CC BY
30
© В В. Климов, Д.В. Ремезов, 2013
В.В. Климов, А.В. Ремезов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ФОРМИРУЕМОГО ОЧИСТНЫМ ЗАБОЕМ НА СОСТОЯНИЕ ПРИЛЕГАЮЩИХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ НА ШАХТАХ ОАО «СУЭК-КУЗБАСС» КАК В НИСХОДЯЩЕМ, ТАК И В ВОСХОДЯЩЕМ ПОРЯДКЕ НА ПРИМЕРЕ ОТРАБОТКИ ШАХТЫ «ПОЛЫСАЕВСКАЯ»
Приведены результаты исследования влияния опорного давления, формируемого очистным забоем на состояние прилегающих горных выработок.
Ключевые слова: опорное давление, горные выработки, очистные работы.
Краткие сведения об изучаемом объекте и исследуемом вопросе
ОАО «СУЭК-Кузбасс» осуществляет добычу угля открытым (3 разреза) и подземным способом (9 шахт), при этом из 9 угольных шахт — абсолютное большинство предприятий — 8 шахт, что составляет 88 %, работают по схеме «шахта — лава», т.е. в постоянной работе только один очистной забой. В условиях требования рынком стабильной отгрузки и поставки угля шахтами, возникает необходимость: 1. — минимизировать сроки перемонтажа механизированного комплекса; 2. — обеспечить безаварийную работу предприятия по добыче угля.
Сокращение сроков на перемонтаж механизированного комплекса может быть достигнуто не только за счет четкой организации труда при ведении работ по демонтажу, перевозке и монтажу механизированного комплекса, но и за счет правильного решения по выбору способа формирования, типа крепления и места заложения демонтажной камеры.
Безаварийная работа предприятия по добыче угля как показывает практика, напрямую зависит от состояния приле-
гаюших к выемочному участку горных выработок, их устойчивости к влиянию горно-геологических и горнотехнических факторов.
Отдельные предприятия компании имели серьезные проблемы связанные с данным фактором, к примеру из-за значительного горного давления оказанного на выемочные выработки в результате отработки смежных выемочных участков и невозможности их дальнейшего поддержания и нормальной эксплуатации на шахтах «Полысаевской» и «им. С.М. Кирова» возникла необходимость проведения дополнительно параллельных выработок, а в отдельных случаях увеличения межштрековых целиков.
В настояшее время угольные шахты ОАО «СУЭК-Кузбасс» осушествляют добычу угля на 17-ти пластах.
Применяется схема подготовки угольных пластов — панельная. Применяются как однокрылые так и двукрылые панели. Подготовка выемочных столбов, в большинстве случаев, производится длинными столбами по простиранию. Отработка выемочных столбов производится в обратном направлении, от границ шахтного поля к участковым главным выработкам.
Охрана оконтуриваюших выемочные столбы горных выработок производится целиками угля.
Сечение оконтуриваюших выемочные столбы горных выработок — прямоугольное, крепление — анкерное. В зоне опережаюшей очистной забой опорного горного давления крепление оконтуриваюших горных выработок усиливается согласно требованию ПБ 05-618-03 в угольных шахтах.
В отдельных случаях, в зависимости от применяемого способа проветривания и газоуправления, вентиляционные штреки отрабатываемых выемочных столбов частично сохраняются для управления газовыделением из отработанного пространства при помоши газоотсасываюших установок, установленных на вертикальные скважины.
Исследование влияния опорного давления, формируемого очистным забоем на состояние прилегаюших горных выработок в условиях отработки угольных пластов средней мошности рассмотрим на примере отработки одной из шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» — шахты «Полысаевская».
Поле шахты «Полысаевская» расположено в центральной части Ленинского угольного района. В административном отношении шахта входит в состав города Полысаево Кемеровской области. Промплошадка шахты удалена от города на 3,0 км к югу. Шахта «Полысаевская» граничит с шахтами: «им. 7 Ноября», «Октябрьская», «Заречная», «Комсомолец», «Кузнецкая». Поле шахты «Полысаевская» приурочено к центральной и самой крупной Ленинской синклинали. В геологическом строении месторождения принимают участие продуктивные отложения ильинской и ерунаковской подсерии кольчугинской серии и относятся к ленинской и грамотеинской свитам. Повсеместно продуктивные отложения шахтного поля перекрываются четвертичными аллювиальными и делювиальными отложениями, мошность которых изменяется от 2 до 60 м. Вме-шаюшие породы сложены мелко-, средне- и крупнозернистыми песчаниками, мелко-, средне- и крупнозернистым алевролитами, аргиллитами, углистыми алевролитами и аргиллитами. Глинистые разности пород приурочены, в основном, к кровле и почве угольных пластов. Песчаники и крупнозернистые алевролиты слагают центральные части междупластий.
В тектоническом отношении залегание пластов спокойное, региональный Южно-Журинский взброс влияния на тектонику шахтного поля не оказывает. В юго-западной части шахтного поля встречено нарушение 1—1 типа согласного взброса. При отработке угольных пластов не было отмечено даже мелкоамплитудных нарушений. В преобладаюшем большинстве угли шахты разбиты нормально-секушими системами трешин. Более отчетливо выражена система трешин, падаюших под углом 7585° с азимутом падения 45-75°, вторая система с азимутом падения 320-330° под углом 82-87°. Расстояние между трешина-ми в углах 0,01-0,05 до 0,25 м, во вмешаюших породах 0,100,3 до 0,5 м. По сложности геологического строения поле шахты отнесено к I группе.
В границах горного отвода шахты находятся пять рабочих пластов Надбайкаимский, Байкаимский (гор. + 120 м), Бреев-ский, Толмачевский, Емельяновский (гор. — 30 м).
Шахта Полысаевская сдана в эксплуатацию в 1940 году. В разные годы добыча осушествлялась при одновременной рабо-
те 2-4 очистных забоев. До 2000 года шахта «Полысаевская» имела два рабочих горизонта: гор. + 120 м и гор. — 30 м. В 1999 г. гор. + 120 м ликвидирован, добыча угля ведется только на горизонте -30 м. В настоящий момент предприятие работает с производственной мощностью 2200 тыс.т угля в год с одним выемочным участком («шахта — лава»).
Из-за большой протяженности шахтного поля (более 6 км) угольные пласты по простиранию разделены на блоки № 1, № 2 и № 3. Блок № 1 расположен у северо-западной границы шахтного поля в районе главных стволов, блок № 2 расположен в центральной части шахтного поля, блок № 3 расположен у северо-восточной границы шахтного поля. Запасы блока №1 по пластам Бреевскому и Толмачевскому отработаны полностью. Блок № 3 шахтой не отрабатывался, ведутся подготовительные работы по пласту Бреевскому. Подготовка пластов — панельная. В границах блока располагается по одной двукрылой панели. Размер панели по простиранию изменяется от 2600 до 4000 м, по падению от 1500 до 2000 м.
С 2003 года очистные работы ведутся по пласту Толмачевскому в уклонном поле 18-2, при следующих технологических решениях:
• система разработки длинными столбами по простиранию с полным обрушением кровли, отработка выемочных столбов осуществляется в обратном порядке от границ шахтного поля к центральным уклонам
• порядок отработки в восточной части панели — нисходящий — выемочные участки 18-25, 18-27, 18-29 и 18-31, в западной части панели — восходящий — выемочные участки 18-10, 18-8, и 18-6
• длина выемочных участков 270—300 м,
• длина выемочных столбов составляет в западной части панели около 1500 м и в восточной части панели около 2300 м;
• схема подготовки выемочных столбов — проведение спаренных выемочных штреков;
• схема проветривания выемочных участков комбинированная с изолированным отводом метановоздушной смеси через все выработанное пространство за счет общешахтной де-
прессии или газоотсасываюшей установки, движение воздуха по лавам — восходяшие;
• крепление подготовительных выработок — сталеполи-мерная анкерная крепь;
• вынимаемая мошность пласта Толмачевский с учетом породных прослоев и ложных кровли и почвы 2,40 — 2,58 м. Пласты вынимаются на полную мошность.
Технология ведения работ и план горных работ по пласту Толмачевскому приведен на рисунке 1
За период 2003-2012 гг. в уклонном поле 18-2 уже отработана большая часть промышленных запасов (12560 тыс. т) — завершена отработка запасов в восточной части панели — нисходяшим порядком — выемочные участки 18-25, 18-27, 1829 и 18-31 (2003-2011 гг.), началась отработка правой (западной) части уклонного поля 18-2 пласта Толмачевского в восхо-дяшем порядке - выемочные участки 18-10, 18-8 отработаны, 18-6 в работе.
При отработке запасов предприятие было вынуждено решать определенные проблемы, выявленные в ходе ведения очистных работ нисходяшим порядком, прежде всего в части обеспечения нормируемого (расчетного) сечения выработок вентиляционных штреков на весь период их эксплуатации и поддержания. Так после отработки выемочных участка 18-25, в пройденном ниже (при охранном целике в 20 метров) — вентиляционном штреке 18-27, под влиянием горного давления отработанной смежной лавы, пришлось выполнять комплекс восстановительных работ: поддир почвы и усиление крепления на протяжении 1200 метров, а также проведение дополнительной параллельной выработки 18-27 пром. вентиляционного штрека длиной около 500 метров в 35 метрах ниже 18-27 вентиляционного штрека вдоль участка выработки с критическими деформациями крепления. В целях снижения влияния горного давления смежных лав, было принято решение об увеличении размеров охранных целиков: между смежными лавами 18-27 и 18-29 с с20 м до 26,5 м, а между лавами 18-29 и 1831 с 26,5 м до 30 м. Данное техническое решение привело к дополнительным потерям угля при отработке выемочных участков 18-29 — 27750 тыс. т, 18-31 -36960 тыс. т, но не реши-
ло вопросов безаварийного ведения очистных работ — при работе вышеуказанных лав на отдельных участках вентиляционных штреков 18-29 и 18-31, впереди линии очистного забоя в зоне опережающего горного давления были зафиксированы проявления горного давления имеющего значительную силу, по величине смещений и скорости смещений пород кровли сопровождавшаяся активным вспучиваем пород почвы, значительной деформацией крепления — вертикальная конвергенция доходила до 1,1-1,6 м. Горные работы велись по специально разработанным мероприятиям в части применения дополнительного усиления крепления вентиляционного штрека — с установкой на «лежаны» органных рядов из деревянных стоек в несколько рядов под непрерывный подхват, переразмещения оборудования (энергопоезда) на штреке и снижения скорости движения забоя.
Проблемные участки были отмечены не только при ведении работ в зоне повышенного горного давления (влияние оставленных охранных целиков по пласту Бреевскому), но в зонах с измененными характеристиками пород кровли, а именно при значительном уменьшении мощности непосредственной и увеличении основной кровли (приобрела свойства труднооб-рушаемой в нижней части отработанного пространства очистного забоя). Основная кровля стала зависать на значительной площади; на охранный целик и ниже проведенный вентиляционный штрек стало проявляться повышенное горное давление. Было также принято решение о проведении буровзрывных работ с целью образования искусственного трещинообразования в консоли основной кровли и обрушения зависающей консоли
Средняя (общая) горно-геологическая характеристика пласта Толмачевского в пределах поля шахты «Полысаевская» выглядит следующим образом:
Пласт Толмачевский имеет сложное строение, внутри его содержится от 1 до 4 невыдержанных по площади и по мощности породных прослойков. На участке между разведочными линиями 8-9 и 11-11 общая мощность пласта (вместе с прослойком) изменяется от 2.10 м. до 2.50 м. В этом интервале преобладает в основном 1 прослоек, разделяющий пласт угля примерно пополам. Средняя мощность его 0.25 м. За разведочной
Рис. 1. Шахта «Полысаевская». План горных работ по пласту «Толмачевский»
линией 11-11 пласт Толмачевский расщепляется на два: пл. Толмачевский и пл. Толмачевский-Случайный. В интервале от разведочной линии 11-11 и до юго-восточной границы шахтного поля мощность пл. Толмачевского колеблется в пределах от 1.10 до 1.40 м.
Уголь пласта блестящий и полублестящий с тонкими прослойками матового. Уголь кларенового типа с содержанием витринита 88 %. В угольных пачках и прослойке хорошо развиты трещины кливажа. Средняя мощность пласта около 2.15 м. (вместе с высокозольной пачкой в почве пласта М=2.16 м). Падение пласта на выходах под наносы достигает 50о в северозападной части и 20о в юго-восточной части поля. Большая часть пласта имеет падение в 5— 6о. Дизъюнктивная нарушен-ность пласта в пределах горного отвода шахты отсутствует. Пликативная нарушенность, как по падению, так и по простиранию, имеет место и выражается в виде пологих мелкоамплитудных мульд. Глубина зоны выветривания 20 м от поверхности коренных пород. Повсеместно в угольных пачках встречаются линзы «колчеданов» от небольших кусков до 1.3х0.3х0.8 м. Глубина залегания пласта в пределах горного отвода шахты 60-470 м.
Уголь пласта имеет следующие прогнозные характеристики: марка — «Г», зольность пластовая — 14 %-27 %, зольность угольных пачек 8 %-9 %, влажность материнская — 4.4 %, содержание летучих — 41.4 % пластометрия — У=13 мм — Х=27 мм, сера — 0.7-0.8 %, теплотворная способность — 28-34 МДж/кг (7775 ккал), природная газообильность — 818 м3/т.
Ложная кровля представлена весьма неустойчивым углистым аргиллитом или темно-серым трещиноватым алевролитом. Непосредственная кровля представлена мелко и средне-зернистым трещиноватым алевролитом средней устойчивости. Иногда непосредственная кровля может быть представлена песчаником. Основная кровля представлена среднезернистым песчаником. Обрушаемость основной кровли при отработке лав механизированными комплексами в основном труднообру-шаемая и среднеобрушаемая. Основная почва сложена в основном мелкозернистым алевролитом. По данным разведки на
отдельных участках непосредственно ниже почвы пласта залегает глинистый песчаник. Пласт не опасен по самовозгоранию, опасен по взрывчатости угольной пыли и газа метана, с глубины 230 м угрожаем по горным ударам. По внезапным выбросам угля и газа опасен с глубины 560 м. Гидрогеологические условия в основном благоприятные. Горные работы на пласту Толмачевскому ведутся под ранее отработанными пластами Полысаевским 1 и Полысаевским 2, Надбайкаимским, Байка-имским и Бреевским при отработке которых водовмещающие песчаники в основном осушены. Поэтому при отработке очистных забоев и в подготовительных выработках приток воды составит 2-5 м3/час. Общий приток по пласту Толмачевскому составляет 25-40 м3/час.
При более детальном изучении различных геологических материалов определено, что горно-геологическая характеристика пласта Толмачевского в пределах уклонного поля 18-2 очень различается особенно в части состава пород кровли (по мощности и крепости см. табл. 1) Сравнительная характеристика средних показателей по пласту с данными по отдельным разведочным скважинам представлена на рис. 2. К примеру, даже в составе одного выемочного участка — 18-8, показатель мощности пород непосредственной кровли варьируется от 1,5 м (скважина №2184) до 13 м (скважина №10606) при расстоянии межу разведочными скважинами в 800 м (см. рис. 1)
По факту ведения очистных работ выявлено, что характеристика вмещающих пород является одним из ключевых факторов, оказывающих влияние опорным давлением, формируемым очистным забоем на состояние прилегающих горных выработок. С этой целью в вентиляционных и конвейерных штреках с помощью замерных станций производились инструментальные наблюдения за смешением пород кровли и почвы.
В настоящий момент началась отработка правой (западной) части уклонного поля 18-2 пласта Толмачевского в восходящем порядке, в связи с чем, возникла возможность, после тщательного изучения всех нюансов, сравнить варианты отработки выемочных столбов в двух различных направлениях по пласту. в том числе с учетом влияния процессов формирования горного
Таблица 1
№ Описание пород Сопр. Сопр. Объемная Коэф. Склон Сопр. Коэфф.
слоя сжатию. растяже- масса разрыхления ность почвы крепости
МПа нию МПа т/м3 к пучению влавли ванию I
1 Основная кровля:
Песчаник мелкозернистый, 60 6,9 2,5 2,2 - - 6
слоистый.
(Алевролит мелкозернистый). - -
Среднеообрушаемая (местами 35-40 3,5 2,5 2,0 3-4
труднообрушаемая)
2 Непосредствен, кровля:
Алевролит мелкозернист., 35-40 3.5 2.5 2.0 - - 3-4
трещиноватый. Неустойчивая.
3 Пожная кровля:
Трещиноватый алевролит, 15-20 1.0 1.8 1.8 - - 1,5-2
реже углистый аргиллит.
4, 6 Уголь каменный: Марка «Г», трещиноватый. 13 0.9 1.28 по ЧУП 1.4 - 1.3
5 Прослоек, представлен мел-козерн. алевролитом и глинистым песчаником. 20-30 3 2.3 1.8 3
7 Пожная почва: Переслаивание угля сажистого и углист, аргиллита 15-25 1.0 2.0 1.7 1-1.5
8 Непосредствен, почва: 29-37 3.7-4.3 2.5 1.8 Скло 1.5-2.5 2,9-3,7
Алевролит мелкозернистый. нна
НМ= 4-6 м.
Средняя по пласту
Скважина №2184
6-16м
2-14м 1
0,05м 2 3 Щй
1,04м 0,25м 4 5
0,91м 6
0,25м 7
2-10м 8
7м
1,5м 0,15м 1,34м 0,20м 0,94м 0,05 м
4-6м
Скважина №10606
6м
4-6м
Скважина №10662
3,7м
13м
4-6м
Рис. 2. Литологические колонки по пласту «Толмачевский» в границах поля шахты «Полысаевская»
давления, вызванного работой очистного забоя в зонах напряженного горного давления, формируемого оставленного на выше лежащем пласте Бреевском охранными целиками.
Выводы
1. Характеристика вмещающих пород является одним из ключевых факторов, оказывающих влияние опорным давлением, формируемым очистным забоем на состояние прилегающих горных выработок.
2. Планирование горных работ (выбор размеров охранных целиков, тип и плотность крепления выработок и др.) должно выполнятся по факту досконального изучения имеющихся геологических материалов (заключений ВНИМИ, геологоразведки и др.) в соответствии с конкретными данными по горногеологической характеристики пласта по каждому выемочному участку.
3. В целях стабилизации при ведении горных работ, а также выбора оптимального способа ведения очистных и подготовительных работ необходимо проведение инструмен-
тальных наблюдений за смешением пород кровли и почвы и дополнительное изучение влияния процессов формирования горного давления.
1. Технология подземной разработки пластовых месторождений /A.A. Борисов, С.Г.Андрушкевич, Д.Ф.Борисов и др. М., Недра,1972.
2. Правила безопасности в угольнык шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 5. Выпуск 11 /колл. авт. — Москва 2007.
3. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. М., ВНИМИ,1978.
4. Механика горных пород и массивов, М.: Недра,1980.
5. Штумпф Г.Г., Рыжков Ю.А. и др. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна. Справочник. М.: Недра,1994.
6. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов, М.: Недра,1980. — 360 с.
7. Штумпф Г. Г., Рыжков Ю. А. и др. Физико-технические свойства горных пород и углей Кузнецкого бассейна. Справочник. Москва. Недра, 1994
8. Чельцова Н. М. Автореферат. Геомеханические основы выбора способов эффективного поддержания и рационального расположения подготовительных выработок при труднообрушаемых кровлях в условиях Интинско-го месторождения. Ленинград, 1988
9. Коновалов Н.М. Совершенствование способов управления горным давлением в повторно используемых выработках шахт Ленинского района Кузбасса. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Кемерово, 1994.
10. Исследование эффективности мероприятий по снижению влияния горного давления лавы 18-27 /В.М.Ануфриев, А.В.Ремезов, Л.М.Коновалов, A.B.Рогачков// Вестник КузГТУ. — 2007. —№4(62). — С. 17-22. ЕШ
Ремезов Анатолий Владимирович — доктор технических наук, профессор, Кузбасский государственный технический университет, [email protected], Климов Виктор Викторович — заместитель главного инженера, руководитель технологической службы шахты «Полысаевская», [email protected]
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
