4.11.7Управление горным давлением в очистных забоях

Обеспечение безопасных условий труда в очистном забое в его призабойной зоне достигается возведением крепи различной конструкции, исключающей обрушение пород непосредственной кровли. Однако по мере выемки угля обнажение кровли увеличивается, она деформируется, растрескивается, в конечном итоге приходит в предельное состояние, когда установленная крепь не может выдержать возникающих нагрузок. Крепь деформируется, кровля обрушается. Чтобы этого не произошло, необходимо управлять горным давлением. Это один из важнейших, в прошлом — один из трудоемких и небезопасных процессов очистной выемки.

Управлением горным давлением называют комплекс мероприятий по регулированию проявлений горного давления в очистном забое с целью обеспечения безопасных и необходимых производственных условий. Такими мероприятиями являются выбор конструкции крепи, способа крепления и предупреждение массовых обрушений боковых пород. Применительно к пологим и наклонным пластам пользуются термином — управление кровлей, так как в этих условиях в комплекс мероприятий входит предотвращение преждевременных обрушений кровли. На крутом же падении необходимо управлять и породами почвы, склонными в некоторых случаях к сползанию.

Все существующие способы управления кровлей можно разделить на три группы:

• естественное поддержание выработанного пространства оставляемыми целиками угля;

• обрушение пород кровли за пределами призабойного пространства;

• искусственное поддержание кровли в выработанном пространстве посредством заполнения его пустыми породами.

В практике разработки угольных пластов длинными очистными забоями применялись или применяются следующие способы управления кровлей: полное обрушение, частичное обрушение, полная закладка, частичная закладка и плавное опускание. Такие способы управления кровлей, как частичное обрушение, частичная закладка и плавное опускание, в настоящее время не применяются.

Самым распространенным способом управления кровлей является полное обрушение. Полная закладка выработанного пространства как способ управления кровлей имеет ограниченное применение, так как это связано с дополнительными затратами на ее осуществление. В Кузбассе ее применяют на нескольких шахтах Прокопьевска.

Управление кровлей полным обрушением

Сущность управления кровлей полным обрушением заключается в периодическом обрушении нависающей вследствие выемки угля консоли пород кровли по всей длине очистного забоя. Расстояние, через которое осуществляется обрушение пород кровли, называют шагом обрушения или шагом посадки.

Величина шага обрушения зависит от типа призабойной крепи, технологии и средств механизации очистных работ, свойств пород кровли и других факторов.

Шаг обрушения кровли в очистных забоях с индивидуальной крепью принимается кратным ширине захвата исполнительного органа комбайна или ширине вынимаемой ленты при буровзрывной выемке. В очистных забоях, где осуществляется буровзрывная выемка угля с индивидуальной деревянной крепью, шаг обрушения принимается равным ширине нескольких лент. Он может достигать 5–6 м и более. В лавах, оборудованных узкозахватными комбайнами и металлической крепью, шаг обрушения обычно равен длине металлического верхняка. При механизированных крепях он равен шагу передвижки крепи.

Шаг посадки, обусловленный технологией очистных работ, может совпадать или не совпадать с естественным шагом обрушения пород кровли. Если естественный шаг обрушения кровли превышает технологический шаг посадки, то происходит зависание пород в выработанном пространстве. Это вызывает повышенное давление на крепь. Такая ситуация возникает при наличии в кровле прочных пород.

Чтобы осуществить посадку кровли, необходимо по линии обрушения установить специальную посадочную крепь, которая отделяет призабойное пространство от выработанного, и каким-либо образом удалить на участке обрушения призабойную крепь. Технология работ по управлению кровлей полным обрушением зависит от типа крепи в очистном забое. В лавах с механизированной крепью процесс крепления и управления кровлей является единым. Здесь роль человека сводится к передвижке крепи гидродомкратом. Кровля при этом стихийно обрушается вслед за передвижкой крепи. Этот процесс в лавах с индивидуальной крепью характерен наличием ручных работ по установке, перемещению и удалению крепи.

На пластах с углами падения до 15° посадка кровли может производиться как снизу вверх, так и сверху вниз. При углах падения более 15° посадку кровли производят только в направлении снизу вверх. Это вызвано необходимостью обеспечения безопасных условий ведения работ.

Обрушение пород непосредственной кровли сопровождается увеличением их объема. Следовательно, при определенном соотношении мощности пласта и толщины обрушающихся слоев непосредственной кровли будет происходить самоподбучивание основной кровли. В этом случае устраняется пригрузка со стороны основной кровли, и крепь в лаве работает в благоприятных условиях. Если иметь в виду, что коэффициент разрыхления пород кровли после уплотнения составляет 1,12–1,15, то самоподбучивание будет происходить при hн = m / (Кр – 1) = (6–8) m, где hн — мощность обрушающейся непосредственной кровли, м; m — мощность пласта, м; Кр — коэффициент разрыхления пород кровли после уплотнения. Если самоподбучивание основной кровли не происходит, что возможно при мощности обрушающейся непосредственной кровли менее 6–8-кратной мощности пласта, то крепь будет испытывать повышенные нагрузки.

Эффективность управления кровлей полным обрушением зависит от склонности пород к обрушению. При наличии в кровле прочных пород значительной мощности, обычно являющихся труднообрушаемыми или трудноуправляемыми, осуществляют их разупрочнение посредством передового торпедирования или гидрообработки.

Передовое торпедирование заключается в предварительном ослаблении пород кровли взрыванием зарядов в скважинах, пробуренных впереди очистного забоя (рис. 4.46). В зависимости от длины очистного забоя заложение скважин может быть одно- и двустороннее. Одностороннее заложение скважин применяют в лавах длиной до 100–120 м. Диаметр скважин обычно составляет 100 мм.

В еличина заряда ВВ и параметры заложения скважин зависят от мощности и прочности слоев труднообрушаемой кровли, длины лавы и некоторых других факторов.

О

Рис. 4.46. Схема расположения скважин при ослаблении массива взрыванием зарядов

слабление породного массива может быть осуществлено также гидрообработкой, сущность которой заключается в нагнетании в него жидкости под давлением. Вследствие воздействия воды происходит размокание пород, ослабление контактов по напластованию и естественным трещинам.

Разупрочнение массива тем или иным способом обусловливает лучшую обрушаемость пород кровли при выемке угля. Уменьшается вероятность зависания консолей. Улучшаются условия взаимодействия крепей с боковыми породами. Разупрочнение труднообрушающихся пород создает благоприятные условия для работы механизированных крепей. При труднообрушающихся породах их применение затруднено, они деформируются и приходят в неработоспособное состояние.

В отличие от комплексно-механизированных забоев, где обрушение кровли происходит стихийно вслед за передвижкой секций крепи, посадка кровли в лавах с индивидуальной крепью отличается трудоемкостью и повышенной опасностью.

Процесс посадки кровли заключается в выполнении следующих операций (рис. 4.47): последовательная разгрузка из-под давления посадочных стоек ОКУМ, передвижка их к забою на шаг посадки и установка по линии обрушения, снятие призабойной крепи и переноска ее в рабочее пространство лавы. После удаления крепи кровля обрушается. Рабочие, осуществляющие посадку кровли, находятся в закрепленной зоне.

В очистных забоях с призабойной деревянной крепью осуществляют механизированные способы ее удаления, например, при помощи каната и лебедки. Лебедка устанавливается на вентиляционном штреке. При наматывании каната на барабан происходит выбивка призабойной и органной крепи. Выбивка крепи канатом может быть применена при любых углах падения, но наиболее эффективна на крутых пластах. Выбивка деревянной крепи может также производиться взрыванием стоек. Все это значительно повышает безопасность работ при посадке кровли.

Рис. 4.47. Управление кровлей полным обрушением при механизированной выемке с индивидуальной крепью: 1 — посадочные стойки ОКУМ

Полная закладка выработанного пространства

Сущность управления горным давлением полной закладкой заключается в заполнении выработанного пространства пустой породой, называемой закладочным материалом.

Полная закладка выработанного пространства как способ управления горным давлением имеет многоцелевое назначение; уменьшение потерь полезного ископаемого и снижение вероятности возникновения эндогенных пожаров, что способствует повышению безопасности горных работ; при разработке мощных крутонаклонных пластов исключается возможность возникновения провалов на поверхности, уменьшается ее опускание. Применение закладки выработанного пространства является одним из природоохранных мероприятий, осуществляемых на ряде горнодобывающих предприятий. Однако закладка выработанного пространства является трудоемким процессом, требующим дополнительных затрат на ее осуществление. Поэтому ее применяют в тех условиях, где посредством полной закладки выработанного пространства представляется возможным обеспечить высокую безопасность работ и сохранность поверхности.

В качестве закладочного материала используют песок, гравий, дробленые коренные породы, отходы обогатительных фабрик, а также породы шахтных отвалов. На ряде шахт Кузбасса в качестве закладочного материала применяют дробленые коренные породы, добываемые в специальных карьерах.

Закладка выработанного пространства может быть гидравлическая, пневматическая, самотечная и механическая. Самотечная и механическая закладки обладают рядом существенных недостатков. Одним из них является значительная усадка закладочного массива. Поэтому эти виды закладки практически не применяются.

П рименяют в основном гидравлическую закладку, при которой закладочный материал в выработанное пространство доставляют по трубам потоком воды. Закладочный материал перемещается по трубам с поверхности до забоя. Технологическая схема гидрозакладки включает следующие процессы: образование закладочной пульпы в смесительных камерах, транспортирование закладочного материала по трубам до выработанного пространства и его укладка, отвод воды до отстойников, ее осветление и откачка на поверхность. Схема гидрозакладочного комплекса представлена на рис. 4.48. В состав комплекса входят: 1 — бункер с закладочным материалом; 2 — смесительный лоток; 3 — гидромонитор для размыва закладочного материала; 4 — приемная воронка; 5 — пульпопровод; 6 — закладочный массив; 7—дренажная труба; 8—подземный водоотстойник; 9 — насос; 10 — трубопровод; 11 — поверхностный водоотстойник; 12 — насос.

Рис. 4.48. Принципиальная схема гидрозакладочного комплекса

Пульпопровод, в качестве которого используют армированные износоустойчивые трубы диаметром 150–200 мм, состоит из вертикальных к горизонтальных частей.

Перемещение пульпы по горизонтальной части пульпопровода осуществляется за счет разностей геодезических уровней смесительного устройства и места укладки закладочного материала в забое.

Эффективность гидравлической закладки зависит от гранулометрического состава материала и консистенции пульпы. К пульпе предъявляют довольно жесткие требования. Если в качестве закладочного материала используют дробленые коренные породы, то отношение твердой фазы к жидкой (Т:Ж) достигает 1:6, а при применении песка 1:1 или 1:1,5. Следовательно, с увеличением крупности закладочного материала расход воды резко возрастает. Допустимая максимальная крупность дробленых пород составляет 40—60 мм. Минимальный размер частиц равен 0,1 мм. Более мелкие частицы нежелательны по условиям выноса их водой из закладочного массива.

Закладочный материал при гидрозакладке должен легко отдавать воду. Это достигается ограничением содержания глинистых пород. Их должно быть не более 15%. Закладочный материал не должен также содержать горючих веществ. Закладочный массив после отделения воды должен быть газонепроницаемым.

Гидравлическая закладка обеспечивает более высокую плотность массива и минимальную его усадку под действием собственного веса и горного давления. Это определяет перспективность ее применения. Она характеризуется также большой производительностью и малой энергоемкостью. В то же время она имеет существенные недостатки, основными из которых являются: поступление в горные выработки большого количества воды, загрязнение выработок, невозможность совмещения работ по выемке угля и возведению закладки, большие капитальные и эксплуатационные затраты.

В отдельных случаях применяют твердеющую закладку. В ее состав вводят вяжущие компоненты. Такой закладочный материал значительно улучшает свойства закладочного массива.

При пневматической закладке транспортирование закладочного материала осуществляется по трубам сжатым воздухом. Смешивание сжатого воздуха и закладочного материала осуществляется в специальных пневматических закладочных машинах различной конструкции. К закладочной установке материал подается ленточным конвейером. Специальный питатель регулирует количество подаваемого закладочного материала. От машины закладочный материал перемещается по металлическим трубам диаметром до 150–200 мм. Давление сжатого воздуха 0,5 МПа, расход его на 1 м³ транспортируемого материала достигает 100–110 м³. Скорость движения материала на выходе из трубопровода достигает 30–40 м/с. Это обусловливает сравнительно высокую плотность закладочного массива.

Основными недостатками пневматической закладки являются: значительные капитальные затраты; большой расход сжатого воздуха, что удорожает стоимость закладочных работ, жесткие требования к закладочному материалу, быстрый износ труб и арматуры, большое пылеобразование.

Пневматическая закладка может применяться в различных горно-геологических условиях, в том числе и при комплексно-механизированной выемке.