Работа очистных забоев в зонах влияния целиков и краевых частей пластов угля

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………….

 

1. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ  И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ……….

 

2.ПРОГНОЗ ОСНОВНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ  ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ЛАВЕ..

2.1. Общая схема поведения  пород кровли в лаве ……………………………….

2.2. Нагрузочные свойства  кровли  ………………………………………….. …..

2.3. Устойчивость кровли  ………………………………………………………...

2.4. Опорное давление  и отжим груди забоя…………………………………….

2.5. Влияние геологических  нарушений  ……………………………………. ….

2.6. Влияние целиков  и краевых частей пластов угля  ……………………... ….

 

3. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ  РЕШЕНИЯ ПО УПРАВЛЕНИЮ

ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В  ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ  …………………………...

3.1. Выбор крепи по  необходимому сопротивлению, мощности  пласта и углу падения  ……  …..

3.2. Выбор технических  решений по удержанию пород  кровли и угля от

обрушения в поддерживаемое пространство очистного забоя...………………..

3.3. Работа очистных  забоев в зонах геологических  нарушений  ……………...

3.4. Работа очистных  забоев в зонах влияния целиков  и краевых частей

пластов угля  ………………………………………………………………….……

ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………….

ЛИТЕРАТУРА. …………………………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время  геологические и горнотехнические условия работы очистных забоев угольных шахт Росси характеризуются значительной  сложностью: большой глубиной горных работ, изменчивостью прочности и структуры пород, их высокой  нарушенностью, влиянием выемки угля на соседних пластах и участках. Это приводит к ухудшение нагрузочных свойств кровли и её  устойчивости, росту отжима угля груди забоя, повышению вероятности динамических явлений, что в итоге отрицательно отражается на производительности и безопасности работ добычного участка.

Данные обстоятельства требуют более совершенных подходов, как в отношении прогноза горного  давления так и выбора эффективных  и приемлемых  способов и средств для его управления. Непосредственно при отработке столба также могут выявляться изменения горно-геологических и горнотехнических условиях требующие оперативного принятия адекватных технических решений.

В курсовом проекте рассмотрены  вопросы прогноза нагрузочных свойств кровли и её  устойчивости, параметров опорного давления и отжима угля забоя в зависимости от ряда основных геологических и горнотехнических факторов; выполнен выбор механизированной крепи лавы, приняты технические решения по удержанию пород кровли и угля от обрушений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ  УСЛОВИЯ

 

Горно-геологические условия

Лава № 11 предполагается отработать участок пласта К-1 в юго-западной части шахтного поля. Средняя глубина  отработки 400м. Отрабатываемый пласт К-1 сложного строения с прослоями углистого аргиллита. Общая вынимаемая мощность пласта mв=3.00 м (полезная-1,60м), прочность угля на одноосное сжатие б_уг = 15 МПа . Угол падения пласта a=20⁰.

В непосредственной кровле залегают легкообрушающиеся аргиллиты и алевролиты суммарной мощностью (S_ло) 8 м. Средняя толщина слоев (h_сл) составляет 0,6м, прочность на одноосное сжатие (б_ло) порядка 20 МПа.

Далее на высоту до 10mв залегает толща пород основной кровли, состоящая из слоев алевролита и песчаника. Средняя толщина слоев (М_ок) составляет 4м, прочность на одноосное сжатие (б_ок) порядка 80 МПа.

В почве пласта на глубину 2-4 м залегает прочный устойчивый аргиллит (бсж=22 МПа).

Поле лавы в средней  части имеет нарушение, простирающееся под углом 40-50 градусов к линии простирания пласта с углом падения 60-70 градусов, амплитуда смещения до 1м.

 

Горнотехнические условия

Лавой №11 предполагается отработать участок пласта системой длинные столбы по простиранию. Длина  столба (по простиранию) - 800 м, длина очистного забоя (по падению, L_л) - 150 м. В лаве предусматривается применение механизированного комплекса.

В кровле лавы отработано несколько пластов, залегающих на расстоянии от 50-200 м. Наиболее вредное влияние  могут оказать горные работы по пласту З-2, при проходе лавы под параллельным целиком с междупластьем (по нормали к напластованию, h_мп) 50 м. Ширина целика (S_ц)составляет 80 м, мощность пласта З-2 равна 2 м.

На рис.1.1. приведен план горных работ по пл. К-1 поля лавы №11 и разрезы.

2.ПРОГНОЗ ОСНОВНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ЛАВЕ

2.1. Общая схема поведения пород  кровли в лаве

При выемке пласта угля в выработанном пространстве лавы постоянно происходит перемещение пород кровли.

В случае управления кровлей способом полного обрушения, являющегося наиболее распространенным, в подработанной толще можно выделить три зоны пород, отличающихся характером их перемещения за крепью (Рис.2.1.):

- зона беспорядочного  и упорядоченного обрушения (а);

- зона шарнирно-блочного  перемещения (б);

- зона плавного опускания пород с отсутствием или слабовыраженным раскрытием трещин, возникающих при выемке угля (в).

Исходя из такого характера  поведения подработанных пород, кровля  подразделяется на непосредственную и основную.

К непосредственной кровле относится толща (часть толщи) легко обрушающихся пород, залегающих сразу над пластом, в пределах которой происходит обрушение пород за крепью без образования шарнирно-блочных связей. При большой мощности легкообрушающихся пород высота зоны обрушения в зависимости от их разрыхления составляет 4-8 вынимаемых мощностей пласта. Вес этих пород над призабойным пространством практически полностью передается на крепь.

К основной кровле относятся  породы, залегающие выше непосредственной (при ее отсутствии сразу над пластом) на высоту до 10-20 вынимаемых мощностей пласта, в пределах которой образуются шарнирно-блочные системы. Для устойчивости шарнирно-блочных связей необходима хорошая подбутованность основной кровли непосредственной,  либо достаточно высокое сопротивление крепи. В противном случае шарнирно-блочные связи разрушаются, происходит просадка блоков основной кровли, вызывая многократное увеличение нагрузок на крепь. Наличие подработки пород вызывает возникновение в выработанном пространстве зон разгрузки и опорного давления впереди лавы и на рядом расположенные неотработанные участки пласта по периметру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Нагрузочные свойства кровли

Под нагрузочными свойствами кровли понимается величина внешней  активной нагрузки создаваемой кровлей, характеризуемой обычно средним давлением на крепь (P), которая должна быть уравновешена суммарным сопротивлением крепи забоя (Рсум) для предотвращения значительных опусканий кровли или ее обрушений в призабойное пространство.

Согласно результатам исследований/1,2 и др./ нагрузочные свойства кровли обусловлены шагом обрушения основной кровли (L_П,м), мощностью легкообрушающихся пород (h_ЛО,м), залегающих сразу над пластом, их разрыхлением (К_Р) и вынимаемой мощностью пласта (m_В,м).

Пролеты первичных (L_О,м) и периодических (L_П,м) осадок слоев основной (непосредственной) кровли зависят от мощности слоя (М_СЛ,м), его прочности (б_ОК,МПа) и глубины разработки (Н,м), формулы 2.1., 2.2. (Рис.2.2):

L_О= 1,9  [ б_ОК  М_СЛ ( 1 -  0,02 Н/ б_ОК) ]^0.5 , м          (2.1.)

L_П = 0,03 [ б_ОК  М_СЛ (1 -  0,02Н/ б_ОК ) ] , м,  но не более 0,5L_О (2.2.).

(Толщу пород кровли  рассматриваем на высоту до 8m_В.)

Согласно исходным данным (раздел 1) получим:

L_О= 1,9 х [ 80 х 4х  ( 1 -  0,03 х 400 / 80) ]^0.5 = 31м,

L_П = 0,03 х [ 80 х 4х  ( 1 -  0,03 х 400 / 80) ] = 8,2м.

В зависимости от пролетов первичных и периодических обрушений  породы подразделяются:

- легкообрушающиеся - L_О ≤ 20 м,   L_П  ≤ 3 м;

- среднеобрушающиеся - 20<L_О ≤ 35 м,   3<L_П  ≤ 10 м;

- труднообрушающиеся - L_О > 35 м,   L_П  > 10 м.

В нашем случае породы основной кровли относятся среднеобрушающимся.

 

многом зависит от их подбутованности  легкообрушающимися породами,  характеризующейся  коэффициентом подбутованности (Кпб), определяемом по формуле:

Кпб = (К_Р–1)åh_ЛО/m_В         (2.3.),

При Кпб ≥1 – подбутованность полная, при 0,5≤ Кпб <1-средняя, при Кпб <0,5 – незначительная.

Коэффициент разрыхления (К_Р) зависит от прочности пород (б_ЛО,МПа) и вынимаемой мощности пласта, определяется по формуле 2.4. :

К_Р = 0,22 m_В ^0,5  ( 1-0,014 б_ЛО ) +1     (2.4.).

Для условий лавы №11 коэффициент разрыхления составит:

К_Р = 0,22 х 3 ^0,5  х (1-0,014 х 20) +1 = 1,27

Получим значение коэффициента подбутованности для лавы №11:

Кпб = (1,27 - 1) х 8 /3 = 0,7 - т.е. подбутованность средняя.

В зависимости от сочетания рассмотренных факторов, кровля по качественному характеру проявлений нагрузочных свойств,  может быть различного типа: легкая, средняя, тяжелая.

К легкой (1тип) по нагрузочным свойствам относится кровля, сложенная легкообрушающимися породами (L_О≤20 м,   L_П  ≤ 3 м ), залегающими над пластом на высоту h ≥ m_В /(К_Р – 1) или породах средней обрушаемости (20<L_О≤35 м, 3<L_П  ≤ 10 м) при 0,5≤Кпб<1,0; осадки основной кровли не проявляются.

К средней (2 тип) - при  породах средней обрушаемости (20<L_О≤35 м,      3<L_П  ≤ 10 м) залегающих на высоту не менее 6mв и при Кпб <0,5 или труднообрушающихся породах (L_О>35 м, L_П>10м) при 0,5≤Кпб<1,0; проявляются осадки основной кровли, сопровождающиеся существенным ростом нагрузок на крепь

К тяжелой (3 тип) - при Кпб <0,5 и при труднообрушающейся основной кровле (L_О>35 м, L_П>10м); осадки основной кровли сопровождаются динамическими явлениями, усиленным давлением на крепь, посадкой стоек нажестко, воздушными ударами.

В нашем случае кровля относится к легкой  т.к. L_О = 31м, L_П = 8,2м и

Кпб = 0,7.  Осадки основной кровли проявятся слабо.

Среднее давление кровли и соответствующее ему необходимое  суммарное сопротивление крепи (Рсум) определяется по формулам 2.5.а, 2.5.б:

при Кпб < 1      (  т.е. h_ЛО < m_В /(К_Р – 1)    )

P_СУМ = m_В^0,5 { 0,25 + 0,01 [ (1 - Кпб) L_П /ℓ _ОЗ ]²}, МПа   ( 2.5.а )

при Кпб ≥1      (  т.е. h_ЛО ≥  m_В /(К_Р – 1)    )

Рсум = 0,25 m_В^0,5, МПа    (2.5.б)

ℓ_ОЗ - ширина поддерживаемой полосы кровли призабойного пространства,м;

При первичной осадке основной кровли давление на крепь возрастает на 10% - при легкой кровле, 15-20% - при средней кровле,  20-25% - при тяжелой.

В условиях лавы №11 необходимое суммарное сопротивление крепи (Рсум)

составит:

для оградительно-поддерживающих крепей ℓ _ОЗ = 2,5 м

P_СУМ = 3 ^0,5 х { 0,25 + 0,01 х [ (1 – 0,7 ) х 8,2 /2,5 ]²} = 0,45 МПа,

для поддерживающе-оградительных  крепей ℓ _ОЗ = 4,0 м

P_СУМ = 3 ^0,5 х { 0,25 + 0,01 х [ (1 – 0,7 ) х 8,2 /4,0 ]²} = 0,44 МПа.

Если фактическое сопротивление  крепи не менее, чем указанное  суммарное сопротивление (Рсум), оседания кровли (сближения кровли с почвой - ∆h, м) в зависимости от расстояния до забоя (ℓ, м ) не превышают величины:

∆h = с m_Вℓ,  м      (2.6 ),

с – коэффициент сближения  боковых пород, с учетом первых и  периодических осадок основной кровли (при длительности цикла выемки не более 24 часов ) принимается равным 0,05, 1/м ;

В нашем случае:

для оградительно-поддерживающих крепей ℓ _ОЗ = 2,5 м

∆h = 0,05 х 3,0 х 2,5 = 0, 37 м,

для поддерживающе-оградительных  крепей ℓ _ОЗ = 4,0 м

∆h = = 0,05 х 3,0 х 4,0 = 0,60 м.

 

2.3. Устойчивость кровли

Под устойчивостью кровли понимается способность обнаженных и неподдерживаемых нижних слоев  кровли сохранять целостность и  не выпадать в подкрепное пространство очистной выработки. Она характеризуется  размерами и продолжительностью целостного состояния обнаженной кровли на незакрепленном участке за исполнительным органом комбайна или после буровзрывной (молотковой) выемке угля. Количественные показатели устойчивости относятся, как правило, к пачке нижних слоев общей мощностью до 1-го м, из которой могут происходить вывалы породы.

Устойчивость непосредственной кровли очистного забоя во многом обусловлена средней прочностью (б_НК,МПа) и толщиной (h_НК,м) слоев, глубиной горных работ (Н,м), скоростью подвигания лавы (V_Л,м/сут).

Для оценки устойчивости кровли принят коэффициент устойчивости (К_У), определяемый зависимостью 2.7. (Рис.2.3.):

Ку = б_НК  h_НК  ( 1 -  0,03 Н/ б_НК  ) Vл^0,5   .         (2.7.).

В нашем случае при  б_НК  = б_ЛО = 20, МПа,  h_НК  = h_ЛО = 0,6, м, Н = 400 м :

при Vл = 1,0 м/сут

Ку = 20 х 0,6 х ( 1 -  0,03 х 400 / 20  ) х1,0^0,5 = 4,8, м,

при Vл = 2,0 м/сут

Ку = 25 х 0,4 х ( 1 -  0,03 х 500 / 25  ) х 2,0^0,5 = 6,7, м.

К устойчивой относятся  кровли с 6 < К_У < 14, обнажение за исполнительным органом комбайна вдоль всего забоя сохраняет устойчивость в течении двух

часов и более;

средней устойчивости – 6 < К_У £ 14, кровля вслед за комбайном сохраняет устойчивость на участке 15-25м в течении не менее получаса;

неустойчивой -  2 < К_У £ 6, кровля сохраняет устойчивость дорожки длиной 5-15м в течении 5-30 минут, при обрушениях образуются вывалы высотой 0,2-0,4м и протяженностью по простиранию до 1,0м, общая площадь нарушенной кровли до 30%;

весьма неустойчивой - К_У £ 2, обрушается практически вслед за выемкой на высоту 0,4-0,7м, площадь нарушенной кровли 30-60%.

В нашем случае кровля относится к неустойчивой.

 

2.4. Опорное давление  и отжим груди забоя

Наличие подработки пород  вызывает возникновение в выработанном пространстве зон разгрузки и  опорного давления впереди лавы и на рядом расположенные неотработанные участки пласта по периметру. На рис.2.2. представлены общие схемы распределения давления на уровне плата при работе одиночной лавы  с различной степенью подработанности массива. Согласно результатам исследований минимальный пролет выработанного пространства(L_gН,м), при котором давление вблизи его центра достигает уровня близкого к первоначальному gН (g - объёмный вес  пород, Мн/м³, Н – глубина горных работ, м), составляет: