CC BY
46
Кровля пласта выемочного участка находится в неравномерном напряженном состоянии. При работе механизированной крепи в режиме номинального сопротивления зоной наибольшей концентраций напряжений является центральный участок массива кровли, расположенный на расстоянии Ь от оси симметрии лавы (Ь- длина лавы). При работе крепи в режиме пониженного сопротивления наи-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
большая концентрация напряжений наблюдается в зонах сопряжении подготовительных и очистной выработок, находящихся на расстоянии ^ Ь от оси симметрии подготовительных выработок как в сторону выработанного пространства, так и в сторону целиков руды. Кроме того, во всех случаях наименее устойчивыми являются нижние слои кровля.
Оптимальным режимом работы крепи является крепление средней части кровли очистного забоя при пониженном сопротивлении крепи, а участков сопряжении при номинальном (максимальном) сопротивлении крепи. В целом, наиболее рациональным относительно обеспечения устойчивости кровли и соблюдения технологии крепления режимом работы всех секций крепи является режим номинального сопротивления.
Кусов А.Е. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный открытый университет. Гудовичев В.В. - инспектор Госгортехнадзора РФ.
© А.Г. Петраков, 2003
УАК 622.831.3
А.Г. Петраков
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АИНАМИЧЕСКИХ ОБРУШЕНИЙ КРОВАИ В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ААВ
В настоящее время основные проблемы и затраты труда в комплексно-
механизированных очистных забоях связаны не с выемкой и доставкой полезного ископаемого, а с созданием необходимых условий для безопасной и высокопроизводительной работы обслуживающего персонала и применяемого оборудования, которые обеспечиваются новыми технологиями ведения очистных работ. Аварийные ситуации в очистных забоях возникают при несоответствии силовых и кинематических параметров механизированных крепей величине и характеру деформации массива кровли. Поэтому объективная оценка горно-геологических условий, выбор соответствующих рациональных параметров, типа механизированной крепи и конструктивной схемы ее секций в комплексно-механизированных очист-
ных забоях - весьма актуальная задача.
Силовые параметры механизированной крепи в определенной степени зависят от свойств пород, залегающих выше разрабатываемого пласта. В этой связи большое значение приобретает правильная классификация пород кровли по их нагрузочным свойствам. Недооценка этого фактора может приводить либо к завышению, либо к занижению требуемой несущей способности крепи и, как следствие этого, неправильному выбору механизированного комплекса. В первом случае это приведет к необоснованным дополнительным затратам, связанным с приобретением комплекса, во втором - к значительным экономическим ущербам при зажатии и разрушении секций крепи.
Опыт использования механизированных комплексов при отработке пластов полезного ископае-
мого показывает, что одной из основных причин, снижающих эффективность очистных работ, являются опасные динамические обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав [I]. При опасных обрушениях кровли в результате существенного увеличения нагрузки на крепь происходит деформирование элементов механизированной крепи и зажатие секций крепи на жестко, а также вывалы пород в призабойное пространство, приводящие к нарушению технологических процессов и простоям лав. Продолжительность простоев лав после опасных динамических обрушений пород кровли исчисляется месяцами. Невосполнимые потери добычи, связанные с простоями лав при ликвидации последствий опасных обрушений кровли, достигают сотен тысяч т.
На основании анализа существующих представлений о динамических осадках кровли могут быть выделены следующие обобщенные схемы периодических осадок.
Периодические осадки при I классе пород кровли по ВУГИ проявляются в потере устойчивости толщи легкообрушающихся пород, залегающих непосредственно над пластом. В одних случаях под действием сдвигающих усилий наблюдается потеря связи поддержи-
ваемой крепью толщи с массивом. Шарнирные связи нарушаются только для верхних слоев, нижние слои связи с массивом в шарнирах не теряют.
В других случаях вся толща пород, находящихся над крепью, теряет связь с массивом над пластом угля. Происходит ее срез и смещение в призабойном пространстве.
При отработке пластов с кровлями II типа по кл. ВУГИ различают две схемы протекания периодических осадок. В первой из указанных схем основная кровля разрушается на длинные блоки. После возникновения трещины разлома породный блок опускается не теряя связи в шарнирах с ранее образовавшимся блоком и массивом. При развороте и опускании блоков основной кровли они могут оказывать влияние на непосредственную кровлю.
При реализации второй схемы обломившийся блок основной кровли теряет связь в шарнире с массивом, разворачиваясь вокруг заднего шарнира, срезает породы, расположенные между ним и пластом угля. Разрушение непосредственной кровли происходит либо в виде ее расслоения, либо разделения на блоки.
Наиболее тяжелыми, с точки зрения условий работы крепи, являются вторая из указанных схем.
Г орные выработки калийных рудников, в отличие от угольных и горнорудных, как правило, обладают высокой устойчивостью. Это определяется свойствами соляных пород, которые характеризуются высокой вязкостью, а при повышенном давлении - пластичностью. Пластичность соляных пород в пределах достигнутых при разработке Старобинского месторождения глубин (до 700 м) предотвращает опасные концентрации напряжений, способствует быстрому заплыванию тонких трещин и обеспечивает длительную устойчивость выработок без применения крепи. Вместе с тем встречающиеся непосредственно над калийными слоями соленосные глины значительно осложняют управление кровлей, а на глубинах более 500 м разработка калийных пластов с неустойчивыми породами кровли сопряжена с большими трудностями.
По разработке паспортов крепления и выборе очистного оборудования необходимо учитывать особенности проявления горного давления в длинных забоях. Проведенные исследования и имеющийся опыт эксплуатации механизированных комплексов на рудниках ПО «Беларуськалий» показывают, что ширина незакрепленной полосы кровли в призабойной зоне может достигать 1,2-1,7 м, а величина межсекционных зазоров - 0,3-0,4 м. При этом наблюдается значительная концентрация нагрузок на завальном конце поддерживающего элемента крепи.
Применение систем разработки с обрушением кровли приводит в некоторых случаях к зависаниям основной кровли и последующим ее динамическим посадкам, при которых крепь испытывает повышенные нагрузки. Динамические обрушения кровли в выработанном пространстве лав происходили практически при всех типах применяемых механизированных крепей: 21 случай - крепь БС-2.1.П с несущей способностью 290 кН/м2; 15 случаев - крепь «Фазос» с несущей способностью 400-430 кН/м2; 4 случая - крепь 2М-81Э с несущей способностью 250кН/м2. Экономические ущербы, связанные с ликвидацией последствий динамического обрушения пород кровли в выработанном пространстве лав, достигают десятки миллиардов белорусских рублей, продолжительность простоев лав - до месяца.
С целью снижения отрицательного влияния динамических обрушений пород кровли на технологические процессы на рудниках ПО «Беларуськалий» проводятся различные мероприятия. К числу основных направлений решения данной проблемы относится переход на использование крепей с повышенной несущей способностью. Так, крепи 2М-81Э с несущей способностью 250 кН/м2 заменяются на более современные Рагов -12/28 и Рагов-16/24 с несущей способностью 430 кН/м2. Следует отметить, что увеличение несущей способности крепи позволило несколько уменьшить интенсивность динамических осадок кровли.
Актуальность и практическая значимость вопросов, связанных с
разработкой эффективных способов предотвращения и прогнозирования динамических осадок пород кровли в выработанном пространстве лав при использовании механизированных крепей, обусловлена необходимостью определения рационального соотношения между затратами на приобретение крепей с повышенной несущей способностью, исключающей отрицательное влияние осадок на технологические процессы в лаве, и затратами на проведение дополнительных мероприятий по предотвращению динамических обрушений кровли при использовании крепей с меньшей несущей способностью.
Для прогнозирования динамических осадок кровли в выработанном пространстве лав на рудниках ПО «Беларуськалий» применяется устройство СКОК [2].
При использовании прибора СКОК в процессе очистной выемки в лаве в каждом рабочем цикле измеряют время выхода стойки призабойной крепи на рабочее сопротивление, сравнивают его с заданным безопасным интервалом времени выхода стойки на рабочее сопротивление и при меньшем значении измеренного временного интервала по сравнению с заданным формируют сигнал оповещения об опасном обрушении кровли.
Контролируя время выхода стойки призабойной крепи на рабочее сопротивление, сравнивая его с интервалом времени, характерным для опасных обрушений кровли, получают информацию о повышенной вероятности динамических обрушений кровли. Если этот интервал времени уменьшается по сравнению с нормальным -считается, что породы кровли склонны к опасному обрушению.
Резкое уменьшение времени выхода гидровлических стоек на рабочее сопротивление наблюдается при прохождении нижних лав под трещинами разлома, образовавшимися в породах основной кровли при первых ее посадках в период отхода верхних лав от монтажных штреков.
Данные формы свидетельствуют о неодинаковой нагрузке секций крепи и различной скорости смещений подрабатываемых пород по длине лавы, что, в частности,
к генератору усилителю
к пиратской - полости гиЛростойки
Устройство СКОК для фиксирования времени выхода стоек механизированной крепи на рабочее сопротивление: а) - принципиальная схема устройства; б) - датчик перемещений; 1 -поршневая полость гидростойки; 2 - нижний контакт датчика перемещений; 3 - верхний контакт датчика перемещений; 4 -магнитный возбудитель; 5 -
преобразователь давления
подтверждается и результатами измерения давлений рабочей жидкости в гидростойках крепи. Принципиальная схема устройства СКОК представлена на рисунке.
Нижний неподвижный контакт 2 соответствует положению подвижной части преобразователя давления при "0" давления жидкости в поршневой полости стойки (при полностью разгруженной стойке). Верхний неподвижный контакт 3 соответствует положению подвижной части датчика при давлении жидкости в поршневой полости стойки, равном ее рабочему сопротивлению. Магнитный возбудитель перемещений, установленный на подвижной части преобразователя давления датчика перемещений 4 связан механикогидравлической связью с поршневой полостью стойки забойной крепи, который при своем перемещении пересекает магнитное поле неподвижных контактов 2, 3 и в цепи возникает ЭДС, которая
1. Зубов В.П, Смычник АД, Калугин П.А., Кириенко В.М. Особенности управления кровлей в лавах при слоевой системе разработки Третьего калийного пласта на рудниках
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
поступает в генератор-усилитель 7 (рис. 3.2, а). Датчик времени генерирует импульсы ЭДС по заранее заданной программе, которые через определенные интервалы также поступают в генератор-усилитель 7. Следует отметить, что программа датчика времени 3 исходит из заранее установленной величины опасной скорости деформации кровли, моменту которой соответствует интервал времени ЭДС. Если момент времени ЭДС контактов 2 и 3 совпадает, в генераторе-усилителе формируется усиленный сигнал, на мощность которого и настроен приемник этих сигналов, который, как правило, устанавливается на поверхности. Принятый сигнал от приемника 8 через релейную схему 9 поступает на преобразователи 10, 11, 12 (самописец, диспетчерская сигнализация, звуковая и световая сигнализация в лаве).
Очевидно, что такой способ и устройство независимы от субъек-
ПО «Беларуськалий». Горный журнал, №11, 2002.
2. Волков Б.А, Калугин П.А., Кириченко А.С., Сычевский В.А., Щербина В.И, Петровский Б.И.
тивности наблюдателя и позволяют судить об опасности обрушений кровли в лаве. Поскольку датчик времени является регулируемым, область использования устройства расширяется практически на любые горнотехнические условия. Этот способ является весьма приближенным, так как характеристика системы крепь — боковые породы является довольно сложной, непостоянной и значительно отличается от характеристики собственно крепи. В реальных условиях величины смещений кровли всегда превышают величины податливости гидростоек. Для учета этого несоответствия предлагалось вводить эмпирические поправочные коэффициенты. Недостатком способа является также то, что измерения выполняются в локальных зонах, над стойками крепи, а не по ширине призабойного пространства. Кроме того, этот способ не учитывает импульсивные смещения кровли в периоды разгрузки и передвижки секций крепи.
Поиск путей решения проблемы предотвращения и прогнозирования динамических обрушений пород кровли ведется, в основном, по созданию технологичных и эффективных способов предотвращения опасных зависаний в выработанном пространстве труд-нообрушающихся пород и повышению начального распора и несущей способности крепей до величин, исключающих отрицательное влияние динамических осадок на технологические процессы и безопасность горных работ. Необходимо продолжать работы по совершенствованию приборов и устройств, позволяющих прогнозировать динамические осадки кровли, а также создание методик интерпретации взаимодействия механизированной крепи с вмещающими горными породами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Способ оповещения об опасных обрушениях кровли в лавах и устройство для осуществления способа. Патент БУ№1234, С1Е21 С/3900, 1994.
Петраков Д.Г. — Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
