МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ КРОВЛЕЙ И КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ НА ШАХТАХ ЛЕНИНГРАДСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА ВНИМИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ КРОВЛЕЙ И КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ НА ШАХТАХ ЛЕНИНГРАДСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

1973

Бортовке штреки обычно проходят при нарезке блока, однако их можно предварительно не проводить, а поддерживать о выработанном пространстве органной деревянной крепью.

Столб по длине раздопяется на камеры-лавы. Камера-лаза -часть столба, ограниченная междукамеряыми целикамк н отрабатываемая длинным забоем, равным ширине столба, от предварительно проводимой печи, которой охснгуривается одна сторона междукамерного свивка» Вторая сторона цег.ика образуется остановкой забоя камеры-лавы при достижении ею установленной ширины, Отработка камер-лаь в блско ведется по принципу спаренных лав с общим фронтом очнетиого забоя дланей, равной ширине блока. Очистные работы иачжнзются от границы блска после проведения нарезных выраоотол.

До 1970 г, на Ленинградском мосторож цени* горючих сланцев имела широкое распространение система разработки длинными столбами с отработкой их спаренчьтми лавами и управлением кровлей частичной закладкой, Ът*х система имеет некоторой распространение и в настоящэе время, При зтой системе (рис. 1,3} пп -

Рнс.1,3. Система разработки длинными столбами с час-ичяоЭ закладкой: 1-панельный вентиляционный штрек; 2-пааельныЙ откаточный штрек;3-сбвраый штрек;4-разрезной штрег;Б-бортевэЙ шг

непьное поло также разделяется на столбы шириной до 200 м и более. Длина столба, равная ширине панели, составляет порядка 300-800 м. Вдоль столба, по его середине, проходится сборный штрек, служащий для транспортировки сланца и материалов, а также для вентиляции. Бортовые штреки, служащие для вентиляции, доставки вспомогательных материалов и запасными выходами, поддерживаются в выработанном пространстве бутовыми полосами. Кровля нх крепится Неполными дверными окладами.Очи-сгные работы начинаются от пройденной у границы блока разрезной печи,

В настоящее время столбы не отрабатываются всплошную, их разрезают по длине печами на выемочные участки. Длину выемочных участков принимают порядка 0,9L    (    L    -    пролет    пол

ной подработки поверхности, величина которого зависит от глу-

WUVV44\VU\\4\\V4\\\\ :л\ ЛЧ'ЛЧЧ/.-

Рис. 1,4. Система разработки длинными столбами с управлением кровли полным обрушением

бнны горных работ;. Между выемочными участками оставляются промежуточные целихи.

В 1957 г. на Эстонском, а в 1969 г, на Ленинградском месторождениях были проведены промышленные испытания системы разработки длинными столбами с управлением кровлей полным обрушением. Испытания показали техническую возможность применения на сланцевых шахтах этого способа управления кровлей.

В последнее время эксперименты по отработке лав с управлением кровлей полным обрушением проводятся в более широком масштабе.

В отличие от системы разработки с управлением кровлей частичной закладкой (см.рис.1.3), для применения системы разработки с полным обрушением кровли (рис, 1.4) необходима предварительная проходка бортовых штреков, так как поддержание их в выработанном пространстве связано с известными трудностями. Однако при этом обработка столба производится всплошную, без предварительной разрезки его на выемочные участки.

P A 3 Д H Л 2

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ПОРОД ПОДРАБАТЫВАЕМОГО МАССИВА

Толша пород. залегающих над промышленным пластом горючего с чан па, как указывалось, сложена чередующимися слоями известняков, мергелей, горючих п глииасп.чх с лайде в с прослойками глин. Мощность отдельных слоев пород составляет от 0,02 до 0,60 м (см.ряс.IJ). Одним кэ основных свойств осадочных пород является их способность расслаиваться, что определяет,® известней степенн, последовательность развития процессов их разрушения чад очистными выработками.

Исследования поведения подрабатываемых пород кровли проводились з лавах с управлением кровлей частичной закладкой и полным обрушением. При атом было установлено, лто породы кровля при подработке расслаиваются и обрушаются, несмотря на тонкослоистую структуру, довольпе мощными пачками слоев, тол-шика которых находится ь дредэлах от 0,8 до 3 м, т.е. в несколько раз больше мощности отдельных литологических разностей порол, слегающих массив. Такой характер развития процессов отслоения и обрушения налегающего массива предопределяется наличием в породах кровли относительио слабых по прочности слоев горючих п глинистых сланцев и глия. Горизонты отслоения и мощности образовавшихся пачек пород непосредственной и ляжнпх слоев основной кровли характеризуются данными табл.2 Л,

Таблица 2,1

Расспливлемость пород кровли

Основные отслоения

Высота над кровлей промплаота,м

0. 9

1. e

*.о

3.2

7,7

9,5

11,5

П римечанне. Основные отслоения - постоянно встречающиеся; дополнительные - встречаются при изменении геологических условий.

У?.

Мощность отслаивающихся пачек, наряду с прочностью составляющих пачку пород, определяет наступление предельно! о состояния кровли над очистной выработкой. По наблюдениям ВНИМИ в лавах с частичной закладкой я полным обрушением величины пролетов первого обрушении непосредственной кров и составляют от 18 до 28 м (данные по И лавам), h основной кровли от 40 до 48 м (данные по 15 лавам). Средник величина пролета первого обрушения непосредственной кровли составляет 21 м (коэффициент вариации 11%), а основной - 44 м (коэффициент вариации 6%), При первом обрушения, как правило, отслаивается я оседает пачка пород непосредственной кровли мощностью около 1 м. Однако в отдельных случаях наблюдается обрушение пачки пород мощностью 1,9 м.

Величияу пролета первого обрушения кровли ориентировочно можно определить по формуле расчета балки, жестко заделанной с двух концов:

I Z&H.U 1»И

У 0^+kn)fM

где 1₀ ” пролет первого обрушения кровли, м; 6_н.и -прочность неоднородной пачкя пород кровли при изгибе в массиве, т/м*; К_н - мощность обрушающейся пачки, м; К,_п - коэффициент пригрузки (для условий Ленинградского месгорожпения величияу 1с_п можно принять равной от 0,2 до 0,5); |_И -средневзвешенный объемный вес пород, составляющих пачку,( |_н *

2.3    т/м³).

В случае отслоения и обрушения нижней пачки пород непосредственной кровли мощностью 1 м ( б_н,, =550 т/м*, j[_H •«

2.3    т/м³) будем иметь:

Г - а /..2*550J * » 21 м.

° у (1+0,3) 2,3

При обрушении непосредственной кровли обшей мощностью 1,0 м ( 6_ни^т 600 т/м*, J₄ - 2,3 т/м³) получим

I" ^    *25    м.

У (1+0.3) 2.3

Пе формуле (2.1) пролет получается несколько меньшим по сравнению се случаем расчета балкн с учетом податливости опор /6,8/, что идет в запас.

Как вждно, рассчитанные величины пролетов первого обрушения нижней пачки пород непосредственной кровли совпадают с опытными, определенными непосредственными наблюдениями.

В двух лавах были проведены специальные опыты по выяснению влияния на величину пролета первого обрушения закладки и отдельных стоек, оставляемых в выработанном пространстве, С

13

etet далью в опытных лавах закладка яв д ввод длясь дэ кровли ■а 0,3 м, а дрель полностью извлекалась. Полуденные прд атом ветчины прелетов лервогв обрушения непосредственной кровли ие отличались вт наблюдавшихся при обычных условиях отработки, когда закладка возводилась до кровли, а часть стоек ие извлекалась. Таким образам, результаты исследований позволяют утверждать, что величина продета первого обрушения пород непосредственной кровли зависит, в основном, от мощности обрушаю-шейоя почки. Это относится и к основной кровле, поскольку она сложена породами, имеющими строение я механические свойства, мало отличающиеся от пород непосредственной кровли.

По данным наблюдений при системах разработки с управлением кровлей частичной закладкой н полным обрушением, а также в камерах-лавах, породы кровля обрушаются, образуя плоскость облома,параллельную кинии забоя очистной выработки и наклоненную от вертикали в оторону выработанного пространства под углом . Величина угла обрушения при первом обрушения непосредственней и основной кровля (до высоты порядка 12 м от кровли промпласта) находится в пределах от 30 до 35°. При последующих обломах кровля величина угла <f уменьшается до 25°.

Выявленная наблюдениями последовательность отслоения в обрушения пачек покрывающих пород заключается в следующем. Первое обрушенке непосредственней кровли происходит, как правило» при пролетах» величина которых колеблется в пределах от 18 до 28 м(в среднем 21 м). В отом случае, как показалк исследования, происходит отслоение и обрушение пачки пород непосредственной кровля мощностью порядка 1 м.

Однако в отдельных случаях расслоение пород на горизонте 1 м не нроиоходнт» а отслаивается в обрушается пачка пород мощностью 1,0 м. Ее обрушение происходит при пролетах порядка 26 м. Вышележащая пачка пород непосредственной кровли мощностью норядка 2,0 м до горизонта 4 м обрушается при пролете от 30 до 36 м. Этот горизонт является граиидей между непосредственной и основной кровлей. Следующий горизонт расслоения находится на высоте около 6 м от кровли промпласта и является верхней граиидей первой пачки пород •основной кровли. Обрушение этой пачкя происходят при пролете в среднем 44 м,При пролетах от 45 до 55 м обрушается вся мелкослойкая толща по^ род основной кровли до* горизонта 12 м от кровли промпласта.

При пролете 65 м обрушается толща пород основной кровли до горизонта порядка 25 м от кровли промпласта. При пролете 85 м появляются признаки расслоения всей остальной толщи пород до дневной поверхности, а при пролете 94 м наступает полная подработка дневной поверхности.

Обрушенные породы даже после падения на почву остаются весьма крупноблочными. Как правило, пачки пород кровли сохра-

14

УДК 622.831.24

В настоящих ^т Мет одических указаниях. . / приведены исходные данные и методика выбора параметров управления кровлей и конструктивных элементов систем разработки в условиях сланлевых шахт Ленинградского месторождения.

Указания составлены по результатам исследований ВНИМИ, проводившихся в период с 1956 по 1872 г., и рассчитаны на работников производства, проектных и научно-исследовательских организаций, занимающихся вопросами разработки горючих сланцев и других месторождений с аналогичными горного о логическими условиями.

"Методические указания. . ." составлены дохт.техн.наух Ф.П.Бубликом и инженерами С.Н.Жарковым, А.ВЛпаховым н Н.И.Селезневым.

© Всесоюзный научно-исследовательский институт горной механики и маркшейдерского дела (ВНИМИ)* 1073.

ВВЕДЕНИЕ

До недавнего времени разработка Ленинградского месторождения горючих сланцев производилась в основном системой длинных столбов с выемкой спаренными лавами и управлением кровлей частичной закладкой. Она отличалась сравнительно невысокой механизацией очистных работ, так как основные операции в очистном забое, например, погрузка сланца на конвейер, выкладка бутовых полос и некоторые другие, выполнялись вручную.

Начиная с 1067 г. на шахтах месторождения проводится большая работа, направленная на коренное усовершенствование технология очистных работ, существенный подъем уровня механизации трудоемких процессов добычи сланца, на улучшение условий труда горнорабочих, снижение себестоимости сланца. Внедрение механического обогащения горной массы на поверхности позволяло применить валовую выемку пласта горючего сланца, что сделало возможной механизацию наиболее трудоемкой операция очистной выемки - погрузку горной массы на конвейер.

На основе опыта разработки горючего сланца спаренными лавами с частичной закладкой и камерами была предложена, испытана и в 1962 г. внедрена ьа шахте Ns 3 система разработки камерами-лавами, которая сочетает в себе достоинства систем как с длинным, так и с коротким забоем. В 1971 г. эта система внедрена на крупнейшей шахте месторождения 'Ленинградскаяполучив тем самым преимущественное распространение. Система разработки с частичной закладкой применяется лишь на шахте им. С.М.Кирова, на которой отсутствует обогатительная фабрика.

Опыт применения системы камер-лав на шахте № 3 показал, что при имеющихся в настоящее время средствах механизация очистных работ именно эта система обеспечивает наиболее высокую производительность труда горнорабочих при значительном снижении себестоимости сланца. Однако, наряду с положительными качествами, системе камер-лав присуши следующие недостатки: большой объем нарезных работ, значительный расход крепежного леса, ручная установка крепи, относительно высокие потери сланца в междукамерных целиках. Эти недостатки камер-лав потребовали дальнейшего совершенствования технологии разработки промпласта горючего сланца. Одним из таких этапов представляется применение системы разработки длинными столбами с управлением кровлей обрушением,которая испытывалась на месторождении в 1969 г. на шахте Ns 3, а в 1972 г. на шахте им.С.М.Кирова. Опытные работы подтвердили заключение ВНИМИ, сделанное в 1956 г., о принципиальной возможности выемки промпласта горючего сланца системой разработки с управлением кровлей полным обрушением.

3

С 1956 г. ВНИМИ проводит на шахтах Ленинградского месторождения горючих сланцев исследования вопросов управления горным давлением н обоснования параметров систем разработки*

На основе обобщения результатов исследовании в 1964 г* было составлено 'Временное наставление по управлению кровлей при системе разработки хамерамн-лавами' на шахтах комбината 'Сланцы' /1/, предназначенное для работников шахт* К настоящему времени накоплен значительный объем новых материалов по управлению горным давлением при системах камер-лав и длинных столбов с частичной закладкой* а также при испытания управления кровей полным обрушением. Вследствие этого возникла необходимость обобщить данные практики и результаты исследований и составить более полные 'Методические указания. . направленные на упорядочение выбора параметров управления кровлей и конструктивных элементов систем разработки, применяемых при добыче горючего сланца.

'Методические указания. . .' составлены по заявке шахтоуправления 'Ленинградсланец' я одобрены его Техническим советом. При окончательном редактировании настоящих указаний учтены замечания, высказанные на Техническом совете.

РАЗДЕЛ 1

характеристика геологических условий

И ГОРНЫХ РАБОТ 1.1* Геологическая характеристика

Ленин град ск-ое месторождение горючих сланцев сложено палеозойскими породами кембрия, ордовика и девона, перекрытыми породами четвертичного возраста, преимущественно ледникового происхождения. Промышленный пласт горючих сланцев мощностью порядка двух метров приурочен к Кукрузескому горизонту среднего ордовика и представляет собой пять слоев горючего сланца, разделенных слоями известняка (рис.1.1). Он залегает почти горизонтальна в нижней части продуктивного горизонта согласно с вмещающими породами и характеризуется хорошей выдержанностью на большой площади. Промышленный пласт горючих сланцев подстилается известняками Таллинского горизонта мощностью до 30 м, покрывается известняками и глинистыми известняками ордовика и толщей пород девона. Глубина залегания пласта сое-тавляет от 50 до 140 м.

Породы кровли сложены слоями известняков, мергелей, горючих и глинистых сланцев с прослойками глия. До высоты 25 м над кровлей промпласта отдельные слои пород, слагающих массив, имеют мощность от 0,02 до 0,8 м. Выше мощность отдельных слоев достигает 1,0 м и только на высоте от 50 до 84 м от кровли промпласта залегают прочные слон доломитов моияо-стью до 4 м, ракверскне (везенбергскне) слои. Особенно тонкими слоями сложена толща пород до 12 м над кровлей промпласта (кукруэеские слои), мощность отдельных слоев которых не превышает 0,4 м. Покрывающие промпласт породы кровли относительно хорошо выдержаны как по составу, так и по мощности, однако на участках месторождения с малой глубиной залегания часть верхних слоев массива отсутствует.

Карбонатные породы ордовика и приуроченные к ним слои горючих сланцев отличаются значительной трещиноватостью и за-карстованностью. Различают литогенетические и тектонические трещины /2/.

Литогенетические трещины развиты внутри отдельных слоев горных пород. Их образование приурочено к стадии диагенеза и эпигенеза. Эти трещины имеют различное направление по падению и просгграяжю. По форме различают прямые, кривые, извилистые, ломаные; по раскрытости - открытые и закрытые. Материал заполнения - налеты и пленки сульфидов. К этой группе относятся также трещины по напластованию, почти горизонтальные; по форме ровные, волнистые, заполненные глинистым мате-

5

риалом* От цитогенетических трещин зависит устойчивость боко-вых пород» а также размеры и форма кусков и влажность товарного сланца.

К тектоническим относятся трещины, пересекающие весь комплекс пород ордовика и ориентированные в северо-восточном и северо-западном направлении, а также трошины, развитые по напластованию пород.

Трещины северо-восточного простирания пересекают весь осадочный комплекс пород ордовика, падая под углом от 80 до 90°. Выделяются два основных типа этих трещин. Трещины первого типа - ' трещины— жнлы', заполненные кварцевым песчаником с карбонатным и сульфидным аемеитом, нмеют азимут простирания от 50 до 30располагаются группами, образуя зоны токтэничес-ког» дробления, состоящие в основном, из 2-4 трещин, расположенных вт 10 до 200 м одна от другой. Мощность 'трещин-жил' достигает 12 см, местами они имеют ответвления в виде прожилков песчаника мощностью до 1 см. Трещины второго типа, заполненные кальцитом и сульфидами, развиты в виде выдержанных жил и линзочек на контакте и внутри 'трешин-жил', а также в виде жеод и прожилков вблизи и параллельно карстовым нарушениям. Мощность прожилков внутри 'трешин-жил' около 1 см, а мощность отдельных трещин, выполненных кальантрм и сульфидами, достигает 3 см.

Трещины северо-западного простирания пересекают 'трешины-жнлы' почти под прямым углом. Они располагаются параллельными рядами на расстоянии от 12 до 75 м (в среднем около 30 м) одна от другой, падая под углом от 80 до 90°, н пересекают весь комплекс осадочных пород ордовика. В большинство эти трещины открытые, некоторые заполнены глиной или раздробленным материалом. С увеличением глубины залегания величина раскрытости трещин уменьшается от 5 до 3 мм. Местами эти трещины служат водопроводящими каналами для вод верхних горизонтов.

Горизонтальные трещины приурочены к плоскостям напластования, их положение определяется цитологическим строением пород. Местами эти трещины вызывают осложнения при ведения горных работ, так как етличаются высокой водообильностью.

К трещинам северо-восточного простирания ('трещинам-жилам') приурочены широко распространенные на территории бассейна карстовые папушеыия, развитые как в промпласте, так я в подстилающих и покрывающих породах* Карстовые нарушения имеют сложную форму как в лланэ, так я в разрезе, но вполне выдержанные простирание с зональность, причем каждая выделенная зона отличается присущей ей особеиностью строения, составом и свойствами пород. По структурным признакам в плане выделяют три зоны.

Зона остаточной глины располагается в центральной части кар-

стового нарушения н представлена мирней пластичной глиной н обломками доломитизированных известняков. В этой зоне породы кровли совершенно неустойчивы, поэтому необходимо сплошное крепление пересекающих эту зону выработок.

Зона дробления простирается вдоль карстового нарушения,окаймляя с обеих сторон зону остаточной глины, в виде сравнительно ьыдержанной полосы шириною от 10 до 20 м. Кровля горных выработок на этих участках весьма неустойчива, бывают внезапные обрушения и вывалы пород. Эта зона характеризуется значительной обводненностью горных пород.

Зона трещиноватости простирается вдоль карстового нарушения в его периферийней части. Ширина зоны трещиноватости достигает 30 м. В этой зоне значительно осложняется веденне горных работ.

Кроме упомянутых трещин следует отметить трещины карстовой тектоники, проявляющиеся в виде трещин расслоения, скола, отрыва, дробления со смешением и без смещения крыльев. Стенки этих трещин имэют следы выветривания. Эти трещины располагаются в породах, затронутых карстовыми процессами.

Наличие в кровле относительно слабых прослойков горючих и глинистых сланцев и глин предопределяет расслаиваем ость и обрушение массива пачками слоев при подработке. В породах непосредственной и основной кровли выявлены следующие постоянные горизонты отслоения: 0,9; 1,2; 1*9; 4,0; 6,2; 7,7; 9,6: 11,5 м от кровли промпласта.

Тектонические трещины северо-западного простирания не могут оказывать заметного влияния на несущую способность целиков, тек как их падение вертикальное, а расстояние между трещинами несоизмеримо больше минимального размера целике, и поэтому трещинами пересекаются только отдельные целики. Тектонические трещины северо-восточного простираяия могут снижать несущую способность целиков только в том случае, ‘когда они затронуты процессами карсгообраэования. Наибольшее снижение несущей способности целиков вызывают цитогенетические трешнны. Влиянье этих трещин учитывается при определении прочности целиков путем натурных испытаний.

1.2* Характеристика горных работ

Промышленный пласт горючего сланца на шахтах Ленинградского месторождения разрабатывается системой камер-лав. Некоторый объем ямеет применение система разработки длинными столбами с отработкой кх спаронкыми лавами и управлением кровлей частичной закладкой выработанного пространства. В последнее время проводятся широкие экспериментальные работы по испытанию системы разработки длинными столбами с управлением кров/ieft полным обрушением.

7

Подготовка выемочных участков, общая для всех применяемых систем разработки, состоит в следующем (рис* 1.2).Шахтное

/Ш/Ш////////////////Ш

ш в у/я/////////У///////////////^^    а    1ш

поле главными я панельными штреками разрезается на панели шириной от 300 до 800 м. Для каждой из них проходятся два спаренных панельных штрека - откаточный и вентиляционный,соединяемые между собой сбойками*

В основу системы камер-лав положено исп ел .«зевание временной естественней устойчивости пород основной кровли, управление которой осуществляется междукамерными целиками (см,рис.?.2)« Непосредственная кровля мощностью порядка 4 м поддерживается деревянной стоечной крепью. Наряду с имеющимися преимуществами, одним из которых следует считать почти полную механизацию производственных процессов в очистном забое, системе камер-лав присущи существенные недостатки: большой объем нарезных работ, значительный расход крепежного леса, относительно высокие потери сланца в междукамерных целиках.

При системе разработки камерами-лавами в услот^ях Ленинградского месторождения горючих сланцев панельные "оля разделяются на блохи шириной до 200 м н более.Д.<нма блоков равна ширине панели. Блок по ширине разрезается сборным штреком на два столба. По границам блока проводятся бортовые штреки.

8