Способ разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли

 

Изобретение относится к горному делу, а конкретно к технологии разработки мощных пожароопасных угольных пластов. Задачей изобретения является повышение безопасности и повышение производительности за счет установления рациональных параметров наклонных слоев при одновременной их отработке в восходящем порядке. Способ разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли включает отработку одновременно двумя наклонными слоями в восходящем порядке длинными столбами с опережением верхнего слоя нижним на величину зоны активного сдвижения горных пород с отработкой обоих слоев на выработки нижнего с последующим их погашением. При отработке нижнего (подсечного ) слоя угольный массив верхнего слоя в плоскости, проходящей по линии контакта штрека и очистного забоя, разупрочняют в зоне работы очистного комплекса либо путем взрывания шпуровых зарядов ВВ камуфлетного типа, либо методом гидроразрыва пласта. Мощность нижнего (подсечного) слоя выбирают исходя из коэффициента кратности слоев К = М_ВС/М_НС в пределах 2,2-3,8, а мощность верхнего слоя принимают не менее величины, определяемой из выражения М_ВС ≥ М_НС/(К_Р-1), где М_ВС - мощность верхнего слоя, м; М_НС - мощность нижнего слоя, м; К_Р - коэффициент разрыхления угля, равный 1,4. 2 з.п·. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горному делу, а конкретно к технологии отработки угольных пластов.

Известен способ разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли пласта, включающий одновременную отработку двумя наклонными слоями в восходящем порядке длинными столбами с опережением нижним наклонным слоем верхнего на величину зоны активного сдвижения горных пород с отработкой обоих слоев на выработки нижнего слоя с последующим их погашением [1].

Вышеизложенный способ разработки был усовершенствован в части крепления выработок, находящихся в зоне опережения верхнего слоя забоем нижнего слоя, воздухонепроницаемой крепью и поддержания конвейерной выработки в верхнем слое для использования ее при отработке смежного выемочного столба [2].

Известен также способ разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли одновременно двумя наклонными слоями в восходящем порядке длинными столбами с опережением забоя верхнего слоя забоем нижнего слоя, равным или больше протяженности зоны активного сдвижения горных пород труднообрушаемой кровли с проведением вентиляционной выработки общей для обоих слоев и конвейерной выработки опережающего слоя, проводимой у кровли пласта [3].

Все три вышеприведенных аналога являются настолько близкими, что могут быть названы близнецами и тем не менее, по нашему мнению, наиболее близким является “Способ разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли” по а.с. № 602715 [1], как открывший серию технологических решений, общим недостатком которых (если можно так назвать вопросы, требующие изучения и познания) является то, что при одновременной отработке двух и более слоев в восходящем порядке важное значение имеют их параметрические соотношения, которые требуют исследований и экспериментальной проверки. К недостаткам также можно отнести то, что выемочные штреки, на которые ведется отработки обоих слоев, испытывают повышенное давление горных пород.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков известной технологии отработки мощных пологих угольных пластов и установление рациональных параметров наклонных слоев при одновременной их отработке в восходящем порядке.

Поставленная цель достигается тем, что при технологии разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли, включающей одновременную отработку двумя наклонными слоями в восходящем порядке длинными столбами с опережением нижним наклонным слоем верхнего на величину зоны активного сдвижения горных пород с отработкой обоих слоев на выработки нижнего слоя с последующим их погашением, при отработке нижнего слоя угольный массив верхнего слоя в плоскости, проходящей по линии контакта штрека с очистным забоем, в зоне работы очистного механизированного комплекса разупрочняют, мощность нижнего слоя принимают исходя из коэффициента кратности соотношения верхнего слоя к нижнему, в пределах 2,2-3,8, при этом мощность верхнего слоя принимают не менее величины, определяемой из выражения где М_ВС - мощность верхнего слоя, м; М_НС - мощность нижнего слоя; К_Р - коэффициент разрыхления угля, равный 1,4.

Положительный эффект при использовании изобретения повышается, если при разупрочнении угольного массива в верхнем слое частично разупрочняют верхнюю часть угольного целика над выемочным штреком, снимая напряжения в массиве и разгружая угольный целик и крепь выемочного штрека от горного давления.

Патентные исследования показывают, что ни в патентной, ни в научно-технической литературе не имеется сведений о технологии разработки мощных пологих угольных пластов, которая характеризовалась бы той же совокупностью существенных признаков, что и заявляемый способ разработки, т.е. он соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Сопоставительный анализ предлагаемой технологии с ранее указанными выше аналогами показывает, что при отработке нижнего (подсечного) слоя угольный массив в плоскости, проходящей по линии контакта штрека с очистным забоем, разупрочняют в зоне работы очистного комплекса, мощность нижнего (подсечного) наклонного слоя принимают исходя из коэффициента кратности соотношения верхнего слоя к нижнему, в пределах 2,2-3,8, при этом мощность верхнего слоя принимают не менее величины, определяемой из выражения (обозначения те же, что и выше). Кроме того, при разупрочнении массива верхнего слоя частично разупрочняют верхнюю часть угольного целика над выемочным штреком, снимая напряжения и разгружая угольный целик и крепь штрека от горного давления.

Для установления рациональных параметров отрабатываемых одновременно слоев в восходящем порядке применительно к условиям пласта 1У-У шахты “Усинская” (мощность 9,6 м, угол залегания 6°) были проведены исследования с использованием методов математического моделирования. Этим методом был определен один из важных показателей, характеризующий деформационное состояние верхнего слоя, коэффициент кратности соотношения верхнего слоя к нижнему. Коэффициент кратности слоев изменялся в пределах от 1,4 до 8,6, мощность нижнего слоя изменялась через 1 м. В результате установлено, что рациональную величину коэффициента кратности мощностей слоев пласта целесообразно принимать в пределах от 2,2 до 3,8. Исходя из этого мощность подсечного слоя выбирается в пределах от 2-х до 2,8 м.

Рациональность вышеустановленных параметров также подтверждена исследованиями влияния следующих факторов:

- деформаций растяжения угля верхнего слоя в зоне разгрузки и сжатия в зоне опорного давления;

- высоты зоны беспорядочного обрушения пород при отработке подсечного слоя;

- запаса мощности активной кровли при отработке подсечного слоя;

- влияния резких осадок кровли на геомеханическую опасность в зоне подсечного слоя.

Приведенные данные подтверждают, по нашему мнению, что предлагаемая технология отработки мощного пологого пласта угля соответствует критерию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема отработки выемочного столба в плане, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

Согласно изобретению мощный угольный пласт с труднообрушаемыми породами кровли отрабатывается одновременно двумя наклонными слоями с применением очистных механизированных комплексов 1 и 2. Очистной механизированный комплекс 1 работает в наклонном слое у почвы пласта, опережая комплексно-механизированный забой 2 на расстояние L - зону активного сдвижения горных пород. Оба механизированных очистных забоя 1 и 2 отрабатываются на одни и те же выработки - конвейерный 3 и вентиляционный 4 штреки, подготовленные с бремсберговых или уклонных выработок 5 и 6. Механизированный очистной забой 2 часто называется верхним слоем (в том числе и у нас), хотя отрабатывается он на уровне нижнего слоя 1.

При одновременной отработке обоих слоев для интенсивного проветривания верхнего слоя 2 между конвейерным штреком 3 отрабатываемого выемочного столба и вентиляционным штреком 7 смежного (подготавливаемого) выемочного столба в зоне опережения нижним слоем 1 верхнего слоя 2 с определенным интервалом, равным зоне активного сдвижения горных пород, проводят вентиляционные сбойки 8, которые после прохода их мехкомплексом 2 погашают, возводя перемычки 9.

При одновременной отработке мощного пологого пласта двумя наклонными слоями, когда верхний слой 2, подработанный нижним слоем 1, опускается на почву отработанного нижнего слоя 1 и вынимается на выработки нижнего слоя, требуется строгое соблюдение параметрических зависимостей при соотношении мощностей верхнего и нижнего слоев. Так, наиболее благоприятно геомеханические явления и процессы протекают при коэффициенте кратности соотношения мощности верхнего слоя в пределах 2,2-3,8, при этом мощность верхнего слоя не должна быть менее величины, определяемой из выражения

где М_ВС - мощность верхнего слоя, м,

М_НС - мощность нижнего слоя, м,

К_Р - коэффициент разрыхления угля, равный 1,4.

Для снижения зависаний угольного массива верхнего слоя 2 в краевых частях забоя нижнего слоя 1 и улучшения условий его перепуска угольный массив верхнего слоя разупрочняют в плоскости, проходящей по линии контакта штреков 3 и 4 с очистным забоем. При этом частично разупрочняют верхнюю часть угольного целика над штреками, снижая напряжения и разгружая угольный целик и крепь штрека от горного давления.

Разупрочнение угольного массива верхнего слоя на границе выемочных штреков с очистным забоем производят либо путем взрывания шпуровых зарядов ВВ камуфлетного типа, либо путем гидроразрыва пласта, либо путем комбинированного воздействия на угольный массив гидростатическим напором воды и энергии взрыва ВВ.

Наибольшая эффективность предлагаемой технологии достигается тогда, когда верхний слой 2 отрабатывается механизированным очистным комплексом с выпуском подкровельной пачки угля, при этом достигается высокой нагрузки на забой - 10000 т в сутки и более. При этом такое достижение возможно только при одновременной работе угольного комбайна в подсечном слое и выпуске угля из подкровельной пачки.

При выборе очистных механизированных комплексов для нижнего подсечного слоя 1 и верхнего слоя с выпуском подкровельной пачки угля необходимо руководствоваться следующими требованиями. Механизированная крепь подсечного слоя должна обеспечивать надежную защиту горнорабочих, позволить обеспечивать высокую нагрузку на очистной забой, которая соответствует мировым достижениям и стандартам, дать возможность безопасного передвижения рабочих по забою и иметь необходимые условия и удобства для управления технологическими процессами в очистном забое. Для исключения эндогенных пожаров и скоплений метана в трещинах и куполах подкровельной пачки механизированная крепь должна обеспечивать полноту выпуска угля из подкровельной пачки и надежное проветривание очистного забоя. Этим требованиям отвечает механизированная крепь поддерживающе-оградительного типа со следующими силовыми параметрами: рабочее сопротивление секции не менее 6000 кН, нагрузка на поддерживающую часть до 1000 кН/м², ограждающая часть секции 850-900 кН/м². Для обеспечения надежного разрушения угля в подкровельной пачке пласта силами горного давления и выпуска его крепь должна иметь следующие геометрические параметры: ширина секции крепи - не менее 1,8 м, длина секции - не менее 7,0-7,5 м, длина поддерживающей части секции 4,5-5,0 м, оградительной части - 2,4-2,5 м. Ограждающая часть должна быть управляемой с использованием для этих целей мощных гидродомкратов с усилием 1600-1800 кН. Под секциями крепи должны размещаться два конвейера: забойный и завальный, проход для людей, место для расположения пультов управления технологическими процессами в забое и машинами комплекса.

Предлагаемая технология разработки мощных пологих угольных пластов обладает следующими достоинствами: обеспечивается высокая нагрузка на очистной забой - до 10 тыс. т угля в сутки, высокая концентрация горных работ в сочетании с высокой нагрузкой на очистной забой позволяет успешно отрабатывать мощные пожароопасные угольные пласты, при опережающей выемке нижнего наклонного слоя по отношению к верхнему слою достигается хорошее разупрочнение угольного массива, его дегазация и естественное разрушение угля за счет использования сил горного давления.

При отработке мощных пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию, выемочные столбы нарезаются шириной 100-150 м с отработкой их как по падению пласта (до 12-15°), так и по простиранию, длина выемочных столбов составляет 1000-12000 м, ограничивающим фактором является пожароопасность угольных пластов Кузбасса.

Характерной особенностью технологии является отработка верхнего слоя 2 с выпуском и подкровельной пачки угля, при этом важным моментом является вопрос выбора правильного направления выпуска угля. Целесообразным является вариант, когда направление движения воздуха в забое и направление выпуска угля совпадают. При обработке пласта столбами по падению правильное решение этого вопроса не представляет трудностей.

При отработке пласта столбами по простиранию выпуск угля в направлении от конвейерного к вентиляционному штреку, совпадающий с направлением движения воздушной струи, является неэффективным и длительным. При выпуске угля из-под вышестоящей секции значительная часть угля по оголенным нижерасположенным секциям уходит в завал. В зависимости от угла падения пласта куски угля набирают высокую скорость и часто через межсекционные зазоры попадают под крепь и представляют серьезную опасность для обслуживающего персонала. В этом случае целесообразно выпуск угля производить в направлении от вентиляционного штрека к конвейерному.

Источники информации

1. А.с. СССР № 662715, E 21 C 41/18, 1978.

2. А.с. СССР № 899954, E 21 C 41/18, 1979.

3. Патент РФ № 2039262, E 21 C 41/18, 1995.

Формула изобретения

1. Способ разработки мощных пологих угольных пластов с труднообрушаемыми породами кровли, включающий одновременную отработку двумя наклонными слоями в восходящем порядке длинными столбами с опережением нижним наклонным слоем верхнего на величину зоны активного сдвижения горных пород с отработкой обоих слоев на выработки нижнего слоя с последующим их погашением, отличающийся тем, что при отработке нижнего наклонного слоя угольный массив верхнего слоя в плоскости, проходящей по линии контакта штрека с очистным забоем, разупрочняют в зоне работы очистного комплекса, мощность нижнего наклонного принимают, исходя из коэффициента кратности соотношения верхнего слоя к нижнему, в пределах 2,2-3,8, при этом мощность верхнего слоя принимают не менее величины, определяемой из выражения

где М_ВС - мощность верхнего слоя, м;

М_НС - мощность нижнего слоя, м;

К_Р - коэффициент разрыхления угля, равный 1,4.

2. Способ разработки по п.1, отличающийся тем, что при разупрочнении угольного массива верхнего слоя частично разупрочняют верхнюю часть угольного целика над выемочным штреком, снимая напряжения и разгружая угольный целик и крепь штрека от горного давления.

3. Способ разработки по п.1 или 2, отличающийся тем, что разупрочнение угольного массива на границах выемочных штреков с очистным забоем производят либо путем взрывания шпуровых зарядов ВВ камуфлетного типа, либо путем гидроразрыва пласта, либо путем комбинированного воздействия на угольный массив гидростатическим напором воды и энергии взрыва ВВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3