книги из ГПНТБ / Смолдырев А.Е. Технология и механизация закладочных работ

На ш. им. 50-летия Октября в 1971 г. пущен в эксплуатацию первый в бассейне подземный гидрозакладочный комплекс. Эксперимен­ тальные работы здесь проводятся на пласте мощностью 1,3 м, угол падения 6—10°. Работы ведутся столбами по восстанию, шаг за­ кладки 3,25 м.

Зарубежный опыт разработки. Разработка пластов средней мощности и тонких с управлением горным давлением закладкой выработанного пространства широко применяется в ФРГ, Англии, меньше — во Франции и других европейских странах.

В угольной промышленности ФРГ наибольший объем горных ра­ бот с закладкой (включая частичную) приходится на крутые пласты (около 80%), пологие (40—50%) и наклонные (25—30%). Полная эакладка выработанного пространства здесь применяется главным образом с целью охраны сооружений на поверхности.

Наиболее широко применяют системы разработки сплошную и длинными столбами с самотечной и пневматической закладкой. Расположение очистных забоев при сплошной системе, разработки меняется в зависимости от угла падения пласта. Так, в пластах с углом падения до 35° преобладают очистные забои, расположенные по па­ дению, от 35 до 55° и выше — диагональное расположение забоев. Во всех этих случаях разработка ведется по простиранию.

Наибольший интерес (помимо технологии и механизации закла­ дочного процесса, рассматриваемых в других разделах книги) представляет сплошная система разработки крутого пласта с меха­ низированной выемкой и креплением. При этом наиболее универ­ сальным средством механизации, позволяющим отрабатывать пласты в сложных горно-геологических условиях, явилось сочетание меха­ низированных передвижных крепей с выемкой комбайнами или стругами.

На шахте «Алтер-Хеллвег» применялся механизированный ком­ плекс с гибкой ограждающей крепью. Испытания проводились на пласте Гетлинг мощностью 0,65 м с углом падения 58°. Уголь выше средней крепости, в почве легкообрушающиеся породы, кровля средней устойчивости.

Ограждающая крепь выполнялась в виде металлической сетки длиной 50 м, шириной 2 м, прикрепленной к ряду металлических рам. Со стороны закладочного массива рамы заканчивались консо­ лями, вытянутыми по почве и кровле, а со стороны забоя только одной верхней консолью, упирающейся в забой. Шарнирные соеди­ нения частей рам позволяли приспосабливать крепь к изменяющейся мощности пласта. Верхняя и нижняя части сетки перемещались при помощи лебедки, средняя — под воздействием закладочного массива. Выемка производилась стругами.

Стоимость комплекса окупалась после передвижения его на 10— 15 м за счет экономии леса, который теперь не употреблялся. Отсут­ ствие стоечной крепи способствовало плавному опусканию кровли. Давление кровли на забой было повышено, что приводило к осла­ блению угольного массива и облегчению отбойки угля. Нодвигание

40

лавы 32 м в месяц. Производительность труда рабочего достигала 6 т/выход.

Па шахте «Виктория 3/4» применялся созданный фирмами «Клок- нер-Ферроматик» и «Вестфалия-Люнен» .механизированный комплекс передвижной гидравлической крепи и струга. Каждая рама крепи состояла из трех гидравлических стоек, соединенных металличе-

Рис. 14. Схема выполнения основных процессов выемки и закладки в механизированном очистном забое:

I — V — порядок цикла; 1 — передвижная крепь; 2 — скребковый конвейер; 3 — трубопровод; 4 — закладочный массив; 5 — машин­ ная дорога

сними верхняками. Крепь являлась также опорой для струга. Работы проводились на пласте мощностью 0,7 м с углом падения от 60 до 70°. Длина лавы 100 м. Производительность труда составила 6 т/выход.

Как со стороны забоя, так и со стороны закладки крепь огражда­ лась металлическими листами и металлической сеткой. В комплекте рамы перемещались поочередно. Управление передвижением крепи осуществлялось дистанционно с верхнего штрека. Закладочный массив вслед за крепью пересыпался только в верхней части, где он еще не был зажат опускающейся кровлей.

41

В Англии широко применяется система разработки длинными столбами с механизированными комплексами и пневматической за­ кладкой [27]. 11а ш. «Варнклиф Шилкстоне» отрабатывался поло­ гий угольный пласт мощностью 1,1 м на глубине 100 м. Отработка панели велась двумя забоями длиной по 125 м.

Очистные работы велись с применением передвижной гидравли­ ческой крепи и пневматической закладки (рис. 14). Закладочная машина располагалась на максимальном расстоянии от забоя (160 м). При работе с пневматической закладкой производительность соста­ вила 54 т породы на 1 чел-смену.

Характерной тенденцией в Англии (как и в ФРГ) является рез­ кое повышение нагрузки на механизированный забой. Так, на шахте «Монк Бреттон» производительность забоя достигает 900 т/сутки. В лаву подают 900 т закладочного материала. Пневматическая заклад­ ка ведется две сменгл, а выемка угля комбайном — все три смены.

Закладку подавали две закладочные машины с двух штреков. Призабойное пространство ограждалось от выработанного щитами из гофрированного железа.

Производительность труда рабочего по забою 7 т вместо обыч­ ных 4 т. Подвигание забоя 2,75 м/сут.

3. Выемка охранных целиков

Хотя системы разработки и технология возведения закладочного массива при выемке охранных целиков и отработке обычных выемоч­ ных полей с закладкой почти одинаковы, однако в первом случае требуются особые порядок выемки отдельных столбов и организа­ ция работ.

Актуальность вопроса состоит в том, что на территории СССР

большие запасы угля законсервированы под сооружениями, реками, лесами, городами. Изыскание эффективных и безопасных способов разработки угольных пластов в этих условиях имеет важное значе­ ние для многих угольных районов.

Наибольший опыт выемки охранных целиков накоплен в ПНР [29]. В развитии способов выемки охранных целиков в СССР

и в польской угольной промышленности различается два основных технологических решения. Первое — это частичная выемка угля в пределах охранного целика путем проходки в нем полос корот­ кими забоями шириной до нескольких метров и оставление осталь­ ной части угольных целиков для поддержания кровли над отрабаты­ ваемыми полосами. Применение полной закладки выработанного пространства — гидравлической или пневматической. В этом слу­ чае, как показывает опыт, из целиков можно извлечь 30—60% угля. Такой способ безопасен для подрабатываемых объектов, так как оседание земной поверхности находится в пределах 2—5% мощности вынимаемого пласта.

Другое решение состоит в полной выемке угля из целиков с отра­ боткой столбов лавами с гидроили пневмозакладкой.

42

Внастоящее врелія частичную отработку целиков допускают лишь

вособых случаях — с целью охраны от влияния подработок особенно чувствительных объектов при небольших глубинах разработки (100— 150 м). Более распространена выемка угля камерной системой с за­ кладкой выработанного пространства бетоном или цементирован­ ным материалом. В этом случае оказывается возможным извлечь 60—70% запасов при максимальном оседании земной поверхности до 5% вынимаемой мощности пласта или рудного тела. Однако в обеих разновидностях технологии имеют место большие потери угля. Поэтому выемка охранных целиков с полной отработкой содержа-

щихся в них запасов угля наиболее целесообразна.

При отработке выемочных полей в пределах охранных целиков первостепенное значение имеет порядок выемки отдельных частей, а при разработке свиты пластов — и очередность работ на отдель­ ных пластах. В практике определились два способа выемки: 1 — с организацией одной линии забоев при соблюдении последователь­ ной схемы расположения лав; в этом случае выемка, как правило, ведется по одному пласту или слою (для мощных пластов); 2 — с ор­ ганизацией работ одновременно несколькими параллельными ли­ ниями забоев по нескольким пластам; в этом случае соблюдаются определенные размеры опережения между линиями забоев и грани­ цами разработки отдельных пластов так, чтобы деформации земной поверхности не суммировались.

При втором способе достигается большая концентрация, но требуется четкая организация работ. В обоих случаях забои могут быть односторонние или двусторонние. В первом случае очистной забой располагается у границы целика и работы ведутся в одном направлении к противоположной границе; во втором случае забои размещаются в центральной части целика и работы ведутся в обе стороны к границам целика.

Выбор способа зависит от положения горных работ на других участках шахтного поля; имеет существенное значение возможность обеспечения быстрого подвигания забоев (особенно для двусторон­ ней выемки) и хорошей организации работ по выемке и закладке.

Опыт показывает, что без нарушения поверхностных объектов отработка целиков достигается в том случае, когда длина лавы не превышает ширины целика, обеспечивается быстрое подвигание забоев, разработка следующего пласта (слоя) начинается только после прекращения сдвижения земной поверхности и применяется полная и непрерывная по мере подвигания забоев закладка с мини­ мальной усадкой закладочного массива.

Особые трудности возникают при выемке околоствольных це­ ликов. Исследования в этом вопросе ведутся в двух направлениях — разработка технологии выемки целиков и разработка методов, обес­ печивающих безопасность горных работ и нормальную эксплуата­ цию действующих стволов.

Имеющийся в настоящее время опыт выемки околоствольных целиков ограничивается целиками у стволов, предназначенных

43

к ликвидации, либо ведением очистной выемки в целях «подработки» ствола (ниже забоя ствола). В этих случаях отработка целика ве­ дется обязательно с полной закладкой и приданием крепи ствола надлежащей эластичности в месте пересечения его с пластом.

Приведем результаты опыта по разработке охранных целиков. Под металлургическим заводом им. Дзержинского в ПНР на пло­ щади около 32 га производилась частичная отработка первого слоя угольного пологого пласта мощностью 16 м, залегающего на глу­ бине НО—160 м. В кровле пласта залегали сланцы мощностью 10 м, а выше песчаники мощностью 90 м.

Пласт разрабатывался наклонными слоями с выемкой и полосами по простиранию с гидравлической закладкой. Вынимаемая высота слоя 2,8—3,4 м. Ширина полос 30 м, а оставляемых между полосами целиков 20 м, длина полос 340 м.

В предохранительном целике по первому слою вынуто пятнадцать полос. Инструментальные наблюдения за сдвижением земной по­ верхности после окончания процесса деформации горного массива показали, что максимальное оседание поверхности наблюдалось в центральной части площадки. Абсолютные горизонтальные дефор­ мации не превышали 0,6 мм/м. Вредные последствия деформации не наблюдались.

В ГДР очистные работы проводились под г. Цвиккау населен­ ными пунктами. Разработка велась длинными столбами по восста­ нию высотой по 15—20 м с гидравлической закладкой.

Здание школы, под которым по длине 560—580 м были отработаны два пласта суммарной мощностью около 6 м, дало осадку на 0,27 м, причем оседание происходило равномерно и здание повреждений не имело.

Поверхность промплощадки большой ткацкой фабрики за три года после отработки на глубине около 350 м осела в различных пунктах на 0,23—0,69 м, а в среднем — на 0,45 м. Оседание поверх­ ности происходило медленно и равномерно и не отражалось на ра­ боте фабрики.

Выемка целика под г. Бытомом является наиболее крупной по масштабам в польской угольной промышленности. Охранный целик города расположен в пределах нескольких шахтных полей. В кон­ туре охранных целиков находится около 4,5 тыс. построек.

В геологическом отношении покрывающие породы — делювиаль­ ные отложения мощностью от 10 до 70 м, под которыми залегают триасовые формации (песчаник и известняки) мощностью 90— 100 м. Угольные пласты располагаются в пределах мульды под углом 10—45°.

Охранный целик под городом к началу отработки его уже был окружен старыми очистными выработками, проведенными ранее, преимущественно с обрушением кровли. Эти очистные работы отри­ цательно отразились на объектах города, расположенных на краю охранного целика. Вследствие большой суммарной мощности выну­ той части пластов и изгиба слоев массива на границе целика и выра­

44

ботанного пространства в горном массиве стали накапливаться напряжения, которые вызывали толчки и повреждения зданий.

На поверхности были организованы систематические наблюде­ ния. Длина ходов точного нивелирования вместе с привязкой соста­ вила 30 км, а технического — до 50 км. Составляемые на основе из­ мерений планы изолиний оседаний и деформаций поверхности слу­ жили на шахтах основой для корректировки местоположения линий очистных забоев (рис. 15).

1 — границы территории части города, охраняемой целиком; 2 — изолинии оседания

При отработке охранного целика был использован принцип «координированной эксплуатации», сущность которого состоит в том, чтобы не допускать при ведении очистных работ горизонтальных деформаций (ползучесть) более 3 мм/м (что допустимо для город­ ских зданий). Для соблюдения этого условия необходимо: возведе­ ние закладочного массива, обеспечивающего оседание поверхности примерно не более чем на 10%; соблюдение оптимальных размеров опережения забоев по пластам и горизонтам (чтобы вредное влияние разных выработок не суммировалось) при максимальной скорости подвиганияНзабоев(Н . Ширина опережения обычно принимается около 0,6 — глубина ведения очистных работ).

Одновременная разработка участков целика разными шахтами также координировалась. Пласты угля при этом вынимались пол­ ностью. В местах сброса пласты вынимались одновременно с обеих сторон. Очистная выемка велась сплошной системой разработки или длинными заходками с гидравлической закладкой песком.

45

г

Наблюдения показали, что с 1949 по 1964 г. наибольшее оседание земной поверхности, вызванное горными работами прежних лет в целике под городом, достигло около 1,2 м, т. 10%е. величина. макси­ мального оседания в среднем оказалась равной Горизонталь­ ные деформации в среднем были меньше 3 мм/м, но в отдельных случаях достигали более 4,5 мм/м. Некоторые повреждения оказа­ лись легко устранимыми. Работы с учетом всех дополнительных расходов были экономически выгодны.

Выемка охранного целика в пределах действующего ствола предусмотрена на ш. «Халеба» для пласта 405 мощностью около 6,5 м. Работы включают предохранение от повреждений крепи и оборудо­ вания ствола и комплекс геодезических наблюдений в пределах раз­ рабатываемого целика. Пласт в пределах охранного целика залегал под углом 6° в юго-западном направлении на глубине в среднем 360 м. Слои карбона покрыты породами делювиальных формаций мощностью около 30 м. Запасы угля по пласту в пределах охранного целика составили около 800 тыс. т.

4. Ведение горных работ с закладкой породой, получаемой в шахте

На некоторых шахтах количество выдаваемой породы составляет около 40% от всего выдаваемого угля, что приводит к снижению производственной мощности шахт.

Количество выдаваемой породы при проведении выработок зави­ сит от мощности пластов, по которым проводятся подготовительные выработки, поперечного сечения и площади подрывки. При ремонт­ ных работах выход породы зависит от устойчивости боковых пород, протяженности выработок, способа их проведения, типа крепи, на­ значения и срока службы выработок. Практика, особенно при сплош­ ной системе разработки, показала, что от ремонта больше всего по­ роды поступает из той части выработки, где она попадает в зону активного горного давления. Причем при каждом перекреплении объем получаемой породы составляет 30—35% от объема породы, получаемого при проведении выработки.

Степень участия отдельных источников в получении породы па разных шахтах неодинакова. Это зависит от плана развития горных работ, способа подготовки и порядка отработки шахтного поля, системы разработки, крепления горных выработок и др. Например, на шахтах Донбасса больше всего породы поступает из выработок, проводимых смешанным забоем. Это объясняется тем, что число за­ боев и протяженность этих выработок значительно больше, чем вы­ работок, проводимых по пустым породам. Кроме того, ремонтных работ в этих выработках на единицу их длины значительно больше, чем в выработках, проводимых по породе. На большинстве шахт примерно 50% всей породы, выдаваемой на поверхность, получают от ремонта выработок.

46

Выдача породы па поверхность оказывает влияние и на технико­ экономические показатели работы шахты, так как требует повыше­ ния пропускной способности транспорта, подъема и поверхностного породного комплекса. В то же время сделать это не всегда возможно и целесообразно. При оставлении породы в шахте за счет использо­ вания высвобождающейся техники и рабочих можно увеличить суточную добычу угля примерно на 30—40%. В качестве примера можно привести работу отдельных участков ш. «Центральная-Боков- ская», на которой снизили выдачу породы на поверхность (за счет проведения штреков широким забоем) и при той же длине очистных забоев повысили добычу в 1,3—1,5 раза. Аналогичный опыт получен и на других шахтах.

Выдаваемая на поверхность порода в отдельных случаях может быть использована в качестве строительного материала или для других целей. Вопрос размещения породы в подземных выработках должен решаться на каждой шахте экономическими расчетами. Приведем наиболее характерные примеры из отечественной практики оставления пустых пород в шахтах.

Оставление породы в шахте при проведении выработок широким забоем. Для размещения в ш. «Кременная-Западная» всей породы, поступающей от проведения и ремонта горных выработок, увеличи­ вают ширину угольного забоя настолько, чтобы можно было разме­ стить в выработанном пространстве породу, получаемую из близко расположенных выработок, а также проводят по восстанию или простиранию пласта специальные магазины для засыпки породы. В обоих случаях требуется обеспечить разгрузку вагонеток [31] с породой в местах оставления ее в шахте. Поэтому при проведении штрека широким забоем схему транспортирования породы в рас­ коску дополняют передвижным конвейером, установленным на штреке, и приспособлением, обеспечивающим разгрузку шахтных вагонеток (рис. 16).

Проведение магазинов по простиранию при мощности пласта 1,5—1,8 м и угле падения 18° и выше осуществляется следующим образом. На отметке полевого штрека по пласту широким забоем проводится штрек с размером раскоски, необходимым для размеще­ ния породы, поступающей от проведения полевого штрека и других работ. В дальнейшем штреки соединяются через 100—120 м горизонтным квершлагом. Порода в забой подается в вагонетках и по эмалированным листам. На рис. 17 показана схема оставления по­ роды в «магазине», пройденном по падению пласта.

При использовании шахтной породы в качестве закладочного материала, для очистных забоев на пластах крутого падения приме­ няют различное вспомогательное оборудование для разгрузки ваго­ неток и подачи породы.

Так, при проходке откаточного штрека широким забоем на ш. им. Володарского применен скип-контейнер, мощность пласта 0,9—1,2 м, угол падения 50—60°. Однако производительность уста­ новки мала и составляет 5,4 ы3/ч чистого времени.

47

г

І 2

Риг. 16. Схема работ по проведению штрека широким забоем с приме­ нением конвейера и опрокидывателя (Я — первоначальная величина раскоски, h — дополнительный размер):

1 — опрокидыватель; 2, 4 и 7 — скребковые конвейеры; .? — погрузочная машина ЭПМ; 5 — машина КМП-1; 6 — эмалированные листы

Рис. 17. Схема работ по остав­ лению породы в «магазине», пройденном по падению пласта:

1 — опрокидыватель; 2 — вагонет­ ки; я — эмалированные листы (или конвейер); 4 — откаточный штрек

и

48

На ш. № 71 Гремячинского угольного района при разработке крутых пластов № 13 и 40 на глубине 450 м (угол падения 60—80°) для размещения породы в очистных забоях было изготовлено при­ способление для разгрузки вагонеток с породой в выработанное пространство.

Партия вагонеток с породой доставляется электровозом к вен­ тиляционному штреку, пройденному по пласту. Над ходком (печью) к верхнякам крепи подвешиваются 2 блока, через которые пропу­ скаются концы каната диаметром 15,5 мм с крючьями, которые за­ цепляются за сцепки вагонетки. Один рабочий в течение часа раз­ гружает партию из 20—30 вагонеток.

Выемка угля производилась взрывным способом, полосами по восстанию с магазинированием (ширина полосы 6 м, мощность пласта 1,2—1,5 м). После выгрузки угля из полосы ее сразу же заполняют породой. В каждую полосу закладывается 250—300 м3 по­ роды.

Установка для разгрузки породы по мере заполнения полосы переносится к следующему ходку (скату) и т. д.

Размещение шахтных пород в выработанном пространстве имеет большое значение и для шахт Карагандинского бассейна, так как выдача породы на поверхность все время увеличивается за счет вклю­ чения в разработку тонких и средней мощности пластов, перехода ряда шахт на полевую подготовку пластов и в связи с углублением горных работ. Оставление породы в шахте по сравнению с выдачей породы на поверхность обеспечивает ряд очевидных технико-эко­ номических преимуществ.

На рис. 18 приведена разработанная КНИУИ технологическая схема размещения породы в выработанном пространстве лавы, испытанная на ш. № 106. Для оставления породы от проходки север­ ного квершлага в выработанном пространстве на шахте была под­ готовлена специальная закладочная лава по пласту «Феликс», мощность пласта 2,7 м, угол падения 28°. Вначале проводили диаго­ нальную сбойку длиной 46 м, под углом 17° к горизонту, от сбойки — просеку длиной 60 м на расстоянии 30 м от штрека по падению пласта. В результате была подготовлена лава с размерами поля по про­ стиранию 60 м и по падению 30 м.

Очистные работы в закладочной лаве начинали от разрезной печи путем создания «окон» с последующей выемкой угля уступами шириной 2 м с помощью буровзрывных работ. Уголь самотеком по рештакам поступал на конвейерный просек, по просеку и диаго­ нальной сбойке скребковыми конвейерами доставлялся на откаточ­ ный штрек.

Для укладки полосы закладки в выработанном пространстве лавы отшивали органным рядом полосу шириной 1,8 м.

Породу от проходки квершлага по откаточному штреку в ваго­ нетках доставляли до закладочной лавы, где порода разгружалась и под действием сил гравитации поступала по рештакам в выра­ ботанное пространство. Работы по выемке угля и закладке