IV.11. Выбор типоразмеров механизированных крепей

Одним из главных параметров механизированной крепи является ее минимальная конструктивная высота Hmin, так как она опреде­ляет минимальную мощность пласта, при которой применима крепь. Значение Hmin может быть рассчитано по формуле

(IV.9)

где mmin — минимальная мощность пласта угля, м;

U3 — величина опускания кровли на максимальном расстоянии

от забоя, мм;

акр — запас хода крепи на разгрузку, мм.

Максимальная высота крепи в раздвинутом положении опре­деляется коэффициентом гидравлической раздвижности kp (отноше­ние максимальной конструктивной высоты крепи к минимальной), значение которого принимается не менее 1,6 при стойках одинарной гидравлической раздвижки и 1,95 при стойках двойной гидравли­ческой раздвижки:

Максимальная мощность пласта, при которой может применяться крепь,

(IV.10)

где Un с — опускание кровли над передними стойками крепи при минимальном расстоянии расположения их от забоя In, мм (рис. IV.25).

Величина опускания кровли при механизированной крепи опре­деляется таким же образом, как и при выборе типоразмеров инди­видуальной крепи.

Рис. IV.25. Опускание пород кровли -в рабочем простран­стве при механизированной крепи: а — при минимальной мощности; б — при максимальной мощности

IV.12. Процесс крепления очистного забоя

Процесс крепления очистного забоя состоит из следующих операций:

возведения за комбайном временной крепи;

крепления очистных выработок металлическими стойками;

затяжки кровли.

Кроме перечисленных основных операций при определении вре­мени, отводимого на крепление, учитываются подготовительно-за­ключительные операции: получение инструмента, осмотр рабочего места и приведение его в безопасное состояние, уборка инструмента в конце смены, а также перерывы на заряжание, взрывание шпуров и на проветривание забоя.

Затраты времени на выполнение основных операций зависят от мощности пласта и паспорта крепления. Так, например, время на установку одной временной стойки под верхняк изменяется от 0,61 до 7 чел.-мин при увеличении мощности пласта от 0,5 до 3 м.

При механизированной крепи крепление совмещается с управле­нием кровлей и сводится к управлению крепью. Производительность труда в лавах при механизированной крепи, как правило, выше на

А Г\Л

30—40%, чем при работе узкозахватных комбайнов с индивидуаль­ной крепью.

Процесс крепления и оформления забоя при индивидуальной крепи может ограничивать скорость подачи комбайнов. Скорость установки индивидуальной крепи зависит от конструкции и мате­риала крепи, .расстояния между рамами, мощности пласта, устойчи­вости кровли и численности рабочих. Можно считать, что скорость оформления забоя и установки индивидуальной крепи непосредст­венно за комбайном пропорциональна числу рабочих, выполняющих эти процессы. Однако ввиду ограниченных размеров рабочего про­странства на установке крепи занято не более четырех человек.

Скорость крепления при механизированной крепи

где 1кр — расстояние между центрами секций крепи вдоль лавы, м; 4Р — нормативное время передвижки одной секции крепи, мин. При индивидуальной крепи

гДе ^и. кр — расстояние между комплектами крепи по падению

пласта, м;

гакр — число рабочих, занятых на креплении забоя непосред­ственно за комбайном;

NKp — норматив затрат труда на крепление забоя непосред­ственно за комбайном, чел.-мин/раму.

Число рабочих, производящих оформление и крепление забоя непосредственно за комбайном, зависит от мощности пласта и пас­порта крепления лавы. Его можно принимать по данным табл. IV.7. Возможная производительность комбайна по скорости крепления и оформления забоя может быть определена по формуле ДонУГИ

(IV.11)

Таблица IV.7

Процессы	Необходимое число рабочих при мощности пласта, м до 1 1-1,25 1,25-1,5 ^,Г8
Раздельно выполняемые: оформление забоя крепление забоя за комбайном Последовательное, оформление и крепле­ние лавы одним звеном рабочих	1 1-2 2	1 2 2	1-2 2 2-3	2 2-3 3

гДе Л'кр — норма выработки по креплению лавы за комбайном,

комплектов/смену;

т — вынимаемая мощность пласта, м; г — полезная ширина захвата комбайна, м; ги. кр — расстояние между комплектами крепи по падению, м;

у — объемная масса угля, т/м3;

7У0ф — норма выработки по оформлению забоя, т/смену; /7кр, Яоф — рациональная численность рабочих, занятых соответ­ственно на креплении и оформлении забоя за комбайном; пн — процент выполнения норм выработки рабочим по креп­лению и оформлению забоя.

По сменной производительности комбайна определяется возмож­ная скорость . его подачи

где Тсм — установленная продолжительность рабочего дня, мин.

Трудоемкость крепления металлическими стойками трения и гид­равлическими приведена в табл. IV.8.

Процесс крепления при механизированных крепях разделяется на две операции: зачистку и передвижку секций крепи. Зачистка осуществляется впереди комбайна и является подготовкой к пере­движке крепи. Скорость зачистки должна превышать скорость по­дачи комбайна и рассчитывается по методике ДПИ. Если обозначить интенсивность зачистки одной секции крепи одним рабочим через

^эач, ТО

(I V. 12)

Таблица IV.8

Операции	Трудоемкость на единицу работ, чел.-мин
	Стойки трения	Гидравлические стойки
Извлечение и переноска металлической стойки и шарнирного верхвяка Навеска шарнирного верхняка и установ­ка под него металлической стойки	1,32 1,58	1,26 1,33
Всего Извлечение и переноска стойки при дере­вянном верхняке Установка стойки под деревянный верх-няк	2,90 1,10 2,38	2,59 1,09 2,05
Всего	3,48	3,14

где t3a4 — среднее время зачистки одной секции механизированной

крепи одним рабочим, мин.

В машинной лаве длиной LM время на зачистку секций крени при расстоянии между секциями 1кр определится из выражения

(IV. 13)

где kKp — коэффициент, учитывающий состояние кровли; для кровли средней устойчивости &кр = 1, для устойчивой кровли /скр = 2 и для неустойчивой &кр = 0,2.

Необходимое число рабочих для зачистки межсекционных за­зоров

(IV. 14)

где Гц — продолжительность цикла, или время, необходимое для снятия одной полоски угля по всей длине лавы, мин;

[(IV.15)

где kr — коэффициент готовности очистного забоя;

Гвсп — время на выполнение сопутствующих выемке вспомога­тельных операций, мин; k0 — коэффициент, учитывающий время отдыха рабочих, %;

Jf0 = 5;

Ты — норматив времени на монтаж, демонтаж и перегон выемоч­ной машины, т. е. на подготовку выемочной машины к вы­полнению следующего цикла, мин/цикл.

Подставив значения Гц и T334 в формулу для определения необ­ходимого числа рабочих, получим

(IV.16)

V. Процессы управления кровлей

V.I. Общие сведения о способах управления кровлей в очистных забоях

При очистных работах нарушается равновесие пород, они деформи­руются, растрескиваются и могут обрушиться в выработку.

Для предотвращения значительных деформаций и обрушений пород в рабочем пространстве применяют различные мероприятия по регулированию проявлений горного давления. Эти мероприятия составляют один из важнейших производственных процессов очист­ной выемки и носят название управления горным дав­лением. В длинных очистных забоях пологих и наклонных пла­стов управление горным давлением в основном сводится к управле­нию давлением пород кровли пласта, или к управлению кровлей.

Способы управления кровлей разделяют на три группы:

естественное поддержание очистного пространства;

обрушение пород кровли в выработанное пространство;

искусственное поддержание кровли в выработанном пространстве.

Естественное поддержание очистного пространства осуще­ствляется за счет естественной устойчивости окружающих пород и еще не выработанных целиков угля. Деформации кровли при этом регу­лируются формой и размером очистного пространства, размерами и расположением целиков.

Обрушение кровли может производиться либо по всей площади выработанного пространства, либо частично, в заранее запланирован­ных местах. В первом случае управление кровлей называют пол­ным обрушением, а во втором — частичным обру­шением. При полном обрушении породы кровли могут опускаться на почву либо беспорядочно, либо на большой площади без больших разрывов и трещин. В последнем случае опускание кровли называют плавным, опусканием.

Полное обрушение заключается в периодическом но мере подви-гания очистного забоя обрушении пород кровли за пределами при-забойного пространства с целью уменьшения давления на крепь. Производится оно путем удаления1 призабойной и специальной крепи в той части призабойного пространства, которое нет необходимости поддерживать для обеспечения нормальной работы людей и меха­низмов. Расстояние, через которое производится искусственное об­рушение, называется шагом посадки. При установке инди­видуальной крепи в очистном забое шаг посадки определяется опытным путем и принимается кратным полезной глубине вруба. При передвижной механизированной крепи шаг посадки зависит от ее конструкции и свойств массива пород кровли. В свою очередь, тип крепи и ее параметры выбирают в зависимости от свойств пород

кровли в мощности пласта. Процесс крепления очистного забоя и управления кровлей полным обрушением является единым. По­роды кровли вслед за подвиганием механизированной крепи обру-шаются стихийно.

При обрушении пород непосредственной кровли их объем увели­чивается, JH они могут полностью подбутить породы основной кровли. Отношение объема обрушенной породы V1 к объему ее в массиве V2

kp = ~ > 1 называется коэффициентом разрыхления. Для различ­ных пород он имеет разные значения (табл. V.1).

В связи с уплотнением обрушенных пород под действием веса вышележащих пород kp уменьшается во времени. Максимальному уплотнению соответствует минимальный коэффициент разрыхления. Он обычно превышает единицу и называется остаточным коэффициен­том разрыхления.

Обрушенная порода будет подбучивать основную кровлю при условии

откуда

гДе ^H. к — мощность непосредственной кровли; т — мощность пласта.

При расчетах обычно используют остаточный коэффициент раз­рыхления, равный для глинистых и песчанистых сланцев 1,10—1,15. При kp = 1,15 ha к/то = 6,5 и обрушенные породы подбучивают основную кровлю.

Чем меньше отношение ha Klm, тем больше интенсивность вторич­ных осадок кровли и тем более прочными должны быть призабойная и специальная крепи.

Искусственное поддержание кровли в выработанном простран­стве заключается в уменьшении давления горных пород на призабой-ную крепь путем создания искусственной опоры под нависающими консолями пород кровли. Для этого выработанное пространство может заполняться различными закладочными матери­алами, которые, заполнив выработанное пространство, образуют закладочный массив. Комплекс работ по возведению закладочного массива называется закладкой.

Таблица V.1

Порода	Коэффициент разрыхле­ния обрушенной породы	Остаточный коэффициент разрыхления
Песок Мягкий уголь Глинистый сланец Песчаный сланец Песчаник крепкий	1,05—1,15 До 1,20 1,40 1,60—1,80 1,50—1,80	1,01-1,03 1,05 1,10 1,10—1,15 ,

Различают самотечный, пневматический, механический, гидра­влический и комбинированный способы закладки. Под самотеч­ной закладкой понимается такой способ, при котором закла­дочный материал поступает в выработанное пространство под дей­ствием собственного веса. При механической закладке применяются специальные механизмы для доставки, прессования и трамбовки закладочного материала. При пневматической закладке материал транспортируется по трубопроводам и укла­дывается в выработанное пространство с помощью энергии сжатого воздуха. Под гидравлической закла д к о и понимается комплекс работ по доставке закладочного материала и его укладке в выработанное пространство с помощью гидравлической энергии. Сущность комбинированных способов заключается в сочетании основных механизированных способов закладки.

Закладка выработанного пространства способствует уменьше­нию смещений кровли в призабойном пространстве, устранению утечек воздуха через выработанное пространство, повышению устой­чивости горных выработок и предотвращению подработки зданий и сооружений на поверхности.

Закладка может быть полной и частичной. Последняя заклю­чается в заполнении части выработанного пространства породой, получаемой из специальных бутовых штреков. В связи с большой трудоемкостью работ применение частичной закладки сокращается. Полную закладку целесообразно применять в следующих усло­виях: при слоевой разработке мощных пластов, когда работа с при­менением других способов управления кровлей невозможна; при разработке тонких крутых пластов с неустойчивой или трудно-обрушаемой кровлей и склонной к сползанию почвой; при разработке крутых пластов мощностью свыше 1,3—1,5м; при разработке пла­стов с самовозгорающимися углями; при необходимости предохра­нить здания и сооружения на поверхности от подработки.

Каждый из способов управления кровлей имеет свои достоинства и недостатки и может применяться в определенных горно-геологи­ческих условиях. Одним из критериев для выбора способа управле­ния кровлей является управляемость кровли. Кроме того, при этом учитываются такие факторы, как мощность пласта, его строение., скорость подвигания очистного забоя, склонность пласта к само, возгоранию, застроенность поверхности и др.

V.2. Полное обрушение кровли

V.2.I. Пологие пласты

Управление кровлей полным обрушением может производиться следующих условиях:

мощность пласта при металлических призабойных и посадочных стойках и металлических кострах должна быть не меньше 0,5 м, а при деревянных стойках — не меньше 0,7 м;

почва не должна допускать значительного вдавливания крепи (при слабой почве в отдельных случаях возможно применение ниж.-

них опор под металлические стойки, уменьшающих удель­ное давление на почву);

в пласте не должно быть породных прослойков значи­тельной мощности (более 15— 20% мощности пласта), так как эту породу при разработке пласта обычно оставляют в вы­работанном пространстве, что затрудняет выбивку крепи для посадки кровли.

Для обрушения пород кровли в выработанном пространстве извлекают крепь. При легкооб-рушающихся породах кровли последние обрушаются на гра­нице с призабойной крепью. В большинстве же случаев для обрушения пород кровли на границе призабойного простран­ства создают дополнительную опору. Крепь для создания до­полнительной опоры называют специальной или по­садочной. Если посадочная крепь представляет собой ряд из стоек (деревянных или ме­таллических), то такую крепь называют органной. Об­рушение кровли без посадоч­ной крепи называют б е з о р -ганной посадкой.

Способ полного обрушения , на призабойную крепь сни-

жает трудоемкость работ по управлению кровлей на 40—60% и время на посадку кровли на 50%.

При весьма слабых и легкообрушающихся породах может при­меняться безорганная посадка. В этом случае посадочный ряд уси­ливают дополнительными призабойными стойками 1, а иногда уси­ливают также и плотность призабойной крепи за счет установки , дополнительных стоек 1 под верхняки 2 (рис. V.1).

Безорганная посадка имеет небольшую область применения, основным способом управления кровлей полным обрушением яв­ляется обрушение с помощью специальных посадочных крепей. В качестве посадочной крепи могут быть использованы органная крепь, кусты, металлические костры и посадочные стойки различных

Рис. V.I. Крепление очистного про­странства при обрушении кровли на усиленный ряд призабойных стоек

Рис. V.2. Схемы расположения посадочных стоек звеньями

типов.' Наибольшее распространение из них получили посадочные стойки как нарастающего, так и постоянного сопротивления.

В Донецком и Кузнецком угольных бассейнах широкое распро­странение получили посадочные стойки типа ОКУм, заменившие органную крепь из металлических призабойных стоек.

Посадочные стойки ОКУм устанавливают либо в один ряд звеньями между'рамами призабойной крепи (рис. V.2), либо в шах­матном порядке (см. рис. IV.23.)

При шахматном расположении стоек ОКУм уменьшается на­грузка на призабойные стойки, так как посадочная крепь, находя­щаяся на линии обрушения, предварительно нагружена и сразу воспринимает дополнительные нагрузки, вызванные процессом по­садки. Однако при шахматном расположении посадочные стойки используются нерационально, так как только половина из них рас­полагается на линии обрушения и приходится в призабойном про­странстве поддерживать лишнюю дорогу.

Работы по ^правлению кровлей при применении стоек ОКУм Состоят из следующих операций: осмотр рабочего места и приведе­ние его в безопасное состояние, расчистка дороги для перемещения стоек и места их установки, выбивка крепи, мешающей передвиже­нию стоек, возведение предохранительной крепи, освобождение стойки от нагрузки, передвижение стойки, установка стойки на новом месте в рабочее положение, выбивка стоек призабойной крепи и перекидка их в безопасное место, отсоединение верхняка и пере­кидка его в безопасное место, выбивка предохранительной крепи и посадка лавы.

Следует отметить, что передвижение стоек ОКУм требует значи-I тельных затрат времени. В несколько раз быстрее могут перемещаться • гидравлические посадочные стойки «Спутник».

В настоящее время эта крепь получает широкое распространение. Она может применяться на пластах мощностью 0,6—1,8 м при поро­дах I, II, III класса по классификации ДонУГИ.

Среднее время выполнения основных операций по передвижению одной посадочной стойки (на шахтах Донбасса) приведено в табл. V.2.

Из табл. V.2 видно, что затраты труда на передвижение гидрав­лической стойки «Спутник» в 3—4 раза меньше, чем на стойку ОКУм.

Таблица V.2

	Среднее время, с
Операция	ОКУм	«Спутник»
Разгрузка посадочной стойки Передвижение посадочной стойки Раздвижка и распор стойки Зачистка почвы Прочие вспомогательные операции	4-16 22-53 37—92 7-17 5-59	5—18 10-25, 7—30 1-21 3-34

Длительность работ по управлению кровлей зависит от ряда факторов, основными из которых являются: длина лавы, мощность пласта, устойчивость боковых пород, тип применяемой крепи, число рабочих, выполняющих работы.

Для расчета необходимого числа рабочих при управлении кров­лей полным обрушением с помощью посадочных стоек ОКУм и «Спутник», согласно методике ДПИ, используют данные хрономет-ражных наблюдений.

При среднем времени передвижения стоек tncp интенсивность передвижения одной посадочной стойки

(V-I)

В случае обрушения кровли в процессе выемки угля, когда, со­гласно ПБ, посадка должна производиться' не менее чем в 30м от места ведения очистных работ, необходимое число рабочих можно рассчитать по формуле

(V.2)

где L — длина лавы, м; 2 1Н — суммарная длина ниш, м;

va — скорость подачи выемочной машины, м/мин; kr — коэффициент готовности очистного забоя; &т. п — удельный коэффициент технологических перерывов, зави­сящий от скорости подачи выемочной машины и мощности пласта,

(V.3)

S^T. щ — длительность технологических перерывов, обусловлен­ная J-M элементом системы машин и механизмов (пере­монтаж лемеха, передвижка конвейера и т. д.), мин; Тсм — продолжительность смены, мин; LM — машинная длина лавы, м;

^n. к — расстояние между посадочными стойками, м. Если посадка кровли в очистном забое производится раздельно от выемки, то необходимое число рабочих (для крепи «Спутник») и число звеньев (для стоек ОКУм) определяется по формуле

(V.4)

где £рег — регламентированное время посадки кровли, мин.

При применении стоек ОКУм организация труда может быть различной. Наибольшее распространение получили следующие ее формы:

1. Каждый член бригады выполняет определенную операцию: расчистку дороги, разгрузку и передвижение стоек, выбивку и

Рис. V.3. Схемы передвиже­ния посадочных стоек ОКУм

переноску призабойных стоек. В этом случае передвижение стоек осуществляется из одного пункта (рис. V.3, а) снизу вверх.

2. Члены бригады располагаются вдоль забоя на отдельных участках. Каждый член бригады на своем участке последовательно выполняет все операции по разгрузке, передвижению и установке посадочных стоек на новом месте, выбивке и переноске призабойных стоек (рис. V.3, б). Передвижение стоек на участке производится снизу вверх. Выполнив посадку на одном участке, бригада пере­ходит вверх на следующий участок.

3. Посадка кровли осуществляется одновременно из двух-трех пунктов лавы (рис. V.3, в, л, д). Стойки передвигаются снизу вверх. Работы по управлению кровлей выполняются либо комплексными, либо специальными бригадами.

Посадка кровли из одного пункта лавы применяется при неустой­чивых породах кровли, обрушающихся сразу вслед за передвиже­нием стоек. При такой организации работ достигается наибольшая безопасность труда.

Одновременная посадка кровли на нескольких участках может быть рекомендована при устойчивых породах. v

При проведении работ по посадке кровли нельзя допускать больших величин ее опускания в призабойном пространстве. В связи с этим не рекомендуется одновременное передвижение большого числа посадочных стоек (больше двух-трех).

При работе применяемых в настоящее время узкозахватных комбайнов с глубиной вруба 0,5, 0,63 и 0,8 м посадка кровли может производиться за каждым циклом или через два цикла.

Описанная выше организация работ по управлению кровлей применима при породах кровли I и II класса по классификации б. ВУГИ.

Значительные трудности необходимо преодолевать при залега­нии в кровле труднообрушаемых и трудноуправляемых пород. Если непосредственно на контакте с разрабатываемым пластом залегают прочные породы, то первые осадки происходят при обна­жении пород на больших площадях (6000—10 000 м2). Эти осадки могут сопровождаться воздушными ударами и завалами лав. В таких условиях особо .важное значение имеет несущая способность пород почвы. При слабых породах почвы стойки призабойной и посадочной крепи могут вдавливаться в почву, что может вызвать интенсивное сдвижение пород кровли.

При аалегании в непосредственной кровле песчаников возможно как ступенчатое, так и плавное опускание кровли без ясно вырагкен-ных трещин. При плавном опускании длина зависающей консоли при отсутствии крепи может достигать 10 м, а при оставлении не­выбитой крепи — 25—30 м. Поэтому при мощности пластов до 0,7 м в таких условиях обрушение кровли не производят.

При ступенчатом опускании кровли блоками переноска посадоч-

. ной крепи приводит к обрушению пород. Как показывает опыт,

в условиях труднообрушаемых пород наиболее эффективным является

применение посадочных стоек ОКУм, которые при необходимой

несущей способности способны обеспечить нормальное управление кровлей.

Характер обрушения песчаников и известняков непосредственной

кровли зависит от их мощности. Опыт работы шахт показывает, что

при мощности известняков бо­лее 1 м управление кровлей имеет неустойчивый характер. Кровля в выработанном про­странстве не обрушается или обрушается только тонкая пачка породы [мощностью 0,5—1 м. При этом возможна вторичная осадка, приводящая к дефор­мации крепи.

Применение механизирован­ных крепей в очистных забоях объединило два процесса — крепление и управление кров­лей. При передвижении секций механизированной крепи про­изводится одновременно кре­пление призабойного цростран-ства и извлечение крепи из выработанного пространства. При этом сопротивление меха­низированной крепи должно обеспечивать устойчивость по­род кровли над призабойным пространством и обрушение их в выработанном пространстве. |0дними из ограничений при­менения механизированных кре­пей в настоящее время явля­ются труднОобрушаемые кровли и вторичные осадки.

Для уменьшения влияния вторичных осадок применяют крепи с повышенным сопроти­влением. Исследованиями ШахтНИУИ установлено суще­ственное влияние сопротивления

крепи на деформацию и перемещения труднообрушаемой кровли.

При проектном сопротивлении механизированных крепей смещения

кровли достигают 400 мм. Увеличение сопротивления крепи до