Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

зовыделению из краевой части пласта и исключать геомеханическую опасность со стороны погашенных лав.

Наряду с высокопроизводительными лавами особое значение имеет производительная надежная инфраструктура для подачи воздуха и массовых грузов.

Горные работы в Кузбассе ведут на глубине более 500 м, а в Воркуте

– на глубине свыше 1000 м. Разработка маломощных пластов сегодня стала реальностью. Часто возникают чрезвычайно сложные условия работы как для обслуживающего персонала, так и для оборудования. Поэтому для достижения положительных результатов необходимо значительно повысить степень автоматизации и роботизации.

Например, цель реализации программы «Проходка подготовительных выработок» (Германия) состоит в том, чтобы исключить применение ручного труда непосредственно в забое угольной шахты при значительном повышении скорости проходки (20 п.м./сутки), производительности (на 30%), безопасности труда, удовлетворении высокого уровня затрат на заработную плату, соблюдении требований по охране окружающей среды и борьбе с неблагоприятными геомеханическими условиями месторождений угля.

Изменение цены на уголь придает бизнесу очень рисковый характер. Это особенно ощутимо в период экономического кризиса. Поэтому в мире имеется тенденция к повышению производительности труда на стадиях очистных и подготовительных работ. Например, в Германии на глубинах 1000 м объединяют несколько шахт, улучшают подземную инфраструктуру, по конвейерному уклону на поверхность выдают товарный уголь. Стратегической задачей проекта «Шахта-2016», заключающейся в снижении аварийности и травматизма на угледобывающих предприятиях («Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года»), из опасного пласта мощностью 2 м предусмотрена

81

нагрузка на очистной забой более 7500 т товарного угля/сутки. Такую нагрузку обеспечивает струговая установка с частотным регулированием вращения GH-42, которая создает на забое растягивающие напряжения и обеспечивает выход сортового угля. Струг интегрирован в общую автоматизированную систему с современной механизированной крепью с повышенной несущей способностью и сроком её службы на лавах длиной до 500 м. На опасных пластах мощностью более2-х м, гденагрузки достигают более 10 000 т товарного угля/сутки, применяют очистные комбайны типа «Электра», Eichkoff, LS со скоростью подачи до 50 м/мин, мощностью привода 2,2 МВТ, шириной захвата 1,3 м, усилием подачи 1 МН, с рабочим напряжением 6кВ, с ресурсом работы 15 млн. т. Механизированные крепи имеют следующие характеристики: шаг установки – 2 м, шаг передвижки – 1,5 м, скорость крепления 20м/мин. Забойные конвейеры имеют:

мощность приводов 3900 кВт, ширину става – 1550 мм, ресурс става – 22 млн. т. На проходке подготовительных выработок круглого сечения применяют механизированные щиты.

Определение параметров выемочных штреков повышенного сечения приобретает первоочередное значение. Благодаря развитию системного процесса компьютерного проектирования, основу которого составляет геомеханическое обеспечение данными конвергенции, горного давления, классификации пород по физическим и технологическим свойствам, параметры крепления выработок соответствуют требованиям повторного использования. При этом в последнее время применяют почти исключительно комбинированную систему крепления анкерами и металлическими рамами с тампонированием закрепного пространства. Только с такой дорогостоящей техникой крепления выемочных штреков достигают требуемого сопротивления крепи более 0,4 МПа. Последнее обеспечивает беспрепятственную работу лавы. Применение проходческих комбайнов из-

82

бирательного действия типов АВМ-30 фирмы DBT, Динтхедер фирмы Voest Alpine, СМ фирмы JOY позволяет производить параллельно анкерование выработки и разработку забоя, причём работа исполнительного органа комбайнов автоматизирована.

Параллельно с увеличением добычи лавы в шахтах мирового класса создают надежную инфраструктуру по подземному обогащению угля и его транспортировке с выемочного участка на поверхность. Обогащение угля связано с созданием бункеров объемом более 2000 м3 и надежных пунктов пересыпки. Эти узлы определяют большепролетные и высокопрофильные горные выработки, создание которых предусматривают геомеханические расчеты.

Отработка пластов уклонными полями по простиранию с проведением многоустьевых штреков и выемкой межъярусных целиков [19]

Система предназначена для отработки пластов средней мощности и мощных. Подготовка– пластоваядляпанелейиярусов, системаразработки

– длинными столбами по простиранию, порядок отработки выемочных участков – нисходящий, последовательный, управление кровлей – полным обрушением. Проветривание – прямоточное с разбавлением вредностей.

Движение забоев следует направлять на максимальную горизонтальную составляющую горного давления, что обеспечивает применение схемы на пластах, склонных к внезапным выбросам угля и газа, а также к горным ударам.

Лава может быть оборудована струговыми установками со скоростью движения 3,4 м/с или комбайнами – 45 м/мин, механизированными крепями повышенной несущей способности на сопряжениях. Применение подземного обогащения конвейерных уклонов, использование 2-х электронщиков, подземных микропроцессоров и сенсоров обеспечивает

83

в Германии с пласта мощностью 1,7 м на глубине 1200 м выход товарного угля более 10 000 т/сутки.

Систему и её разновидности применяют на ряде шахт России для высокопроизводительной отработки защитных и одиночных угольных пластов.

Многоштрековая подготовка производительных очистных забоев [14]

Отработка очистными забоями с высокой нагрузкой на газоопасных угольныхшахтахвозможнатолькосприменениемэффективнойподземной дегазации выемочных забоев. Последнее возможно при многоштрековой подготовке очистных забоев в сочетании с применением эффективных схем проветривания. Отдельные новые собственники угольных предприятий уже поняли, что успех бизнеса зависит от своевременного воссоздания очистного фронта – ритмичной эффективной работы как подготовителей, так и очистников. Они стали уделять должное внимание как тем, так и другим, рационально распределяя заработанные средства на закупку новой техники. Для совершенствования технологии подготовительных работ приобретают, как правило, зарубежное оборудование.

Многоштрековая подготовка выемочных участков пластовыми выработками, охраняемыми частично упрочненными в краевых зонах породными полосами

Технологию рекомендуют при подготовке выемочных горизонтов, на которых прогнозируют зоны опасных напряжений и интенсивного проявления горного давления, приводящего к нарушению рабочего состояния пластовой выработки на стадии проведения и эксплуатации. Применяют при отработке одиночных и подзащитных пластов. Отличительной особенностью технологии является то, что в качестве средств охраны выработок используют искусственные породные полосы из дроб-

84

ленной породы, у которых упрочняют только краевые, примыкающие к стенкам выработки части, а остальную часть полосы не упрочняют.

Технология предусматривает проходку выработок раздельными угольными и породными забоями. В угольном забое применяют короткие очистные комплексы на базе серийно выпускаемых механизированных, в породных забоях – проходческие комбайны или буровые установки, дро- бильно-закладочные комплексы типа «Титан-1», погрузочные машины, перегружатели, а также установки для подачи скрепляющего раствора в краевые части породной полосы. В качестве вяжущего, в зависимости от степени обводненности, применяют гипсоцементно-пуццолановую или цементно-песчаную смесь. Прочность материала достигает 4,5 МПа. Показатели неупрочненной части породной полосы рассчитывают из условия уменьшения негативного влияния очистных работ, проявляющегося в реализации «заданных деформаций», и одновременного уравновешивания «заданных нагрузок» в зонах разгрузки. В этом случае механизм распределения напряжений и деформаций в приконтурном массиве наблюдают следующий: не подвергнутая упрочнению часть породной полосы, обладающая большой податливостью, способствует релаксации повышенных напряжений, возникающих при ведении очистных работ. Этим обеспечивают реализацию таких величин податливости упрочненных частей полосы, при которых в максимальной степени сохраняют естественную несущую способность кровли и поддерживают её в устойчивом состоянии в течение всего срока службы выработки.

Крепление подземных выработок Для крепления подземных выработок применяют автоматизиро-

ванные системы по нанесению набрызгбетона, установки анкерной крепи, конструкции поддерживающих крепей.

Нанесениенабрызгбетонаивозведениебетоннойкрепиосществляют насосами и манипуляторами на пневмоколесном ходу фирмы Меусо, а

85

также высокопроизводительными бетононасосами фирмы Putzmeister (Германия). Анкерная крепь фирмы Almag бывает самой разнообразной:

-гибкие канатные и стеклопластиковые анкера, которые устанавливают в стесненных условиях;

-анкеры, устанавливаемые в одном рабочем процессе с применением технологии «теряемой» буровой коронки и бурением шпуров.

На глубоких шахтах применяют конструкции жестких и податливых

рамныхкрепейфирмыBochumer, подкоторыеустанавливаютспециальные подкладки, распираемые при помощи гидравлики, что позволяет сооружать рамные крепи с предварительным распором. Благодаря такой установке уменьшают запаздывание с восприятием нагрузки крепью и, таким образом, ограничивают распространение зоны разрыхления.

Замкнутые по почве системы крепления На основе компьютерного и стендового моделирований установлено,

что замкнутые кольцевые системы крепи сечением более 30 м2 на глубинах 1000 м, по сравнению с открытой по почве крепью, обеспечивают увеличенное сопротивление деформации до семикратного. Кольца лучше воспринимают нагрузку, однако подвергаются преждевременной деформации при плохой забутовке или, соответственно, точечных нагрузках. Применение кольцевой крепи лучше всего подходит для подверженных проявлениям горного давления выработок в относительно слабых породах. Были испытаны системы панельной крепи – железобетонная крепь из сборных элементов (как в тоннелях метро) в жестком, а также в податливом режиме. Жесткие системы отказывали очень быстро за счёт пиковых напряжений. Смещения до 30 см создавали на основе встраиваемых сминаемых прокладок – элементов податливости, за счёт чего удалось повысить удельное сопротивление крепи до 1,2 МПа, соизмеримое с несущей способностью щитовой лавной крепи. Для пластовых выработок большого сечения, подверженных сильному давлению, для шахт Германии разработан двух-

86

ступенчатый метод крепления. Вначале подверженный давлению участок проходят с расширенным сечением и закрепляют арками с тампонированием закрепного пространства. После этого выжидают, пока конвергенция не достигнет заранее вычисленной величины, то есть пока не разгрузится напряженный породный массив. На расстоянии 0,5-1 м от первых арочных рам устанавливают вторые, замкнутые по почве, а пространство между рамами тампонируют строительной смесью. Такая система позволяет полностью предотвратить последующую конвергенцию. Высоким расходам противостоит столь же высокая эффективность.

Компьютерная программа P A B B A S , позволяющая осуществлять проектирование и расчёт крепи в выемочных штреках (DMT,Эссен)

Программа основана на количественном определении деформаций штрека в зависимости от вида пород, почвы и кровли, качества околоштрековой полосы, тампонажа закрепного пространства, глубины, мощности пласта, краевых частей соседних пластов и способа проходки штрека. При влажном породном массиве и наличии микротектонических нарушений значение предварительно расчитанной конвергенции повышают на 10%. В табл. 6.1. приведена примерная классификация массива

87

Для расчёта применяют следующие соотношения:

где σ – горное давление, |σ| – прочность массива.

Если частное σнагр. превышает значение 3.46, породный массив уже не считают стабильным и необходимо устанавливать крепь.

Приповторномиспользовании выемочногоштрека выбортипакрепи зависит от конвергенции или от давления на контур выработки.

На шахте «Эвальд» (Германия) на глубине 1310 м при отработке пласта мощностью 1,6 м значение конвергенции превышало 50%. Поэтому крепление штрека осуществляли комбинированной крепью механизированным способом: анкеры, арки, тампонаж закрепного пространства строительной смесью. По сравнению с буровзрывным способом (1,6 м/сут) скорость подвигания фронта очистных работ составила 7,7 м/сутки. При этом длительность простоев и число несчастных случаев сократилось на 35%.

Объединение различных программ, технологий, аппаратных средств в единую функциональную систему представляет интегрированную производственную структуру в проекте «Незатратное поддержание в исправном состоянии» («Lean instand-naltung»). Перед ней ставят следующие основные задачи:

-идеальная схема подготовки;

-высокое качество подготовительных выработок;

-повышение эффективности работ по поддержанию горных выработок.

88

Во время и после реализации этих мероприятий осуществляют непрерывный контроль, что обеспечивает успех по повышению производительности угольных шахт. Применяемые проходческие системы AVSA на основе узла «анкеровочные автоматы» устанавливают крепь быстрее, надежнее, с контролем качества и отставанием от забоя – 0,8 м. Это позволяет избегать расслоений кровли, что улучшает устойчивость выработки.

Таким образом, геомеханическое обеспечение заключается в обосновании выбора сечения выработки, а также в расчётах её крепления

сучетом составляющих горного давления.

6.2.Инновационные процессы на рудниках

Геомеханическое обеспечение закладочных работ

Закладка выработанных пространств и создание литых охранных полос при повторном использовании штреков играют решающую роль сточкизрениятехнологииибезопасностиприотработкерудных, угольных и соляных массивов.

Благодаря укладке закладочного материала обеспечивают геомеханическую стабилизацию породного массива, предотвращают разрыхление в кровле и боках горных выработок. Это способствует уменьшению интенсивности сдвижения горных пород, препятствует толчкообразному смещению блоков, снижает давление на механизированную крепь. Закладка воспринимает нагрузки, вызванные горным давлением, и способствует равномерному распределению напряжений породного массива; наряду с непосредственным повышением безопасности горных работ приводит к уменьшению повреждений поверхности и подземных выработок, вызванных сдвижением породного массива, например оседанием земной поверхности. Качественное её применение уменьшает риски проявления

89

ударо- и выбросоопасности, затопления рудных, угольных и соляных массивов.

В качестве ещё одного эффекта следует назвать улучшение степени освоения месторождений. Участки залежей, которые пришлось бы оставить из-за неблагоприятных геомеханических условий, с применением закладки могут быть отработаны.

Виды закладки. Закладочный материал и способы закладочных работ можно подразделить по нескольким критериям. Закладка делится на: твердеющую и без цементирующих добавок. Закладочная паста – мелкодисперсный состав на основе отходов обогащения с цементом и добавками, регулирующими её расширение и скорость твердения. По способу подачи различают самотечную, пневматическую, гидравлическую и доставочную. Наибольший интерес представляет гидравлическая закладка, для подачи и укладки которой применяют поршневые шламовые насосы фирмы Putzmeister (Германия). Насосы при давлении 10 МПа могут обеспечить производительность свыше 200 м3/ч для прокачки пастообразной массы без осаждения и закупорки на расстояние до 12 км через ствол и далее по подземным выработкам к полости или в скользящую опалубку с минимальными усадкой и недозакладом.

Рассмотримрядпримеровприменениязакладкиврудной, угольнойи соляной промышленности [13,17,18].

Короткозабойная выработка восходящими горизонтальными слоями с закладкой

Система предназначена для отработки маломощных месторождений. При этом после очередного слоя образовавшуюся полость заполняют закладкой. Затвердевшийзакладочныймассивслужитрабочейповерхностью при выемке следующего слоя. Такой системой отрабатывают, например, полиметаллические месторождения Норильска.

90