Оценка потенциальных возможностей бесцеликовой системы разработки мощных пологих пластов
В.С. Елькин, аспирант, Санкт-Петербургский государственный горный университет
Для повышения конкурентоспособности и рентабельности угольных шахт необходимо применять высокопроизводительное очистное оборудование и обеспечивать его интенсивную работу с минимальными потерями времени, в том числе на демонтаж и перемонтаж комплексов. Данные условия работы достигаются путем увеличения длины вынимаемых столбов, что в свою очередь предопределяет их подготовку парными штреками для уменьшения длины тупиковых выработок. Далее отработку можно вести либо с оставлением целиков между подготовительными выработками, либо с их отработкой на одной линии с лавой.
В число основных требований, предъявляемых к системам разработки, входит минимальное количество потерь полезного ископаемого в недрах. Запасы угля в межлавных целиках составляют около 20% запасов в пределах выемочного участка и безвозвратно теряются в выработанном пространстве при оставлении целиков. В абсолютном исчислении эти потери на мощных пластах могут достигать 0.5 млн. т. При постоянном увеличении глубины разработки возникнет необходимость увеличения ширины целиков для обеспечения их устойчивости под воздействием горного давления.
Этих потерь можно избежать путём применения бесцеликовых систем разработки, предусматривающих отработку межлавного целика на одной линии с лавой [1] (рис. 1).
Бесцеликовые системы разработки имеют более широкую область применения, включающую сложные условия отработки. В соответствии с действующими нормативными документами [2, 3, 5] отработку ударо-, выбросоопасных, а также защитных пластов следует вести именно по бесцеликовой технологии во избежание соответствующих опасностей, т.к. целики представляют собой концентратор напряжений.
Как известно, при отработке свит пластов целики, оставляемые между выемочными столбами на одном из пластов, образуют зоны повышенного горного давления (ПГД) на других пластах. В результате при отработке запасов в зонах ПГД резко ухудшается состояние пород кровли, возрастает частота вывалов, их площадь и высота, деформируются подготовительные выработки. Бесцеликовые системы разработки позволяют исключить образование зон ПГД, в связи с чем представляются рациональными при отработке свит пластов.
Бесцеликовые системы разработки снижают эндогенную пожароопасность выработанного пространства [4]. Действительно, данные системы появились в середине 1960-х годов с удельным весом по СССР 2–3%, в 1974 г. их удельный вес составил 6%, а к 1983 г. достиг 53%. Примечательно, что за период 1967–1975 гг. число эндогенных пожаров на шахтах восточных месторождений СССР уменьшилось в 1.6 раза, на шахтах объединения Карагандауголь – в 2 раза, Средазуголь – в 2.6 раза благодаря (наряду с другими мероприятиями) применению систем разработки без оставления целиков.
К одному из недостатков бесцеликовых систем разработки специалисты относят аэродинамическую связь горных работ со старыми выработанными пространствами. Однако, как показывает практика, пожары могут распространяться по трещинам в целиках из выработанных пространств разных выемочных участков, следовательно, целики не гарантируют аэродинамической изоляции выработанных пространств. Необходимость снижения эндогенной пожароопасности также актуализируется в связи с увеличением температуры горных пород с ростом глубины разработки. С учётом вышесказанного можно заключить, что бесцеликовые системы разработки – перспективны для применения на мощных пологих пластах.
Характерная особенность бесцеликовых систем разработки состоит в необходимости охраны повторно используемых выработок, расположенных на границе с выработанным пространством. За годы исследований накоплен большой опыт в вопросе обеспечения устойчивости таких выработок, но разработанные способы их охраны касаются пластов средней мощности. Эти способы можно условно разделить на три группы:
- усиление крепи участковых выработок стационарными конструкциями (установка дополнительных стоек, пробивка органной крепи, использование опорных тумб из различных материалов, возведение литых полос из твердеющих материалов, бутовых полос, разворот крепи);
- удержание кровли выработки механизированными крепями в зоне динамического опорного давления, перемещаемыми вслед за ней (СПКМ, КПВ, КШУ, КГУ, гидравлическая бортовая крепь);
- разупрочнение кровли выработок для уменьшения длины зависающей консоли пород (торпедирование, гидродинамическая стратификация, обрушение блоков кровли, бурение шпуров, формирование разрезных щелей).
Перечисленные способы неплохо зарекомендовали себя при охране выработок на пластах тонких и средней мощности, но их эффективное применение на мощных пластах связано со следующими трудностями:
- необходимость значительных эксплуатационных затрат; - усложнение технологической схемы и организации работ и, как следствие, снижение безопасности;
- ограниченность воздействия на массив в пределах непосредственной кровли, в то время как решающую роль в проявлениях горного давления играет основная кровля, что при отработке мощных пластов выражается в обрушении больших объемов горных пород;
- несовместимость с распространенной и перспективной крепью участковых выработок – анкерной с металлической сеткой.
Согласно требованиям §113 ПБ из лавы должно быть не менее двух выходов. Как было сказано выше, вопрос сохранения выработки на границе с выработанным пространством в рассматриваемых условиях не имеет решения, следовательно, для обеспечения двух выходов из лавы подготовку столбов необходимо вести парными выработками; одна из них при отработке будет находиться в массиве угля, а другая – погашаться при отработке предыдущего столба (рис. 1). Как видно из рис. 1, проветривание лавы на участке АВ осуществляется по обычной схеме, а участок ВС не проветривается деятельной струей, т.к. по сути представляет собой тупиковый. Проветривание тупиковых выработок за счёт диффузии на газовых шахтах допускается при длине тупика до 6 м, на негазовых – до 10 м. Учитывая, что ширина целиков (длина участка ВС) имеет гораздо большие значения и удаление исходящей струи через выработанное пространство запрещено ПБ, проветривание необходимо осуществлять по следующей схеме, предложенной В.П. Зубовым и Г.И. Козовым для шахты «Распадская». При работе лавы на почву погашаемой выработки укладываются трубы, соединяемые в единый став – воздуховод. При отработке следующей лавы воздуховод окажется у верхней границы столба и часть воздуха будет уходить по нему, проветривая зону ВС.
По мере подвигания лавы воздуховод демонтируется, его элементы (трубы) транспортируются вниз по лаве, где вновь укладываются на почву погашаемой выработки для повторного использования при отработке следующего столба по аналогичной схеме.
Безопасность работ при этом будет обеспечена при соблюдении условия:
Qмлц <= Qтф,
где Qмлц – количество воздуха, необходимое для проветривания зоны межлавного целика (МЛЦ); Qтф – фактическое количество воздуха, проходящее через воздуховод, (которое подается для проветривания участка ВС).
Величина Qмлц зависит от горно-геологических и горнотехнических параметров отработки – мощности и газоносности пласта, скорости подачи комбайна, скорости подвигания лавы и др. и рассчитывается по имеющимся в данных условиях факторам. Величина Qтф зависит от аэродинамических характеристик воздуховода, выработок участка и источников тяги, создающих движение воздуха на участке. Проветривание участка ВС возможно осуществлять:
1) двумя способами:
а) за счет общешахтной депрессии;
б) с помощью вентилятора;
2) по двум схемам:
а) с выходом струи из воздуховода в вентиляционный штрек;
б) без выхода струи из воздуховода в вентиляционный штрек.
В общей сложности для проветривания участка ВС существует 4 варианта.
Для условий шахты «Распадская-Коксовая» были выполнены расчёты количества воздуха для проветривания выемочного участка и максимально допустимой нагрузки на лаву при схеме проветривания с помощью вентиляторов ВЦГ-7М и ВМЦГ-9 без выхода струи в вентиляционный штрек. К одному из основных параметров предлагаемой схемы относится площадь сечения воздуховода, от которой зависит расход воздуха на участке ВС и максимально допустимая нагрузка на лаву. Для сравнения аналогичные расчёты были выполнены для случая сохранения оконтуривающего ходка на границе с выработанным пространством путём возведения органной крепи. В качестве дополнительных средств управления воздухораспределением рассматривались 2 вентиляционных окна последовательно устанавливаемые в вентиляционном штреке. Результаты расчётов для различных схем и способов проветривания представлены графиками на рис. 2 и 3.
Как видно из полученных зависимостей, при проветривании за счёт общешахтной депрессии и сохранении ходка органной крепью для достижения достаточно рентабельной нагрузки на лаву – 13000 т/сутки – необходим ходок сечением около 14 м2, что практически недостижимо. Использование вентиляционных окон позволяет уменьшить требуемое сечение ходка без потерь нагрузки, однако данная мера связана с увеличением общего сопротивления участка и, как следствие, затрат на проветривание. Применение воздуховода даёт почти тот же эффект, что и проветривание с ходком и двумя вентокнами в штреке площадью 2 м2, что связано с меньшим коэффициентом сопротивления трубопровода по сравнению с выработкой, закреплённой с одной стороны органной крепью. Использование вентиляторов позволяет перейти к ещё меньшим площадям как ходка, так и воздуховода. Учитывая, что возведение органной крепи на мощных пластах процесс трудоемкий, затратный и опасный, вариант с использованием воздуховода и вентилятора следует признать наиболее перспективным.
Выводы:
1. При использовании бесцеликовой системы разработки мощных пологих пластов максимально допустимая нагрузка на лаву зависит от типа и сечения вентиляционного канала, расположенного на границе с выработанным пространством.
2. При отсутствии средств регулирования воздухораспределения тип и сечение канала остаются «узким» местом по фактору проветривания при увеличении нагрузки на лаву.
3. Существенное уменьшение площади сечения канала, поддерживаемого на границе с выработанным пространством, достигается средствами отрицательного (вентокна) или положительного (вентиляторы) регулирования воздухораспределения в пределах выемочного участка (в 8.7 и в 21.7 раза соответственно).
4. В условиях шахты «Распадская-Коксовая» при отработке пласта бесцеликовой системой разработки использование воздуховода площадью сечения 0.6 м2 и вентилятора УВЦГ-9 позволяет достичь нагрузки на лаву 12800 т/сутки.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Зубов В.П. Методические рекомендации по предотвращению вывалов пород из кров( ли в лавах, отрабатываемых на больших глубинах в условиях шахт Восточного района Донбасса / Зубов В.П., Лазченко К.Н., Мельков А.Д., Иванов А.А. г. Шахты. Издательский центр. 1986.
2. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезап( ным выбросам угля (породы) и газа РД 05-350-00.
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам РД 05-328-99.
4. Линденау Н.Н., Маевская В.М., Крылов В.Ф. Происхождение, профилактика и ту( шение эндогенных пожаров в угольных шахтах. – М.: Недра, 1977. – 320 с.
5. Правила безопасности в угольных шахтах ПБ 05-618-03.
