KPATEP * Библиотека "Горное дело" * В.И.Кравченко "Отжим угля при разработке пологопадающих пластов Донбасса"

Глава III

ВЛИЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ОТЖИМ УГЛЯ

1. Длина забоя и система разработки

В 1949 г. отжим наблюдался в лавах длиной 180 м (шахта № 3 им.Дзержинского) и 90 м (шахта № 3 - 3-бис). В 1933 - 1934 гг. на шахте № 3 им.Дзержинского он был обнаружен в лаве длиной 45 м. На шахте № 9 треста "Ворошиловуголь" отжим имел место в лаве длиной 100 и 165 м, при этом величина движения угля в сторону выработанного пространства была в том и другом случаях равной.

Таким образом, длина лавы в условиях постоянно перемещающегося забоя существенного влияния не оказывает. Этот вывод не может быть распространен на забои малой длины (для каждого конкретного случая колеблющейся примерно в пределах 30-70 м), где нельзя получить большого обнажения кровли и, следовательно, необходимого для разрушения угля, давления.

Проф. Б.И. Бокий считал, что "чем длиннее забой, тем больше прогибание кровли в выработанном пространстве; очевидно, что с увеличением стрелы прогиба вышележащих пород возрастает и их давление на забой. Отсюда следует, что чем длиннее забой, тем более тщательного крепления он требует - во-первых, а во-вторых - чем крепче полезное ископаемое, тем выгоднее увеличивать длину забоя, ибо под более значительным давлением оно будет больше раздавливаться и добывать его станет легче" [1].

Более поздними работами установлено, что существует оптимальная длина лавы, когда достигается наиболее благоприятное давление кровли. Дальнейшее увеличение длины лавы не дает особого эффекта, но уменьшает влияние верхнего и нижнего кутков, где происходит зависание кровли, так как уголь в указанных местах испытывает меньшее давление.

Таким образом, для использования давления горных пород необходимо принимать систему работ с достаточно длинной линией забоя. В практической работе следует учитывать не только длину \34\ забоя, но и его прямолинейность, так как при неровном забое давление перераспределяется и отжим угля в значительной мере сокращается. Так, на шахте № 3 им. Дзержинского при искривлении линии забоя отжим сокращался и для выемки угля требовалось дополнительное применение взрывных работ. Таким образом, можно считать установленным, что отжиму благоприятствуют длинные прямые забои.

2. Взаимное расположение забоев

Опыт работы шахт Донецкого бассейна показывает, что лавы, окруженные с трех сторон выработанным пространством, имеют сильно раздавленный целик угля но всей линии забоя. Выемка такого угля производится легко, часто без применения взрывчатых веществ. Наоборот, в коренных лавах, огражденных снизу и сверху запасами угля, отжим происходит в меньшей степени. В "кутках" кровля "зависает", отжим почти прекращается. Влияние такого "кутка" по падению наблюдается до 40 м. Во избежание этого явления лаву следует иметь возможно большей длины и принимать равной этажу - лава-этаж.

В тех случаях, когда по каким-либо причинам работать лавой-этаж невозможно, подэтажи желательно располагать в одну линию (фиг. 19, а) или вести работы спаренными лавами (фиг. 19, б), где опережение лав по отношению друг к другу, как правило, не превышает одного-двух циклов.


При значительных отставаниях верхней лавы (случаи работы на передний или задний скат, бремсберг) частичная ликвидация влияния верхнего "кутка" может быть достигнута путем опережения промежуточного штрека и прохождения его широким ходом.

Однако прохождение промежуточных штреков широким ходом впереди лавы на практике связано с рядом неудобств.

3. Способ управления кровлей

Наблюдения 1949 г. показали, что отжим угля имел место при работе как с частичной закладкой, так и при полном обрушении и плавном опускании. Наблюдения ВУГИ, проведенные до Великой Отечественной войны на шахтах им. Артема и \32\ им.Октябрьской революции (трест "Шахтантрацит") при управлении кровлей частичным обрушением также показали наличие отжима, при этом скорость движения угля доходила до 5 мм/сутки.

Таким образом, установлено, что отжим угля при наличии всех остальных необходимых условий проявляется при самых разнообразных способах управления кровлей. Однако в то время как при работе с обрушением давление в периоды посадок значительно возрастает, а впоследствии затухает, что приводит к уменьшению или временному прекращению отжима, работа с частичной закладкой обеспечивает постоянный отжим.

Неправильно выбранный способ управления кровлей может привести к прекращению движения угля. Так, например, на шахте № 3 им. Дзержинского при переходе от частичной закладки к обрушению отжим уменьшился, а в некоторых случаях полностью прекратился. На шахте № 1-2 треста "Свердловуголь" отжим появился после перехода на частичную закладку и наиболее полно был выражен в лавах, окруженных с трех сторон выработанным пространством.

В тех случаях, когда способ управления кровлей выбран неправильно и породы основной кровли дают периодические бурные осадки, равномерное давление на забой нарушается и отжим угля, как правило, не проявляется. Кроме того, излишнее давление на забой приводит к зажиманию пласта.

4. Ширина рабочего пространства

Пласты угля до проведения в них выработок под влиянием давления вышележащих пород находятся в состоянии напряжения. При проведении очистных выработок непосредственная передача напряжений от кровли к почве пласта становится невозможной. Ранее действовавшие на этом участке силы перераспределяются и передаются на опоры, которыми служат целик угля и породные полосы - при частичной закладке или целик угля, органная крепь и обрушившаяся порода - при полном обрушении.

Распределение напряжений на опоре - целике угля иллюстрируется кривой, приведенной на фиг. 20, которая построена на основании результатов многочисленных наблюдений.


Отдельные авторы кривую напряжений разбивают на зоны. "Мы различаем три зоны: 1) зону нарушенного угля и пород, 2) зону опорного давления и 3) зону всестороннего давления в целике. \36\

Первую зону мы считаем зоной пониженного давления вследствие деформации угля (и пород) в ней. Эти деформации вызваны: 1) наличием обнаженной плоскости, понижающей, сопротивляемость угля (и пород), и 2) расширением угля (и пород), находившегося в целике в сжатом состоянии.

По мере отхода от забоя сопротивляемость угля увеличивается. Уголь и окружающие его породы максимальное напряжение получают в зоне опорного давления, простирающейся на расстояние 10 - 25 м. Достигнув максимума, давление уменьшается и доходит до величин, определяемых глубиной залегания, вне области действия выработанного пространства" [2].

Факт перераспределения напряжений на опоры в очистных работах надо считать вполне установленным. Приведенные ниже математические выражения показывают, что при условии нагрузки балок собственным весом максимальные напряжения на опорах зависят от пролета между ними и будут:

Консольная балка....

Балка, закрепленная на опорах (пластичный изгиб без разрыва сплошности)...

Балка на незакрепленных опорах (пластичный изгиб без разрыва сплошности)...

Балка, закрепленная на одной опоре, вторая опора подвижная...

где k - временное сопротивление (пород) разрыву;
l - пролет балки (ширина рабочего пространства);
h - мощность балки (пласта пород);
- объемный вес (пород кровли).

Не вдаваясь в точность соответствия математических подсчетов с действительным положением, отметим неоспоримое влияние пролета балки на напряжение, получаемое на опорах. Таким образом, ширина рабочего пространства как при полном обрушении, так и при частичной закладке оказывает весьма существенное влияние на изменение давления на целик угля. Это и понятно: чем больше будет обнажаться кровля, тем меньшую опору будут представлять собой нижние слои для вышележащих; прогиб нижних слоев увеличивается, напряженность в них возрастает и передается на целик. Изменяя ширину рабочего пространства, в какой-то степени изменяем величину прогиба кровли и напряжение на опорах в ту или другую сторону.

Следует также иметь в виду, что рабочее пространство может быть увеличено только до известного предела, после превышения \37\ которого наступает разрыв сплошности пород. В основном этот предел зависит от механических свойств пород и в особенности от степени сопротивляемости их разрыву под влиянием собственного веса и веса вышележащих пород, если они не отстают в провисании от нижележащих слоев и их мощности.

Так как отжим угля есть результат действия горного давления и движения боковых пород, главным образом кровли, то, изменяя ширину рабочего пространства, можно увеличить или уменьшить величину опускания пород и давления на целик и тем самым увеличить или уменьшить, вплоть до. полного прекращения, отжим угля, что и подтверждается практикой.

Так, например:
- на шахте № 3 им. Дзержинского при отставании породных полос более чем на 4, 0 м замечается значительное уменьшение, а иногда и полное прекращение отжима;
- на шахте № 9 - 9-бис при увеличении ширины рабочего пространства свыше 4 м скорость движения угля резко сокращается; на шахте № 3 - 3-бис при уменьшении ширины рабочего пространства менее, чем на 4 м отжим резко сокращается. Наибольший отжим имеет место при ширине 5-7 м.

Ниже, в табл. 11 показана ширина рабочего пространства при различных способах управления кровлей, когда на практике ощущается отжим угля.
Таблица 11

Шахта
Непосредственная кровля
Способ управления кровлей
Среднесуточное подвигание забоя, м/сутки
Максимальная ширина рабочего пространства, при которой проявляется отжим угля, м
Примечание
№ 3 им.Дзержинского
Глинистый сланец
Частичная закладка
1,10
до 4,0
Свыше 4 м в кровле появляются заколы
№ 1-2
Глинистый сланец
Частичная закладка
1,35
до 4,0
№ 23
Глинистый сланец
Полное обрушение
1,0
до 4,0
№ 9-9-бис
Глинистый сланец
Полное обрушение
0,7
до 4,0
им. Кагановича
Песчано-глинистый сланец
Полное обрушение
-
4,5
Дельта-2
Песчаник крепкий
Полное обрушение
1,0
5,0 - 7,0
№ 3-3-бис
Песчаник крепкий
Полное обрушение
1,0
5,0 - 7,0
им. Челюскинцев
Известняк
Плавное опускание
1,0
до 3,0

Из таблицы видно, что при управлении кровлей полным обрушением и частичной закладкой, когда непосредственно над \38\ пластом залегают глинистые сланцы, при подвигании забоя, близком к одному метру в сутки, - отжим угля интенсивно происходит при ширине рабочего пространства не более 4 м. В случае крепких пород и при управлении кровлей полным обрушением ширина рабочего пространства увеличивается до 5-7 м, а при плавном опускании не превышает 3,5 м.

Увеличение ширины рабочего пространства более 4 м при глинистых сланцах в непосредственной кровле и более 7 м при песчаниках приводит к резкому уменьшению или полному прекращению отжима угля.

Таким образом, ширина рабочего пространства при наличии всех других необходимых условий оказывает на отжим угля существенное влияние и в каждом конкретном случае должна быть определена опытным путем.

5. Плотность крепления

Наблюдениями установлено, что увеличение плотности крепления в некоторой степени задерживает опускание пород, тем самым уменьшая прогиб кровли и давление в целике угля. Указанное приводит к задержанию или полному прекращению отжима. Так например:
- на шахте им. Челюскинцев при переходе на новый паспорт крепления, отличающийся увеличением плотности костров вдвое, отжим угля прекратился;
- на шахте № 23 при постановке органного крепления вслед за выемкой движение угля уменьшается;
- на шахте № 3 им. Дзержинского фактическая плотность крепления не превышает половины стойки на 1 м2 вынутой площади. При этом стойки забойщицкой крепи для податливости заострены на карандаш. При попытках в 1949 г. заменить податливое крепление обычным наблюдалось появление обрезов и коржение кровли - отжим значительно сокращался.

Таким образом, следует считать, что существует оптимальная плотность крепления, при которой достигается нужный прогиб кровли без разрыва сплошности пород и максимальный отжим угля.

6. Скорость подвигания забоя

Действие скорости подвигания забоя на изменение свойств поведения пород общеизвестно, но степень влияния до сих пор в достаточной мере не изучена и подлежит дальнейшему изучению путем проведения экспериментов в лавах с различными скоростями подвигания.

Наблюдения показали, что интенсивность оседания пород после прохождения врубовой машины или струга, т. е. после подвигания забоя, увеличивается. \39\

Таким образом, быстрое подвигание забоя для одного и того же отрезка времени дает большое смещение пород и вместе с тем уменьшает величину опускания кровли на единицу прохождения забоя. Указанный вывод подтверждается результатами наблюдений на шахтах № 3 - 3-бис и 9 - 9-бис, приведенными в табл. 12.

Таблица 12

Шахта
Расстояние до забоя, м
Скорость подвигания забоя, м/сутки
Смещение кровли, мм
№ 3-3-бис
2,0
2,0
3,2
3,2
0,4
1,0
0,8
1,2
30
13
22
16
№ 9-9-бис
2,8
2,8
2,8
0,35
0,75
1,10
80
42
20

Математическая зависимость между подвиганием забоя и опусканием пород выражается:

(1)

где m1 - величина опускания кровли при скорости подвигания l1;
m2 - величина опускания кровли при скорости подвигания l2.

Следовательно, увеличение скорости подвигания забоя уменьшает величину опускания кровли на метр подвигания забоя и тем улучшает состояние пород ( старое правило - "стремиться всегда работать под свежей кровлей"), так как породы при этом испытывают пониженное напряжение.

В практике работы шахт Донбасса установлено, что в случае медленного подвигания забоя наступает резкое ухудшение состояния пород. В частности на шахте № 3 им. Дзержинского медленное подвигание лавы по простиранию способствует "отстаиванию лавы", создает коржение кровли и, как следствие, ослабляя: давление на забой, ухудшает процесс отжима. Нормальным подвиганием забоя по простиранию при работе на отжим для шахты № 3 им. Дзержинского, при указанной плотности крепления и ширине рабочего пространства, как показывает практика, надо считать - 1,5 метра в сутки.

Однако для каждого конкретного случая при определенной плотности крепления, ширине рабочего пространства и способе управления кровлей существует своя оптимальная скорость \40\ подвигания, благоприятная для использования давления кровли. При этой скорости кровля успевает опуститься на определенную величину, необходимую для разрушения угля, превышение которой может привести к заклиниванию пласта. Эта величина для каждых конкретных условий имеет свое выражение. Указанное подтверждается данными наблюдений, приведенными в табл. 13.

Таблица 13


Шахта

Опускание кровли в рабочем пространстве, мм,  на расстоянии от забоя, м
Грудь забоя
Опускание кровли в целике, мм, на расстоянии до забоя, м
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
№3 им.Дзержинского
№ 9-9-бис
Дельта-2
-
235
139
118
215
103
56
171
57
21
46
32
120
78
90
83
40
63
50
10
42
35
-
34
-
-
25
-
-
15

Принимая реальные горные породы за тела упругие и допуская упрощения, можно схематично представить забой, в котором непосредственная кровля является консолью, опирающейся на угольный целик (фиг. 21).


Такое допущение возможно потому, что нас интересуют не абсолютные величины напряжения, а относительные.

На фиг. 21, а изображен момент, когда породы непосредственной кровли опустились на такую величину, при которой произошло разрушение угля вглубь целика на расстоянии а. Напряжения k, приходящиеся на зону разрушенного угля а, равны

где k - напряжение, испытываемое целиком угля; R - ширина рабочего пространства; а - зона разрушенного угля; h - мощность пород непосредственной кровли; - объемный вес пород. \41\

Если выемку угля не производить, раздавливание будет продолжаться (фиг. 21, б), но с меньшей силой и в дальнейшем превратится, так как удельное давление пород будет меньше временного сопротивления угля.

где b - прирост зоны разрушения.

Напряжение хотя и увеличивается, но незначительно, в то же время удельное давление резко понижается. Так. например, при R = 3,5 м, а = 0,5 м, b = 0,5 м, h = 5,0 м, = 2,5 т напряжение увеличится на 11%, давление на 1 м2 уменьшится на 80%.

Кроме того, вглубь целика нарушенность угля уменьшается и на определенном расстоянии полностью прекращается, уголь начинает испытывать всестороннее давление. Как известно, временное сопротивление пород, в том числе и угля, при всестороннем сжатии значительно увеличивается.

Таким образом, как только уголь зоны а будет раздавлен, необходимо произвести его выемку и не допускать перестаивания забоя, ведущего к уменьшению удельного давления и заклиниванию пласта.

После выемки нарушенного угля новое разрушение произойдет через отрезок времени t, обусловленный скоростью опускания пород v и величиной прогиба кровли m, при которой наступает его раздробление.

Разрушений в течение суток будет:
Суточное подвигание составит:
;
подставляя вместо n и t их выражения, получим оптимальную скорость подвигания:
(2)
Оптимальное подвигание может быть определено из уравнения (1):
(3)
\42\

Известно, что с увеличением подвигания забоя растет и скорость опускания пород, при этом справедливо следующее выражение:

(4)

где - коэффициент пропорциональности, являющийся переменной величиной, т.е. скорость опускания кровли не строго пропорциональна скорости подвигания.

При большой скорости подвигания, превышающей в несколько раз обычные скорости, опускание пород кровли будет отставать, давление на забой уменьшится, движение угля в сторону рабочего пространства сократится.

Однако увеличение давления на забой при больших скоростях подвигания забоя, несомненно, можно произвести путем уменьшения плотности крепления (уменьшением количества стоек, устанавливаемых на 1 м2 вынутой площади, количества или ширины породных полос при частичной закладке и др.), увеличения ширины рабочего пространства или проведения других мероприятий и тем самым не допустить уменьшения интенсивности отжима угля.

Вопрос отжима угля при больших скоростях подвигания забоя подлежит дальнейшему изучению.

При медленном подвигании или остановке забоя, породы значительно опускаются и заклинивают пласт. Кандидат технических наук В.Т.Давидянц пишет: "скорость подвигания забоя должна быть такова, чтобы не направить равнодействующую сил в кровле и в почве внутрь забоя, т. е. чтобы прогиб кровли не переходил известной величины, при которой уголь будет заклиниваться" [3].

Практика показала, что забой должен подвигаться не только с определенной скоростью, но регулярно и непрерывно. Изменение подвигания влечет ухудшение отжима.

Таким образом, для каждого конкретного случая при определенной плотности крепления, ширине рабочего пространства и способе управления кровлей существует оптимальная скорость подвигания забоя, благоприятная для отжима угля. В то же время скорость подвигания забоя должна быть постоянной и непрерывной.

Назад  |  Содержание  |  Вперед


Hosted by uCoz