проведено исследование напряженно-деформированного состояния массива породы в призабойной зоне аппаратурой ДДШ и угля - ультразвуковой установкой УДМ-1м. Установлено, что напряженное состояние пород в большинстве случаев не является постоянным даже в периоды, когда в лаве не ведутся производственные процессы, но все же главным фактором, резко меняющим напряжения, является выемка угля.
При выемке полосы угля, расположенной под местом заложения деформатора отмечена достаточно отчетливая разгрузка кровли. Наибольший перепад напряжений в момент разгрузки \15\ происходил в южной лаве пласта
шахты им. Менжинского при о типе строения кровли 10.
Скорость волн С (а следовательно и величина напряжений) в угольном массиве возрастает с приближением места измерения к линии забоя. Интенсивное снижение С начинается при подходе комбайна к месту измерения. Опускание пород кровли происходит непрерывно и начинается в целике впереди забоя. С выходом пород на линию забоя происходит повышенное их опускание.
Результаты исследований подтверждают существование впереди забоя зоны высоких напряжений, местонахождение которой меняется в зависимости от типа строения пород и их механических свойств. Тот факт, что наиболее характерные формы нарушений сплошности всегда направлены параллельно линии забоя, причем расстояния между ними чаще всего соответствует шагу выемки угля (захвату комбайна), указывает на тесную связь их возникновения с выемкой угля. Направление линии забоя определяет характер распределения напряжений в породах кровли, а шаг выемки - периодичность (в пространстве) участков повышенных напряжений.
Результаты исследований позволили сформулировать требования к технологической схеме крепления участков изгиба конвейера в условиях неустойчивых пород кровли:
- перекрытие бесстоечного призабойного пространства должно осуществляться металлическими шарнирными верхняками, кратными величине захвата комбайна;
- запаздывание крепления с момента обнажения кровли должно быть менее 1,5 мин;
- площадь обнажения кровли не должна превышать 5,0 м2;
- консольная навеска металлических верхняков должна осуществляться в каждой раме крепи;
- консоль верхняка должна активно воздействовать на кровлю;
- величина неперекрытой кровли над конвейером до подхода \16\ комбайна не должна превышать 0,3 м;
- шаг передвижки конвейера должен контролироваться и быть кратным длине верхняков;
- навеске консолей верхняков должна осуществляться из закрепленного призабойного пространства;
- нахождение людей в незакрепленном пространстве между конвейером и забоем недопустимо.
4. СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ ПОДДЕРЖАНИЯ КРОВЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С БОКОВЫМИ ПОРОДАМИ
В процессе создания и промышленного освоения производства средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве, удовлетворяющих разработанным требованиям к технологический схемам крепления участков изгиба конвейера при узкозахватной выемке угля в неустойчивых породах кровли, разработаны и изготовлены крепи двух типов: консольно-выдвижная комплектная KBK-1 и шарнирная КВШ-4, а также выдвижные верхняки BВ-2 и BB-15.
В основу работы указанных средств крепления призабойного пространства положен принцип поддержания кровли в бесстоечном пространстве металлическими верхняками, выдвигаемыми над корпусом комбайна после прохода шнеков.
В крепи KВK-1 выдвижные металлические верхняки применены в качестве дополнительных средств крепления, располагающихся рядом с основной крепью из обычных шарнирных верхняков. В КВШ-4 выдвижные верхняки выполняют функции как временной, так и постоянной крепи.
Принципиальной особенностью верхняков ВВ-2 и BB-15 является наличие в комплексе призабойной крепи промежуточной опоры, которая служит приспособлением для навески и консольного закрепления верхняков на участках изгиба конвейера, а после передвижки конвейера - удлиняет консольную часть верхняков, обеспечивая \17\ дополнительное перекрытие кровли над машинной дорогой.
Лабораторными и заводскими испытаниями устанавливалась работоспособность как крепи в целом, так и отдельных ее элементов. Испытания проводились по специально разработанным методикам, учитывающим специфику шахтных условий. Верхняки испытывались на изгиб при различных схемах нагружения.
В результате испытаний установлено, что опорные головки крепи КВШ-4 выдерживали нагрузку, равную 110 тс, распор верхняка, создаваемый вручную, достигал 4,3 тс; при длине консоли 1,8 м и нагрузке в 1 тс на ее конце величина прогиба составила 14 мм, величина остаточной деформации - 3,6 мм.
В выдвижных верхняках ВВ-2 наиболее нагруженной является промежуточная опора. При изготовлении ее из спецпрофиля (двутавр 8-ТУ14-1689-73) предел текучести материала достигался при нагрузке нa консоль более 1,3 тс, а отрыв оси происходил по сварке при нагрузке 1,7 тс. В случае приложения нагрузки в 1,7 тс на конец промежуточной опоры остаточных деформаций ее элементов не наблюдалось. При изготовлении опоры из спецпрофиля желобкового сечения ее несущая способность соответствует требованиям ТЭТ.
В результате шахтных исследований установлено, что применение консольно-выдвижных металлических верхняков по разработанным технологическим схемам крепления позволяет поддерживать кровлю в бесстоечном призабойном пространстве лав как на участке изгиба конвейера, так и по всей длине лавы, обходиться без временной крепи и повысить безопасность работ по креплению. При этом допускаемая площадь обнажения кровли на участках изгиба конвейера уменьшается в 2-4,5 раза при сравнении с существующими схемами крепления, запаздывание крепления не превышает 1,5 мин, а отставание крепи от шнеков комбайна не превышает 3,0 м. Скорость установки крепи возрастает в 1,2-2 раза. Состояние кровли \18\ улучшается, коэффициент вывалообразования в бесстоечном призабойном пространстве уменьшается в 1,2-3 раза. Из испытанных средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве лавы наиболее эффективными являются металлические выдвижные верхняки ВВ-2. Она обладают необходимой работоспособностью и обеспечивают при разработанных схемах крепления надежное консольное поддержание крови на участках изгиба конвейера без захода рабочего за конвейер. При их применении запаздывание крепления составляет 22-28 сек, степень перекрытия кровли на участке изгиба конвейера увеличивается в 4-4,5 раза, вывалообразование пород уменьшается в 3 раза, темпы крепления достигают скорости 4-5,0 м/мин. Они являются перспективным средством крепления при выемке угля комбайнами с величиной захвата равной 0,4 м и струговыми установками, а также при односторонней схеме выемки угля комбайнами на выбросоопасных пластах. Применение выдвижных верхняков ВВ-2 по разработанным технологическим схемам крепления является универсальным техническим решением вопроса крепления бесстоечного призабойного пространства на участках изгиба конвейера при неустойчивых породах кровли. Верхняки обладают максимальной приспосабливаемостью к изменяющимся горно-геологическим и горнотехническим условиям. Межведомственная комиссия по промышленным испытаниям опытно-промышленной партии верхняков ВВ-2 рекомендовала их к серийному изготовлению.
При промышленном внедрении технологических схем крепления лав верхняками ВВ-2 установлено, что наряду с повышением безопасности работ в очистных забоях со сложными горно-геологическими условиями в сопоставимых условиях увеличивается среднемесячная нагрузка и производительность труда рабочего в 1,2-1,3 раза, снижается себестоимость 1 т угля на 0,36-0,80 руб. и расход лесоматериалов на 1000 т добычи в 1,5-2 раза. \19\
5. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАСПОРТОВ КРЕПЛЕНИЯ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ,
УСТАНОВЛЕНИЕ ОБЛАСТИ, ОБЪЕМОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ВЫДВИЖНЫХ BEPXHЯKОB ВВ-2
При узкозахватной выемке угля с индивидуальными средствами крепления наиболее важным параметром, определяющим соответствие паспорта крепления горно-геологическим условиям является площадь неперекрытой кровли в зоне изгиба конвейера. Она должна быть меньше некоторой допустимой для данных условий величины.
Все схемы крепления подразделены на 4 группы:
- с применением верхняков В20Б;
- с применением верхняков ВВ-2;
- с применением коротких (0,3-0,5 м) верхняков;
- с применением удлиненных (1.4-1,8 м) верхняков.
Для этих схем определены величины неперекрытой площади кровли S на участке изгиба конвейера и установлено, что минимальное значение этой величины достигается при креплении лавы с помощью опережающей крепи. Однако этой схеме присущи весьма существенные недостатки: недостаточная жесткость металлических стержней, трудность при бурении шпуров у кровли пласта, а также рост трудоемкости работ по креплению. Максимальная степень перекрытия кровли с минимальной трудоемкостью обеспечивается схемами крепления с применением верхняков ВВ-2.
Используя математическую модель оценки устойчивости кровли, для каждого из 12 типов структур с различной толщиной нижнего слоя непосредственной кровли определена допускаемая незакрепленная площадь пород (табл. 3). \20\
При составлении паспорта управления кровлей и крепления лавы необходимо, чтобы выполнялось требование:
. (7)
-
- фактическая площадь обнажения пород на участке
изгиба конвейера, м2;
-
- допустимая незакрепленная площадь пород на участке
изгиба конвейера при определенном типе строения кровли, м2.
Выбирать рациональную схему крепления бесстоечного призабойного пространства лав на участках изгиба конвейера в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях рекомендуется в соответствии с разработанной гистограммой. Среди рекомендуемых схем предпочтение следует отдавать тем, которые обладают минимальной трудоемкостью. Расчетная экономическая эффективность применения лавокомплекта верхняков ВВ-2 по предложенным технологическим схемам крепления лав помимо косвенного эффекта, не \21\ поддающегося прямому расчету и выражающегося в повышении безопасности и сокращении вывалообразования пород при сравнении с обычными средствам крепления, составляет 23 тыс.руб. в год. На основе анализа горно-геологических условий действующих очистных забоев с индивидуальной крепью по состоянию на конец 1977 г. с учетом исключающих факторов (объем применения механизированных комплексов, вынимаемая мощность пласта менее 0,9 м и сильно дующая почва) установлено, что целесообразный объем применения верхняков ВВ-2 составляет 290 очистных забоев. Расчетный экономический потенциал от их внедрения в указанном объеме составляет 7 млн.руб. в год только по Донецкому бассейну.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализом способов и средств индивидуального крепления очистных забоев с узкозахватной выемкой угля установлено, что в настоящее время отсутствуют достаточно надежные и безопасные технологические решения, обеспечивающие поддержание кровли в бесстоечном пространстве (участка лавы между забоем и первым рядом крепи).
Более чем в 40% очистных забоев поддержание кровли осуществляется при помощи временной крепи, устанавливаемой от места обнажения пород в среднем на расстоянии 6,8 м. Скорость установки крепи в 1,3-2,6 раза меньше средней скорости комбайна, при выемке угля.
2. Непосредственная кровля лав имеет интенсивно развитую трещиноватостъ. Наиболее характерны крупные трещины, направленные параллельно забою и располагающиеся на расстоянии, равном захвату \22\ комбайна. В лавах с неустойчивыми породами вблизи этих трещин имеются зоны местного смятия пород или же зон мелких трещин, с которых начинается вывалообразование в призабойном пространстве.
3. Трещинообразование возникает впереди забоя в результате высоких напряжений, обусловленных действием опорного давления. Активное воздействие на этот процесс существующими средствами крепления не представляется возможным.
4. Вывалообразование пород в бесстоечном пространстве связано в основном с выемкой угля, при этом 81% вывалов происходит на участке изгиба конвейера, из них 55% - на расстоянии до 5 м от выемочного органа комбайна. Вывалы породы имеют небольшие размеры и высоту: 85% из них имеют высоту до 0,6 м. Возможная масса вывалов не превышает в большинстве случаев I т на пог.м лавы.
5. Для выбора технических решений крепления лав, соответствующих горно-геологическим условиям, разработана математическая модель количественной оценки устойчивости кровли.
С помощью этой модели:
- выполнен анализ влияния основных горно-геологических факторов на устойчивость;
- проведено сравнение широкозахватной и узкозахватной выемки с точки зрения устойчивости кровли;
- разработана методика расчета допустимых площадей обнажения на участке изгиба конвейера. \23\
6. Устойчивость кровли в наибольшей степени зависит от ее строения: сочетания типов пород, слагающих непосредственную кровлю и мощности непосредственной кровли. Выделено 12 типов строения кровли, наиболее характерных для Донбасса и для каждого из них определены допускаемые величины площади обнажения кровли.
7. Для решения вопросов крепления лав с неустойчивыми породами кровли создан новый тип металлических выдвижных верхняков (ВВ-2). По сравнению с серийными верхняками, широко применяющимися на шахтах, верхняки ВВ-2 обеспечивают:
- более высокую степень перекрытия кровли в бесстоечном пространстве;
- снижение трудоемкости и повышение темпов крепления;
- повышение безопасности труда.
ВВ-2 позволяют увеличить нагрузку на забой и производительность труда рабочего на 20-30%, уменьшить себестоимость 1 т угля на 0,36-0,80 руб., а расход лесоматериалов на 1000 т добычи в 1,5-2 раза. Экономический потенциал от внедрения ВВ-2 в целесообразном объеме, равном 290 лав только на шахтах Донецкого бассейна, составляет 7 млн.руб. в год.
Межведомственная комиссия, проводившая испытания опытно-промышленной партии верхняков ВВ-2, рекомендовала их к серийному изготовлению.
8. Верхняки ВВ-2 рекомендуются для крепления лав с выемкой угля комбайнами с захватами 1,0 м, 0,8 м и 0,4 м, а также для лав со струговой выемкой. Разработаны типовые схемы крепления для этих условий. \24\
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Крепление бесстоечного призабойного пространства в условиях слабых неустойчивых пород кровли. ЦБНТИ. Листок технической информации. Ротапринт ЦБНТИ МУП УССР. Москва, 1972. Соавтор Цыбенко А. А.
2. Выдвижная шарнирная металлическая крепь при узкозахватной выемке. "Уголь Украины", 1973. № 4. Соавторы: Медведчук Н.Д., Галушко Л.Л. и др.
3. Применение опережающей крепи при узкозахватной выемке угля. "Уголь Украины", 1973, №10. Соавторы: Б.П.Овчаренко, Цыбенко А.А.
4. Консольно-выдвижная комплектная крепь КВК-1. "Уголь Украины", 1974, №2.
5. Совершенствование средств крепления бесстоечного пространства в лавах. "Безопасность труда в промышленности",1974, №5. Соавторы: Кравченко В.И., Гордиевский Г.И. и др.
6. Консольно-выдвижная шарнирная крепь КВШ-4. "Горные машины и автоматика", 1974, №6.
7. Эксплуатация выдвижных верхняков ВВ-2 на шахте № 3-бис комбината "Торезантрацит". Экспресс-информация: "Опыт выемки угля комбайнами с величиной захвата 0,4 м и крепление сопряжений лав со штреками". Ротапринт ЦБНТИ, МУП УССР, Москва, 1974. Соавтор: Ралко В. И.
8. Металлические верхняки для крепления лав при узкозахватной выемке. "Уголь Украины", 1974, №11. Соавторы: Овчаренко Б.П., Осмонян К.А.
9. Крепь КВШ-4 для лав с узкозахватной выемкой. "Уголь Украины", 1975, №1. Соавторы: Кравченко В.Н., Дворниченко В.И. и др. \25\
10. Индивидуальное крепление лав при узкозахватной выемке угля в условиях неустойчивых пород кровли. Тезисы докл. Республиканской межотраслевой научн.-технич. конференции: "Пути сокращения применения ручного и тяжелого, а также неквалифицированного труда", Киев, 1975.
11. Перекрытие для поддержания кровли в очистных выработках. Авторское свидетельство № 468011, 25 декабря 1974. Соавторы: Овчаренко Б. П., Гордиевский Г. И. и др.
12. Индивидуальные средства крепления лав при узкозахватной выемке угля. Сб. "Комплексная механизация производственных процессов на тонких угольных пластах", № 54. Донецк, ДонУГИ, 1974. Соавторы: Комаров А.И., Конев И.И.
13. Крепь для выемки тонких пластов. "Безопасность труда в промышленности", 1975, № 9. Соавторы: Кравченко В.И., Гордиевский Г. И. и др.
14. Временная инструкция по применению металлических верхняков BB-2 с промежуточной опорой. Донецк, ДонУГИ, 1975. Соавторы: Комаров А.И., Конев И.И.
15. Средства и способы индивидуального крепления лав при узкозахватной выемке угля. "Уголь Украины", 1976, № 2. Соавторы: Хомицкий М.С., Медведчук Н.Д.
16. Выбор паспортов крепления для лав с узкозахватной выемкой. "Уголь Украины", 1976, № 6. Соавторы: Овчаренко Б.Н., Осмонян К.А.
17. Руководство по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35°. Донецк, ДонУГИ, 1976. Соавторы: Спицын Ю.Г., Остапенко А.Ф. и др.
БП 16734 Подписано к печати 9.02.78. Тир. 150 экз. Зак. №92.
ДонУГИ. Донецк, Артема, 114
В настоящее время 85% всего угля добывается узкозахватной техникой. При этом 462 очистных забоя по МУП УССР выемка угля производится с применением индивидуальной крепи. В более 60% этих забоев непосредственная кровля угольных пластов представлена неустойчивыми породами. Задача создания бесстоечного призабойного пространства в этих забоях технологически не решена. Процесс поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве лавы, особенно на участках изгиба конвейера, является трудоемким в тяжелым, а также небезопасным.
Схемы крепления бесстоечного призабойного пространства лав унаследованы от технологии выемки угля широкозахватными комбайнами, допускающими незакрепленную площадь кровли до 6,0 м2, что в 4-6 раз меньше при сравнении с узкозахватной выемкой, отсутствуют практические рекомендации их правильного выбора с целью обеспечения необходимой устойчивости кровли, недостаточно изучено напряженно-деформированное состояние пород в призабойной части массива. В техническом арсенале горняков имеется недостаточное количество новых прогрессивных средств индивидуальной крепи.
Цель работы. Исследование и разработка рациональных технологических схем и средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве очистных забоев при узкозахватной \4\ выемке угля с индивидуальной крепью в условиях неустойчивых пород.
В работе защищается: методика выбора рациональных схем крепления лав в зависимости от устойчивости кровли; типизация пород кровли угольных пластов Донбасса пo строению; способ определения допускаемой площади обнажения пород в бесстоечном призабойном пространстве лав в различных горно-геологических условиях; технологические схемы индивидуального крепления лав и рациональная область их применения.
Методы исследования. В качестве основного метода приняты натурные исследования в шахтных условиях с последующей графической и статистической обработкой результатов измерений в сочетании с анализом и обобщением литературных данных.
Научная новизна. Определена допускаемая площадь обнажения пород в бесстоечном призабойном пространстве лав в различных горно-геологических условиях: выявлено изменение устойчивости пород от строения кровли; осуществлена научно-техническая разработка металлических выдвижных верхняков ВВ-2 и технологических схем крепления кровли в бесстоечном призабойном пространстве лав; разработана методика выбора схем и средств крепления кровли на участках изгиба конвейера при узкозахватной выемке угля для пологих пластов Донецкого бассейна.
Практическая ценность. Разработана методика выбора рациональных схем крепления лав, получено универсальное техническое решение задачи создания надежного консольного поддержания кровли на участках изгиба конвейера при неустойчивых породах кровли, рекомендованы рациональные технологические схемы крепления очистных забоев при узкозахватной выемке, определены условия и объемы целесообразного применения металлических выдвижных верхняков ВВ-2 в очистных забоях Донецкого бассейна. \5\
Основные выводы и рекомендации работы положены в основу разработки рациональных технологических схем крепления бесстоечного призабойного пространства лав металлическими выдвижными верхняками ВВ-2, которые прошли успешную проверку при испытании их опытно-промышленной партии (2400 шт.) на шахтах № 3-бис п/о "Торезантрацит" и "Восточная" п/о "Донецкуголь". Межведомственная комиссия рекомендовала верхняки ВВ-2 к серийному производству.
В 1975 г. Горловским рудоремонтным заводом и Ворошиловградским предприятием "Энергоремонт" изготовлена первая промышленная партия верхняков ВВ-2 (1000 шт.), которые внедрены по разработанным технологическим схемам крепления лав на шахтах "Ударник" п/о "Торезантрацит", им. Г.М. Димитрова п/о "Красноармейскуголь"; п/о "Донецкуголь" "Лидиевка", "Северная" п/о "Краснодонуголь", "Ломоватская" п/о "Кадиевуголь". Фактический экономический эффект от внедрения технологических схем крепления лав с применением верхняков ВВ-2 в 6 очистных забоях составил 200 тыс.руб./год.
В 1976 г. изготовлена вторая промышленная партия верхняков ВВ-2 (1000 шт.), которые внедрены в очистных забоях со сложными горно-геологическими условиями на шахтах: "Зуевская" п/о "Шахтерскантрацит", им. Г.М.Димитрова п/о "Красноармейскуголь", им.К.И.Поченкова п/о "Макеевуголь", "Нагольчанская" п/о "Донбассантрацит".
Результаты исследования использованы во "Временной инструкции по применению металлических верхняков ВВ-2 с промежуточной опорой" (ДонУГИ, Донецк, 1975) и "Руководстве по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35°" (ДонУГИ, Донецк, 1976). \6\
Апробация. Работа в целом и ее разделы обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции Донецкого территориального правления НТО горное и ордена Ленина объединения "Донецкуголь" (Донецк, 1975), горной секции ученого совета ДонУГИ (Донецк, 1976), технических советах производственных объединений "Торезантрацит", (Торез, 1977), "Краснодонуголь" (Краснодон, 1975), "Красноармейскуголь" (Димитров, 1977), республиканской межотраслевой научно-технической конференции (Донецк, 1975 г.), областной научно-технической конференции "Молодые ученые научно-техническому прогрессу в угольной промышленности" (Донецк, 1976 г.), семинарах ЦБНТИ МУП УССР и управления Донецкого округа Госгортехнадзора УССР.
Публикация. По результатам исследований опубликовано 17 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений; содержит 105 стр. машинописного текста, 30 таблиц, 52 рисунка, список литературных источников из 103 наименований.
I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Технология узкозахватной выемки угля не предусматривает установки стоек призабойной крепи между забоем и конвейером. В работах советских и зарубежных ученых (А.М.Ильштейн, В.Т.Давидянц, Г.И.Ягодкин, В.Н.Хорин, С.В.Мамонтов, Б.И.Кобзин, В.М.Казьмин, В.Г.Раевский, Б.П.Овчаренко, Н.Д.Медведчук, Н.И.Панков, О.Якоби, Ф.Шпрут и др.), а также производственным опытом доказана возможность создания бесстоечного призабойного пространства и надежного консольного поддержания кровли на участках изгиба \7\ конвейера металлическими шарнирными верхняками. Однако анализом технологических схем и средств крепления очистных забоев индивидуальной крепью при выемке угля узкозахватными комбайнами и стругами установлено, что задача создания бесстоечного призабойного пространства в настоящее время технологически не решена. Основная сложность заключается в креплении бесстоечного призабойного пространства на участках изгиба конвейера. Этот процесс наиболее трудоемкий, тяжелый и небезопасный. Для поддержания пород кровля на указанных участках в более 40% лав с индивидуальными стойками устанавливается временная крепь, которая требует нахождения людей в незакрепленном пространстве между конвейером и забоем. Объем работ по возведению и снятию временной крепи в 1,5-2,0 раза превышает объем работ по возведению постоянной. При отказе от поддержания бесстоечного призабойного пространства при неустойчивых породах кровли объем работ увеличивается в 1,85-2,7 раза.
Для правильного выбора паспорта крепления, соответствующего конкретным горно-геологическим условиям, отсутствуют научно обоснованные критерии оценки устойчивости кровли. Работами Д.С.Ростовцева, Г.Н.Кузнецова, К.И.Иванова, А.Д.Карнышева, Ф.А.Белаенко и А.Д.Панова, В.Т.Давидянца, П.В.Васильева и С.И.Малинина, В.Д.Слесарева, С.Г.Андрушкевича, Г.А.Крупенникова, В.М.Неборского, Б.В.Смирнова и др. установлено, что устойчивость кровли в очистных забоях зависит от ряда горно-геологических (физико-механические свойства пород и их структура, мощность и угол падения пласта, глубина разработки), а также горно-технических (форма и размеры выработки, интенсивность выемки, ширина захвата) факторов. Проведенными исследованиями влияния того или иного фактора на устойчивость пород установлены определенные количественные зависимости, однако учет всех \8\ факторов в совокупности весьма затруднен. Разнообразный подход к оценке устойчивости пород объясняется, прежде всего, недостаточной изученностью ее макроструктурных особенностей (интенсивность, ориентировка, степень раскрытия трещин, форма нарушений сплошности). Трещиноватость сильно меняет свойства среды, иногда значительно сильнее, чем изменение свойства материала, из которого она состоит. В этой связи важнейшей частью проблемы горного давления является установление условий образования нарушений сплошности от способов ведения горных работ, выемки угля, управления кровлей и крепления.
Изучение состояния вопроса определило основную цель исследований: разработку рациональных схем и средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве лав и методики выбора схем крепления в зависимости от устойчивости пород.
В связи с изложенным, в диссертации поставлены следующие задачи:
- установление количественной зависимости устойчивости кровли от литологического состава и строения пород при выемке угля узкозахватными и широкозахватными комбайнами;
- исследование вывалообразования пород за комбайном в зоне изгиба конвейера;
- разработка технологических схем крепления и создание средств поддержания пород, обеспечивающих безопасность работ и повышенную степень их перекрытия в бесстоечном призабойном пространстве при неустойчивой кровле;
- установление области, объема применения и экономической эффективности применения металлических выдвижных верхняков. \9\
Исследования включили в себя разработку математической модели количественного выражения устойчивости кровли в очистных забоях с вероятностно-статистических позиций.
Заданной степени устойчивости Y соответствует определенная совокупность горно-геологических факторов, сочетание которых в порядке, соответствующем повышению ее уровня, можно представить в виде некоторого аргумента X. В общем виде зависимость между X и Y можно представить выражением
(1) - A и B - уровни функции, соответствующие значениям аргумента
и ;-
и - относительное
количество выработок с определенной
категорией устойчивости кровли при Y=A и Y=B. Значения функции A и B соответствуют определенным уровням устойчивости пород P: неустойчивой – P1 и устойчивой – P3.
(В-А) представляет собой превышение уровня устойчивости кровли при данных значениях аргумента над уровнем неустойчивой кровли, а соотношение
- частость случаев
с устойчивой кровлей в данных условиях.
Для определенной группы выработок наиболее характерное значение уровня устойчивости кровли P определяется по формуле
, (2) где
- удельный вес выработок с неустойчивой, средней
устойчивости и устойчивой кровлей в общей совокупности.Выражая устойчивость как превышение уровня неустойчивой \10\ кровли, можно записать
. (3) В относительных величинах, как часть интервала Р3-Р1 формула имеет вид:
. (4) Допуская, что уровень кровли средней устойчивости P2 находится между уровнями неустойчивой и устойчивой кровли, имеем:
. (5) Математическая модель для количественного определения критерия устойчивости кровли
имеет вид:
. (6) Лабораторными исследованиями выявлено, что прочностные характеристики различных пород кровли перекрываются. Песчаники низких степеней метаморфизма (при углях марок Д и Г) имеют такую же прочность, как и аргиллиты высоких степеней метаморфизма, а прочность высокометаморфизованных алевролитов соответствует прочности песчаников низких и средних степеней метаморфизма. Между тем, характеристики
этих типов пород не перекрываются и даже имеют разрыв. Особенно он
значителен между песчаниками и алевролитами.
Из возможных вариантов сочетаний боковых пород угольных пластов Донецкого бассейна выделены 12 типов структур кровли и для них определены значения критерия
. Исследованиями
установлено, что устойчивость пород зависит от строения кровли и от
мощности слоя пород. Критерий устойчивости кровли при широком захвате
комбайна при одних и тех же мощностях слоя и типах структур выше, чем
при узком захвате. \11\
Наиболее характерными (43%) нарушениями сплошности при различных типах строения кровли являются крупные трещины, направленные параллельно линии забоя. Располагаются они друг от друга чаще всего на расстоянии, равном или близком по величине захвату комбайна (иногда двум захватам). По этим трещинам наблюдается заколы кровля и ступенчатое смещение блоков.
При потере устойчивости обнажениями кровли в бесстоечном призабойном пространстве происходит образование куполообразных, клиновидных, треугольных и прямоугольных форм обрушения пород.
Анализ обрушений пород, послуживших причиной несчастных случаев в очистных забоях с узкозахватной выемкой и индивидуальной крепью, позволил установить, что вывалы происходят, в основном, на участке изгиба конвейера после прохода комбайна (табл.1).
Таблица 1
Распределение вывалов, %
| а) при расстоянии от шнеков
комбайна, м |
|||||
| до
1,0 |
1,01-3,0 |
3,01-5,0 |
5,01-8,0 |
8,01-12,0 |
более
12 |
| 20,9 |
20,3 |
14,0 |
13,4 |
12,5 |
11,9 |
| б)
по ширине призабойного пространства |
|||||
| между
забоем и первым рядом стоек |
между
первым рядом стоек и посадочной крепью |
на
линии обрушения и в бутовых полосах |
|||
| 72,4 |
4,4 |
23,2 |
|||
Исследованием установлены параметры вывалов (высота, длина, ширина) в бесстоечном призабойном пространстве на участках изгиба конвейера. 85% вывалов имеют высоту обрушения до 0,6 м, 55% вывалов имеют ширину до 0,9 м и 68% вывалов имеют длину до 2,0 м. Масса вывалов в большинстве случаев не превышает 1,0 т. \12\ Вывалообразование происходит непосредственно у линии забоя или на расстоянии от нее 0,3-0,5 м.
Все варианты крепления бесстоечного призабойного пространства лав на участках изгиба конвейере обобщены и разделены на пять схем (табл. 2).
Таблица 2
Схемы крепления участков изгиба
конвейера
| Схема
крепления |
Краткая
характеристика |
Неперекрытая
площадь обнажения на участке изгиба конвейера, м2 |
| I |
Перекрытие
кровли в бесстоечном пространстве отсутствует |
24,0-30,0 |
| II |
Консольная
навеска шарнирных верхняков (обычных, удлиненных с обычными,
"приставными") |
17,4-20,0 |
| III |
Установка
временной крепи со стороны призабойного пространства в виде Г-образного
крепления между рамками постоянной крепи |
14,0-18,0 |
| IV |
Применение
опережающей крепи различных схем (прямолинейной с одним и двумя
стержнями в рамке, веерообразной, в "ломаную линию" |
1,6-2,0 |
| V |
Установка
временной крепи между конвейером и забоем: |
|
| а)
одиночные стойки под короткие верхняки; |
7,5-18,0 | |
| б)
Г-образное крепление с удалением и без удаления стойки между забоем и
конвейером; |
10,0-11,0 |
|
| в)
перекрытие конвейерной дороги удлиненными верхняками (брусьями) с
дополнительной установкой стоек под короткий верхняк, с консолью
и без нее над конвейером, с удалением и без удаления стойки у забоя |
7,5-9,5 |
\13\
По степени перекрытия обнажений кровли на участке изгиба конвейера схемы крепления бесстоечного призабойного пространства делятся на необеспечивающие перекрытия бесстоечного пространства (схема I) и обеспечивающие частичное перекрытие кровли (схема II, III, Vа,б), повышенную степень ее перекрытия (схема Vв), максимальное перекрытие кровли (схема IV).
Установлено, что в действующих очистных забоях преимущественное распространение имеют схемы I (45%) и V (41%). Схемы крепления II, III и IV в разной степени позволят перекрывать обнажения кровли в бесстоечном пространстве без нахождения рабочих между конвейером и забоем, что весьма важно для повышения безопасности работ. В то жe время схема V продолжает оставаться основной при поддержании обнажений кровли, причем рабочие находятся в наиболее опасной по вывалообразованию зоне.
При различных типах сочетаний пород и схемах перекрытия кровли в бесстоечном призабойном пространстве исследованы технологические параметры крепления: величина площади обнажения Fo время t сохранения устойчивого состояния этой площади, запаздывание временной tBA и постоянной t3.n крепи, скорость комбайна vp при выемке угля, скорость установки крепи vкр за комбайном, отставание l крепи от шнеков комбайна и коэффициент вывалообразования К на участках изгиба конвейера по зависимости, предложенной Е.П.Мухиным.
По результатам исследований сделаны следующие выводы.
1. В очистных забоях с неустойчивой кровлей максимально допустимая незакрепленная площадь не превышает 10,0 м2. Время сохранения устойчивого состояния этой площади составляет 1-1,5 мин.
2. Значение коэффициента вывалообразования пород на участках изгиба конвейера минимальное при схеме крепления II, \14\ максимальное - при схеме крепления V,б.
3. Скорость установки временной крепи отстает от средней скорости комбайна при выемке угля в 1,3-2,5 раза.
4. Расстояние от места обнажения кровли до установки временной крепи составляет минимум 5 м, максимум - 8,6 м, а постоянной - соответственно 13,0 м и 25,0 м.
5. Запаздывание временного крепления составляет в среднем 2,3 мин, постоянного - от 5 мин до 98 мин.
Проведенными исследованиями в лавах №77 пласта
шахты им. Я.М.Свердлова объединения "Свердловантрацит" и №5-северной
пласта шахты им. Д.С.Коротченко объединения
"Красноармейскуголь" с обработкой данных наблюдений на машине
"Минск-22" не установлено зависимости трещинообразования в бесстоечном
призабойном пространстве от параметров крепления (расстояния от места
первого контакта верхняка до забоя, расстояния от места установки
первого ряда призабойной крепи). Результаты исследований показали, что
в данных условиях образование трещин происходит впереди забоя и
активное воздействие на эти процессы существующими средствами крепления
не представляется возможным.
Для подтверждения полученных результатов в натурных условиях проведено исследование напряженно-деформированного состояния массива породы в призабойной зоне аппаратурой ДДШ и угля - ультразвуковой установкой УДМ-1м. Установлено, что напряженное состояние пород в большинстве случаев не является постоянным даже в периоды, когда в лаве не ведутся производственные процессы, но все же главным фактором, резко меняющим напряжения, является выемка угля.
При выемке полосы угля, расположенной под местом заложения деформатора отмечена достаточно отчетливая разгрузка кровли. Наибольший перепад напряжений в момент разгрузки \15\ происходил в южной лаве пласта
шахты им. Менжинского при о типе строения кровли 10.
Скорость волн С (а следовательно и величина напряжений) в угольном массиве возрастает с приближением места измерения к линии забоя. Интенсивное снижение С начинается при подходе комбайна к месту измерения. Опускание пород кровли происходит непрерывно и начинается в целике впереди забоя. С выходом пород на линию забоя происходит повышенное их опускание.
Результаты исследований подтверждают существование впереди забоя зоны высоких напряжений, местонахождение которой меняется в зависимости от типа строения пород и их механических свойств. Тот факт, что наиболее характерные формы нарушений сплошности всегда направлены параллельно линии забоя, причем расстояния между ними чаще всего соответствует шагу выемки угля (захвату комбайна), указывает на тесную связь их возникновения с выемкой угля. Направление линии забоя определяет характер распределения напряжений в породах кровли, а шаг выемки - периодичность (в пространстве) участков повышенных напряжений.
Результаты исследований позволили сформулировать требования к технологической схеме крепления участков изгиба конвейера в условиях неустойчивых пород кровли:
- перекрытие бесстоечного призабойного пространства должно осуществляться металлическими шарнирными верхняками, кратными величине захвата комбайна;
- запаздывание крепления с момента обнажения кровли должно быть менее 1,5 мин;
- площадь обнажения кровли не должна превышать 5,0 м2;
- консольная навеска металлических верхняков должна осуществляться в каждой раме крепи;
- консоль верхняка должна активно воздействовать на кровлю;
- величина неперекрытой кровли над конвейером до подхода \16\ комбайна не должна превышать 0,3 м;
- шаг передвижки конвейера должен контролироваться и быть кратным длине верхняков;
- навеске консолей верхняков должна осуществляться из закрепленного призабойного пространства;
- нахождение людей в незакрепленном пространстве между конвейером и забоем недопустимо.
В процессе создания и промышленного освоения производства средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве, удовлетворяющих разработанным требованиям к технологический схемам крепления участков изгиба конвейера при узкозахватной выемке угля в неустойчивых породах кровли, разработаны и изготовлены крепи двух типов: консольно-выдвижная комплектная KBK-1 и шарнирная КВШ-4, а также выдвижные верхняки BВ-2 и BB-15.
В основу работы указанных средств крепления призабойного пространства положен принцип поддержания кровли в бесстоечном пространстве металлическими верхняками, выдвигаемыми над корпусом комбайна после прохода шнеков.
В крепи KВK-1 выдвижные металлические верхняки применены в качестве дополнительных средств крепления, располагающихся рядом с основной крепью из обычных шарнирных верхняков. В КВШ-4 выдвижные верхняки выполняют функции как временной, так и постоянной крепи.
Принципиальной особенностью верхняков ВВ-2 и BB-15 является наличие в комплексе призабойной крепи промежуточной опоры, которая служит приспособлением для навески и консольного закрепления верхняков на участках изгиба конвейера, а после передвижки конвейера - удлиняет консольную часть верхняков, обеспечивая \17\ дополнительное перекрытие кровли над машинной дорогой.
Лабораторными и заводскими испытаниями устанавливалась работоспособность как крепи в целом, так и отдельных ее элементов. Испытания проводились по специально разработанным методикам, учитывающим специфику шахтных условий. Верхняки испытывались на изгиб при различных схемах нагружения.
В результате испытаний установлено, что опорные головки крепи КВШ-4 выдерживали нагрузку, равную 110 тс, распор верхняка, создаваемый вручную, достигал 4,3 тс; при длине консоли 1,8 м и нагрузке в 1 тс на ее конце величина прогиба составила 14 мм, величина остаточной деформации - 3,6 мм.
В выдвижных верхняках ВВ-2 наиболее нагруженной является промежуточная опора. При изготовлении ее из спецпрофиля (двутавр 8-ТУ14-1689-73) предел текучести материала достигался при нагрузке нa консоль более 1,3 тс, а отрыв оси происходил по сварке при нагрузке 1,7 тс. В случае приложения нагрузки в 1,7 тс на конец промежуточной опоры остаточных деформаций ее элементов не наблюдалось. При изготовлении опоры из спецпрофиля желобкового сечения ее несущая способность соответствует требованиям ТЭТ.
В результате шахтных исследований установлено, что применение консольно-выдвижных металлических верхняков по разработанным технологическим схемам крепления позволяет поддерживать кровлю в бесстоечном призабойном пространстве лав как на участке изгиба конвейера, так и по всей длине лавы, обходиться без временной крепи и повысить безопасность работ по креплению. При этом допускаемая площадь обнажения кровли на участках изгиба конвейера уменьшается в 2-4,5 раза при сравнении с существующими схемами крепления, запаздывание крепления не превышает 1,5 мин, а отставание крепи от шнеков комбайна не превышает 3,0 м. Скорость установки крепи возрастает в 1,2-2 раза. Состояние кровли \18\ улучшается, коэффициент вывалообразования в бесстоечном призабойном пространстве уменьшается в 1,2-3 раза. Из испытанных средств поддержания кровли в бесстоечном призабойном пространстве лавы наиболее эффективными являются металлические выдвижные верхняки ВВ-2. Она обладают необходимой работоспособностью и обеспечивают при разработанных схемах крепления надежное консольное поддержание крови на участках изгиба конвейера без захода рабочего за конвейер. При их применении запаздывание крепления составляет 22-28 сек, степень перекрытия кровли на участке изгиба конвейера увеличивается в 4-4,5 раза, вывалообразование пород уменьшается в 3 раза, темпы крепления достигают скорости 4-5,0 м/мин. Они являются перспективным средством крепления при выемке угля комбайнами с величиной захвата равной 0,4 м и струговыми установками, а также при односторонней схеме выемки угля комбайнами на выбросоопасных пластах. Применение выдвижных верхняков ВВ-2 по разработанным технологическим схемам крепления является универсальным техническим решением вопроса крепления бесстоечного призабойного пространства на участках изгиба конвейера при неустойчивых породах кровли. Верхняки обладают максимальной приспосабливаемостью к изменяющимся горно-геологическим и горнотехническим условиям. Межведомственная комиссия по промышленным испытаниям опытно-промышленной партии верхняков ВВ-2 рекомендовала их к серийному изготовлению.
При промышленном внедрении технологических схем крепления лав верхняками ВВ-2 установлено, что наряду с повышением безопасности работ в очистных забоях со сложными горно-геологическими условиями в сопоставимых условиях увеличивается среднемесячная нагрузка и производительность труда рабочего в 1,2-1,3 раза, снижается себестоимость 1 т угля на 0,36-0,80 руб. и расход лесоматериалов на 1000 т добычи в 1,5-2 раза. \19\
При узкозахватной выемке угля с индивидуальными средствами крепления наиболее важным параметром, определяющим соответствие паспорта крепления горно-геологическим условиям является площадь неперекрытой кровли в зоне изгиба конвейера. Она должна быть меньше некоторой допустимой для данных условий величины.
Все схемы крепления подразделены на 4 группы:
- с применением верхняков В20Б;
- с применением верхняков ВВ-2;
- с применением коротких (0,3-0,5 м) верхняков;
- с применением удлиненных (1.4-1,8 м) верхняков.
Для этих схем определены величины неперекрытой площади кровли S на участке изгиба конвейера и установлено, что минимальное значение этой величины достигается при креплении лавы с помощью опережающей крепи. Однако этой схеме присущи весьма существенные недостатки: недостаточная жесткость металлических стержней, трудность при бурении шпуров у кровли пласта, а также рост трудоемкости работ по креплению. Максимальная степень перекрытия кровли с минимальной трудоемкостью обеспечивается схемами крепления с применением верхняков ВВ-2.
Используя математическую модель оценки устойчивости кровли, для каждого из 12 типов структур с различной толщиной нижнего слоя непосредственной кровли определена допускаемая незакрепленная площадь пород (табл. 3). \20\
Таблица 3
Допускаемая незакрепленная площадь
кровли
| Мощность
слоя непосредственной кровли, м |
Величина
площади кровли; (м2) при типах ее строения |
|||||||||||
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
не больше 1,0 |
5,7 |
10,2 |
9,2 |
8,5 |
12,0 |
9,0 |
9,5 |
10,5 |
15,7 |
24,0 |
5,3 |
5,7 |
| 1,01-2,0 |
6,7 |
11,0 |
14,0 |
12,0 |
16,5 |
15,0 |
11,5 |
11,0 |
16,5 |
24,8 |
7,5 |
10,2 |
| 2,01-3,0 |
8,5 |
13,5 |
14,2 |
17,2 |
17,7 |
16,0 |
11,7 |
15,2 |
20,7 |
25,0 |
12,8 |
16,5 |
| >
3,0 |
11,0 |
13,8 |
14,5 |
17,5 |
18,3 |
16,7 |
14,0 |
16,0 |
26,0 |
25,2 |
14,7 |
16,7 |
При составлении паспорта управления кровлей и крепления лавы необходимо, чтобы выполнялось требование:
. (7) -
- фактическая площадь обнажения пород на участке
изгиба конвейера, м2;-
- допустимая незакрепленная площадь пород на участке
изгиба конвейера при определенном типе строения кровли, м2.Выбирать рациональную схему крепления бесстоечного призабойного пространства лав на участках изгиба конвейера в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях рекомендуется в соответствии с разработанной гистограммой. Среди рекомендуемых схем предпочтение следует отдавать тем, которые обладают минимальной трудоемкостью. Расчетная экономическая эффективность применения лавокомплекта верхняков ВВ-2 по предложенным технологическим схемам крепления лав помимо косвенного эффекта, не \21\ поддающегося прямому расчету и выражающегося в повышении безопасности и сокращении вывалообразования пород при сравнении с обычными средствам крепления, составляет 23 тыс.руб. в год. На основе анализа горно-геологических условий действующих очистных забоев с индивидуальной крепью по состоянию на конец 1977 г. с учетом исключающих факторов (объем применения механизированных комплексов, вынимаемая мощность пласта менее 0,9 м и сильно дующая почва) установлено, что целесообразный объем применения верхняков ВВ-2 составляет 290 очистных забоев. Расчетный экономический потенциал от их внедрения в указанном объеме составляет 7 млн.руб. в год только по Донецкому бассейну.
1. Анализом способов и средств индивидуального крепления очистных забоев с узкозахватной выемкой угля установлено, что в настоящее время отсутствуют достаточно надежные и безопасные технологические решения, обеспечивающие поддержание кровли в бесстоечном пространстве (участка лавы между забоем и первым рядом крепи).
Более чем в 40% очистных забоев поддержание кровли осуществляется при помощи временной крепи, устанавливаемой от места обнажения пород в среднем на расстоянии 6,8 м. Скорость установки крепи в 1,3-2,6 раза меньше средней скорости комбайна, при выемке угля.
2. Непосредственная кровля лав имеет интенсивно развитую трещиноватостъ. Наиболее характерны крупные трещины, направленные параллельно забою и располагающиеся на расстоянии, равном захвату \22\ комбайна. В лавах с неустойчивыми породами вблизи этих трещин имеются зоны местного смятия пород или же зон мелких трещин, с которых начинается вывалообразование в призабойном пространстве.
3. Трещинообразование возникает впереди забоя в результате высоких напряжений, обусловленных действием опорного давления. Активное воздействие на этот процесс существующими средствами крепления не представляется возможным.
4. Вывалообразование пород в бесстоечном пространстве связано в основном с выемкой угля, при этом 81% вывалов происходит на участке изгиба конвейера, из них 55% - на расстоянии до 5 м от выемочного органа комбайна. Вывалы породы имеют небольшие размеры и высоту: 85% из них имеют высоту до 0,6 м. Возможная масса вывалов не превышает в большинстве случаев I т на пог.м лавы.
5. Для выбора технических решений крепления лав, соответствующих горно-геологическим условиям, разработана математическая модель количественной оценки устойчивости кровли.
С помощью этой модели:
- выполнен анализ влияния основных горно-геологических факторов на устойчивость;
- проведено сравнение широкозахватной и узкозахватной выемки с точки зрения устойчивости кровли;
- разработана методика расчета допустимых площадей обнажения на участке изгиба конвейера. \23\
6. Устойчивость кровли в наибольшей степени зависит от ее строения: сочетания типов пород, слагающих непосредственную кровлю и мощности непосредственной кровли. Выделено 12 типов строения кровли, наиболее характерных для Донбасса и для каждого из них определены допускаемые величины площади обнажения кровли.
7. Для решения вопросов крепления лав с неустойчивыми породами кровли создан новый тип металлических выдвижных верхняков (ВВ-2). По сравнению с серийными верхняками, широко применяющимися на шахтах, верхняки ВВ-2 обеспечивают:
- более высокую степень перекрытия кровли в бесстоечном пространстве;
- снижение трудоемкости и повышение темпов крепления;
- повышение безопасности труда.
ВВ-2 позволяют увеличить нагрузку на забой и производительность труда рабочего на 20-30%, уменьшить себестоимость 1 т угля на 0,36-0,80 руб., а расход лесоматериалов на 1000 т добычи в 1,5-2 раза. Экономический потенциал от внедрения ВВ-2 в целесообразном объеме, равном 290 лав только на шахтах Донецкого бассейна, составляет 7 млн.руб. в год.
Межведомственная комиссия, проводившая испытания опытно-промышленной партии верхняков ВВ-2, рекомендовала их к серийному изготовлению.
8. Верхняки ВВ-2 рекомендуются для крепления лав с выемкой угля комбайнами с захватами 1,0 м, 0,8 м и 0,4 м, а также для лав со струговой выемкой. Разработаны типовые схемы крепления для этих условий. \24\
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Крепление бесстоечного призабойного пространства в условиях слабых неустойчивых пород кровли. ЦБНТИ. Листок технической информации. Ротапринт ЦБНТИ МУП УССР. Москва, 1972. Соавтор Цыбенко А. А.
2. Выдвижная шарнирная металлическая крепь при узкозахватной выемке. "Уголь Украины", 1973. № 4. Соавторы: Медведчук Н.Д., Галушко Л.Л. и др.
3. Применение опережающей крепи при узкозахватной выемке угля. "Уголь Украины", 1973, №10. Соавторы: Б.П.Овчаренко, Цыбенко А.А.
4. Консольно-выдвижная комплектная крепь КВК-1. "Уголь Украины", 1974, №2.
5. Совершенствование средств крепления бесстоечного пространства в лавах. "Безопасность труда в промышленности",1974, №5. Соавторы: Кравченко В.И., Гордиевский Г.И. и др.
6. Консольно-выдвижная шарнирная крепь КВШ-4. "Горные машины и автоматика", 1974, №6.
7. Эксплуатация выдвижных верхняков ВВ-2 на шахте № 3-бис комбината "Торезантрацит". Экспресс-информация: "Опыт выемки угля комбайнами с величиной захвата 0,4 м и крепление сопряжений лав со штреками". Ротапринт ЦБНТИ, МУП УССР, Москва, 1974. Соавтор: Ралко В. И.
8. Металлические верхняки для крепления лав при узкозахватной выемке. "Уголь Украины", 1974, №11. Соавторы: Овчаренко Б.П., Осмонян К.А.
9. Крепь КВШ-4 для лав с узкозахватной выемкой. "Уголь Украины", 1975, №1. Соавторы: Кравченко В.Н., Дворниченко В.И. и др. \25\
10. Индивидуальное крепление лав при узкозахватной выемке угля в условиях неустойчивых пород кровли. Тезисы докл. Республиканской межотраслевой научн.-технич. конференции: "Пути сокращения применения ручного и тяжелого, а также неквалифицированного труда", Киев, 1975.
11. Перекрытие для поддержания кровли в очистных выработках. Авторское свидетельство № 468011, 25 декабря 1974. Соавторы: Овчаренко Б. П., Гордиевский Г. И. и др.
12. Индивидуальные средства крепления лав при узкозахватной выемке угля. Сб. "Комплексная механизация производственных процессов на тонких угольных пластах", № 54. Донецк, ДонУГИ, 1974. Соавторы: Комаров А.И., Конев И.И.
13. Крепь для выемки тонких пластов. "Безопасность труда в промышленности", 1975, № 9. Соавторы: Кравченко В.И., Гордиевский Г. И. и др.
14. Временная инструкция по применению металлических верхняков BB-2 с промежуточной опорой. Донецк, ДонУГИ, 1975. Соавторы: Комаров А.И., Конев И.И.
15. Средства и способы индивидуального крепления лав при узкозахватной выемке угля. "Уголь Украины", 1976, № 2. Соавторы: Хомицкий М.С., Медведчук Н.Д.
16. Выбор паспортов крепления для лав с узкозахватной выемкой. "Уголь Украины", 1976, № 6. Соавторы: Овчаренко Б.Н., Осмонян К.А.
17. Руководство по управлению кровлей и креплению очистных забоев на пластах с углом падения до 35°. Донецк, ДонУГИ, 1976. Соавторы: Спицын Ю.Г., Остапенко А.Ф. и др.
БП 16734 Подписано к печати 9.02.78. Тир. 150 экз. Зак. №92.
ДонУГИ. Донецк, Артема, 114
© 2005 Редакция: KPATEP
