Методика оценки основных технологических и технических параметров отработки крутых пластов щитовыми агрегатами

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

И

ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТРАБОТКИ КРУТЫХ ПЛАСТОВ ЩИТОВЫМИ АГРЕГАТАМИ

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ

основных

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

И

ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТРАБОТКИ КРУТЫХ ПЛАСТОВ ЩИТОВЫМИ АГРЕГАТАМИ

КИЕВ . НАУКОВА ДУМКА . 1981

со* О-*)''*; fl* Jr (t-<*);

где Г( 7-<<)» гамма-функция.

Нижние индексы при функции &} ) (Н- 1,2,3) обозначают направление (0°, 90°, 45°), в котором измеряют перемещения.

Параметры физико-механических свойств (включая деформационные и реологические) определяют в лабораторных условиях на образцах горных пород и углей.

Величина пластических деформаций, как известно, зависит от физико-механических свойств массива, прилагаемой нагрузки и времени ее действия. Анализ характера деформирования стенок скважин, находящихся в зоне стационарного поля напряжений, показывает, что пластические деформации наиболее активно проявляются в первые два - три часа после проведения скважины и продолжаются в течение пяти - шести суток; на двадцатые - тридцатые сутки, в зависимости от овойств и состояния массива,они стабилизируются. Результаты исследования реологических свойств угля и вмещающих пород в лабораторных условиях подтверждают выводы шахтных экспериментов. Так как скважины должны буриться задолго до начала влияния очистных работ, то о момента влияния рост деформаций происходит в основном за счет упругих свойств угольного массива.

Установлено, что для глубин разработки 350 - 460 м расчетные напряжения по методике ИГЛ СО АН СССР /25/ значительно ближе к зависимостям ?Н и    максимальная    относительная погрешность

составляет 56,6$, чем для глубин 700-800 м (максимальная относительная погрешность достигает 220$). Следует полагать, что на глубинах разработки овыше 400 м началу влияния очистных работ предшествовало разрушение контура скважины. Это приводит к погрешностям в определении напряжений о учетом ползучести массива более чем в 2 раза.

Учет зоны разрушения, образующейся вокруг скважины, требует решения обратной упруго-пластической задачи, что связано с большими математическими трудностями.

Разработан метод пересчета деформаций в напряжения /15/, заключающийся в замене в расчетных формулах радиуса скважины эффективным радиусом, учитывающим наличие зоны разрушения.

II

При раочете эффективного радиуса окважины (радиуоа внешнего контура зоны разрушения) рассмотрены три варианта;

I) в упругой постановке

(б)

где - истинный радиус скважины; > - коэффициент Пуаооона;

(6)

М - масса штыба, высыпавшегося из окважины в период бурения;

I - глубина окважины; /> - удельный вео пород;

2) на основе принципа Вольтерра - Работного и аппроксимации Розовокого

где

t - время; /V/ -<*) - гамма-функция; <?, л - параметры;

3) с учетом величины предельного растягивающего напряжения

(8)

где /Н - вертикальные напряжения, обусловленные весом лежащих выше пород.

Контрольные вычисления вертикальных напряжений по предложенному методу для маооива, ненарушенного тектоникой и горными работами, показывают удовлетворительную сходимость о вертикальной составляющей гравитационного напряжения. Упругие параметры определяются в натурных условиях ультразвуковым методом, а прочноотнне -на образцах горных пород.

Метод буровых скважин используют при исследовании закономерностей формирования зон повышенных напряжений и их параметров.

12

Обработка результатов осуществляется о применением методов математической статистики*

При ультразвуковых измерениях в каждом пункте бурят один (при профилировании) или два параллельных шпура на раоотоянии 0,4 м друг от друга, диаметром 42 мм и дайной до 10 м. Для контроля состояния кровли в наиболее характерных слоях, определяемых электропрофилированием шпуров /18/, устанавливают акустические реперы.

Контакт ультразвукового датчика с породой обеспечивают через масляную эмульсию, доставляемую в шпур в полиэтиленовых оболочках. Датчики должны быть снабжены иглой для прокалывания оболочек и заглушкой, предотвращающей вытекание эмульсии. Измерения проводят при различных технологических процессах в лаве до выхода шпуров в выработанное пространство.

По изменению скоростей распространения продольной и поперечной волн рассчитываются параметры упругих свойств массива, модули Юнга £ и сдвига $ , коэффициент Паусоона $ :

G=S>vf ; Е • 2$ (/ * JJ ,    (Ю)

где Vp , У_$ - скорости продольной и поперечной волн; /> -плотность горных пород.

Скорости ультразвуковых волн находятся из соотношения

где S - база измерений; ^ - время пробега волны.

Количественная оценка напряжений по измеренным окороотям продольных ультразвуковых волн осуществляется путем тарировки в натурных условиях методом буровых окважин,а в лабораторных - на образцах.

При ультразвуковых измерениях в натурных условиях (с базовой проэвучивания 0,4 м) скорость упругих волн в 1,9-2 раза ниже,

13

чем на образцах, что объясняется высокой трещиноватостью пород массива. Поэтому в тарировочных зависимостях коэффициент перехода от образца к массиву необходимо принимать равным 2. Ультразвуковой контроль массива можно осуществлять прибором ШУП-I конструкции ИГТМ АН УССР. Характер распределения напряжений в горном массиве исследуют электрометрическим методом. Изменение кажущегося удельного сопротивления горных пород определяется аппаратурой ИКС-1 о применением четырехэлектродного потенциометрического зонда на переменном токе частотой 22,5 Гц /5/.

Величина удельного сопротивления вычисляется по формуле /U]

<¹²>

AM АЛ/

мл/ ⁹

t’-i*

(13)

где к^/ - коэффициент, учитывающий геометрические расстояния между электродами и определяемый из выражения

где AM - расстояние между оиловым электродом А и потенциометрическим М ; АЛ/ - расстояние между силовым электродом А и потенциометрическим Л/ ; МЛ/ - расстояние между потенциометрическими электродами; ли^ - разность потенциалов между электродами ММ; Ijg - сила тока, протекающего по электродам AS .

Для количественной характеристики трещиноватости удобно воспользоваться коэффициентом разрыхления пород к_р - / +    (S?    оп

ределяется по формуле Ликтекекера)

*9/> ^ш*; *9fit + £    -    (14)

где /> - измеряемое удельное электросопротивление; />₇ - удельное электросопротивление ненарушенного массива;

yoy * /00 0м' м ;

- удельное электросопротивление заполнителя трещины;

/>2 к /0 *Ом * м

V

+ jy

4

4У

4 ¥

(15)

4 v - объем трещинного пространства; v₀ - объем ненарушенного массива.

Так как 4 у $< v₆ , то для простоты можно принять ^ а J>2 "    •    Таким    образом,

!?р~г$р₇

^г9&

(16)

а выражение для коэффициента разрыхления принимает вид

&р^х 7 +

?9Р’?9/>_Т

^г?Рг

(17)

Ультразвуковым и электрометрическим методами рекомендуется исследовать состояние кровли в очистном забое, а также свойства и состояние массива в зоне опорного давления* Станции наблюдения следует устанавливать на трех участках лавы через 10-15 м под-вигания*

Исследование взаимодействия боковых пород о крепью* В очистном забое сближение боковых пород определяют при различных производственных процессах на трех наиболее характерных участках (со стороны вентиляционной и утлеспускной печей, в средней части)* Станции наблюдений оборудуют тремя парами реперов, установленных в кровле и почве пласта через 0,5-1 м по ширине призабойного пространства. В монтажной нише станции наблюдений устанавливают через 10-15 м ее подвигания. В вентиляционных и углеспускных печах сближение боковых пород определяют через 8-10 м по падению и на отдельных станциях через 0,5 м по простиранию пласта. Величину и скорость сближения измеряют стойками СУ-П и СУИ-П, а в период влияния динамических и быстродействующих процессов - самописцами податливости СП-66.

На трех наиболее характерных участках печи рекомендуется определять расслоение пород кровли на глубину до 10 м от обнажения* При этом для диаметра шпуров 42 мм можно использовать глубинны© реперы конструкции ДонУГИ, а со стороны откаточного и вентиляционного штреков 69 мм с отбором керна.

15

Нагрузку на индивидуальные стойки по длине и ширине печей и монтажных ниш следует определять стоечными динамометрами типа 45Д-135. Давление на крепь щитового агрегата рекомендуется измерять с помощью динамометрических площадок ДП-3 конструкции ИГД СО АН СССР /llj. Площадки крепят к верхнему перекрытию секции щита в период монтажа агрегата! на каждой секции располагают две площадки, что фактически обеспечивает измерение давления по всей площади перекрытия. Их фиксируют нормальные и тангенциальные нагрузки, что дозволяет определять равнодействующую нагрузку и ее направление. Динамометрические площадки необходимо устанавливать со стороны углеспуокной и вентиляционной печей в средней чаоти лавы. Замеры снимались через 10 м подвигалия забоя до полной отработки полосы. Деформации элементов площадки определяют приборами ИИД-3. Результаты исследований необходимо обрабатывать о привлечением методов математической статистики.

Последования начального распора крепи проводились при последовательном изменении его значений от 30 до 90# номинального сопротивления. Рациональная величина фактического сопротивления определяется регулировкой давления предохранительного клапана.

Параллельно на исследуемых участках необходимо определять давление в гидросистеме крепи, например самопишущим монометром М66А, и сближение боковых пород самописцев податливости СП-66.

Для получения более полной информации необходимо систематически вести визуальные наблюдения за характером деформации боковых пород и элементов крепи о установлением их причин.

Деформационные методы - инерционны, однако с применением самопишущих приборов их возможности контроля динамических процессов значительно расширяются. Для записи деформации и нагрузок на тензометрические площадки целесообразно использовать самопиоец.

Ввиду отсутствия серийных искробезопаоных приборов рекомендуется разработать самописец на базе прибора Н-390 с часовым механизмом. Искробезопасный усилитель можно собрать на микросхемах 1УТ 401 Б.

Новый подход к определению овойотв и состояния слоистого маооива горных пород. Вое динамические модули горных пород (модули Юнга и одвига Q , коэффициент Пуассона ^ ), применяемые для характеристики упругих свойств горных пород определяются по формулам, выведенным для сплошных, однородных и изотропных сред, что справедливо лишь в первом приближении, так как горные породы Донбасса

16

в большинстве случаев олоисты. Слоиотоотью, в частности, объясняется различие в величинах модулей упругости при прозвучивании слоистых образцов в разных направлениях. Поэтому нами предложен метод определения упругих постоянных мелкоолоиотой (трансверсально-изотропной) среды на основе использования уравнений движения с начальными напряжениями и определения средней плотности образцов и скоростей распространения продольных и поперечных волн, параллельно, перпендикулярно и под углом 45° к слоистооти. Эти модули упругости описывают более полно упругие овойотва среда в различных направлениях, поэтому необходимо установление овя-зи между ними и традиционными модулями /10/.

(18)

При прозвучивании образца вдоль слоистости (условно обозначим это направление через Х₇ , перпендикулярное ему - через Х_г , а направление поперек слоистости обозначим через Х₃ ) можно ора-эу определить упругую постоянную Л₃ по скорости поперечной волны

¥

где jo - плотность среда,

а по скорооти продольной волны определяем 2л_г + л₃ гл₂ + л₃    ,

и, оледовательно, упругую постоянную \

^Л2 ^Bi~^{^ypX_J~'T^ys\) ■    (19)

Значение можно определить по скорости поперечной волны» распространяющейся перпендикулярно слоистости

/ и*

^л5 * уХ° КS/₃ '    (20)

а по скорости продольной волны - четвертую упругую постоянную 4^

(21)

^Л! ^Х-Р ^SX₃

Наконец, для получения пооледней постоянной Лу нужно прозвучи-вать образец под углом 45° к осям Х₇ и

оти продольной волны в этом направлении.

Xj и определять скоро-Тогда

Лу« />¹

(22)

Для однородных и изотропных образцов существует только две независимые упругие постоянные, так как V_D¥

гл*

*sx₃

У

SV5⁰ *

&

у

^Лг~ / -Jt

Ч(Т-Л) • Гг у ^{*г i(t-г»

(23)

Мзвеотио множество работ, в которых давление на крепь, смещения в почве и боках выработки, пределы прочности на сжатие и растяжение и т.д. определяются через динамические модули упругости £ , ^ и коэффициент Пуассона . Нами получены соотношения, связывающие их о модулями упругости л_т, для мелкослоистых сред

•v

Яс

ч I о*>,)(г~гг_в)

_£

г

■*s “

(24)

О+*)0-*У) ^г(,*К^^г~²^    ²

где    £_и , fj ; )_и i f' , $ , ^}    -    упругие пара

метры среда вдоль, перпендикулярно и под углом 45° к слоистости ооответственно.

18

Коли чество слоев	м/с	V ы/с S	У»з’ м/с	vs*s' М/с	у РУ5° ’ м/с	Модуль сдвига Юнга		Коэф фици ент	Л7‘ГО% МПа	ЩТд	J3*70 f МПА	л9-пГ* МПа	МПа	г	л3 Л5
						МПа	Е-Ю~2, МПа	Пуас сона »
2-3	3800	1192	2824	1518	3200	62	160,7	0,296	215	92,65	9,6	50,6	15,5	0,62
3-4	2862	1179	2208	1160	2520	36,4	95	0,305	131,36	50,6	9,3	42,8	9,1	1,03
5-10	2705	963	2000	818	2340	18	49	0,363	108	46,2	6,3	40,1	4,5	1,4
11 -20	2693	932	1778	797	2231	16,4	45	0,374	85,3	46	5,9	28,1	4,2	1,4
21-30	2592	920	1150	507	2060	2,92	19,1	0,379	35,7	42,5	5,7	20,44	1,73 3,29
31-40	2548	920	1150	500	1973	6,72	: 18,5	0,383	55,7	40,9	5,7	14,1	1,68	3,39
40	2052	772	1060	457	-	5,6	15,5	0,386	30,3	26,3	4,1	-	1,4	2,92

УДК 622*83-118:622.274.526.48/043.3/

Методика оценки ооновных технологических и технических параметров отработки крутых пластов щитовыми агрегатами / АН УССР Ин-т геотехнической механики. Сост.: Глушко В.Т., Яланокий А.А. Курносов А.Т., Паламарчук Т.А. Киев: Наук.думка, 1981. - 56 о*

Рассмотрены закономерности изменения напряяенно-деформиро-ванного состояния горного массива в сложных горногеологических уоловиях при шитовой выемке, Разработаны методы расчета напряжений в массиве слабых углей (пород) и рациональных размеров охранных целиков вблизи откаточного штрека. Предложена методика оценки основных технологических и технических параметров отработки крутых плаотов щитовыми агрегатами, на основании которой проведен анализ тектонической активности Центрального района Донбасса, исоледоваяо формирование зон концентраций напряжений вблизи очистных выработок. Определены основные горнотехнические параметры крепи щитового агрегата для различных условий разработки, включающие способ передвижки и величину подпора кровли в период передвижки, начальный распор крепи и рабочее сопротивление*

Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами управления горным давлением при отработке угольных пластов.

Ил.5. Табл.6. Ьиблиогр.: о« 51-53 (42 наев.)

Составители В.Т.Глушко, А.А.Яланокий, А.Т.Курносов, Т.А.Паламарчук

Ответственный редактор В.Т.Глушко

30704 - 618 M22I(04)-81

Редакция информационной литературы

2501020000 (§) Издательство "Наукова думка^-, 1981

Обра зец	м/с	Yss7t ц/с	м/с	fa.* м/с	Vf>¥S°t ц/с	Модуль сдвига Юнга		Коэф фици ент	МПа	МПа	ЛуМГ{ МПа 1	■уаТ? МПа 1_	МПа	J&
						$ю'г, МПа	eto'i МПа	Пуас сона! )						*$
Одао- род- 8 шГ	3143	1535	3143	1543	3143	33,00 88,80		0,35	138	34,57 8,25 52,50			8,25	I
Двух слой ный	3190	1490	2226	1147	3149	27,60 77,80		0,41	81	31,7	7,77	57,90	4,60	1,69
Трех слой ный	3143	1404	1811	1031	2824	59,10 16,90		0,432	45,92 31,12 6,90 К,07				3,72	1,85

Четы

рех-

40,06 26,43 6,54 31,14 3,39 1,92

слой—

ный 2913 1367 1692    985    2650    49,90    14,20    0,436

ГОРНОГЕОЛОгаЧБСКИЕ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА КРУТЫХ ПЛАСТАХ

Каменноугольные отложения Центрального района Донбасса предотав-лены слоями осадков морской, континентальной и субконтинентальной фаций, состоящих из песчаников (40,8$), песчаных (21%) и глинистых сланцев (35%), известняков (2,7%) и каменных углей (1,5%). Отложения характеризуются наличием крупных тектонических нарушений в виде сбросов, сдвигов и флексур. Шахтные поля разбиты гуотой сетью мелких нарушений. До 80% шахтоплаотов имеют непе-реходимые очистными выработками геологические нарушения, которые встречаются в среднем через 300-350 м.

представлены всеми марками углей (от газовых на западе до тощих на востоке) с преобладанием опекающихся марок Ж и К.

В настоящее время вое угленосные площади района заняты под шахтные поля, на которых разрабатывается свыше 500 шахтоплаотов, 60% из которых отнесены к опасным и угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа. Более 17% пластов имеют самовозгорающиеся угли и температуру вмещающих пород 30-35°С. Вое шахты района отнесены к оверхкатегорным по газу в опасным по пыли. Относительная газообильность их колеблется в пределах 2-60 м⁸/т суточной добычи, причем для 47% пластов она составляет более 10 м^в/*. В объединении "Артемуголь" за очет мероприятий, проводимых по борьбе с выбросами, производительность труда снизилась на 20%, а себестоимость угля увеличилась на 0,13 руб/т добычи.

Угленосные овиты среднего и частично верхнего карбона насчитывают 106 угольных пластов и прослойков, при атом только 66 из них имеют рабочую мощнооть. Основные промышленные запасы угля (55 рабочих пластов) сосредоточены в свитах с| - "Каменская”, с| - «Алмазная" и С⁷ - "Горловская". Каменноугольные отложения

При росте глубины разработки наблюдают тенденцию к уменьшению устойчивости боковых пород, особенно на пластах, где они представлены глинистыми и песчано-глинистыми сланцами. С углуб-кой на I20-130 м метаяообильность увеличивается на 15-20$, количество и интенсивность внезапных выбросов угля и газа возрастает в 1,5-2 раза, а частота геологических нарушений на 5-7$. Увеличивается также частота мелких нарушений шшкативного характера, встречающихся через 150-200 м. Только за последние 10 лет /41/ в связи с понижением глубины разработки примерно на 200 м удельный объем добычи угля из пластов с неустойчивыми боковыми породами возрос с 29,6 до 40$, промышленные запасы на втих пластах составляют 52,6$. Глубина разработки некоторых шахт уже доотигла 970 м и ежегодно увеличивается на 14-15 м. Таким образом, в перспективе на крутом падении нижние границы шахтных стволов достигнут отметки 2000 м. Это налагает повышенные требования к выбору систем разработки, средств механизации отбойки угля и крепления очистных и подготовительных выработок. Мощность разрабатываемых пластов колеблется от 0,4 до 2,5 м, на долю мощности свыше 0,7 м, которые могут отрабатываться щитовыми агрегатами типа АНЩ и АЩ, приходится 61$ промышленных запасов и 66,8$ действующих очистных забоев. Распределение забоев по мощности пластов и основным горногеологическим факторам приведено в табл.1.

Разнообразие горногеологических условий вызывает необходимость применения в лавах крутых пластов различных систем разработки, технологических схем ведения очистных работ и способов управления горным давлением. Объем применения наиболее прогрессивной столбовой системы разработки для пластов мощностью более 0,7 м составляет всего 22$ /Эб/. По способам управления кровлей лавы распределяются следующим образом: о удержанием на кострах -51,5$, полным обрушением - 30,4; полной и частичной закладкой -14,1; плавным опусканием - 4$. Анализ результатов данных о распределении очистных забоев по способам выемки и крепления показал, что удельный вес применения механизированных крепей и щитовых агрегатов весьма низкий, а достигнутые технико-экономические показатели работы близки к уровню немеханизированных забоев.

При механизированной отработке крутых пластов наибольшее распространение получили две принципиально различные технологические схемы: лавами по простиранию и полосами по падению. Преимущества

4

Таблица I. Распределение пластов Центрального района Донбасса по основным горногеологическим и горнотехническим факторам

Всего пластов по району

КОЛИ” j чест но % В т.ч. на пластах мощностью, м 0,71-1,2 1,21 П более Коли- \% чество! Коли чество %

Геологические и горнотехнические факторы

Промышленные запасы угля,млн.т 586		100	283	44,7	104	16,4
Крличество очистных забоев, в том числе включающих:	292	100	143	49	52	17,8
угол залегания пластов 55-65°	160	50,5	65	22,2	29	10
колебания мощности пласта +16-30$ и более	145	49,8	68	23,3	29	10
твердые включения в пласте	175	60	79	27	27	9,2
породные прослойки более 2-3 кровлю I и П категории устой-	152	52	88	30 28,7	34 28	11,6 9,6
чивооти (классификация ДонУГИ) 174		59,6	84
почву, склонную к сползанию	133	45,5	56	19,Я	20	6,8
ложную кровлю - почву	78	26,7	31	10,6	12	4,1
кровлю Ш и 1У категории обру-щаемос^и (классификация	97	33,2	47	16	23	8
геологические нарушения, в том числе:	232	79,5	109	37,3	34	11,6
сдвиги, надвиги, сбросы, флексуры	99	34,0	47	16,0	18	6,1
пережимы, выклинивая перемятая пласта	133	45,5	62	21,3	16	5,5
самовозгорающиеся угли относительную газообильность	52 137	17.8 46.9	25	8,6 18,2	20 22	6,8 7,5
более 10 м3/т сут добычи			53
выбросоопасных	120	41	58	19,9	28	9,6
угрожаемых	54	18,5	26	8,9	3	1,0
приток вода более 5 м3Д	34	11,6	15	5,2	7	2,4
глубину разработки свыше 600 м	216	74	129	44,2	46	15,8

и недостатки каждой из них общеизвестны и широко освещены в литературе Д/. По простиранию известны схемы с использованием механизированных (КГД, "Днепр”, РПЩ, КДЗ, ШГК) и пневмобалонных

5

(КЭБ, ПМК) крепей. Однако технико-экономические показатели их работы были низкими, что объяснялось рядом причин, в том числе несоответствием технических параметров горногеологическим условиям разработки крутых пластов /I?, 21, 38/.

Конструктивно пневмобаллонные крепи имеют некоторые преимущества перед гидравлическими. Они обладают большей раздвижноотью и площадью соприкосновения с боковыми породами, сравнительно небольшим весом и значительно меньшим удельным давлением /57/. Однако пока пневмобаллоны успешно используются только в качестве костров. При отработке крутых шшстов полосами по падению наибольшее распространение получили щитовые агрегаты.

В технологическом аспекте щитовая отработка несколько уступает механизированной выемке по простиранию, так как требует частого перемонтажа агрегата, подготовки и крепления монтажных ниш. Отсутствие надежной и быстроустанавливаемой крепи углеспускных печей отрицательно сказывается на эффективности ее применения* Однако с точки зрения управления крепью, а также повышения безопасности работ на выбросоопасных пластах отработка по падению щитовым агрегатом имеет преимущества, которые обеспечиваются следующей уэкозахватной выемкой; направленностью забоя, совпадающей о направлением действия сил собственного веса агрегата и давления вышележащих обрушенных пород; работой крепи под защитой породной подушки, приближающей ее к условиям работы с закладкой я позволяющей безопасно отрабатывать пласты с трудноуправляемыми боковыми породами; относительно небольшой длиной агрегата по простиранию, что создает более благоприятные условия для очистных работ на пластах с частными геологическими нарушениями*

Совершенствование отработки крутых пластов полосами по падению осуществлялось двумя этапами. На первом - ставилась задача механизации крепления призабойного пространства и управления кровлей, а затем доставки угля вдоль забоя (она была решена созданием щитовых крепей ЩК-2, ЩК-2м, ЩК-3 поддерживающего типа со скреперным или штанго-баровым выемочно-доставочными органами /В/). На втором - основной задачей являлось создание механизированного комплекса. Она решена разработкой щитовых агрегатов Ml, IАЩ и АНЩ поддерживаще-оградительного типа с выемкой и доставкой угля по лаве конвейеростругом /54/.

По мере развития щитовой разработки делались попытки усовершенствовать параметры технологических схем. На отдельных шахтах

6

внедрялся прогрессивный способ подготовки участков без проведения пластовых вентиляционных и откаточных штреков, увеличивалась длина очистного забоя от 4 м (проектная длина агрегата) до 60 -65 м, испытывались схемы отработки полос спаренными лавами о доставкой угля на одну иля две углеспускные печи на длину двух этажей. В дальнейшем большинство этих разработок не нашло широкого распространения, однако была доказана техническая возможность и экономическая целесообразность продолжения работ в этом направлении /2/.

Многолетний опыт эксплуатации и анализ отказов в работе показали, что щитовая отработка имеет ряд нерешенных вопросов, касающихся конструктивных параметров крепи и технологии ведения очистных работ, включая комплексную механизацию всех производственных процессов. Это явилось серьезной причиной низкой эффективности использования щитовых агрегатов. К основным вопросам технологии и механизации щитовой отработки следует отнести: охрану штреков, подготовку монтажных ниш, крепление печей.

При пластовой подготовке полос, удельный вес которой на вентиляционном горизонте ооставляет 44,9$, на откаточном - 63,1% общего объема, охрану штреков в основном осуществляют целиками угля. При этом в одинаковых условиях их ширина изменяется в пределах 3-10 м. Как показывают исследования /59/, простои лав из-за неудовлетворительного состояния подготовительных выработок составляют около 10% рабочего времени, а из-за раздавливания целиков и вывалов породы - 3 - 30 сут.

Низкие темпы проведения монтажных ниш отбойными молотками и крепление деревом, отсутствие средств механизации монтажно-демонтажных работ часто приводят к несвоевременному вводу новой полосы в эксплуатацию. Применение на одном участке двух агрегатов (один в работе, другой в монтаже), совмещение работ монтажа секций агрегата о проведением ниши только частично решило эту проблему.

В существующей технологии щитовой отработки крепление углеспускных и вентиляционных печей производится вручную оплошным срубом и трех-, четырехрядной огранкой из деревянных отоек. Практика применения лесных материалов показывает, что такой способ крепления не обеспечивает надежного поддержания выработок. Особенно это каоается крепи углесцускных почей, где, кроме воздействия горного давления, стойки подвергаются истиранию и повреждению транспортируемыми кусками угля я породы.Восстановление деформированной и

7

выбитой крепи приводит к длительным простоям лавы. От истирания деревянные стойки углеспускного отделения частично защищают обшивкой распилами, а на шахте им.К.Маркса накоплен опыт транспортировки угля по металлическим трубам [2], однако и при этом не обеспечивается их сохранность.

Большая трудоемкость возведения крепи и стесненность рабочего пространства создают серьезные препятствия к увеличению скорости подвигания забоя. Исследованиями на пологих пластах о индивидуальной крепью установлено, что для создания безопасных условий от обрушения кровли ее крепление должно осуществляться вслед за выемкой угля не позже 10-30 с со времени обнажения /IV* При существующем способе крепления печей это требование практически не выполняется.

В поисках новых оредств и способов крепления опробованы и другие типы крепи. Так, на шахте "Юнком" производственного объединения "Орджоникидзеуголь" силами работников шахты разработана металлическая шарнирная крепь из спецпрофиля, которая из-за сложности и несовершенства конструкции не обеспечила устойчивости выработок. На шахте им.К.Маркса того же объединения был закреплен экспериментальный участок печи крепью КЩ, предложенной ДонУГИ и состоящей из разборных переносных стенок с пневматическими баллонами /27/. Крепь также не нашла применения из-за ряда технологических и конструктивных недостатков: большого веса и значительных габаритов, трудоемкости монтажно-демонтажных работ и транспортировки крепи вдоль забоя, утечек воздуха из пневмобаллонов.

ВШИ предложен способ крепления печей искусственными целиками из быстротверденмей смеси. На шахте им.В.И,Ленина производственного объединения "Артемуголь" во время испытаний не была достигнута расчетная прочность бетонных целиков, поэтому способ в дальнейшем не применялся.

Донгипроутлемашем исследованы возможности крепления печей механизированной крепью и установлена целесообразность ее применения из-за большой стоимости и сложности в монтаже и демонтаже.

Конструктивные недостатки щитовых агрегатов обусловлены тем, что основные параметры крепи не отвечают требованиям ее применения в сложных горяогеологических условиях. Например, конструкция крепи допускает обнажение кровли между консолью верхняка и забоев 0,6 м и позволяет осуществлять передвижку секций только после выемки полосы угля. При этом между забоем и верхняком по всей длине лавы образуется незакрепленное пространство кровли шириной до

8

1*3 м. Отсутствуют средства принудительной передвижки крепи* не установлены подпоры кровли в зависимости от категорий ее устойчивости и отрушаемости* не определены параметры крепи, начального раопора и рабочего сопротивления секций крепи* которые отвечали бы требованиям применения агрегата при отработке пластов о неустойчивыми боковыми породами.

МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ШАХТНЫХ ЖСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ И СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

Исследование напряженного состояния массива. При щитовой выемке крутопадаэдих пластов эти исследования целесообразно выполнять комплексным методом* основные положения которого разработаны в ИГШ АН УССР /2б/.

Экспериментальные измерения должны базироваться на трех методах: буровых скважин, ультразвуковом и электрометрическом.

Для определения напряжений методом буровых скважин о откаточного штрека, а также о вентиляционной и углеспуокной печей по простиранию на различных участках в пласт угля буряток скважины диаметром 79 мм и длиной 5-10 м. В скважину грушами (по три в каждой) устанавливают деформометры конструкции ИГД СО АН COOP в направлении 0°, 45° и 90° к напластованию кровли /29/. При исследовании характера изменения деформаций в краевой части угольного шшота и в зонах опорного давления деформометры в скважине располагают через 1,5-2 м по нормали к напластованию пород кровли. Подготовка деформометров к работе, установка их в скважине и снятие оточетов выполняются в ооответотвии о методикой, приведенной в работе /&$/•

Для увеличения точности и надежности измерений отсчеты снимаются двумя приборами ИИД-3 о перестановкой мест полумоста, что равноценно четырем измерениям по каждому участку массива. Правильность показаний контролируется сравнением нулевых отсчетов до установки деформометров з скважину и после их извлечения.

При расчете абсолютных напряжений деформометры в окважину устанавливаются до начала очистных работ в полосе, а граница влияния подготовительной выработки определяется электрометрическим методом. Радиальные перемещения контура скважины пересчитывают в напряжения с использованием математического аппарата, предложенного М.В.Курленей и М.В.Устюговым.

В "Руководстве по применению метода буровых скважин для определения напряжений в осадочных горных породах" приведен матема-

9