CC BY
1
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2023;(9-1):5-21 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.268.6 DOI: 10.25018/0236_1493_2023_91_0_5
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
О.И. Казанин1, А.А. Сидоренко1, А.А. Евсюкова1, Лю Цзылу1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: Приведен анализ отечественного и зарубежного опыта обеспечения устойчивости выработок, оконтуривающих выемочные участки на угольных шахтах. Показано, что при охране выработок целиками с увеличением глубины ведения горных работ возникает необходимость повышения размеров оставляемых целиков, что ведет к росту эксплуатационных потерь угля. Оставляемые целики формируют зоны повышенного горного давления, что осложняет отработку сближенных пластов, а также может представлять опасность с точки зрения горных ударов. Рассмотрены технологии поддержания выработок при бесцеликовых схемах подготовки выемочных участков, включая выбор формы и размеров поперечного сечения выработок, параметров паспорта крепления, крепи усиления в зоне опорного давления лавы, параметров охранных сооружений на границе с выработанным пространством. Отдельно приведено описание опыта угольных шахт Китая по бесцеликовой подготовке выемочных участков при отработке мощных пластов системами с обрушением и выпуском угля. Отмечена эффективность применения в качестве охранных сооружений на границе с выработанным пространством стальных труб, заполненных бетоном. Применительно к горно-геологическим и горнотехническим условиям шахт Восточного Донбасса рассмотрены возможности применения различных охранных сооружений для поддержания выработок за лавой. Показано, что для тонких пластов, где выработки проводятся с присечкой боковых пород, в качестве перспективных способов охраны возможно применение охранных сооружений, в конструкцию которых входит порода от присечки. Выполнен анализ возможных технологий возведения охранных сооружений, определены направления совершенствования технологических схем проведения и поддержания выемочных выработок для условий шахт Восточного Донбасса.
Ключевые слова: уголь, пологие пласты, шахта, глубина разработки, выемочный участок, выработанное пространство, поддержание выработок, охранные сооружения, эффективность.
Для цитирования: Казанин О. И., Сидоренко А. А., Евсюкова А. А., Лю Цзылу Обоснование технологий поддержания выемочных выработок при отработке пологих угольных пластов на больших глубинах // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2023. - № 9-1. - С. 5-21. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_91_0_5.
© О.И. Казанин, А.А. Сидоренко, А.А. Евсюкова, Лю Цзылу. 2023.
Justification of the longwall panel entries support technology when mining gently inclined coal seams at large depths
O.I. Kazanin1, A.A. Sidorenko1, A.A. Evsiukova1, Zilu Liu1
1 Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract: The analysis of domestic and foreign experience in ensuring stability of the panel entries, outlining the longwall panels in coal mines is presented. It is shown that with increasing the depth of mining operations to provide the entries stability by leaving the pillars there is a need to increase the size of the pillars, thus increasing the operating losses of coal. The pillars create a stress shadow zones, which complicates the mining of adjacent seams, and may also create the hazards of rockbursts. The article considers the technologies of panel entries maintenance at pillarless longwall mining system, including the choice of the form and sizes of the cross-section of panel entries, parameters of the support pattern, support reinforcement in the zone of the longwall face abutment pressure, parameters of the supporting constructions on the border with the gob area. Separately, the experience of Chinese coal mines in applying pillar-less mining system for mining thick seams with top coal caving is described. The effectiveness of using steel pipes filled with concrete as supporting constructions at the border with the gob area is noted. With regard to the geological and mining-technical conditions of the mines of the Eastern Donbass, the possibilities of using the various supporting constructions to maintain the longwall entries behind the longwall are considered. It is shown, that for the thin seams, where panel entries is developing with the cut-off of the surrounding rock layers, the application of the supporting constructions, which includes the rock from the cut-off, is the most perspective way of supporting. The analysis of the possible technologies of erection of the supporting constructions is made, the directions of improvement of technological schemes of entries development and maintaining the for the conditions of the mines of the Eastern Donbass are defined. Key words: coal, gently inclined seams, mine, development depth, longwall panel, gob area, panel entries maintenance, supporting constructions, efficiency.
For citation: Kazanin O. I., Sidorenko A. A., Evsiukova A. A., Zilu Liu Justification of the longwall panel entries support technology when mining gently inclined coal seams at large depths. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2023;(9-1):5-21. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2023 91 0 5.
Введение
Безремонтное поддержание выемочных выработок является одним из условий обеспечения эффективности и безопасности подземной угледобычи. Потеря устойчивости выработок, оконтурива-ющих выемочные участки, приводит к уменьшению свободного для прохода воздуха сечения выработок, дополнительным затратам на ремонт, простоям высокопроизводительного оборудования
очистных забоев. При общих трендах по увеличению размеров выемочных участков, повышению интенсивности очистных и проходческих работ на фоне увеличения глубины ведения горных работ решение вопросов безремонтного поддержания выработок приобретает особую актуальность. Подземная угледобыча на шахтах РФ сосредоточена главным образом на пологих пластах. При этом мощность отрабатываемых пла-
стов колеблется от 0,9 до 10,0 м, глубина ведения горных работ — от 100 до 1100 м. Выработки проводятся, как правило, прямоугольной формы поперечного сечения с использованием анкерной крепи в качестве основной. Также в последнее время на угольных шахтах России и за рубежом широкое распространение для крепления выработок получили комбинированные крепи, состоящие из сочетаний анкерной стале-полимерной, рамной поддерживающей крепи и (или) анкерной сталеполимер-ной двухуровневой крепи. В зоне влияния опорного давления лавы устанавливается крепь усиления, которая может быть представлена канатными анкерами, дополнительными стойками или сочетанием канатных анкеров и стоек. Наиболее сложные условия поддержания имеют выемочные выработки в бесце-ликовых схемах подготовки при ведении горных работ на больших глубинах. В этих случаях для поддержания выработок за лавой на границе с выработанным пространством возводятся различные охранные сооружения. В качестве охранных сооружений, в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий, применяются органные ряды, костры, полосы из золоблоков, блоки из железобетонных тумб, могут применяться породные полосы, литые полосы и пр. Устойчивость выработок определяется множеством различных факторов, в связи с чем выбор рационального сочетания формы и размеров поперечного сечения, типа основной крепи и крепи усиления, охранных сооружений и их параметров, способов управления состоянием массива вокруг выработок по-прежнему остается актуальной задачей для горной науки и практики. В статье рассмотрены различные технологии поддержания выемочных выработок с анализом перспектив их применения на шахтах Восточного Донбасса.
Наибольшее распространение на шахтах РФ имеют системы разработки угольных пластов длинными столбами с использованием для подготовки выемочных участков спаренных выработок, разделенных неизвлекаемыми целиками. С увеличением глубины ведения горных работ размеры целиков могут достигать 30 м и более, что приводит к увеличению эксплуатационных потерь угля. На шахтах, отрабатывающих пласты на больших глубинах (Воркутское месторождение, Восточный Донбасс), по-прежнему применяются бесцеликовые схемы подготовки, предполагающие сохранение выработок за лавой для повторного использования. Несмотря на масштабные исследования состояния массива вокруг выработок и его изменений в процессе отработки выемочных участков, применения различных охранных сооружений и способов управления состоянием массива, на сегодняшний день практически не удается обеспечить безремонтное поддержание выработок на протяжении всего срока службы при глубине разработки более 500 м.
Анализ применяемых на шахтах охранных сооружений для поддержания выработок на границе с выработанным пространством [1 — 4] показал, что наибольший объем использования приходится на деревянные ограждения: костры, органную крепь. Их существенными недостатками являются несовершенство механических характеристик, преждевременная поломка стоек органного ряда, медленное нарастание сопротивления и большая величина податливости костровой крепи и чураковой стенки. Кроме того, на один выемочный столб для заготовки древесины для изготовления органной крепи может потребоваться более 1,5 га леса. На шахтах, отрабатывающих Воркутское месторождение, применение в качестве охранных сооружений трехрядных органных
рядов в сочетании с мероприятиями по усилению крепи в зоне влияния опорного давления лавы оказалось малоэффективным на глубинах более 500 м. Потери сечения выработок достигали 65%, а объемы подрывки почвы — до 4 м3/м длины выработки.
Охрана выработок литыми околоштрековыми полосами предполагает возведение на границе с выработанным пространством жесткой полосы из бы-стротвердеющего состава [6]. Достоинством таких полос являются быстрый набор прочности и создание необходимого сопротивления смещающемуся массиву, обеспечение плотного контакта между полосой и поддерживаемой кровлей, а также возможность механизации их возведения.
В качестве недостатка можно отметить высокую стоимость материалов для возведения полос. В работе [6] предлагается использовать полосу не только для охраны выработки, но и для изоляции выработанного пространства при
отработке пластов, склонных к самовозгоранию.
Заслуживает внимания технология охраны выработок за лавой [7 — 9], разработанная в КНР для применения при отработке мощных пологих склонных к самовозгоранию пластов системами с обрушением и выпуском подкровельной толщи угля (рис. 1). Требования к охранным сооружениям включали, помимо обеспечения сохранности выработки, изоляцию выработанного пространства для исключения утечек воздуха и формирования очагов самовозгорания угля. Охранное сооружение включает в себя заполненные бетоном стальные трубы (ЗБСТ), установленные с шагом до 2 м, между которыми натянута металлическая сетка с внешней и металлический сетчатый слой и ткань с внутренней стороны тумб, на который наносится на-брызг-бетон [10 — 13].
Внедрение технологии на шахте Вонг-Жанг (КНР) показало эффективность применения ЗБСТ в качестве охранных
Рис. 1. Охрана выработки на границе с выработанным пространством с использованием ЗБСТ [7] Fig. 1. Entry retaining on the goaf board with CFST [7]
Рис. 2. Охрана выработки на границе с выработанным пространством с использованием стены из блоков [21]
Fig. 2. Entry retaining on the goaf board with the blocks wall [21]
сооружений для выработок, сохраняемых для повторного использования, позволи-
ло практически на 30% снизить потери угля в охранных целиках [14], обеспечить безремонтное поддержание выработок и избежать формирования очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве [15, 16]. Вместе с тем такая технология характеризуется высокой стоимостью материалов и трудоемкостью их транспортирования, а также возведения охранных сооружений.
Широкое распространение для охраны выработок на шахтах Китая получили стены из бетонных блоков [17 — 20]. Недостатком этого способа является большое количество используемых бетонных блоков и слабая устойчивость стены вследствие слабой связи между блоками. Для экономии материалов при обеспечении достаточной несущей способности для сохранения выработки была предложена полая конструкция стены из блоков [21 — 24]. Для обеспечения
соединения блоков и устойчивости охранного сооружения разработана конструкция блочной стены, которая отвечает данным требованиям (рис. 2).
Применение в качестве охранных сооружений полос из золобетонных блоков на шахтах Печорского бассейна показало возможность и целесообразность их использования для обеспечения устойчивости выработок, поддерживаемых за лавой, при бесцеликовых схемах подготовки выемочных участков [25, 27, 28]. При этом для изготовления золобло-ков использовалась зола из золоотвалов местной ТЭЦ, т.е. процесс производства золоблоков можно рассматривать и как утилизацию отходов потребления угля.
Для шахт Восточного Донбасса применение бесцеликовых схем подготовки выемочных участков с сохранением выработок за лавой для повторного использования осложняется необходимостью выполнения трудоемких работ по
Рис. 3. Примеры схем крепления и охраны выемочных штреков [составлено авторами] Fig. 3. Examples of the entries support and retaining patterns [compiled by the authors]
¡taboauwxMauunii коти ч Н 'Ш
Рис. 4. Фрагмент паспорта на подрывку почвы в конвейерном штреке АО «Шахтоуправление «Обу-ховская» [составлено авторами]
Fig. 4. Part of the floor cutting pattern for the conveyer entry of the mine «Obukhovskaya» [compiled by the authors]
ремонту выработок. Примеры применяемых способов крепления и охраны выработок, сохраняемых для повторного использования, приведены на рис. 3.
Как видно из рис. 3, выемочные выработки проводятся, как правило, трапециевидной формы поперечного сечения с плоской кровлей. В качестве основного вида крепи применяется анкерная двухуровневая крепь: сталеполимерные анкера в кровлю (до 6 шт.) и борта выработки длиной 1,7 м в сочетании с канатными анкерами (4 шт.) в кровлю длиной 6,0 м. Также применяется крепь усиления в виде деревянных или металлических стоек. Для охраны выработок за лавой применяются охранные сооружения в виде тумб из бетонных блоков (БДБ) в один или два ряда в сочетании с органной крепью. Возможны различные комбинации с возведением охранных сооружений не только на границе с выработанным пространством, но и внутри выработки за лавой. Однако даже применение всего комплекса крепей и охранных сооружений не обеспечивает безремонтного поддержания выработок.
Как показывает практика, интенсивное пучение почвы выработок за лавой вызывает необходимость подрывки почвы. В ряде случаев объемы подрывки могут превышать 8 м3/м длины выработки (рис. 4).
Помимо затрат на подрывку почвы, отбитую породу необходимо транспортировать внутри шахты, поднимать на поверхность, транспортировать и размещать в отвалах. Кроме того, при проходке выработок по тонким пластам при-сечка породы может превышать 6 м3/м длины выработки. При проведении выработок вприсечку или при переходе на подготовку выемочных участков спаренными выработками с неизвлекаемыми целиками между ними возрастает удельная протяженность проводимых выра-
боток и, соответственно, затраты на их проведение, а также объем извлекаемой на поверхность породы. Выработки проводятся сплошным забоем, отбитая при проходке горная масса смешивается с углем из очистных забоев, что приводит к повышению зольности извлекаемой на поверхность горной массы, увеличению затрат на обогащение.
Таким образом, с учетом возрастае-мых требований к горным технологиям в отношении воздействия производства на окружающую среду, представляют интерес способы охраны выработок с использованием в качестве материалов охранных сооружений породы от проходки (восстановления сечения) выработок.
Для принятия рационального решения по выбору способа поддержания выработки в определенных горно-геологических условиях необходим достоверный прогноз напряженно-деформированного состояния массива вокруг горных выработок и его изменений при ведении горных работ с учетом нелинейных процессов деформирования и разрушения структурированных горных массивов [25 — 27, 29].
Разработаны геометрические вычислительные модели [30 — 33] для расчета влияния забоя на расширение зоны напряженно-деформированного состояния, над зоной обрушения, учитывая передовой опыт отработки пластов длинными забоями [34, 35].
Технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков с применением спаренных выработок, проводимых широким ходом, с размещением породы от проходки в раскоске между выработками, представлены в альбоме технологических схем разработки пластов на угольных шахтах 1991 г. Там же предложены 5 вариантов технологических схем проведения спаренных выработок по пластам мощностью от 0,8
до 2,0 м с возведением породной полосы комплексами «Титан-1» или ЗК-ОЗ. Проходка выработок предполагается с помощью БВР при мощности пласта до 1,6 м и с помощью проходческих комбайнов на пластах большей мощности. Выработки арочной формы, сечением в свету не менее 8,5 — 10,4 м2, с использованием для крепления рамной металлической крепи КМП-АЗ или КМП-А5 и шириной породной полосы не менее 8 м. При этом скорость проходки выработок предполагается от 1,6 м/сут (тонкие пласты, проходка с помощью БВР) до 5 м/сут (пласты средней мощности, проходка с помощью комбайнов). На современных шахтах такая скорость проходки выработок не обеспечивает своевременное воспроизводство фронта очистных работ. Кроме того, как показал опыт применения породных полос для охраны выработок, такие полосы не обладают достаточной несущей способностью для обеспечения безремонтного поддержания.
А.А. Белодедовым предложен ряд технологических схем проведения выработок по тонким пластам с оставлением породы в шахте [25]. При этом для размещения породы предлагается формирование полостей с помощью буро-шнековых установок и пр. Применение предложенных решений позволяет размещать породу от проходки выработок в шахте, но, вместе с тем, предполагает существенное увеличение трудоемкости работ, снижение скорости проведения выработок и не гарантирует их устойчивого состояния в течение срока службы.
Представляет интерес комплексно-интенсивная технология отработки пластов мощностью 1 — 2 м, предложенная специалистами ИГД им. А.А. Скочин-ского [27]. Подготовка выемочного участка осуществляется спаренными штреками, разделенными породной полосой или полосой из твердеющего закладоч-
ного материала. Проходку спаренных штреков по пластам мощностью 1 — 2 м, разделенных породной полосой, осуществляют с применением выемочного проходческого закладочного комплекса ВПЗК-1. С помощью ВПЗК-1 осуществляется проходка двух штреков сечением 14 — 16 м2. Породу от присечки кровли и почвы после дробления до крупности 60 мм оставляют в выработанном пространстве. Подобная технология при использовании современной техники для проведения выработок и обеспечения необходимой несущей способности полосы между выработками является наиболее перспективной для использования при отработке тонких пологих пластов в условиях шахт Восточного Донбасса.
Методика и методы
Обоснование параметров
породных полос
Ширина полосы между выработками определяется исходя из условия размещения в ней всей породы, присекаемой при проведении выработок. При ширине выработок 5,0 м и мощности пласта 1,0 м ширина полосы между выработками может составлять 12 — 16 м в зависимости от высоты выработок. Для обеспечения устойчивости выработок необходимо определить требования к несущей способности и деформационным характеристикам полос с точки зрения формирования наиболее благоприятных условий для поддержания. С этой целью были выполнены численные исследования напряженно-деформированного состояния массива вокруг выемочных выработок, разделенных породной полосой.
Жесткость и ширина искусственного межстолбового целика оказывают существенное влияние на распределение напряжений вокруг участковых подготовительных выработок (особенно в зоне
Рис. 5. Поле нормальных вертикальных напряжений в окрестности подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ при оставлении упрочненного целика, цветовая зона эпюры, соответствующая диапазону значений от -1 до -50 МПа [составлено авторами]
Fig. 5. Field of normal vertical stresses in the vicinity of preparatory workings in the zone of influence of clearing works when leaving of the consolidated pillar, color zone of the epicure corresponding to the range of values from -1 to -50 MPa [compiled by the authors]
влияния очистных работ) и в значительной степени определяют возможность поддержания их эксплуатационного состояния в течение всего срока эксплуатации.
Для проведения анализа напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестностях участковых выработок была разработана численная 2D-модель, включающая в себя угольный пласт, вмещающие породы, участковые выработки, межстолбовой целик. При проведении исследований моделировалась отработка пласта на глубине 800 м. Использовалась модель Кулона-Мора для учета изменения механических свойств горных пород в запредельном состоянии. Кроме того, для оценки влияния очистных работ моделировалось выработанное пространство, заполненное обрушенными породами. Жесткость межстолбового целика определялась его типом: угольный це-
лик, податливый породный целик, искусственный жесткий породный целик с упрочнением цементными смесями, и задавалась путем изменения деформационных и прочностных свойств слагающих его материалов.
В качестве примера результатов численных исследований на рис. 5 приведены поля напряжений для горнотехнической ситуации, когда охрана участковых выработок, пройденных по пласту, осуществляется с помощью искусственного целика, жесткость которого существенно превышает жесткость угольного пласта.
Результаты
Выполненные численные исследования позволили сравнить напряженное состояние массива горных пород в окрестности рассматриваемых выработок на различных этапах их поддержания: формирование искусственного или уголь-
ного целика между парными выработками, проводимыми в массиве горных пород вне зоны влияния очистных работ; поддержание выработки, охраняемой искусственным или угольным целиком в зоне влияния очистных работ. Результаты выполненных исследований для указанных горнотехнических ситуаций представлены на рис. 6 и 7 соответственно. Показаны целики различной жесткости.
На основании анализа эпюр, представленных на рис. 6, можно сделать следующие выводы:
• оставление угольного целика шириной 15 м в рассматриваемых условиях не исключает взаимовлияния выработок, что подтверждается повышенной концентрацией напряжений в краевых частях целика по сравнению с уровнем напряжений в краевых частях массива — 27,3 и 25,3 МПа соответственно;
• использование в качестве закладки пород, полученных при проведении выработки, без их упрочнения (цементации) при формировании искусственного целика приводит к снижению его жесткости и, как следствие, снижению в нем уровня напряжений с закономерной переноской нагрузки на краевые
части массива, которые становятся основных несущим элементом в системе пласт-выработки-целик;
• применение жестких целиков снижает уровень смещений на контуре выработок благодаря высокой несущей способности целика, который воспринимает основную часть нагрузки от вы-шезалегающих слоев.
Поскольку основной функцией рассматриваемого целика является охрана участковой выработки от вредного влияния очистных работ (опорного давления) со стороны смежного выемочного столба, а жесткость целика предопределяет эффективность выполнения такой функции, то представляет значительный интерес оценка влияния жесткости целиков на напряженное состояние массива на этапе поддержания выработки в зоне влияния очистных работ.
На рис. 7 наглядно демонстрируется различие в распределении напряжений в окрестности межстолбового целика, который имеет различную жесткость. В случае использования искусственного целика без упрочнения цементирующими составами его жесткость превышает жесткость породного массива в выработанном пространстве, но ниже
Рис. 6. Эпюры вертикальных напряжений вне зоны влияния очистных работ при использовании различных целиков шириной 15 м [составлено авторами]
Fig. 6. Vertical stresses distribution outside longwall's abutment pressure zone with different types of 15 meters pillars [compiled by the authors]
70,0 60,0
I 5°'°
5 40,0
s
в
I 30,0
g" 20,0 «
И 10,0 0,0
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Положение в пространстве, м Рис. 7. Эпюры вертикальных напряжений в зоне влияния очистных работ при использовании различных целиков шириной 15 м [составлено авторами]
Fig. 7. Vertical stresses distribution into the longwall's abutment pressure zone with different types of 15 meters pillars [compiled by the authors]
жесткости пласта, что предопределяет возможность восприятия им части нагрузки, однако в рассматриваемом случае ширина целика 15 м является недостаточной для исключения негативного влияния опорного давления со стороны смежного столба, что подтверждается ростом уровня напряжений в борту выработки со стороны краевой части массива с 28,5 до 31,2 МПа.
Выполненные численные исследования подтвердили определяющее влияние ширины и жесткости искусственных межстолбовых целиков на напряженное состояние массива горных пород в окрестностях охраняемых горных выработок, поддерживаемых в зонах влияния очистных работ. При этом следует отметить, что жесткость искусственного целика и его ширина должны подбираться исходя из конкретного сочетания горногеологических и горнотехнических условий ведения горных работ на участке, которые определяют фактический уровень нагрузок на межстолбовые целики и краевые части массива (с учетом прочности угля), физико-механические свойства пород, используемых при закладке, а также свойства пород в выработанных пространствах.
Обсуждение результатов
Проведенный анализ применяемых технологий проведения и поддержания выработок при отработке тонких и средней мощности пологих пластов на больших глубинах [4, 10, 11] показал, что с увеличением глубины ведения горных работ применение целиков для охраны выемочных выработок влечет за собой рост потерь угля, а применение при этом спаренных выработок для подготовки выемочных участков приводит к повышению удельной протяженности проводимых выработок по сравнению с бесцеликовыми схемами, а также увеличению объемов породы, присекаемой при проведении выработок.
Применение бесцеликовых схем подготовки с поддержанием выработок на границе с выработанным пространством с помощью охранных сооружений различных конструкций не обеспечивает их безремонтного поддержания. При отработке тонких пластов это также вызывает необходимость присечки породы при проходке и при подрывке почвы при ремонте выработок. Объемы породы, выдаваемой на поверхность, для условий шахт Восточного Донбасса могут достигать 100 тыс. т/ год и более.
В связи с этим наиболее перспективными представляются схемы подготовки спаренными выработками с искусственным целиком между ними, сформированным из пород, присекаемых при проходке выработок. Такие технологии были предложены в альбоме технологических схем 1991 г. [12], но не применялись вследствие высокой трудоемкости работ и низкой скорости проведения выработок. При применении комплекта ко-роткозабойного оборудования для выемки пласта в контуре выработок и между ними, а также современного закладочного оборудования эти недостатки могут быть преодолены.
Проведенными численными исследованиями установлено, что формирование породных полос между выработками, несущая способность которых близка, но не превышает несущую способность угольного целика, создает наиболее благоприятные условия для поддержания выработки, примыкающей к смежному выемочному участку.
Вместе с тем при попадании в зону опорного давления лавы дополнительные напряжения возникают в борту выработки со стороны угольного пласта, что может привести к пучению почвы. В этом случае возможно применение различных способов разгрузки краевой части пласта. При этом поддержание за лавой выработки, примыкающей к вы-
работанному пространству, не предусмотрено, что является главным преимуществом перед бесцеликовыми схемами.
Заключение
Выполненные исследования показали перспективность применения для подготовки выемочных участков при отработке тонких пластов на шахтах Восточного Донбасса схем с применением спаренных выработок с формированием между ними искусственного целика из породы, образуемой при проходке. Такие схемы сочетают преимущества спаренных выработок в плане возможности погашения выработок за лавой и бесцеликовых схем с минимальными эксплуатационными потерями. Кроме того, присекаемая при проходке выработок порода остается в шахте, что существенно снижает воздействие шахт на окружающую среду. Определены требования к прочностным свойствам формируемых искусственных целиков.
Формирование технологических схем проведения выработок с использованием комплекта короткозабойного оборудования для выемки пласта в пределах контура выработок и целика между ними в сочетании с современным закладочным оборудованием для формирования искусственного целика являются предметом дальнейших исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соловьев Г. И., Касьяненко А. Л., Нефедов В. Е., Поддубный Е. И. О влиянии жесткости продольно-балочной крепи усиления на устойчивость арочной крепи выемочной выработки // Проблемы горного давления. - 2020. - Т. 1. - № 38-39. - С. 47-56.
2. Le Q. P., Zubov V. P., Phung M. D. Improvement of the loading capacity of narrow coal pillars and control roadway deformation in the longwall mining system. A case study at Khe Cham Coal Mine (Vietnam) // Inzynieria Mineralna. 2020, vol. 1, no. 2, pp. 115-122. DOI: 10.29227/IM-2020-02-15.
3. Пивень Ю. А., Васютина В. В., Канин В. А. Совершенствование бесцеликовых способов охраны подготовительных горных выработок // Журнал теоретической и прикладной механики. - 2022. - № 2 (79). - С. 60-65.
4. Малышева Н. Н., Малишева Н. М. Влияние времени вступления в работу охранного сооружения на эффективность поддержания выработки в условиях шахты «Рассвет-1» // Металлургия и материаловедение: Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ». -
2020. - № 18. - С. 50-57.
5. Игнатов Е. В. Состояние и основные задачи развития длинностолбовой системы разработки на угольных шахтах Кузбасса: краткий обзор // Техника и технология горного дела. - 2019. - № 4. - С. 30-49.
6. Голубев Д. Д. Разработка технологий выемки пологих пластов угля, склонного к самовозгоранию: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - СПб.: СПГУ, 2021. - 22 с.
12. Зайденварг В. Е., Соболев В. В., Сныткин И. И. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Ч. 1. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1991. - 127 с.
13. Ahmed M., Liang Q. Q., Patel V. I., Hadi M. N. Numerical analysis of axially loaded circular high strength concrete-filled double steel tubular short columns // Thin-Walled Structures. 2019, vol. 138, pp. 105-116. DOI: 10.1016/j.tws.2019.02.001.
14. Зубов В. П., Куанг Ф. Л. Разработка ресурсосберегающей технологии выемки пологих угольных пластов с труднообрушающимися породами кровли (на примере шахт Куангниньского угольного бассейна) // Записки Горного института. - 2022. - Т. 257. -С. 795-806. DOI: 10.31897/pmi.2022.72.
Литературу с п. 7 по п. 11 и с п. 15 по п. 24 смотри в REFERENCES.
25. Белодедов А. А. Научное обоснование интенсивной технологии подземной разработки тонких и средней мощности угольных пластов для комплексного использования добываемого сырья: Автореф. дис. ... доктор техн. наук. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ),
2021. - 40 с.
26. Игнатьев С. А., Судариков А. Е., Имашев А. Ж. Современные математические методы прогноза условий поддержания и крепления горных выработок // Записки Горного института. - 2019. - Т. 238. - С. 371-375. DOI: 10.31897/pmi.2019.4.371.
27. Зайденварг В. Е., Соболев В. В., Сныткин И. И. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Ч. 1-2. - Люберцы: ИГД им. А.А. Скочинского, 1991. - 333 с.
28. Казанин О. И., Долоткин Ю. Н., Скрыльников И. В. Использование охранных сооружений для поддержания выемочных выработок на угольных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 1. - С. 34-39.
29. Protosenya A., Vilner M. Assessment of excavation intersections'stability in jointed rock masses using the discontinuum approach // Rudarsko-geolosko-naftni Zbornik. 2022, vol. 38, no. 2, pp. 137-147. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.12.
30. Сидоренко А. А., Дмитриев П. Н., Алексеев В. Ю., Сидоренко С. А. Совершенствование технологических схем отработки склонных к самовозгоранию пластов угля, опасных по горным ударам // Записки Горного института - 2023. - С. 1-13. DOI: 10.31897/ pmi.2023.37.
31. Господариков А. П., Трофимов А. В., Киркин А. П. Оценка деформационных характеристик хрупких горных пород за пределом прочности в режиме одноосного серво-гидравлического нагружения // Записки Горного института. - 2022. - Т. 256. - С. 539548. DOI: 10.31897/pmi.2022.87.
32. Карпов Г. Н., Ковальский Е. Р., Носов А. А. Способ формирования демонтажной камеры при разработке пологих угольных пластов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 6-1. - С. 54-67. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_54.
33. Verbilo P., Karasev M, Belyakov N., Iovlev G. Experimental and numerical research of jointed rock mass anisotropy in a three-dimensional stress field // Rudarsko-geolosko-naftni Zbornik. 2022, vol. 37, no. 2, pp. 109-122. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.10.
34. Господариков А. П., Зацепин М. А., Выходцев Я. Н., Нгуен Чи Тхань Численное моделирование воздействия сейсмических волн на породный массив, вмещающий подземные сооружения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. -№ 7. - С. 116-130. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_7_0_116.
35. Nikiforov A. V., Vinogradov E. A., Kochneva A. A. Analysis of multiple seam stability // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2019, vol. 10, no. 2, pp. 1132-1139. fj^
REFERENCES
1. Soloviev G. I. Kasyanenko A. L., Nefedov V. E., Poddubny E. I. On the influence of the stiffness of the prodol-baltic grip on the stability of the arching grip of the excavation. Problemy gornogo davleniya. 2020, vol. 1, no. 38-39, pp. 47-56. [In Russ].
2. Le Q. P., Zubov V. P., Phung M. D. Improvement of the loading capacity of narrow coal pillars and control roadway deformation in the longwall mining system. A case study at Khe Cham Coal Mine (Vietnam). Inzynieria Mineralna. 2020, vol. 1, no. 2, pp. 115-122. DOI: 10.29227/ IM-2020-02-15.
3. Piven Yu. A., Vasyutina V. V., Kanin V. A. Improvement of the non-cellular ways of protection of preparatory mining excavations. Zhurnal teoreticheskoy i prikladnoy mekhaniki. 2022, no. 2 (79), pp. 60-65. [In Russ].
4. Malysheva N. N., Malisheva N. M. Influence of the time of entry into service of the security structure on the effectiveness of maintaining excavation in the mine «Rassvet-1». Metallurgiya i ma-terialovedenie: Sbornik nauchnykh trudov GOU VPO LNR «DonGTU», 2020, no. 18, pp. 50-57.
5. Ignatov E. V. Status and main objectives of development of the long-stone development system at Kuzbass coal mines: A brief review. Journal of mining and geotechnical engineering. 2019, no. 4, pp. 30-49. [In Russ].
6. Golubev D. D. Razrabotka tekhnologiy vyemki pologikh plastov uglya, sklonnogo ksamo-vozgoraniyu [Development of technologies for excavation of flat seams of coal prone to spontaneous combustion], Candidate's thesis, Saint-Petersburg, SPGU, 2021, 22 p.
7. Liu Z. L., Ma Z. G., Li Y., Gong P., Li K. L., Liu W. A study on axial compression performance of large diameter-thickness ratio concrete-filled gas drainage steel pipe. Advances in Civil Engineering. 2021, vol. 2021, article 1479196. DOI: 10.1155/2021/1479196.
8. Gao Y., Liu D., Zhang X., He M. Analysis and optimization of entry stability in underground longwall mining. Sustainability. 2017, vol. 9, no. 11, article 2079. DOI: 10.3390/su9112079.
9. Fang Y., Liu C., Yang H., Yang L. Axial behaviour of concrete-filled corrugated steel tubular column embedded with structural steel. Journal of Constructional Steel Research. 2020, vol. 170, pp. 3-7. DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106064.
10. Ahmed M., Liang Q. Q., Patel V. I., Hadi M. N. Behavior of circular concrete-filled double steel tubular slender beam-columns including preload effects. Engineering Structures. 2020, vol. 220, pp. 322-366. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111010.
11. Wang P., Ding L., Ma Y. J., Feng T., Sun G. J., Zhu Y. J., Zuo J. Wang P. et al. A case study on gob-side entry retaining technology in the deep coal mine of Xinjulong, China. Advances in Civil Engineering. 2020, vol. 2020, article 8849093. DOI: 10.1155/2020/8849093.
12. Zaydenvarg V. E., Sobolev V. V., Snytkin I. I. Tekhnologicheskie skhemy razrabotki plastov na ugol'nykh shakhtakh. Ch. 1 [Technological schemes of reservoir development in coal mines, part 1], Moscow, IGD im. A.A. Skochinskogo, 1991, 127 p.
13. Ahmed M., Liang Q. Q., Patel V. I., Hadi M. N. Numerical analysis of axially loaded circular high strength concrete-filled double steel tubular short columns. Thin-Walled Structures. 2019, vol. 138, pp. 105-116. DOI: 10.1016/j.tws.2019.02.001.
14. Zubov V. P., Kuang F. L. Development of resource-saving technology of mining flat coal seams with hard-to-cut roof rocks (by example of mines of Quang Ninh coal basin). Journal of Mining Institute. 2022, vol. 257, pp. 795-806. [In Russ]. DOI: 10.31897/pmi.2022.72.
15. Ning J., Wang J., Bu T., Hu S., Liu X. An innovative support structure for gob-side entry retention in steep coal seam mining. Minerals. 2017, vol. 7, no. 5, article 75. DOI: 10.3390/ min7050075.
16. Sui Y., Tu Y., Guo Q., Zhang J., Ke F. Study on the behavior of multi-cell composite T-shaped concrete-filled steel tubular columns subjected to compression under biaxial eccen-
tricity. Journal of Constructional Steel Research. 2019, vol. 159 pp. 215-230. DOI: 10.1016/j. jcsr.2019.04.033.
17. Wang Z., Zhou X., Wei F., Li M. Performance of special-shaped concrete-filled square steel tube column under axial compression. Advances in Civil Engineering. 2020, vol. 2020. DOI: 10.1155/2020/1763142.
18. Xie S. R., Pan H., Chen D. D., Zeng J. C., Song H. Z., Cheng Q., Li Y. H. Stability analysis of integral load-bearing structure of surrounding rock of gob-side entry retention with flexible concrete formwork. Tunnelling and Underground Space Technology. 2020, vol. 103, article 103492. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103492.
19. Gong P., Ma Z., Zhang R. R., Ni X., Liu F., Huang Z. Surrounding rock deformation mechanism and control technology for gob-side entry retaining with fully mechanized gangue backfilling mining: a case study. Shock and Vibration. 2017, vol. 2017, article 6085941. DOI: 10.1155/2017/6085941.
20. Gong P., Ma Z., Ni X., Zhang R. R. Floor heave mechanism of gob-side entry retaining with fully-mechanized backfilling mining. Energies. 2017, vol. 10, no. 12, article 2085. DOI: 10.3390/en10122085.
21. Luan H., Jiang Y., Lin H., Li G. Development of a new gob-side entry-retaining approach and its application. Sustainability. 2018, vol. 10, no. 2, article 0470. DOI: 10.3390/su10020470.
22. Yang J., He M., Cao C. Design principles and key technologies of gob side entry retaining by roof pre-fracturing. Tunnelling and Underground Space Technology. 2019, vol. 90, pp. 309-318. DOI: 10.1016/j.tust.2019.05.013.
23. Zhang G. C., Tan Y. L., Liang S. J., Jia H. G. Numerical estimation of suitable gob-side filling wall width in a highly gassy longwall mining panel. International Journal of Geomechan-ics. 2018, vol. 18, no. 8, p. 91. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001217.
24. Xiao-Ming S., Gan L., Peng S., Chengyu M., Chengwei Z., Qi, L., Xing X. Application research on gob-side entry retaining methods in no. 1200 working face in Zhongxing mine. Geotechnical and Geological Engineering. 2019, vol. 37, pp. 185-200. DOI: 10.1007/s10706-018-0602-z.
25. Belodedov A. A. Nauchnoe obosnovanie intensivnoy tekhnologii podzemnoy razrabot-ki tonkikh i sredney moshchnosti ugol'nykh plastov dlya kompleksnogo ispol'zovaniya doby-vaemogo syrya [Scientific substantiation of intensive technology of underground mining of thin and medium thickness of coal seams for the integrated use of extracted raw materials], Doctor's thesis, Novocherkassk, YuRGPU (NPI), 2021, 40 p.
26. Ignatiev S. A., Sudarikov A. E., Imashev A. J. Modern mathematical methods for forecasting the conditions of maintaining and securing mining excavations. Journal of Mining Institute. 2019, vol. 238, pp. 371-375. [In Russ]. DOI: 10.31897/pmi.2019.4.371.
27. Zaydenvarg V. E., Sobolev V. V., Snytkin I. I. Tekhnologicheskie skhemy razrabotki plastov na ugol'nykh shakhtakh. Ch. 1-2 [Technological schemes of seam development at coal mines, part 1-2], Lyubertsy, IGD im. A.A. Skochinskogo, 1991, 333 p.
28. Kazanin O. I., Dolotkin Y. N., Skrylnikov I. N. Skrylnikov I. V. The use of security structures to maintain mine workings in coal mines. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2011, no. 1, pp. 34-39. [In Russ].
29. Protosenya A., Vilner M. Assessment of excavation intersections'stability in jointed rock masses using the discontinuum approach. Rudarsko-geolosko-naftni Zbornik. 2022, vol. 38, no. 2, pp. 137-147. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.12.
30. Sidorenko A. A., Dmitriev P. N., Alekseev V. Yu., Sidorenko S. A. Improvement of technological schemes of mining of coal seams prone to spontaneous combustion and rock bumps. Journal of Mining Institute. 2023, pp. 1-13. DOI: 10.31897/pmi.2023.37.
31. Gospodarikov A. P., Trofimov A. V., Kirkin A. P. P. Estimation of deformation characteristics of brittle rocks beyond the limit of strength in single axis servohydraulic loading. Journal of Mining Institute. 2022, vol. 256, pp. 539-548. [In Russ]. DOI: 10.31897/pmi.2022.87.
32. Karpov G. N., Kovalski E. R., Nosov A. A. Longwall recovery room erecting method for flat coal seam mining. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 6-1, pp. 54-67. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_61_0_54.
33. Verbilo P., Karasev M., Belyakov N., Iovlev G. Experimental and numerical research of jointed rock mass anisotropy in a three-dimensional stress field. Rudarsko-geolosko-naftni Zbornik. 2022, vol. 37, no. 2, pp. 109-122. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.10.
34. Gospodarikov A. P., Zatsepin M. A., Vykhodtsev Ya. N., Nguen C. T. Numerical modeling of seismic wave impact on enclosing rock mass surrounding underground structures. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022, no. 7, pp. 116-130. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022 _7_0_116.
35. Nikiforov A. V., Vinogradov E. A., Kochneva A. A. Analysis of multiple seam stability. International Journal of Civil Engineering and Technology. 2019, vol. 10, no. 2, pp. 1132-1139.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Казанин Олег Иванович1 - д-р техн. наук,
профессор РАН, e-mail: [email protected],
ORCID ID: 0000-0001-9663-6713,
Сидоренко Андрей Александрович1 - канд. техн. наук,
доцент, e-mail [email protected],
ORCID ID: 0000-0003-4224-193X,
Евсюкова Алина Анатольевна1 - аспирант,
e-mail: [email protected],
ORCID ID: 0000-0003-3513-7587,
Лю Цзелу1 - аспирант,
e-mail [email protected],
ORCID ID: 0000-0001-5738-9254,
1 Санкт-Петербургский горный университет.
Для контактов: Казанин О.И., e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
O.I. Kazanin1, Dr. Sci. (Eng.), Professor of Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected], ORCID ID: 0000-0001-9663-6713, A.A. Sidorenko1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, e-mail [email protected], ORCID ID: 0000-0003-4224-193X, A.A. Evsiukova1, Graduate Student, e-mail: [email protected], ORCID ID: 0000-0003-3513-7587, Zilu Liu1, Graduate Student, e-mail [email protected], ORCID ID: 0000-0001-5738-9254, 1 Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
Corresponding author: O.I. Kazanin, e-mail: [email protected].
Получена редакцией 02.05.2023; получена после рецензии 29.05.2023; принята к печати 10.08.2023. Received by the editors 02.05.2023; received after the review 29.05.2023; accepted for printing 10.08.2023.
