Основные принципы выбора способа управления горным давлением при ведении очистных работ

Особое внимание при выборе способа управления горным давлением в очистных выработках уделяют поведению пород кровли. При слоистом строении массива пород выделяют понятия непосредственной кровли (обрушающейся сразу за образованием очередного участка обнажения пород в пределах призабойного пространства) и основной кровли. При этом оценивают способность пород кровли к обрушению, высоту зоны обрушения, размеры и длительность сохранения устойчивых обнажений (особенно непосредственной кровли в пределах призабойного пространства), свойства пород почвы (прочность, способность к пучению, сопротивляемость вдавливанию в нее стоек крепи и др.), применяемые системы разработки и виды крепи, скорость подвигания очистных забоев, количество и степень выбросоопасности разрабатываемых пластов, расстояние между ними, сроки и порядок их отработки, наличие на земной поверхности объектов, подлежащих защите от влияния горных работ, оснащенность забоев машинами и механизмами, их габаритные размеры и т. д.

Степень значимости каждого из перечисленных факторов часто зависит от конкретных условий: второстепенные факторы в одних условиях могут оказаться определяющими, и, наоборот, определяющие факторы в других условиях могут оказаться второстепенными. Так, при отработке запасов полезного ископаемого под ответственными сооружениями, плотно застроенными территориями, крупными водными объектами нередко приходится применять системы разработки с закладкой выработанного пространства, тогда как по прочим факторам было бы вполне возможно применить в этих условиях другие, более производительные и экономичные системы разработки и способы управления горным давлением. При отработке защитных пластов в условиях возможности геодинамических проявлений горного давления, наоборот, предпочтительнее полное обрушение кровли, так как при этом способе управления горным давлением достигается наибольшая разгрузка пластов, опасных по выбросам угля и газа.

Вместе с тем имеются факторы, которые являются основными при выборе способа управления горным давлением в большинстве встречающихся на практике случаев.

К этим факторам следует отнести, прежде всего, способность пород кровли к обрушению, которая положена в основу ряда классификаций. Одной из первых, не потерявших своего значения до настоящего времени, является классификация ВУГИ (табл. 4.1), предназначенная для выбора способа управления горным давлением в условиях разработки пологих пластов в основных угольных бассейнах нашей страны и стран ближнего зарубежья.

Существуют также и другие классификации пород, в основе которых лежат подобные же признаки, но число выделяемых классов другое.

Несмотря на условность приведенной классификации (в ней не учтены коэффициенты разрыхления пород, применяемые виды крепи и некоторые другие влияющие факторы), она и подобные ей классификации играют важную роль в упорядочении выбора оптимальных способов управления горным давлением.

Классификация пород для выбора способа управления горным давлением

Таблица 4.1

Класс пород	Характеристика пород кровли	Характеристика пород почвы
I	В непосредственной кровле залегает легкообрушающаяся порода, состоящая из одного или нескольких слоев мощностью, не меньшей 6 - 8-ми кратной мощности разрабатываемого угольного пласта	Любой устойчивости
II	В непосредственной кровле залегает толща легкообрушающихся пород, мощность которых меньше 6 - 8-ми кратной мощности разрабатываемого угольного пласта. В основной кровле - труднообрушающаяся порода или же порода, обрушающаяся спустя некоторое время после подвигания очистного забоя и обнажения значительной площади	Любой устойчивости
III	В непосредственной кровле залегает мощный слой труднообрушающейся породы или же над пластом залегает основная кровля, которая может быть обнажена на значительной площади	Любой устойчивости
IV	В непосредственной кровле залегают породы, обладающие способностью плавно опускаться без значительных разрывов и обрушения (при мощности пласта до 1 м)	Склонные к пучению

Наибольшее распространение при разработке угольных и ряда рудных месторождений получил способ управления горным давлением, носящий название полное обрушение кровли.

Применение этого способа позволяет перенести обрушение пород за пределы призабойного пространства. Осуществляют его периодическими обрушениями (посадками) кровли путем выбивки или передвижения крепи, установленной на определенном расстоянии от забоя. Для регулирования обрушения основной кровли применяют специальную крепь, выдерживающую большую нагрузку, чем обычная призабойная крепь. В качестве специальной крепи используют органные стенки, металлические костры, кусты из деревянных или металлических стоек, посадочные элементы механизированных крепей и т. д.

Для обеспечения безопасности работы непосредственно в призабойной зоне применяют лёгкие виды крепи – деревянные или металлические стойки, штанговую крепь и др.

Для того чтобы уменьшить расход деревянной крепи используют специальную сетку для крепления пород кровли (рис.4.6).

Рис. 4.6. Полимерная сетка в транспортном положении перед спуском в шахту (шахта «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»).

Сетка пластичная, не имеет острых травмоопасных кромок, прочная и легкая в применении. Способ закладки кровли полностью механизирован. Для того чтобы избежать геологических осложнений, обезопасить и ускорить процесс извлечения секций крепи применяют систему укрепления кровли — сетку с уникальными свойствами HUESKER (сетка тканная, на текстильной основе, покрытая полимерным негорючим составом с усилием на разрыв 700 кН).

В Австралии установлено таких систем около 400. Первые сетки в России появились на шахте «Распадская», затем на предприятиях ОАО «СУЭК-Кузбасс» и ОАО ХК «СДС-Уголь».

Крепление сетки осуществляется высокопроизводительными анкерустановщиками RАМВОR; НYDROMATIK с использованием полимерных смол.

Применение полного обрушения кровли наиболее эффективно на тонких и средней мощности пластах пологого и наклонного падения при породах I, II и III классов (табл. 4.1) когда обрушающиеся породы создают надежную породную подушку, предотвращающую вредные последствия вторичной осадки.

Также эффективно полное обрушение с перепуском обрушенных пород с вышележащего горизонта на нижележащий при разработке крутых пластов и рудных тел средней мощности. Здесь этот способ является основным способом управления горным давлением.

Способ частичного обрушения кровли менее эффективен, чем полного обрушения, и потому его применяют в настоящее время редко. При этом способе управления горным давлением обрушение непосредственной кровли производят между бутовыми полосами, возводимыми в выработанном пространстве параллельно простиранию пласта. Обрушаемая толща в этих условиях имеет меньшую высоту, чем при полном обрушении, и не обеспечивает полного подбучивания основной кровли.

Частичная закладка выработанного пространства является эффективным способом управления горным давлением в условиях резкого изменения мощности пласта, очень слабой почвы, весьма прочных или, наоборот, весьма слабых пород непосредственной кровли, т. е. преимущественно в условиях, когда процесс обрушения является труднорегулируемым. Это достигают путем возведения бутовых полос по простиранию пласта.

При разработке пластов мощностью до 1 м и тонких жил, в непосредственной кровле которых залегают породы, обладающие способностью прогибаться без видимых нарушений сплошности или с частичными местными растрескиваниями (IV класс по табл. 15.1), целесообразно управлять горным давлением способом плавного опускания (особенно, если почва пласта склонна к пучению) Это один из наиболее простых и экономичных способов

К числу самых дорогостоящих способов управления горным давлением относится в настоящее время полная закладка выработанного пространства. Поэтому данный способ применяют в тех случаях, когда другие способы не обеспечивают безопасности работ, технически неосуществимы или не отвечают дополнительным требованиям, предъявляемым к горным работам в рассматриваемых конкретных условиях. Такие требования могут возникнуть при послойной отработке пластов и рудных тел, при отработке мощных сближенных пластов или рудных тел в восходящем порядке, при необходимости сохранить вышележащие горные выработки или ответственные сооружения, расположенные на земной поверхности, и в других случаях.

В частности, целесообразно отрабатывать с полной закладкой выработанного пространства мощные крутопадающие пласты угля, склонного к самовозгоранию. При этом для исключения перепуска с верхних горизонтов материала закладки - сыпучих пород, глин, пород из участков потушенных и действующих пожаров между горизонтами, следует оставлять надежные целики или возводить специальные полосы из упрочненной закладки.

Способ закладки выработанного пространства (с учетом степени усадки закладочного материала) выбирают в зависимости от конкретных условий и поставленных задач. Иногда бывает достаточным удержать породы непосредственной и основной кровли от обрушения, а иногда нельзя допустить даже прогиба пород свыше определенного (нередко весьма малого) значения.

В условиях разработки маломощных угольных пластов крутого падения значительное распространение получил способ удержания призабойного пространства на кострах. При этом способе управления горным давлением в условиях пластичных пород преобладают явления плавного опускания кровли, а в условиях прочных пород — процессы обрушения.

Деревянные костры в угольной промышленности повсеместно используются в основном в качестве элемента, дополняющего крепь выработок в местах повышенного давления горного массива. Однако эффекты, полученные при применении традиционных костров, выполненных обычно из использованных железнодорожных шпал или другого низкокачественного сырья, оставляют желать лучшего — такие костры характеризуются высокой сжимаемостью уже при относительно небольших нагрузках, а кубатура занятого пространства и масса используемого материала несоразмерны с полученными результатами.

Эти наблюдения послужили основой для разработки компанией «Strata Products» (США) системы деревянных крепей нового поколения, к которым, в частности, принадлежит система деревянной костровой крепи LINK-IN-LOCK. Благодаря соответствующей форме элементов, из которых построена костровая крепь, передача давления происходит на всей их поверхности, а, следовательно, на удержание перекрытия работает 100% используемой древесины (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Система деревянной костровой крепи LINK-IN-LOCK

Плотный контакт элементов и оригинальный механизм заклинивания отдельных слоев обеспечивают значительную стабильность костра, несмотря на его тонкость, обеспечивают устойчивость к горизонтальному смещению и благоприятно влияют на характеристики установочной сопротивляемости крепи.

Элементы деревянной крепи LINK-IN-LOCK выполняются из твердой древесины (обычно бук) в виде элементов стандартных размеров.

(Пневмобаллонная крепь).

Вообще говоря, все параметры элементов любой системы разработки взаимосвязаны и взаимообусловлены, они образуют единую «связку» в массиве горных пород. Поэтому для обоснованного определения их оптимальных параметров в общем случае необходимо рассматривать напряженно-деформированное состояние всей «связки» элементов.

Наилучшим способом исследования «связок» являются аналитические методы и методы математического моделирования. При этом возможна оценка как состояния всей «связки» в целом, так и отдельных её элементов, практически, с любой степенью детальности.

Однако в практике горных работ весьма часто возникают потребности оценить состояние и выбрать оптимальные параметры каких-либо локальных элементов, не прибегая к исследованию всей указанной цепочки. Для подобных случаев весьма широко применяется подход, когда в каждом конкретном случае стремятся выявить наиболее слабое звено— лимитирующий элемент, устойчивое состояние которого предопределяет состояние всех остальных звеньев, и, исходя из параметров этого элемента, устанавливают остальные параметры элементов всей системы разработки.

Часто подобными лимитирующими элементами является кровля камер, во многих случаях лимитирующими элементами будут целики, реже — почва выработок. Лимитирующим элементом может быть вышележащая толща пород. Это характерно для условий применения комбинированных систем разработки рудных тел открытым и подземным способом, а также для условий добычи легкорастворимых полезных ископаемых (например, солей) и при ведении горных работ под водоемами, когда необходимо обеспечивать устойчивость пород во избежание трещин, провалов, прорывов воды и пр. Наконец, лимитирующим элементом может являться и дневная поверхность в случаях, когда необходимо обеспечить устойчивость наземных зданий и сооружений.