Сборник «Инновационные технологии РМПИ» вып №3, 2017 by Кафедра РМПИ ДонНТУ (г. Донецк)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Горный факультет Кафедра «Разработка месторождений полезных ископаемых»

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

№3 (2017)

http://gf.donntu.ru/krpm/

по материалам межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов

«ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ»

Донецк 2017

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Горный факультет Кафедра «Разработка месторождений полезных ископаемых»

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

№3 (2017) (Электронное издание)

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ по материалам межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов

г. Донецк, 24-25 мая 2017 г.

Донецк 2017

УДК 622.001.76 (082) И 66 Инновационные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: сб. науч. труд. Вып. 3 / редкол.: Н. Н. Касьян [и др.]. – Донецк, ДонНТУ: 2017. – 305 с. Представлены материалы научных разработок студентов, аспирантов и молодых ученых, которые обсуждались на межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов в рамках проведения третьего международного научного форума ДНР «Инновационные перспективы Донбасса». Сборник предназначен для научных и инженерно-технических работников угольной промышленности, аспирантов и студентов горных специальностей. Статьи публикуются в авторской редакции, ответственность за научное качество материала возлагается на авторов. Конференция проведена на базе ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) 24-25 мая 2017 г. Организатор конференции – кафедра разработки месторождений полезных ископаемых Горного факультета ГОУВПО «ДонНТУ». Организационный комитет: Касьян Николай Николаевич – председатель конференции, д-р техн. наук, профессор. заведующий кафедрой РМПИ; Новиков Александр Олегович – зам. председателя конференции, д-р техн. наук, профессор кафедры РМПИ; Касьяненко Андрей Леонидович – секретарь конференции, ассистент кафедры РМПИ. Члены организационного комитета: Петренко Юрий Анатольевич д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры РМПИ; Кольчик Евгений Иванович – д-р техн. наук, профессор профессор кафедры РМПИ; Шестопалов Иван Николаевич – канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры РМПИ.

Редакционная коллегия: Касьян Н. Н. – д-р техн. наук, проф., зав. кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых». Новиков А. О. – д-р техн. наук, проф., профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых». Петренко Ю. А. – д-р техн. наук, проф., профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых». Кольчик Е. И. – д-р техн. наук, проф., профессор кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых». Костюк И. С. – канд. техн. наук, доц., доцент кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых». Касьяненко А. Л. – ассистент кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых». Компьютерная верстка: Агарков А.В., Муляр Р.С. Контактный адрес: Донецкая Народная Республика, г. Донецк, ул. Артема, 58, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донецкий национальный технический университет», 9-й учебный корпус, Горный факультет, кафедра «Разработка месторождений полезныхископаемых», каб. 9.505, тел.: +3(8062)300-2475, 301-0929, Contact info: Donetsk People's Republic, Donetsk city, 58 Artyom Street, State educational institution of higher professional education «Donetsk national technical university», Faculty of mining, Mineral deposits engineering department, 9th corps, 5th floor, 505 cab. Теl.: +3 (8062) 300-2475, 301-0929 E-mail: rpm@mine.donntu.ru WWW: http://gf.donntu.ru/krpm

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.288:553.1

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕКРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК С ИСКЛЮЧЕНИЕМ ИЗЛИШНЕГО ВЫПУСКА ПОРОДЫ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования данных научных исследований в областях геомеханики и технологии ремонта горных выработок. Приведены основные недостатки существующих технологий ведения ремонтных работ и предложен комплексный подход к их решению. Даны системные предложения и экспериментально обоснована новая технология перекрепления выработки. Основными недостатками существующих технологий ведения ремонтных работ является высокая трудоемкость и травмоопасность, связанные с отсутствием механизации основных процессов и наличием неуправляемого выпуска породы при извлечении «старой» крепи. Поэтому ведение ремонтных работ приводит к интенсификации деформационных процессов во вмещающем массиве в послеремонтный период. Поэтому решение данной технической задачи необходимо искать в комплексном подходе к проблеме. С одной стороны необходимо совершенствовать технологию ремонта выработок, с целью повышения безопасности работ, снижения их стоимости и трудоемкости. С другой стороны она должна минимально нарушать сложившееся в массиве, к моменту ремонта, равновесное состояние и обеспечивать устойчивое состояние выработок в послеремонтный период. Идея новой технологии перекрепления выработок заключается в том, что с помощью технических средств в зоне возможного обрушения пород за пределами проектного контура восстанавливаемой выработки создается распор, способствующий за счет увеличения силы трения между породными фрагментами обеспечить их самоподдержание. Схема реализации предлагаемой технологии перекрепления выработки приведена на рисунке 1. Сущность ее заключается в том, что в зону возможного обрушения пород 5 со стороны старой крепи 3 проводятся скважины 4, в которых создается

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

распор на участке от границы зоны возможного обрушения до проектного контура новой крепи 2. После расширения старой выработки 3 устанавливается новая крепь 2.

Рис. 1 – Предлагаемый способ предотвращения обрушения пород в перекрепляемой выработке: 1 – зона разрушенных пород; 2 – новая крепь; 3 – старая крепь; 4 – скважины для создания распора в породах; 5 – зона возможного обрушения пород

Для обоснования технической возможности реализации данного способа были проведены лабораторные эксперименты. Идея эксперимента заключалась в определении минимального распора, создаваемого внутри разрушенных пород для обеспечения самоподдержания заданного их объема. Для проведения исследований была создана установка (рис. 2) состоящая из следующих элементов: 1 – емкость заданного объема; 2 – элемент, создающий распор в породе; 3 – гибкий шланг. В качестве разрушенной породы при проведении исследований применялся щебень, с размером фракции до 20 мм и насыпным весом 1,2 т/м3. Для создания сил трения между разрушенной породой и стенками емкости 1, последние перфорировались на высоту засыпки породы. Давление в распорном элементе 2 создавалось с помощью водяного столба (рис. 3). В отрабатываемых структурных моделях соблюдались следующие критерии подобия: 1. Геометрическое подобие м = const , Lн

где  м и Lн – линейные размеры соответственно в модели и в натуре, м.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

2. Равенство объемного веса материала модели ( γ м ) и разрушенных пород ( γ п ) γ м = γп.

3. Силовое подобие  Р м =  м  Lн

 γм  ⋅ ⋅ Р н , Н,  γн

где Рм, Рн – величина силы соответственно в модели и в натуре, кН; γ м , γ н – объемный вес соответственно материала модели и горных пород, Н/м3.

Рис. 2 – Общий вид установки для лабораторных исследований: 1 – емкость заданного объема; 2 – элемент, создающий распор в породе; 3 – гибкий шланг

4. Подобие механических характеристик

Nм =

 м γм ⋅ ⋅ Nн , Lн γ н

где N м и N н – механические характеристики соответственно в модели и в натуре, кПа. Последовательность проведения эксперимента была следующая. В емкость 1 устанавливался распорный элемент 2, подсоединенный к гибкому

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

шлангу 3. Затем, в емкость 1 засыпалась разрушенная порода. Для предотвращения высыпания породы при переворачивании емкости, со стороны свободной поверхности породы, с помощью надувного резинового шара, создавался временный распор. После этого, в гибкий шланг 3 заливалась вода, заполняющая распорный элемент 2 и создающая в нем давление. При проведении эксперимента, максимальная высота столба жидкости принималась 1,5÷2,0 м. После создания давления в распорном элементе 2, емкость 1 переворачивалась и удалялся временный распор со стороны свободной поверхности породы. Постепенно понижая давление в распорном элементе (уменьшая высоту столба жидкости), фиксировались давление, при котором происходило обрушение, и вес обрушенной породы. Каждый эксперимент повторялся не менее 5 раз.

Рис. 3 – Вид установки при проведении эксперимента

Результаты исследований с использованием в качестве разрушенной породы щебня, представлены в таблице 1.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Таблица 1 – Результаты экспериментов с использованием щебня Высота столба воды, см 51 64 55 70

Давление в распорном элементе (q), кПа 5,1 6,4 5,5 7,0

Объем обрушенной породы (V), см3 200 260 220 267

Вес обрушенной породы (Р), Н 2,40 3,10 2,63 3,20

Р ⋅ 10 −3 , q м2

V ⋅ 10 −9 , q м5/Н

47 48 48 46

39 41 40 38

Как видно из приведенных данных, отношение давления в распорном элементе к весу (объему) обрушенной породы во всех экспериментах практически постоянное. Учитывая равенство насыпных весов материала модели и натуры, можно предположить, что вышеуказанные соотношения будут выдерживаться и в натуре. Исходя из принятого геометрического масштаба моделирования 1:10, при проведении исследований имитировалась область разрушенных пород цилиндрической формы с радиусом 0,5 м, удерживаемая от обрушения распорным элементом. Тогда, исходя из условий силового подобия, необходимое распорное давление в натуре будет равно 3

L  γ Р н = Р м ⋅  н  ⋅ н , кПа.   м  γм

Среднее значение необходимого распора, создаваемого в модели, составляет 6 кПа, что соответствует в натуре 6 МПа. Подводя итог, можно сделать следующие выводы и рекомендации: 1. Устойчивость выработки после ее перекрепления зависит от наличия полостей за пределами ее проектного контура, образующихся при излишнем выпуске породы. 2. Размер зоны неупругих деформаций, образующейся вокруг выработки после перекрепления, описывается степенной зависимостью от размера полости, образовавшейся при излишнем выпуске породы, и физико–механических свойств материала, которым полость заполняется. При этом, в случае, когда образовавшаяся полость не заполняется, размер зоны неупругих деформаций увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с ситуацией, когда полость отсутствует, либо в ней возведена поддерживающая конструкция.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

3. Предложена и экспериментально обоснована новая технология перекрепления выработки, сущность которой заключается в том, что с помощью технических средств, в зоне возможного обрушения пород за пределами проектного контура в перекрепляемой выработке создается распор, который за счет увеличения сил трения между породными фрагментами обеспечивает их самоподдержание.

Библиографический список 1. Якоби, О. Практика управления горным давлением ; пер. с нем. / О. Якоби – М. : Недра, 1987. – 566 с. 2. Широков, А. П. Анкерная крепь: справочник / А. П. Широков. – М. : Недра, 1990. – 295 с. 3. Широков, А. П. Теория и практика применения анкерной крепи / А. П. Широков – М. : Недра, 1981. – 381 с. 4. Фармер, Я. Выработки угольных шахт / Я. Фармер ; пер. с англ. Е. А. Мельников. – М. : Недра, 1990. – 269 с. 5. Виноградов, В. В. Геомеханика, мониторинг и основы технологии опорного крепления горных выработок / В. В. Виноградов / Уголь Украины. – 2000. – №9. – С. 7–12. 6. Бабиюк, Г. В. Способ создания армо-породных грузонесущих конструкций в кровле подготовительных выработок / Г. В. Бабиюк, A. A. Лео-нов // Строительство шахт, механика и разрушение горных пород : сб. науч. тр., Донбасский горно-металлургический институт. – Алчевск : ДГМИ, 1996. – С. 136–144. 7. Клюев, А. П. Перспективные способы управления состоянием разрушенного массива вокруг выработки на больших глубинах / А. П. Клюев, H. H. Касьян, Ю. А. Петренко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1998. – №2. – С. 21–25. 8. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 9. Новиков, А. О. Метод расчета параметров анкерных породо-арми-рующих систем для крепления горных выработок / А. О. Новиков // Научно-технический сборник «Разработка рудных месторождений» / Криворожский технический университет. – Кривой Рог, 2010. – №93. – С. 260–264. 10. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 11. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков //

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 12. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115. 13. Новиков, А. О. Исследование механизма взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом для обоснования методики расчета ее параметров / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Известия Тульского государственного университета / Тульский государственный университет. – Тула : Гриф и К, 2009. – Вып. 4: Естественные науки. Серия "Науки о Зем-ле". – С. 104–109. 14. Новиков, А. О. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку, закрепленную анкерной крепью / А. О. Новиков, И. Г. Сахно // Известия Донецкого горного института / Донецкий национальный технический университет. – Донецк, 2007. – №1. – С. 82–88.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.284.7

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АНКЕРНЫХ КРЕПЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведен анализ состояния горных выработок угольных шахт Донбасса. Изложена новая концепция взаимодействия анкерной крепи и вмещающего массива, и установлен механизм деформирования армопородной конструкции, возводимой в подготовительной выработке. Угольная промышленность является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, важнейшая задача которой в условиях рыночной экономики состоит в повышении эффективности производства и снижении себестоимости продукции. На сегодняшний день техническое состояние шахтного фонда угольной промышленности Донбасса продолжает ухудшаться, поскольку 80% угольных шахт работают без реконструкции уже более 20-30 лет. Учитывая также ежегодные потери производственных мощностей, для выполнения поставленных перед промышленностью задач необходимо резко увеличивать объемы проведения горных выработок, среди которых 70-80% занимают вскрывающие и подготовительные. За последние 20 лет количество шахт, ведущих разработку угля на глубине более 700 м, выросло в 2 раза. Увеличение глубины разработки угольных пластов, развитие на них очистных работ приводит к интенсивному воздействию горного давления на устойчивость подземных выработок через различные формы его проявления, которые зависят от совокупности влияния целого ряда горно-геологических и горнотехнических факторов, присущих условиям каждой шахты. Несмотря на снижение протяженности горных выработок угольных шахт Донбасса в связи с интенсивным их закрытием за последние годы и увеличением затрат на ремонт этих выработок, состояние последних не улучшается. В среднем, 15% из них по протяженности на конец каждого года не удовлетворяет эксплуатационным требованиям. Одной из основных причин такого положения является высокая трудоемкость работ по содержанию выработок при весьма низком (1,5-2%) уровне их механизации. На сегодняшний день около 90% поддерживаемых на шахтах выработок закреплены металлической арочной податливой крепью. Более половины от протяженности этих выработок деформированы. *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Крепление арочной крепью имеет ряд недостатков. Во-первых, она не поддерживает выработку до тех пор, пока вмещающие породы не разрушатся и не начнут смещаться в выработку, нагружая рамы крепи. То есть, крепь работает в пассивном режиме и не препятствует разрушению вмещающего массива. Кроме вышесказанного недостатками применения арочной крепи также являются: 1. Большая металлоемкость. 2. Крепь не включается в работу сразу после обнажения породного контура выработки. 3. Невозможность полной механизации процесса крепления (затяжка рам и забутовка закрепного пространства производится вручную). Трудоемкость процесса крепления выработки арочной крепью достигает 80% от общей трудоемкости проведения выработки. 4. Традиционная конструкция арочной крепи не соответствует условиям ее нагружения (нет соосности между направлением податливости крепи и направлением наибольших смещений контура выработки). Кардинально улучшить технические и технологические, а также экономические показатели работы шахт, а также состояние горных выработок можно путем применения анкерной крепи. На угольных шахтах за рубежом происходит неуклонное увеличение объемов применения анкерного крепления, доля которого уже на сегодня имеет следующие показатели: • Австралия – 87%; • КНР – 83 %; • США – 52 %. Данный способ позволяет: 1) В 5–10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона и леса. 2) В 3–5 раз повысить производительность работ при креплении выработок. 3) В 2–3 раза повысить темпы проходки, и вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии в период эксплуатации. К примеру, использование анкерной крепи на шахтах Великобритании позволило снизить долю затрат на проведение выработок в себестоимости 1 т угля с 42% (при металлоарочном креплении) до 15% (при анкерном креплении). При этом темпы проведения выработок составили 650-680 м/месяц. Для внедрения так называемого мирового опыта на шахтах Донбасса еще в 1997 году была создана программа «Анкер», в которой одним из приоритетных направлений снижения затрат на добычу угля есть разработка, изготовление и внедрение новых технологий использования анкерной крепи. Несмотря на определенные успехи, общий объем крепления выработок анкерной крепью в настоящее время составляет не более 70 км. Вероятно, основной причиной, препятствующей широкому внедрению анкерного крепления на шахтах Донбасса, является недостаточное понимание

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

ее главной роли в процессе поддержания выработки и как следствие, отсутствие нормативной базы по обоснованию параметров анкерной крепи. На сегодняшний день расчет параметров анкерной крепи производится в соответствии с требованиями нормативных документов [1,2,3,4], в основу которых положены представления об анкерной крепи как о несущей конструкции, работающей по схемам «Подшивка» и «Сшивка». Исходя из этого, расчет параметров производится по методике, предполагающей, что нагрузка на крепь формируется за счет разрушения вмещающего выработку массива и смещений пород в полость выработки. Это приводит к ограничению спектра применения анкерной крепи второй категорией устойчивости выработок, когда смещения контура не превышают 200 мм, и завышению значений плотности установки анкеров, что делает применение анкерной крепи экономически нецелесообразным. На наш взгляд, механизм работы анкерной крепи заключается не в представлении об анкерах, как о несущей конструкции типа рамы, а как об элементах, изменяющих структуру массива, и препятствующих его разрушению, т.е. формированию вокруг выработки зоны разрушенных пород. Применяемое в настоящее время радиальное расположение анкеров является самым нерациональным, т.к. область влияния анкеров на массив в этом случае минимальная. В связи с этим, разработанные и испытанные в ДонНТУ пространственные схемы анкерования массива позволяют при минимальном количестве анкеров максимально использовать несущую способность породного массива. С целью установления механизма деформирования породного массива, армированного анкерами, в максимально приближенных к реальным условиям работы крепи, при различных схемах пространственного анкерования, были проведены лабораторные исследования. Они проводились на образцах из цементно–песчаных растворов [5]. Изготавливались кубические образцы 55х55х55 мм, которые моделировали участок породного массива, объемом 1 м3. Моделировались горные породы прочностью 30, 40 и 50 МПа, залегающие на глубинах 800, 1200 и 1600 м. В моделируемом участке породного массива располагались 4 анкера из стальной проволоки, диаметром 1 мм. Схемы пространственного размещения анкеров в моделях представлены на рисунке 1. Для каждой из 6 схем пространственного армирования массива, различной глубины заложения и прочности вмещающих пород, испытывалось по 3 образца с последующим усреднением полученных результатов (всего 189 образцов). При испытаниях использовалась схема Беккера. Первоначально в образцах, прочностью 30, 40 и 50 МПа в массиве создавалось гидростатическое поле напряжений, имитирующее глубину заложения 800, 1200 и 1600 м. Затем, в направлении действия напряжений σ1 производилась полная разгрузка с под-

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

держанием величин напряжений σ2, σ3 на первоначальном уровне. В дальнейшем, по специально разработанной программе рассчитывались средняя величина действующих напряжений, средние относительные деформации, величина остаточной прочности образца (σсрост), предельные относительные деформации в направлении действия σ1 при разгрузке (ε1р), предельные относительные объемные деформации (ΔV/V)р , модули упругости (Е) и спада (М).

Рис. 1 – Общий вид схем армирования образцов

Для оценки характера разрушения массива горных пород, армированного различными пространственными схемами анкерования, использовался критерий Нодаи-Лоде [6]. Он позволил оценить по величинам μ σ и με конечный вид напряженного и деформированного состояния в армированном массиве при обобщенном растяжении. Значения параметров μσ, με рассчитывались по формулам: μσ = 2[(σ2-σ3)/(σ1-σ3)] – 1;

(1)

με = 2[(ε2-ε3)/(ε1-ε3)] – 1,

(2)

где σ1, σ2, σ3 – значение главных нормальных напряжений, действующих в модели; ε1, ε2, ε3 – относительные продольные деформации, действующие в направлениях приложения соответствующих главных напряжений. Поскольку все образцы при испытаниях по критериям Нодаи–Лоде переходили от обобщенного сжатия к обобщенному растяжению, то для оценки деформационного и напряженного состояния образцов с различными схемами армирования строились графики зависимости με=f(ε1) и μσ=f(σ1). По результатам испытаний строились также графики зависимостей: σср=f(εср), σ1=f(ε1), σ1– σср=f(ε1–εср). Для анализа полученных результатов представлены они в более удобной табличной форме (таблицы 1–3).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Таблица 1 – Сравнительные деформационные характеристики моделей заанкерованного массива горных пород при испытаниях на обобщенное растяжение (прочность 30 МПа, глубина 800 м)

Таблица 2 – Сравнительные деформационные характеристики моделей заанкерованного массива горных пород при испытаниях на обобщенное растяжение (прочность 30 МПа, глубина 1200 м)

Таблица 3 – Сравнительные деформационные характеристики моделей заанкерованного массива горных пород при испытаниях на обобщенное растяжение (прочность 30 МПа, глубина 1600 м)

Как видно из данных, представленных в таблицах 1–3, использование в массиве пространственных анкерных породо–армирующих систем (АПАС),

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

приводит к увеличению остаточной прочности в 1,6 раза, позволяет увеличить модуль упругости в 1,3 раза, уменьшить модуль спада на 86 %, увеличить на 47 % относительные объемные деформации при разрушении по сравнению с массивом, армированным радиально расположенными анкерами. Установлено также, что армирование пород позволяет увеличить предельные относительные деформации пород при разгрузке в 2,6 раза, а величину остаточной прочности в 2,4 раза по сравнению с не армированными породами. По совокупности вышеназванных показателей худшей является радиальная схема армирования (схема 1), а лучшими – схемы №6, №5 и №4, которые на более поздней стадии разгрузки образца при испытаниях меняют характер деформационного состояния с обобщенного сжатия на обобщенный сдвиг. Уменьшение значений модуля спада и увеличение предельных относительных объемных деформаций в образцах, армированных с использованием пространственных схем, позволяет говорить о возможности существенно влиять на величину пластической составляющей деформаций пород с АПАС на стадии запредельного деформирования. Полученные выводы хорошо согласуются с результатами выполненных ранее работ В.Т.Глушко [7], в которых установлены факты повышения остаточной прочности пород при их анкеровании до 2,5 раз (в зависимости от плотности анкерования) и перехода заанкерованных пород после разрушения к пластическому деформированию. Анализируя полученные зависимости μσ=f(σ1) для моделируемых прочностей пород 30, 40 и 50 МПа и глубин заложения 800, 1200 и 1600 м, установлено, что в зависимости от схемы армирования, при разгрузке на 49–56% от величины первоначально действующих напряжений, происходит изменение вида напряженного состояния пород из обобщенного сжатия (μσ=+1) в обобщенный сдвиг (μσ=0). При дальнейшей разгрузке образцов вид напряженного состояния быстро приближается к обобщенному растяжению (μσ = –1). Можно также отметить, что с увеличением уровня гидростатического давления в образцах до начала их разгрузки, резко падает влияние схем анкерования на величину остаточной прочности пород, в то время как влияние того же показателя на снижение модуля спада остается наиболее существенным. Анализ напряженного и деформационного состояния образцов при моделировании их разгрузки (удаление забоя от места установки анкеров) показал, что деформационное состояние достаточно точно соответствует напряженному состоянию μσ = με [8]. Визуальный анализ состояния образцов после испытаний показал, что под некоторым углом к плоскости разгрузки (до 300) образуются трещины сложного сдвига. Плоскости разрушения направлены под углом к максимальному сжимающему напряжению (σ2=σ3), а в некоторых случаях почти параллельны плоскости разгрузки (кровле выработки). Разрушение образцов происходит, как правило, в виде отрыва или в комбинации отрыва со сдвигом.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Следует также отметить, что с ростом уровня гидростатического давления в армированных образцах, меняется и механизм их разрушения, проявляющийся в увеличении степени влияния сдвигающих деформаций при снижении влияния деформаций отрыва, что хорошо согласуется с результатами исследований [9]. Применение АПАС позволяет улучшить и другие механические характеристики пространственно армированных пород по сравнению с наиболее распространенной радиальной схемой расположения анкеров. Так, прочность на одноосное сжатие и растяжение увеличиваются до 1,3 раза; коэффициент сцепления – в 1,2 раза; угол внутреннего трения – на 2–40, остаточную прочность – в 1,4–1,7 раза. Это позволяет сделать вывод о том, что размещение в массиве пространственной совокупности армирующих элементов изменяет ряд параметров, характеризующих его структурно-механические характеристики, создает препятствия разрушению и дает возможность управлять формированием вокруг выработки зоны разрушенных пород. Получены предварительные данные (на основании аналитических расчетов и экспериментальных исследований), которые позволяют прогнозировать уменьшение на 20–40 % размеров зоны разрушения вокруг подготовительных выработок и величин ожидаемых смещений пород в 2–4 раза. С целью проверки результатов лабораторных исследований и уточнения механизма деформирования породного массива, армированного пространственными анкерными системами, проводились шахтные инструментальные наблюдения в подготовительных выработках по пластам k8н ,m51в и m40 шахты «Добропольская» [10,11,12]. Наблюдения за состоянием выработок и вмещающих пород проводились с момента их проведения. Состояние выработок оценивалось визуально, а характер деформирования вмещающих пород – путем наблюдения за смещениями глубинных реперов. Всего в выработках было оборудовано 23 замерных станции, наблюдения на которых осуществлялись в течение трех лет и в настоящее время продолжаются. В результате был установлен следующий механизм деформирования породного массива, армированного анкерами. До момента начала ведения очистных работ, деформации контура выработки не значительные. Максимальные смещения кровли составляют до 180 мм, а боков – до 350 мм. Очевидно, связано это с наличием в боках выработки слабых вмещающих пород. В целом, состояние выработки хорошее. Деформирование пород в глубине массива носит следующий характер. До момента включения анкеров в работу (2–8 суток) разрушения в кровле происходят от контура выработки на глубину до 0,5 м. Затем разрушаются породы в глубине массива, за пределами заанкерованной области. Заанкерованная область пород практически не разрушается, а смещается единым блоком в сторону выработки. В боках выработки разрушения пласта и пород происходят на глубину до 2,5 м и проявляются в виде выдавливания

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

верхней пачки угля и пород непосредственной почвы пласта. При этом деформирование носит пластический характер. На расстоянии 70–80 м впереди лавы происходит активизация смещений как в кровле, так и в боках выработки. Причем на расстоянии 30–40 м впереди очистного забоя начинается разрушение пород в пределах заанкерованной области в направлении от внешней ее границы в сторону контура. Этот процесс развивается по мере приближения лавы к замерной станции и завершается после прохода лавы. Разрушение заанкерованной области проявляется в виде расслоений, заколов на контуре выработки. Однако эта область не теряет своей несущей способности и продолжает смещаться в полость выработки единым блоком. Смещения контура кровли, при этом, в створе лавы не превышают 350 мм. На расстоянии 10–15 м позади лавы происходит разрушение деревянных стоек крепи за счет выдавливания боковых пород и плавное опускание заанкерованной области на выдавленную из боков выработку породу. Полученные в результате исследований результаты положены в основу нормативного документа по использованию анкерного крепления для обеспечения устойчивости горных выработок. Предлагаемая в нем концепция взаимодействия анкерной крепи с массивом и механизм работы пространственных АПАС позволяют не только существенно расширить область применения этого вида крепи как самостоятельной конструкции, но и рассчитать его рациональные параметры, обеспечивающие при минимальном количестве анкеров максимальное использование несущей способности породного массива и устойчивость выработок с анкерным и комбинированным – рамно–анкерным креплением.

Библиографический список 1. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. – Изд. 4–е, дополненное. Л., 1986. – 222 с. 2. КД 12.01.01.201–98. Расположение, охрана и поддержание горных выработок при отработке угольных пластов на шахтах. Методические указания, 1998. – 149 с. 3. КД 12.01.01.501–98. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования. 4. СОУ–П10.1.05411357.010. Система обеспечения надежного и безопасного функционирования горных выработок с анкерным креплением. Общие технические требования, 2007. – 62 с. 5. Кузнецов, Г. И. Изучение проявлений горного давления на моделях. / Кузнецов Г. И., Будько М. Н., Филиппова А. А., Шклярский М. Ф. – Углетехиздат, 1959. – 151 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

6. Надаи, А. Пластичность и разрушение твердых тел. / пер. с англ. Под ред. Г. С. Шапиро, Т.1. – М. : Иностр. литература, 1954. – 647 с. 7. Глушко, В. Т. Реология горного массива. / Глушко В. Т., Чередниченко В. П., Усатенко Б. С. – Киев : Наук. Думка, 1981. – 172 с. 8. Алексеев, А. Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений. / А. Д. Алексеев, В. Н. Ревва, Н. А. Рязанцев. – Киев : Наукова думка, 1989. – 168 с. 9. Ревва, В. Н. Экспериментальные исследования горных пород в условиях объемного неравнокомпонентного нагружения // Горнометаллургические проблемы Донбасса: Сб. научн. тр. / ДНТУ – Донецк: ИНФО. – 1995. – №1. – С. 46–58. 10. Плетнев, В. А., Касьян, Н. Н., Петренко, Ю. А., Новиков, А. О., Сахно, И. Г. Результаты внедрения анкерных систем для поддержания горных выработок на шахте «Добропольская» // Геотехнологии и управление производством ХХI века. Монография в 2-х томах. ДонНТУ, ДЦНПГО, 2006. – С. 39–44. 11. Новиков, А. О., Сахно, И. Г. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку, закрепленную анкерной крепью // Известия Донецкого горного института. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – №1. – С. 82–88. 12. Новиков, А. О., Гладкий, С. Ю., Шестопалов, И. Н. Об особенностях деформирования породного массива, вмещающего подготовительные выработки с анкерным креплением // Известия Донецкого горного институ-та. – Донецк: ДонНТУ, 2008. – №1. – С. 120–129.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.8

ОБЩИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РЕМОНТА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ШАХТ ГП «ДУЭК» Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведен анализ состояния горных выработок угольных шахт компании «ДУЭК». Изложены основные проблемы и представлена статистика деформаций горных выработок. Установлены причины, приводящие к перебоям в работе и простоям отдельных участков шахт. На сегодняшний день техническое состояние шахтного фонда угольной промышленности Донбасса, к сожалению, продолжает ухудшаться. Увеличение глубины разработки угольных пластов, развитие на них очистных работ приводит к интенсивному воздействию горного давления на устойчивость подземных выработок через различные формы его проявления, которые зависят от совокупности влияния целого ряда горно–геологических и горнотехнических факторов, присущих условиям каждой шахты. Несмотря на снижение протяженности горных выработок угольных шахт Донбасса в связи с интенсивным их закрытием и увеличение затрат на ремонт этих выработок, состояние последних не улучшается. В среднем 15% из них по протяженности на конец каждого года не удовлетворяет эксплуатационным требованиям. Одной из основных причин такого положения является высокая трудоемкость работ по содержанию выработок при весьма низком (1,5–2%) уровне их механизации. Обследование ряда шахт ГП «ДУЭК», результаты которого представлены в табл. 1, показало, что объем деформированных выработок на некоторых шахтах достигает 24% и наблюдается тенденция к его дальнейшему росту. При этом увеличивается объем законсервированных выработок, что связано со снижением уровня добычи и отсутствием средств на ремонт выработок. Анализ результатов обследования по объемам применения различных видов крепи горных выработок показывает, что в настоящее время более 90% из них закреплены арочной податливой крепью, которая не обеспечивает устойчивое состояние (более 79% выработок деформировано). Дополнительные же мероприятия, направленные на повышение их устойчивости, практически не применяются. Сложившееся положение усугубляется снижением объемов ремонтных работ. *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Таблица 1 – Состояние горных выработок на шахтах ГП «ДУЭК» Наименование шахт и шахтоуправлений

Протяженность поддерживаемых горных выработок, м

Деформировано, м

Деформировано, %

Sср, м2

Шахта им. «Скочинского» Шахта им. М.И. Калинина Шахта им. Челюскинцев

101373 108970 92400

18680 13680 20746

21,5 14,7 23,5

12,3 11,6 10,7

С целью выявления основных видов деформации по данным маркшейдерской службы ГП «ДУЭК» был выполнен их анализ, результаты которого представлены в табл. 2. Таблица 2 – Виды деформации в основных горных выработках на шахтах ГП «ДУЭК» Виды выработок Квершлаги Околоствольные дворы Транспортные штреки Вентиляционные штреки

Всего, км 163,5

Из них не соответствует правилам безопасности, км по профилю по рельсового по по всего, сечевсего пути высоте зазорам % нию км % 14,5 2,0 9,4 25,9 15,8 22,1 13,5

42,3

2,6

0,7

1,3

4,6

10,9

6,4

15,1

241,8

20,4

4,5

27,6

52,5

21,7

43,1

17,8

91,8

12,1

1,7

4,2

18,1

19,7

3,8

4,1

Как видно из приведенных данных, наибольший процент деформаций наблюдается в штреках, т.е. в выработках, закрепленных арочной податливой крепью. При этом выработки деформируются как со стороны кровли, так и со стороны почвы выработки. Во многих случаях перекрепление горной выработки не обеспечивает ее последующее устойчивое состояние в результате продолжающегося деформирования вмещающего породного массива, выработку неоднократно приходится перекреплять. Так, например, ходок механической доставки третьей ступени пласта k8 на шахте им. Челюскинцев пройден буровзрывным способом с подрывкой пород почвы. Мощность пласта 0,9–1,1 м. Почва – глинистый сланец с σсж = 42 МПа, кровля – известняк с σсж = 88 МПа. Крепь металлическая, арочная, податливая, трехзвенная типа АП–13,8 (Sсв = 12,8 м2, Sпр= 15,9 м2), шаг установки крепи – 0,8 м. Затяжка железобетонная. Угол залегания пород 16°, приток воды 5 м3/ч. Через 31 месяц после проведения выработки, на участке, длиной 190 м,

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

сечение уменьшилось на 45%. Производилось перекрепление выработки. Затраты на ремонт составили 4760 руб./м. Спустя 21 месяц этот же участок выработки потерял 39% сечения. Стоимость второго ремонта составила 6640 руб./м. Очередной ремонт выработки производился через 25 месяцев при величине при потере выработкой поперечного сечения на 30% (рис. 1). Затраты на перекрепление составили 8480 руб./м. Таким образом, за 5,5 лет эксплуатации выработка ремонтировалась 3 раза с общими затратами 19880 руб./м.

Рис. 1 – Состояние ходка механической доставки третьей ступени пласта k8 шахты им. Челюскинцев ГП "ДУЭК" к моменту начала ремонта

Западный коренной откаточный штрек пласта h7 шахты имени М. И. Калинина пройден буровзрывным способом на глубине 758 м по пласту, мощностью 0,9–1,4 м, с подрывкой пород кровли и почвы. Угол залегания пород – 13°. Почва – песчаный сланец с пределом прочности на одноосное сжатие 54 МПа, кровля – глинистый сланец, мощностью 2,4 м с σсж = 42 МПа, выше залегает песчаный сланец с σсж = 56 МПа. Крепь металлическая, арочная, податливая, типа АП–3/13,8 (Sсв= 12,8 м2, Sпр = 15,9 м2), шаг установки крепи – 0,8 м, затяжка железобетонная. Длина выработки 500 м. Через 27 месяцев после сооружения штрека, на участке выработки, длиной 210 м, сечение уменьшилось на 35%. Производилось перекрепление выработки. Стоимость ремонта составила 4860 руб./м. Спустя 21 месяц производился повторный ремонт этoго участка при потере сечения 27%. Стоимость перекрепления составила 6620 руб./м. Третий ремонт выработки производился через 32 месяца при величине потери поперечного сечения 40%. Затраты на ремонт составили 9020 руб./м (рис. 2). Таким образом, за 6 лет эксплуатации выработка ремонтировалась 3 раза с общими затратами 20500 руб./м.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рис. 2 – Состояние западного коренного откаточного штрека пласта h7 горизонта 758 м шахты им. М.И. Калинина ГП "ДУЭК" к моменту начала ремонта

Вместе с тем, как показал анализ паспортов перекрепления горных выработок глубоких шахт Донбасса, при ремонте выработок, связанном с заменой крепи или ее элементов, в 92% случаев зафиксированы выпуски породы. При этом в 55% случаев вес выпускаемой породы превышает несущую способность крепи. Также проведенное обследование состояния горных выработок показало, что обрушения пород и завалы выработок, наблюдающиеся при перекреплении, приводят к перебоям в работе транспорта, простоям отдельных участков и шахты в целом, являются причиной производственного травматизма. Если даже не учитывать затраты на транспорт излишне выпущенной породы, затраты на поддержание выработки в этом случае увеличиваются в 2–3 раза. По данным Госгортехнадзора, уровень травматизма на работах, связанных с перекреплением выработки и разбором завалов, составляет около 35% от общего количества несчастных случаев на подземных работах. В связи с вышеизложенным, в целях снижения непроизводительных затрат и повышения безопасности работ, актуальным является вопрос обоснования рациональных параметров и технологии выполнения ремонтно-восстановительных работ, обеспечивающих предотвращение обрушений при перекреплении и устойчивое состояние выработок в послеремонтный период.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Фармер, Я. Выработки угольных шахт / Я. Фармер ; пер. с англ. Е. А. Мельников. – М. : Недра, 1990. – 269 с. 2. Виноградов, В. В. Геомеханика, мониторинг и основы технологии опорного крепления горных выработок / В. В. Виноградов / Уголь Украины. – 2000. – №9. – С. 7–12. 3. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 4. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 5. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 6. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 553.1:622.28.044

ОБ ИЗУЧЕНИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования научных исследований, проведенных в условиях шахты «Добропольская», задачей которых являлось установление особенностей деформирования породного массива, вмещающего подготовительные выработки с анкерным креплением. Одной из ведущих отраслей народного хозяйства, несомненно, является угольная промышленность, важнейшая задача которой в условиях рыночной экономики состоит в снижении себестоимости продукции и повышении эффективности производства. Внедрение технологий с использованием анкерного крепления – одно из приоритетных направлений снижения затрат на добычу угля. Ограниченное использование анкерной крепи на шахтах Донбасса объясняется с одной стороны отсутствием понимания роли анкерного крепления в процессе поддержания горных выработок, опыта эксплуатации и контроля за ее состоянием, и недоверием работников шахт к данному виду крепи за непредсказуемость ее работы. С другой стороны – отсутствует нормативная база, позволяющая с учетом конкретной геомеханической ситуации и опыта использования, обосновано принимать параметры крепи. В связи с этим актуальной задачей являются исследования закономерностей деформирования породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением для обоснования его рациональных параметров. Задачей исследований являлось установление особенностей деформирования породного массива, вмещающего подготовительные выработки с анкерным креплением. Исследования проводились в подготовительных выработках шахты «Добропольская», уже имеющей многолетний опыт применения анкерных крепей. Подготовительные выработки на данной шахте проводятся комбайном КПД–32. На пластах, отрабатываемых шахтой, применяется столбовая система разработки. Лавы, длина которых составляет порядка 250 метров, отрабатываются по простиранию.

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Средняя скорость проведения выработок – 280 м/мес. При этом плотность установки анкеров – 1,0 анк/м2. Сечение выработок прямоугольное. Анкеры, длиной 2,4 м, устанавливаются в забое выработки под подхват, изготовленный из профиля СВП–22, длиной 4,0 м. Закрепление стальных анкеров в шпурах производится химическим способом. В кровле и боках выработок закладывались комплексные замерные станции, оборудованные глубинными и контурными реперами. Каждая станция представляла собой три скважины, глубиной до 7 м, пробуренные в кровлю и бока выработки, оборудованные глубинными реперами, и один контурный репер в почву выработки. Расстояние между центрами глубинных реперов в скважине составляло от 0,3 до 0,5 м. Диаметр скважины для установки глубинных реперов составлял 27 мм. Для исследования и изучения процесса развития деформаций в массиве, вмещающем выработку, были построены графики смещений глубинных реперов в скважинах, в направлении от контура выработки вглубь массива, а также графики изменения коэффициента разрыхления на участках между реперами. Наблюдения проводились в течение трех лет на 23 замерных станциях в подготовительных выработках пластов k8, m 40 и m51в шахты «Добропольская», которые были закреплены чисто анкерным креплением, позволили установить механизм деформирования. До момента начала ведения очистных работ, деформации контура выработки незначительные. Максимальные смещения кровли составляют до 180 мм, а боков – до 350 мм. Очевидно, связано это с наличием в боках выработки слабых вмещающих пород. В целом, состояние выработки хорошее. Деформирование пород в глубине массива носит следующий характер. До момента включения анкеров в работу (2–8 суток) разрушения в кровле происходят от контура выработки на глубину до 0,5 м. Затем разрушаются породы в глубине массива, за пределами заанкерованной области, которая практически не разрушается, а смещается единым блоком в сторону выработки. В боках выработки разрушения пласта и пород происходят на глубину до 2,5 м и проявляются в виде выдавливания верхней пачки угля и пород непосредственной почвы пласта. При этом деформирование носит пластический характер. После начала ведения очистных работ происходит активизация смещений как в кровле, так и в боках выработки. На расстоянии 30–40 м впереди очистного забоя начинается разрушение пород в пределах заанкерованной области в направлении от внешней ее границы в сторону контура. Этот процесс развивается по мере приближения лавы к замерной станции и завершается после ее прохода. Разрушение заанкерованной области проявляется в виде расслоений и заколов на контуре выработки. Однако эта область не теряет своей несущей способности и продолжает смещаться в полость выработки единым блоком. Смещения контура кровли, при этом, в створе лавы не превышают

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

350 мм. На расстоянии 10–15 м позади лавы происходит разрушение деревянных стоек крепи за счет выдавливания боковых пород и плавное опускание заанкерованной области на выдавленную из боков выработку породу.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.268.13:622.28.044

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОРОДНОГО КОНТУРА ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК С АНКЕРНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования научных исследований, целью которых являлись исследования по установлению характера влияния анкерования пород кровли и боков выработки на ее устойчивость, а также влияния разгрузки пород в боках на характер деформирования кровли. Исследования по установлению характера влияния анкерования пород кровли и боков выработки на ее устойчивость проводились на моделях из эквивалентных материалов, в масштабе 1:100. Модель представляла собой плоский стенд с размерами 440 х 335 мм, толщиной – 100 мм. Для изготовления данных моделей использовались гипсопесчаные и песчано–парафиновые смеси. Для подбора свойств эквивалентного материала были изготовлены образцы с различным процентным содержанием вяжущего, которые в дальнейшем испытывались на одноосное сжатие. По результатам испытаний образцов были построены графики зависимости прочности от % содержания наполнителя в них (гипс, парафин). Был произведен подбор эквивалентного материала для моделируемых условий. Велась отработка пяти моделей, а именно: 1) модель с незакрепленной выработкой; 2) модель с реальным паспортом крепления выработки анкерной крепью для конкретных условий; 3) модель с шахтным паспортом проведения крепления в сочетании с разгрузочной щелью в боках, шириной 1,5 м; 4) модель с шахтным паспортом проведения крепления в сочетании с разгрузочной щелью в боках, шириной 3 м; 5) модель с шахтным паспортом проведения крепления в сочетании с укреплением боков анкерными розетками. Для установления характера деформирования пород в модели были заложены игольчатые репера в характерных точках. Их перемещение определялось с помощью фотофиксации. Изображения накладывались по базовым точкам, находящимся на раме модели. *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

В дальнейшем строились графики смещения реперов, заложенных вокруг выработки в кровле, почве и боках, а также путем построения диаграмм изменения коэффициента разрыхления пород на участках между глубинными реперами, в кровле, почве и боках выработки. Анализ полученных результатов исследований позволил сделать следующие выводы: 1. При применении в выработке разгрузочных щелей с шириной 1,5 м, конечные смещения пород кровли в 1,2 раза, боков – в 1,6 раза, а пород почвы – 1,5 раза меньше, чем смещения в выработке без дополнительных мероприятий (модель №2). 2. При применении в выработке разгрузочных щелей с шириной 3 м, конечные смещения уменьшаются: в кровле – в 1,1 раза, в боках – в 3,1 раза, в почве – 4,2 раза по сравнению с шахтным вариантом (модель №2). 3. При укреплении боковых пород анкерными розетками, конечные смещения также уменьшаются: в кровле – в 2,2 раза, боках – в 3,2 раза, пород почвы – в 3,6 меньше по сравнению с шахтным вариантом (модель №2). Подводя итог, следует отметить: проведенные исследования показали, что наиболее эффективным дополнительным мероприятием, обеспечивающим устойчивость пород по всему контуру подготовительной выработки, закрепленной анкерной крепью, является укрепление боковых пород анкерными розетками.

Библиографический список 1. Виноградов, В. В. Геомеханика, мониторинг и основы технологии опорного крепления горных выработок / В. В. Виноградов / Уголь Украины. – 2000. – №9. – С. 7–12. 2. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С. 15–18. 3. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 4. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.28.044:622.261.2

ОБОСНОВАНИЕ СВОЕВРЕМЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования научных исследований, целью которых являлось установление особенностей формирования зон разрушенных пород во времени, вокруг выработок с рамным креплением, для обоснования сроков выполнения дополнительных мероприятий, направленных на повышение устойчивости выработок (в том числе – сохранение природной прочности вмещающих пород). Ввиду того, что угольная отрасль является одной из ведущих, важнейшая задача в условиях рыночной экономики состоит в повышении эффективности производства и снижении себестоимости продукции. Большим резервом повышения эффективности работы угольных шахт является совершенствование способов крепления и поддержания горных выработок, поскольку в себестоимости одной тонны угля до 45% занимают затраты на поддержание выработок. Применяемая в большинстве своем металлическая арочная податливая крепь, которой закреплено порядка 90% протяженности поддерживаемых горных выработок не обеспечивает устойчивое состояние выработок на больших глубинах и в сложных горно–геологических условиях. В настоящее время до 25–30 % поддерживаемых выработок ремонтируются с затратами на ремонт до 30,0 тыс. руб./м. Существенно исправить данное положение возможно путем применения дополнительных мероприятий (например, нагнетание скрепляющих растворов, анкерование и др.), позволяющих управлять напряженно-деформи-рованным состоянием массива и использовать его несущую способность. Помимо этого, опыт применения таких мероприятий (рамно–анкерной крепи, в частности) показывает, что технический эффект существенно зависит от своевременности их реализации. Как показывают проведенные исследования в работе [1], выполнение локальных дополнительных мероприятий, направленных на повышение устойчивости выработок после образования зоны разрушенных пород на глубину более половины ширины выработки, технически неэффек-

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

тивно. Поскольку на сегодняшний день отсутствуют научно обоснованные рекомендации по определению времени и места установки анкеров относительно проходческого забоя, в этой связи установление особенностей формирования вокруг выработок зоны разрушенных пород во времени является весьма актуальной задачей. Задача исследований – установление особенностей формирования зон разрушенных пород во времени, вокруг выработок с рамным креплением, для обоснования сроков выполнения дополнительных мероприятий, направленных на повышение устойчивости выработок (в том числе – сохранение природной прочности вмещающих пород). Для решения данной задачи были проанализированы результаты шахтных инструментальных наблюдений по 13 глубинным замерным станциям, выполненных проф. И. Л. Черняком, проф. Ю. З. Заславским и другими. Характеристика горнотехнических условий в местах заложения замерных станций представлена в таблице 1. Результаты наблюдений обрабатывались в виде графиков смещений глубинных реперов в скважинах, а также графиков изменения относительных деформаций пород на участках между реперами. Размеры зоны разрушенных пород определялись по величине предельных относительных деформаций вмещающих пород. Породы на участке скважины между глубинными реперами считались разрушенными, если величина относительных деформаций превышала предельное значение. Согласно исследованиям, проведенным в МГГУ под руководством проф. И. Л. Черняка [2] предельные относительные деформации для глинистого сланца составляют 3×10-2, а для песчаного сланца 2×10-2. Предельное значение относительных деформаций (εпр) определялось по формуле

пр

U1 − U 2 , b

где U1 и U 2 – смещения соответствующих реперов, мм; b – расстояние между соседними реперами, мм. Анализ графиков показал, что характер смещений пород на всех замерных станциях существенно не отличается. В качестве примера рассмотрим результаты наблюдений на 9-й замерной станции. Выработка, площадью сечения в свету 11,2 м2, сооружалась на глубине 860 м комбайновым способом. Вмещающие породы представлены мелко-слоистым песчаным сланцем, мощностью 14 м, с пределом прочности на одноосное сжатие 50 МПа. Крепление ходка осуществлялось податливой крепью АП–3, с плотностью установки – 2 рамы на 1 метр. В скважине, пробуренной в кровле выработки, было установлено 7 реперов. Расстояние от контурного до первого репера и между первым, вторым, третьим и четвертым реперами

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

составляло 1,0 м, между четвертым и пятым – 3,0 м, а между пятым и шестым – 2,0 м. Графики смещений глубинных реперов во времени и изменения коэффициента разрыхления на участках скважины между реперами представлены на рис. 1 и рис. 2. Таблица 1 – Характеристика горнотехнических условий в местах заложения замерных станций станции

№ замерной

Наименова

1 2

ние Название выработки

вмещающих пород

2-й западный конвейерный штрек пл. h8 шахты «Шахтерская Глубокая» 6-й восточный вентиляционный штрек пл. l4 шахты им. Челюскинцев Восточный кор. полевой вентиляционный штрек шахты «Бутовская Глубокая»

Средняя прочность пород, МПа

Критерий

Глубина за- Сечение вы ложения вы работки работки, м

в свету, м

Тип крепи

устойчивости пород, γH/σсж, ед.

ПС

1050

13,5

КМП-А5

0,525

ПС

720

7,0

КМП-А3

0,391

1006

11,2

780

8,9

КМП-А3

0,609

700

11,2

КМП-А3

0,330

ПС

780

10,0

КМП-А3

0,433

1006

14,4

КМП-А3

0,354

ГС

950

13,8

КМП-А5

0,742

ПС

860

11,2

КМП-А3

0,430

ПС

950

14,4

КМП-А3

0,475

ПС

780

10,0

КМП-А3

0,557

ГС

620

11,2

КМП-А3

0,417

ГС

620

11,2

ПС

КМП-А3

0,662

Восточный парн. полевой вентиляцион4

ный штрек шахты «Щегловка

ГС

Глубокая» Восточный полевой вентиляционный 5

штрек шахты «Мушкетовская-Заперевальная №2»

ПС и П

Транспортный ходок западного 6

панельного уклона. №2 пл. m2 шахты «Чекист»

7 8 9 10

Восточный полевой штрек шахты «Бутовская-Глубокая» 9-й западный конвейерный штрек пл. m3 шахты им. А.Ф. Засядько 6-й южный бортовой ходок бл. №2 пл. l7 шахты им. Стаханова 4-й северный. бортовой. ходок пл. l3 шахты им. Стаханова 5-й откаточный штрек пл. m2 шахты №10 «Чекист 5-й северный конвейерный штрек пл. m40 шахты «Добропольская» 5-й северный конвейерный штрек пл. m40 шахты «Добропольская»

КМП-А3

0,417

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

500

Смещения, мм

400

300

5 сут 10 сут 15 сут 30 сут 60 сут

200

90 сут 120 сут

100

0 0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

Расстояние до контура, м

Рис. 1 – Графики смещений глубинных реперов в кровле выработки во времени 1,300

Коэффициент разры хления пород,ед.

1,250

1,200

5 сут 10 сут 15 сут 30 сут

1,150

60 сут 90 сут 120 сут Граница

1,100

1,050

1,000 0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

Расстояние до контура, м

Рис. 2 – Графики изменения коэффициента разрыхления пород между глубинными реперами во времени

Как видно из представленных графиков (рис. 2), зона разрушенных пород в кровле начала образовываться на десятые сутки наблюдений. Ее размер составил 2,5 м (значение коэффициента разрыхления составляет 1,13, а размер зоны неупругих деформаций в кровле – 7 м). К 120 суткам наблюдений размер зоны разрушенных пород в кровле выработки достигает 4,3 м (максимальное значение относительных деформаций 0,26 зафиксировано на участке скважины между контурным и вторым реперами), при этом размер зоны неупругих деформаций в кровле составил 9 м. Аналогичные результаты были получены и на других замерных станциях. Для анализа результатов наблюдений были построены графики изменения размеров зоны разрушенных пород во времени (рис. 3).

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Размер зоны разрушенны х пород, м

Зс.1 Зс.2

Зс.3 Зс.4 Зс.5 Зс.6

Зс.7 Зс.8 Зс.9 Зс.10 Зс.11

Зс.12 Зс.13

0 0

Время после обнажения контура вы работки, сут

Рис. 3 – Графики изменения размера зоны разрушенных пород во времени на замерных станциях

Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы: 1. В зависимости от горно–геологических условий зона разрушенных пород вокруг выработок начинает образовываться уже через 2–32 суток после проведения выработки, причем большая интенсивность ее образования характерна для глубины заложения более 900 м. 2. На глубину 2 м зона разрушенных пород образуется через 3–36 суток, что фактически ограничивает предельные сроки применения дополнительных мероприятий по повышению устойчивости выработок, направленных на сохранение природной прочности вмещающих пород. 3. С увеличением значения критерия устойчивости (γH/σсж) с 0,33 до 0,74 средняя скорость образования зоны разрушенных пород возрастает в 3–4 раза, достигая 0,5–0,8 м/сут. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку методики прогноза размеров зоны разрушенных пород во времени.

Библиографический список 1. Новиков, А. О. Развитие научных основ управления устойчивостью выработок с использованием анкерных систем. [Текст] : дис. ... докт. техн. наук: 05.15.02 : защищена 07.07.2011 / Новиков А. О. – Донецк, 2011. – 479 с. 2. Черняк, И. Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. – М. : Недра, 1993. – 256 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.28:622.012.2

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Проанализирован опыт поддержания подготовительных выработок различными рамными конструкциями крепи и тенденции её развития, в том числе на ближайший период. К проблемам крепления и поддержания горных выработок угольных шахт растет интерес, который в последние несколько десятков лет неразрывно связан с возрастающими требованиями к прочности и надежности применяемых конструкций крепей в ухудшающихся горно–геологических условиях отработки месторождений и интенсификацией проявлений горного давления. Первоначально работы по конструированию, изготовлению и внедрению рамных крепей были сосредоточены в ДонУГИ. Были разработаны: • параметрический ряд взаимозаменяемых специальных профилей (СВП); • особые стали для изготовления элементов крепи; • созданы нормативные материалы по изготовлению и применению податливых крепей типа АП (Комиссаров М. А., Зигель Ф. С. и др.). Большой вклад в разработку конструкций равно–радиусных крепей, обеспечивающих поддержание подготовительных выработок в условиях наклонного и крутого падения на шахтах ЦРД, внесли проф. С. М. Липкович и С. В. Краснов. Важные исследования по изучению взаимодействия металлической податливой крепи с массивом и определению нагрузок на крепь быль проведены в 60–е 70–е годы 20–го века проф. Ю. 3. Заславским, проф. И. Л. Черня-ком и проф. Ю. М. Либерманом. В Институте горного дела им. А. А. Скочинского (г. Люберцы) под руководством проф. М. Н. Гелескула и проф. Е. С. Киселева примерно в эти же годы были изучены вопросы повышения производительности труда и экономии металла на горно–подготовительных работах, созданы новые стальные податливые крепи типа МПК, МИК с кулачковыми и клиновыми узлами податливости. *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Научной школой проф. В. Н. Каретникова и В. Б. Клейменова (Тульский государственный технический университет) были разработаны методы автоматизированного расчета крепи как пространственной системы, предложены новые элементы для пространственного усиления конструкций, улучшенный специальный профиль СВПУ и др. Оригинальные исследования проведены в Санкт-Петербургском государственном горном университете проф. В. В. Смирняковым, который одним из первых создал шарнирно–податливый узел соединения несущих элементов крепи и разработал ряд крепей повышенной податливости. Нормативные материалы по расчету и применению крепи в горных выработках были разработаны во ВНИМИ (г. Санкт-Петербург) и НИИОМШС (г. Харьков) под руководством проф. И. Г. Коскова и проф. В. П. Дружко. Большой вклад в решение проблемы управления усилиями в рамных крепях, разработку способов и средств повышения работоспособности конструкций, разработку методов оценки и прогноза взаимодействия крепи и вмещающего массива внесли ученые ДонГТУ (г. Алчевск): проф. Г. Г. Лит-винский и Г. И. Гайко. Задача снижения расхода металла в стальных рамных крепях путем применения анкеров решена в КузНИИшахтострое проф. Ерофеевым Л. М. (г. Кемерово). Большое разнообразие конструктивных решений стальных рамных крепей и значительный диапазон их рабочих характеристик, позволяющий подбирать конструкции для широко круга геомеханических условий поддерживаемых выработок, сделали рамные крепи фактически универсальным средством крепления горных выработок. Для подготовительных выработок угольных шахт Донбасса наиболее используемой была и остается разработанная в ДонУГИ в 70–е годы 20–го века арочная податливая крепь из спецпрофиля СВП: трехзвенная – АП–3 (или КМП–А3 и модификация с удлиненными стойками) и 5–ти звенная (АП–5 или КМП–А5). Объемы применения арочной крепи в подготовительных выработках – до 95 % от общего объема проведения. На шахтах таких развитых угледобывающих стран, как Россия, Польша, Чехия, Германия и Китай рамные крепи также являются наиболее распространенными конструкциями. По данным ряда исследований (в том числе Ю. З. Заславского) с увеличением глубины разработки с 500 м до 1000 м смещения боковых пород в подготовительных выработках выросли в три раза, а воспринимаемые крепью нагрузки – в 2,0 раза. Несмотря на это (по данным В. Г. Лисичкина и К. В. Кошелева), в подавляющем большинстве случаев, деформированные податливые крепи, работая за пределами своего паспортного эксплуатационного режима работы, обеспечивают остаточную несущую способность. При этом нагрузка на крепь, при запредельном деформировании несущих ее элементов, перераспределяется по периметру рамы, а смещения элементов крепи происходят с постепенной (поэтапной, достаточно плавной) потерей устойчивости,

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

без разрушений. При этом сохраняется значительная часть от первоначального сечения выработки (рабочего пространства). Все это позволяет считать металлическую арочную податливую крепь одной из наиболее безопасных конструкций. По данным исследований, выполненных Н. В. Гавриловым, В. И. Бондаренко и Л. В. Байсаровым, кроме высокой надежности, стальная рамная крепь является конкурентоспособной по стоимости крепления, уступая только набрызгбетонной и анкерной крепям, которые имеют ограниченную область применения по устойчивости вмещающих пород и условиям разработки. Вместе с тем, применяемые в настоящее время рамные крепи имеют и очень существенные недостатки, выявленные в процессе их эксплуатации. В ряде же случаев, как показывает производственный опыт, отмечено их полное несоответствие условиям больших глубин и интенсивного проявления горного давления. Так, по данным обследований состояния горных выработок на шахтах, проведенных ДонНТУ и др., типовые рамные крепи деформированы и требуют ремонта в 30–50% обследованных выработок. Как система крепления, арочная крепь имеет ряд недостатков. Она фактически не поддерживает выработку до тех пор, пока вмещающие породы не разрушатся и не начнут смещаться в выработку, нагружая рамы крепи. То есть, крепь работает в пассивном режиме и не препятствует разрушению вмещающего массива. Кроме этого основными недостатками арочной крепи являются: − большая металлоемкость; − крепь не включается в работу сразу после обнажения проектного контура выработки, невозможность полной механизации процесса крепления (затяжка рам и забутовка закрепного пространства производятся вручную); − несоответствие условиям ее нагружения (нет соосности между направлениями податливости крепи и наибольших смещений контура выработки). Проведенные многочисленные экспериментальные исследования и опыт поддержания выработок показывают, что обеспечить их нормальное эксплуатационное состояние в течение всего срока службы можно лишь путем использования несущей способности породного массива, вмещающего выработки. Поэтому, одним из перспективных направлений совершенствования рамных конструкций в последние годы стало применение анкерно-рамных и рамно– анкерных конструкций крепи. Крайне негативным следствием применения типовых металлокрепей в сложных горно–геологических условиях, кроме роста стоимости поддержания выработок, является невозможность увеличить нагрузку на очистной забой и интенсивность отработки запасов. Так, на шахтах им. А. А. Скочинского, им. Челюскинцев, им. А. Ф. Засядько, «Щегловская–Глубокая», и др., где глубина ведения работ превышает 900 м, стоимость перекрепления 1 м выработки на 30% и более превышает стоимость ее крепления при сооружении. В условиях вышеперечисленных шахт все подготовительные выработки при стол-

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

бовой системе разработки обязательно 1 раз перекрепляются, а при комбинированной или сплошной системе разработки — 2–3 раза. При этом из-за плохого состояния подготовительных выработок суточная нагрузка на лаву не превышала 700–800 т. Совершенствование конструкций рамных крепей в последние десятилетия развивалось по следующим направлениям: − уменьшение металлоемкости крепи; − максимальное упрощение конструктивных элементов; − упрощение технологии изготовления крепи. Приоритетными мероприятиями при этом было использование низколегированных сталей с более высокими прочностными свойствами и прокатных профилей с повышенными статическими показателями (КГВ). Конструкции крепежных рам упрощались за счет исключения электросварки на участках опирания стоек на подошву выработки («подпятник»), сокращения длины нахлестки элементов в замках и количества межрамных стяжек. У профиля КГВ, несмотря на достигаемое снижение металлоемкости крепи на 4% при постоянной несущей способности и увеличении на 30% рабочего сопротивления запас прочности еще ниже — 1,1–1,2. Опыт применения сталей с более высокими прочностными свойствами был направлен на снижение размера профиля на ступень при том же сечении. Однако при этом рабочее сопротивление крепи снизилось на 12–22 %, а за счет повышения хрупкости стали возросла деформация несущих элементов крепи. Другой известной тенденцией развития средств крепления выработок (в том числе и рамных конструкций) последние 3–4 десятилетия остается увеличение площади поперечного сечения подготовительных выработок. Так, если в 70–е годы 20–го века значение средней площади поперечного сечения для откаточных штреков не превышало 11,2 м2, то в 2003 году оно составляло уже 14,8 м2, а в настоящее время достигает 16–18 м2. По данным обследований состояния горных выработок, проведенных ДНУ в 2008–2010 годах, крепи с сечением до 11,2 м2 практически не используются (4%); с сечением 13,8 м2 – 37%; с сечением 15,5 м2 – 25%; с сечением 18,3 м2 – 29%; и с сечением 19 м2 и более – 5%. Следует отметить, что рамы с поперечным сечением в свету до 11,2 м2 , которые наиболее часто встречались 25–30 лет назад, в настоящее время практически не используются, а преобладающие сейчас сечения 13,8 м2 зачастую оказываются недостаточными и вытесняются сечениями 15,5 м2 и 18,3 м2. На шахтах с особо тяжелыми условиями поддержания преимущественно используются крепи трехзвенные, с удлиненными стойками, с сечением 18,3 м2. Вместе с тем, опыт применения трехзвенных крепей с удлиненными стойками (сечение 18,3 м2) и пятизвенных крепей оказался отрицательным, так как улучшения состояния выработок добиться не удалось. Еще одна тенденция развития рамного крепления связана с применением более тяжелых профилей. Так, к 1983 году, спецпрофиль СВП–14 вышел

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

из употребления, а удельный объем применения спецпрофиля СВП–17 снизился в 5,9 раза (с 20% до 3,4%). К 2003 году, СВП–17 также вышел из употребления. Из года в год сокращается объем применения СВП–19. Основными типоразмерами в настоящее время являются СВП–22, СВП–27 и СВП–33, что связано с увеличением средних сечений поддерживаемых выработок изготавливаемых из профилей больших размеров. В процессе обследования состояния крепей на шахтах Западного Донбасса, проводимого В. Я. Кириченко, была выявлена тенденция изготовления металлокрепи из более тяжелых типоразмеров профиля, чем это необходимо по техническим условиям. Это объясняется стремлением производственников повысить несущую способность типовых рамных крепей. Такая экстенсивная тенденция развития рамного крепления малоэффективна и связана с отсутствием альтернатив при выборе типа крепи. Результатом такого подхода явилась негативная тенденция увеличения плотности установки рамной крепи, которая уже сейчас привела к росту металлоемкости крепи до 1,2 тонны на 1 м выработки. В последние десятилетия неуклонно происходит изменение геомеханической ситуации при отработке угольных пластов на больших глубинах. Возрастают не только смещения вмещающих выработки пород, изменяется характер и интенсивность протекающих во вмещающем выработки массиве деформационных процессов. Это приводит не только к резкому увеличению затрат на поддержание выработок, но и практически сводит на нет одно из основных преимуществ наиболее перспективных столбовой и комбинированной систем разработки, обеспечивающих при нагрузке на лаву 3,0–3,5 тыс. тонн в сутки необходимую экономичность отработки запасов. Вместе с тем, объем их применения на шахтах в 2012 году составил более 80%, а объем добываемого там угля – более 90% с использованием современных механизированных комплексов. Однако суточные нагрузки на лаву только в 50% случаев превышают 1500 т/сут, перекрывая минимальный порог окупаемости таких комплексов как 3КД–90. Основной причиной такой ситуации следует считать неудовлетворительное состояние всех поддерживаемых конвейерных и вентиляционных выработок, в том числе и на уровне «окна лавы». В настоящее время до 55% участковых затрат приходится на ремонт и поддержание выемочных штреков, а также комплекс работ на сопряжениях. Использование для поддержания конвейерных выработок старых типовых рамных крепей, имеющим несоответствующие новым условиям силовые и кинематические характеристики, не позволяет обеспечить эффективность отработки запасов при столбовой системе разработки. Одним из радикальных путей решения этой проблемы является переход на безнишевую технологию, с выносом концевых приводов лавного конвейера в пределы сечения выемочных штреков. Однако это условие в новой геомеханической ситуации, при использовании стальных крепей старого типа, стало

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

непреодолимым препятствием при решении задачи по обеспечению высоких технико–экономических показателей работы добычных участков. По мнению экспертов, наиболее перспективной считается тенденция, направленная на повышение несущей способности крепи за счет изменения формы поперечного сечения выработки и типа рамной конструкции. До 80–х годов 20 века идея создания рамных крепей эллиптической формы считалась не осуществимой по технико–технологическим причинам. Переходным техническим решением стали разработанные трех–шарнирные крепи КС–4, прошедшие успешную апробацию на шахте «Южно–Донбасская №3» в 1994–1995 гг. В начале 80–х годов прошлого века были разработаны две конструкции рамной крепи, приближающейся по форме к эллипсу: КЭП и КШПУ. Крепь типа КЭП была разработана МакИСИ и успешно использовалась в системе Укршахтостроя. Однако для крепления штреков она не подошла из-за ограниченной податливости (от 120 до 200 мм). Крепь КШПУ была создана для условий Западного Донбасса и по сравнению с АП–3 показала лучшую несущую способность и более высокую устойчивость. Дальнейшее развитие тенденция изменения формы поперечного сечения выработок нашла при разработке пятизвенной крепи типа КМП-А5С (разработчик Донбасский НЦ при АГН Украины) и четырехзвенной крепи КМП–А4К (разработанной на основании опыта применения рамных крепей на шахтах Германии). Однако эти конструкции крепи широкого распространения не получили из-за необходимости иметь в забое дополнительное оборудование для монтажа и более сложной технологии сборки. Анализируя объемы и области применения стальных арочных крепей, количество выпускаемых конструкций, а также изобретения, продлевающие срок эксплуатации рамных конструкций, проф. Г. Г. Литвинский делает вывод об их S–образном характере развития во времени, как любой технической системы. Так как система уже прошла исходный этап быстрого совершенствования и последующий этап стабильного роста, то темпы ее развития начинают спадать, хотя объемы применения еще достаточно высоки. В дальнейшем, в соответствии с «законом жизни технических систем», стальная рамная крепь, скорее всего, вытиснится принципиально иной системой крепления (анкерные, породонесущие конструкции и др.). Однако, в ближайшие 10–20 лет это маловероятно из-за высокой инерционности развития горной промышленности. Более вероятно, что рамная крепь перейдет на существенно более высокий уровень своего технического развития. Наиболее перспективными направлениями совершенствования металлического рамного крепления для подготовительных выработок является изменение формы поперечного сечения и конструкции крепи, а также использование комбинированных конструкций на основе анкерных систем, позволяющих за счет вовлечения вмещающих пород в совместную работу с крепью существенно увеличить ее несущую способность.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.28.044:622.012.2(477.62)

ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АНКЕРНОЙ КРЕПИ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ ГЛУБОКИХ ШАХТ ДОНЕЦКО-МАКЕЕВСКОГО РАЙОНА Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Рассчитаны ожидаемые проявления горного давления в подготовительных выработках шахт Донецко-Макеевского района Донбасса, которые будут использоваться при доработке запасов до нижних технических границ. Выделены области возможного использования анкерного и рамно-анкерного крепления в подготовительных выработках на перспективу. Одной из ведущих отраслей народного хозяйства Донбасса является угольная промышленность, важнейшая задача которой состоит в повышении эффективности производства и снижении себестоимости продукции. На сегодня техническое состояние шахтного фонда угольной отрасли продолжает ухудшаться. Большая часть угольных шахт работает без реконструкции более 20–30 лет. И за последние несколько десятков лет количество шахт, ведущих разработку угля на глубине более 700 м, выросло в 2 раза. Увеличение глубины разработки угольных пластов влечет за собой ряд трудностей. Развитие очистных работ приводит к интенсивному воздействию горного давления на устойчивость подземных выработок через различные формы его проявления, которые зависят от совокупности влияния целого ряда горно–геологических и горнотехнических факторов, присущих условиям каждой шахты. Несмотря на снижение протяженности горных выработок угольных шахт Донбасса в связи с интенсивным их закрытием за последние годы, увеличение затрат на ремонт этих выработок, состояние последних не улучшается. Одной из основных причин такого положения является высокая трудоемкость работ по содержанию выработок при весьма низком (1,5–2%) уровне их механизации. На сегодняшний день около 90% поддерживаемых на шахтах выработок закреплены металлической арочной податливой крепью. Более половины от протяженности этих выработок деформированы. Крепление арочной крепью имеет ряд недостатков. Во–первых, она не поддерживает выработку до тех пор, пока вмещающие породы не разрушатся

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

и не начнут смещаться в выработку, нагружая рамы крепи. То есть, крепь работает в пассивном режиме и не препятствует разрушению вмещающего массива. Кроме вышесказанного недостатками применения арочной крепи также являются: 1. Большая металлоемкость. 2. Крепь не включается в работу сразу после обнажения породного контура выработки. 3. Невозможность полной механизации процесса крепления (затяжка рам и забутовка закрепного пространства производится вручную). Трудоемкость процесса крепления выработки арочной крепью достигает 80% от общей трудоемкости проведения выработки. 4. Традиционная конструкция арочной крепи не соответствует условиям ее нагружения (нет соосности между направлением податливости крепи и направлением наибольших смещений контура выработки). Кардинально улучшить технические и технологические, а также экономические показатели работы шахт, а также состояние горных выработок можно путем применения анкерной крепи. Несмотря на масштабы использования анкерного крепления горных выработок за рубежом, у нас оно не нашло широкого применения. Объем крепления горных выработок на шахтах Донбасса в настоящее время составляет порядка 70–80 км. Существующие нормативные документы, которые регламентируют применение анкерной крепи в выработках, не позволяют однозначно определить условия применения анкерного крепления в чистом виде и в сочетании с другими видами крепи. Не учитывается так же влияние анкерования на изменение свойств вмещающего массива. Все это ограничивает область применения анкерного крепления второй категорией устойчивости (в 200 мм смещения пород кровли). В связи с этим проведение исследований, которые позволили бы установить особенности взаимодействия анкерного крепления с вмещающим массивом, а так же, оценить и определить область его рационального использования для крепления горных выработок – являются актуальными. На основании собранной информации в технических службах шахт о горно-геологических и горнотехнических условиях отработки 24 шахтопластов 15 шахт Донецко–Макеевского района Донбасса, на перспективу до десяти лет, были рассчитаны ожидаемые проявления горного давления в подготовительных выработках, которые будут использоваться при доработке запасов до нижних технических границ. Затем, с учетом предлагаемых классификационных признаков, требований нормативных документов и имеющегося опыта ведения работ, выделены области возможного использования анкерного и рамно-анкерного крепления в подготовительных выработках для шахт Донецко-Макеевского района Донбасса на перспективу. Проведенные исследования по классификации горно–геологических и горнотехнических условиях отработки шахтопластов Донецко–Макеевского

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

района Донбасса показывают, что для условий рассматриваемых шахт возможно применить чисто–анкерное крепление в одном случае. А именно для шахты им. «Челюскинцев» ГП ДУЭК, при поддержании подготовительных выработок по пластам l1, l1н, отработка которых ведется с использованием столбовой системы разработки. На всех остальных предприятиях, исходя из горно-геологических и горнотехнических условий отработки, возможно применение только комбинированного рамно–анкерного крепления.

Библиографический список 1. Новиков, А. О. Развитие научных основ управления устойчивостью выработок с использованием анкерных систем. [Текст] : дис. ... докт. техн. наук: 05.15.02 : защищена 07.07.2011 / Новиков А. О. – Донецк, 2011. – 479 с. 2. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 3. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С. 15–18. 4. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 5. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.831.3+622.28.044

УСТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОРОДНОГО МАССИВА И АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО–АНКЕРНЫХ СИСТЕМ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Установление характера деформирования породного массива, армированного анкерами, в максимально приближенных к реальным условиям работы крепи, при различных схемах пространственного анкерования. Одним из важных условий безопасной и эффективной работы по поддержанию выработок на шахтах Донбасса является обеспечение их устойчивого состояния при минимальном расходе крепежных материалов. Металлические арочные податливые крепи, имеющие на сегодняшний день наибольший объем применения, выполнены из тяжелых спецпрофилей. И в усложняющихся горно–геологических и горнотехнических условиях отработки угольных месторождений, как показывает производственный опыт, не обеспечивают необходимой устойчивости и безремонтного поддержания выработок. Их возведение является практически не механизированным трудоемким процессом. Высокая материалоемкость крепей снижает технико-экономические показатели и сдерживает темпы проведения выработок. За рубежом на угольных шахтах происходит неуклонное увеличение объемов применения анкерного крепления, доля которого уже сегодня составляет: Австралия – 87%, КНР – 83%, США – 52%. Оно позволяет в 5–10 раз уменьшить расход металлопроката, бетона и леса, в 3–5 раз повысить производительность работ при креплении выработок, в 2–3 раза повысить темпы проходки, вдвое сократить затраты на крепление и поддержание крепи в рабочем состоянии в период эксплуатации. Вместе с тем, объемы применения этого вида крепи на шахтах Донбасса на сегодня не превышают 150 км. Одной из основных причин, препятствующих широкому внедрению анкерной крепи на шахтах является недостаточное понимание ее роли в процессе поддержания выработки, а также отсутствие нормативной базы, позволяющей с учетом конкретной геомеханической ситуации и опыта использования, обосновано принимать параметры крепления. В связи с этим, исследования закономерностей деформирования породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением для обоснования его рациональных параметров, являются актуальной задачей. Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопа-лов И.Н. *

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Задачей данных исследований являлось установление характера деформирования породного массива, армированного анкерами, в максимально приближенных к реальным условиям работы крепи, при различных схемах пространственного анкерования. Исследования проводились на образцах из цементно–песчаных растворов. Изготавливались кубические образцы 55×55×55 мм, которые моделировали участок породного массива, объемом 1 м3. Моделировалась горные породы, прочностью 30, 40 и 50 МПа, залегающие на глубинах 800, 1200 и 1600 м. В моделируемом участке породного массива располагались 4 анкера из стальной проволоки, диаметром 1 мм, по одной из шести схем пространственного анкерования. Для каждой из схем пространственного армирования массива, различной прочности вмещающих пород и глубины заложения, испытывалось по 3 образца с последующим усреднением полученных результатов (всего 189 образцов). При испытаниях использовалась схема Беккера. Первоначально в образцах, прочностью 30, 40 и 50 МПа, в массиве создавалось гидростатическое поле напряжений, имитирующее глубину заложения 800, 1200 и 1600 м. Затем, в направлении действия напряжений σ1 производилась полная разгрузка с поддержанием величин напряжений σ2, σ3 на первоначальном уровне. В дальнейшем, по специально разработанной программе рассчитывались средняя величина действующих напряжений, средние относительные деформации, величина остаточной прочности образца (σсрост ), предельные относительные деформации в направлении действия σ1 при разгрузке (ε1р), предельные относительные объемные деформации (ΔV/V)р , модули упругости (Е) и спада (М). Для оценки характера разрушения массива горных пород, армированного различными пространственными схемами анкерования, использовался критерий Нодаи–Лоде. Он позволил оценить по величинам μσ и με конечный вид напряженного и деформированного состояния в армированном массиве при обобщенном растяжении. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. При испытаниях образцов пород, армированных пространственными анкерными системами (АПАС) на обобщенное растяжение при объемном напряженном состоянии, установлено, что происходит повышение остаточной прочности на 60%, увеличение полных относительных деформаций при разгрузке в 2,9 раза, увеличение модуля упругости в 1,3 раза, уменьшение модуля спада на 86%, увеличение на 47% полных относительных объемных деформаций при разгрузке до разрушения, по сравнению с образцами, армированными радиально расположенными анкерами. 2. В зависимости от схемы армирования, при разгрузке от первоначаль-

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

ных напряжений на 49–56%, происходит изменение вида напряженного состояния пород из обобщенного сжатия (μσ=+1) в обобщенный сдвиг (μσ=0). При дальнейшей разгрузке образцов вид напряженного состояния быстро приближается к обобщенному растяжению (μσ = –1). 3. С увеличением уровня гидростатического давления в образцах АПАС до начала разгрузки, резко снижается степень влияния схем анкерования на изменение величины остаточной прочности пород, в то время как влияние того же показателя на характер изменения модуля спада остается наиболее существенным. 4. При испытаниях пород АПАС установлено, что при разгрузке, под некоторым углом к плоскости обнажения (до 300) образуются трещины сложного сдвига. Плоскости разрушения направлены под таким углом к максимальному сжимающему напряжению (σ2=σ3), а в некоторых случаях почти параллельны плоскости разгрузки (кровле выработки). Разрушение образцов происходит, как правило, в виде отрыва или в комбинации отрыва со сдвигом. Установлено также, что при разгрузке образцов, существенно (на 95 %) возрастает степень разрушения (относительная объемная деформация) пород. 5. Применение АПАС позволяет улучшить и другие механические характеристики пространственно армированных пород по сравнению с наиболее распространенной радиальной схемой расположения анкеров. Так, прочность на одноосное сжатие и растяжение увеличиваются до 1,3 раза; коэффициент сцепления – в 1,2 раза; угол внутреннего трения – на 2–40, остаточную прочность – в 1,4–1,7 раза. Это позволяет сделать вывод о том, что размещение в массиве пространственной совокупности армирующих элементов изменяет ряд параметров, характеризующих его структурно-механические характеристики, создает препятствия разрушению и дает возможность управлять формированием вокруг выработки зоны разрушенных пород. 6. Полученные предварительные данные (на основании аналитических расчетов и экспериментальных исследований) позволяют прогнозировать уменьшение на 20–40% размеров зоны разрушения вокруг подготовительных выработок и величин ожидаемых смещений пород в 2–4 раза.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.261.2.044.67

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДАННОГО НАПРАВЛЕНИЯ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования данных научных исследований в области современных технологий ремонта горных выработок. Приведены основные достоинства и недостатки существующих технологий ведения ремонтных работ и предложены перспективные направления по данному вопросу. Даны системные предложения и экспериментально обоснованы новые технологии перекрепления выработок. Как показывает анализ состояния выработок, на многих шахтах Донбасса более 15% из объема поддерживаемых выработок не соответствуют эксплуатационным требованиям из-за потери сечения, деформирования элементов крепи и отсутствия необходимых зазоров между крепью и движущимися транспортными агрегатами. Проведение разовых ремонтных работ не всегда обеспечивает сохранность эксплуатационного состояния выработки на оставшийся срок ее эксплуатации. Во многих случаях эти работы проводятся повторно. Несмотря на важность проблемы за последние 20 лет крайне мало выполнено работ, посвященных вопросам разработки новых и модернизации известных технологических схем выполнения ремонтных работ. Известные на сегодняшний день способы и технологии ведения ремонтных работ, обеспечивающие эксплуатационное состояние поддерживаемых выработок по характеру влияния на окружающий породный массив можно условно разделить на несколько групп. К первой группе можно отнести так называемую «традиционную» технологию ведения ремонтных работ. Ее реализация сопряжена с выполнением следующих основных процессов: подготовка, разрезка выработки, разработка (выпуск) породы, установка новой рамы крепи. Подготовительные операции: производится подноска инструмента и приспособлений к месту работы, устанавливаются световые сигналы, устанавливается прибор непрерывного измерения метана, устанавливается усиливаю-

Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопа-лов И.Н. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

щая крепь, снимаются кабели с подвесок, укладываются на почву и накрываются настилом, накрывается водоотливная канавка. Разрезка выработки производится на величину (глубину), позволяющую установить раму новой крепи. Она производится оборником, обушком, отбойным молотком или ВР. При необходимости сместить продольную ось выработки, разрезка может производиться в одной или с двух сторон. Разборку (вырубку) затяжки производят участками в сыпучих породах не более 2 шт., в породах средней устойчивости – не более 3–4 шт., в устойчивых породах – не более 5 шт. Разработку породы начинают с кровли выработки и производят в направлении сверху вниз, а с боков – снизу вверх. Выпуск породы из кровли производится или на почву, или непосредственно в вагонетку, которая обязательно крепится к рельсам. Производится разработка породы заходками до необходимых размеров, по мере разборки породы обнаженное пространство перекрывается затяжками (рис. 1), порода грузится в вагонетки, готовятся лунки для установки новой рамы. Установка рамы новой крепи производится по известной технологии. Недостатками традиционной технологии ведения ремонтных работ являются низкие темпы работ и во многих случаях невозможность предотвращения неконтролируемого выпуска породы (вывала), что вызывает необходимость закладки образующихся пустот за устанавливаемой новой крепью.

Рис. 1 – Технология расширения выработки: 1 – брус; 2 – стойки временной крепи (устанавливаются через 0,3-0,5); 3 – стойка усиления

Ко второй группе можно отнести способ ремонта выработок с использованием временной крепи, возводимой в выработке до производства ремонтных работ. Суть его заключается в том, что с целью предотвращения обрушений пород при расширении ремонтируемой выработки из старой выработки в межрамном пространстве до проектного контура новой выработки бурится серия скважин (рис. 2), в которые устанавливаются закрепные стойки.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 2 – Способ перекрепления выработки: 1 – скважины; 2 – опорные элементы (закрепные стойки); 3 – арочный сегмент; 4 – стойки усиления; 5 – крепь выработки; 6 – проектный контур выработки; 7 – контур ремонтируемой выработки

Под их концы подводится металлический арочный сегмент, через который осуществляется нагружение закрепных стоек с помощью гидродомкратов, устанавливаемых в боках выработки. Нагруженные закрепные стойки предотвращают возможность неконтролируемого выпуска породы. Это позволяет повысить темпы ремонтных работ и устойчивость выработки в послеремонтный период за счет ограничения расслоения пород кровли в период выполнения ремонтных работ. К третьей группе можно отнести способы ремонта выработок с использованием временной опережающей забивной крепи в виде металлических или деревянных шильев. Такая крепь применяется при весьма разрушенных породах в пределах свода их естественного равновесия в окрестности ремонтируемой выработки, а также при восстановлении выработки при завале (рис. 3). В слабых породах применяются деревянные шилья, в более крепких – металлические шилья. Шилья забиваются из-под вновь возведенной крепи за пределы будущего контура расширяемой выработки на глубину, позволяющую установить не менее 1 рамы крепи с опережением до 1 м. Одна сторона шила опирается на массив и «старую» крепь, а вторая сторона – не менее чем на две рамы вновь установленной крепи. При невозможности забивки шильев на достаточную глубину в разрушенных породах в необходимых местах бурят короткие (0,3–0,4 м) шпуры, в которые забивают шилья. Элементы забивной крепи, как правило, используются в качестве постоянной затяжки, перекрывающей межрамные пролеты.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рис. 3 – Ремонт выработки с использованием опережающих забивных шильев

К четвертой группе можно отнести ряд технологических схем ремонта выработок, в которых предусматривается предварительное создание укрепленной породной оболочки за проектным породным контуром новой выработки. В одном из вариантов для предупреждения обрушений пород в ремонтируемой выработке предусматривается предварительное механическое укрепление пород с помощью анкерной крепи. Суть его заключается в том, что до начала ремонтных работ в перекрепляемой выработке в кровлю бурят скважины, в которые устанавливаются взрыво–распорные трубчатые анкеры (рис. 4).

Рис. 4 – Технология ремонта выработки с использованием анкерной крепи

Анкеры, длиной 1,5 м, устанавливаются в скважины таким образом, чтобы после расширения выработки до проектного сечения, оставалась концевая часть анкера с резьбой, на которую устанавливается опорная плита. Заряжание трубчатого анкера осуществляется одним патроном ВВ. Расстояние между анкерами выбирается из условия не более 1 анкера на 1 м2 обнажения.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Анализ рассматриваемой технологической схемы ремонта выработок показывает, что эффективная работа анкерной крепи, устанавливаемой до ремонта выработки, будет производиться только после установки опорной плиты. В момент перекрепления выработки (разделки породы) она не может существенно препятствовать возможности обрушения пород. Сейсмическое действие ВВ при расклинивании анкера будет способствовать увеличению расслоения пород в старой выработке. Затруднено применение данной технологии на сильно газовых шахтах. В других вариантах технологических схем ремонта выработок предусматривается предварительное создание укрепленной породной оболочки за проектным породным контуром новой выработки за счет применения инъекционного упрочнения пород. Сущность данных технологических схем заключается в создании вокруг ремонтируемой выработки оболочки из упрочненных пород, толщиной 1,0–1,5 м, внутренним контуром которой является проектный контур выработки. Под защитой создаваемой оболочки производится выпуск разрушенной породы, которая заключена между проектным и существующим контурами выработки, и устанавливается новая крепь (рис. 5). Первоначально по периметру ремонтируемой выработки бурят скважины 5, в которые устанавливают специальные инъекторы со специальными распорно–изолирующими устройствами 4, которые фиксируются в скважине на уровне проектного контура новой выработки 3. За счет нагнетания цементного раствора образуется породоцементная оболочка 2, под защитой которой происходит выпуск породы 1 и установка крепи.

Рис. 5 – Параллельная технологическая схема перекрепления выработок с использованием инъекционного упрочнения пород: 1 – выпускаемый породный массив; 2 – упрочненная породная оболочка; 3 – проектный контур выработки; 4 – распорно-изолирующее устройство; 5 – инъекторы

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

В случае значительной потери сечения выработки авторами рекомендуется последовательная схема инъекционного укрепления пород (рис. 6). Сущность ее заключается в том, что создание породоцементной оболочки производят через шпуры, пробуренные под определенным углом из отремонтированной части выработки в сторону производства ремонтных работ.

Рис. 6 – Параллельная технологическая схема перекрепления выработки с использованием инъекционного укрепления

Рассмотренные технологические схемы создают безопасные условия при производстве ремонтных работ и обеспечивают повышение устойчивости выработки в послеремонтный период. Вместе с тем эти схемы имеют ряд недостатков. Во-первых, использование высоко напорных схем нагнетания песчаноцементного раствора приводит к упрочнению не только запроектированного объема пород в виде оболочки вокруг новой выработки, но и, учитывая максимальную трещиноватость пород на контуре ремонтируемой выработки, массива пород, подлежащих выпуску. Снижает темпы выполнения работ и необходимость ожидания времени набора прочности образуемого цементного камня. Применение в качестве связующего разрушенных пород полимерных смол (на основе полиуретана) приводит к существенному повышению стоимости работ. Данные технологические схемы проведения ремонтных работ не получили широкого распространения. На наш взгляд, их применение возможно на отдельных участках перекрепления выработок со значительным сроком службы (например, в зонах геологических нарушений), с определенной модернизацией. Так для уменьшения расхода дорогостоящих связующих составов необходимо использовать новые способы их нагнетания в породный массив с использованием эффекта вакуумирования. Сущность их заключается в том, что при низконапорном нагнетании скрепляющего раствора в одни скважины, одновременно из других производят отсос воздуха вакуум-насосом (рис. 7). При этом создается направленный фильтрационный поток, позволяющий производить упрочнение пород в заданных объемах.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 7 – Технология предупреждения излишнего выпуска породы при перекреплении с использованием процесса вакуумирования (а) и воздушной «опалубки» (б): 1 – скважина; 2 – инъектор; 3 – распорно-изолирующее устройство; 4 – трубка подачи сжатого воздуха

Выполненный анализ показывает, что широко применяемая в настоящее время «традиционная» технология перекрепления горных выработок не предупреждает излишний выпуск породы и не обеспечивает безопасные условия труда при производстве работ. Разработанные же технологии перекрепления выработок с использованием предварительного укрепления вяжущими вмещающих пород или механического подпора, а также технологии заполнения образовавшихся при ремонте пустот в закрепном пространстве, не нашли широкого применения из-за нетехнологичности, многооперационности, высокой стоимости и трудоемкости. Следует также отметить, что за последние 20 лет исследования в данном направлении не проводились. В связи с этим разработка высокоэффективной и мало затратной технологии перекрепления выработок без излишнего выпуска породы и обоснование ее параметров является весьма актуальной задачей для угольной промышленности Донбасса.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

6. Бабиюк, Г. В. Способ создания армо-породных грузонесущих конструкций в кровле подготовительных выработок / Г. В. Бабиюк, A. A. Леонов // Строительство шахт, механика и разрушение горных пород : сб. науч. тр., Донбасский горно-металлургический институт. – Алчевск : ДГМИ, 1996. – С. 136–144. 7. Клюев, А. П. Перспективные способы управления состоянием разрушенного массива вокруг выработки на больших глубинах / А. П. Клюев, H. H. Касьян, Ю. А. Петренко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1998. – №2. – С. 21–25. 8. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 9. Новиков, А. О. Метод расчета параметров анкерных породо-армирующих систем для крепления горных выработок / А. О. Новиков // Научнотехнический сборник «Разработка рудных месторождений» / Криворожский технический университет. – Кривой Рог, 2010. – №93. – С. 260–264. 10. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 11. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 12. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115. 13. Новиков, А. О. Исследование механизма взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом для обоснования методики расчета ее параметров / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Известия Тульского государственного университета / Тульский государственный университет. – Тула : Гриф и К, 2009. – Вып. 4: Естественные науки. Серия "Науки о Зем-ле". – С. 104–109. 14. Новиков, А. О. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку, закрепленную анкерной крепью / А. О. Новиков, И. Г. Сахно // Известия Донецкого горного института / Донецкий национальный технический университет. – Донецк, 2007. – №1. – С. 82–88.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.245:504.55

КОМБИНИРОВАННЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИИ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МЕТОД КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ НЕДР Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем систематизации и структурирования научных исследований в области подземной и открытой технологий разработки угольных и рудных месторождений, целью которых являлись исследования по установлению перспектив повышения эффективности добычи полезных ископаемых и использования подземных пространств. На сегодняшний день при значительном многообразии горно-геологических условий залегания угольных пластов и рудных тел при достаточно высокой степени неопределенности факторов внешней и внутренней среды, развитие геотехнологий должно основываться на уже накопленном опыте реализации наиболее безопасных и эффективных технических и технологических решений, а также на разработке и внедрении новых прогрессивных технологических схем, обеспечивающих повышение полноты и комплексности освоения недр. Обеспечить это возможно исключительно на основе т.н. сочетания технологических процессов различных способов добычи в едином завершенном цикле комбинированной геотехнологии. Комплексное освоение недр основывается на реализации двух неотъемлемых положений: безотходное (малоотходное) использование всех вовлекаемых в ходе освоения участка недр георесурсов и извлечение их рациональным сочетанием технологических процессов и оборудования различных способов добычи с утилизацией отходов производства в закладке выработанного пространства, использовании последних при рекультивации территорий, в промышленном и дорожном строительстве, при создании горных объектов нового производственного назначения. Крупным шагом в этом направлении является переход горнодобывающих предприятий на совместную деятельность подземных рудников и карьеров — комбинированный способ разработки. Нашли достаточно широкое применение на практике комбинированные геотехнологии, основанные на различных сочетаниях во времени и пространстве в пределах одного месторождения технологических процессов открытого и подземного способов добычи. При Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопалов И.Н. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

этом для вскрытия запасов, подлежащих добыче подземными технологиями, используются традиционные варианты вскрытия выработками, располагаемыми за пределами зон сдвижения. В этой связи, создание единой схемы вскрытия и подготовки запасов на различных этапах открытых и подземных работ стало основой комбинированной разработки. При этом карьерные транспортные системы и сам карьер необходимо рассматривать как вскрывающие выработки для запасов, подлежащих подземной отработке, а вскрывающие подземные выработки – как вариант вскрытия глубоких горизонтов карьера. Развитие комбинированного способа разработки месторождений в ряде случаев сдерживается применением раздельных технологических решений на открытые и подземные горные работы. Так, например, принятые и широко апробированные в практике горных работ методики обоснования производственной мощности предприятия и выбора рациональных комплексов механизации открытых и подземных технологий не учитывают специфики отработки запасов переходной зоны от открытых горных работ к подземным, что приводит к нерациональному использованию имеющегося на шахтах и рудниках оборудования, а также к снижению интенсивности и качества извлечения полезных ископаемых. Качество добываемых георесурсов является одним из важнейших аспектов комплексного освоения минерально-сырьевой базы и должно рассматриваться как среднее содержание в них полезного компонента в сочетании со стабильностью этого показателя. Формирование рациональных качественных характеристик добываемого сырья зависит от выбора схемы выемки - валовой или селективной. Решение этой задачи приобретает принципиально новое значение с точки зрения обоснования эффективной стратегии при комплексном освоении месторождений. При ее решении необходимо учитывать такие задачи, как определение наиболее целесообразной очередности извлечения разносортных запасов и обоснование оптимального соотношения их объемов, а также выбор схемы вскрытия, отвечающий этим требованиям. В этом отношении комбинированный способ разработки месторождений позволяет создавать благоприятные условия для формирования комплексных схем в сочетании с использованием различных вариантов способов выемки — валовой и селективной на открытых, открыто–подземных и подземных горных работах. Эффективное вовлечение запасов в промышленное освоение возможно путем применения различных комбинаций физико–технических, физико–химических способов добычи, а также совершенствования технологии повторной разработки месторождений и специальных способов добычи. При этом в едином комплексном проекте должны решаться вопросы поэтапного вовлечения в эксплуатацию отдельных участков недр с оптимизацией во времени и пространстве последовательности реализации сочетаний

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

процессов комбинированной геотехнологии отработки залежей и сопутствующих техногенных образований, с использованием сформированных открытыми и подземными работами выработанных пространств. Совершенствование способов управления качеством добываемого сырья должно базироваться на таком принципе, который учитывает: вид комбинированной геотехнологии, тип горнотехнической системы, вещественный и агрегатный состав потоков, а также тип основных вскрывающих выработок. Вид комбинированной геотехнологии следует определять сочетанием физико–технических и физико–химических способов добычи. При этом к физико–техническим технологиям относятся горнотехнические системы, включающие сочетание традиционных — открытого и подземного способов добычи, а также на отдельных участках нетрадиционных методов, таких как, например, скважинная гидродобыча. Данные технологии пока не нашли широкого промышленного применения на горнодобывающих предприятиях. Основная причина — отсутствие апробированных в промышленных масштабах технологий, а также нормативной документации по их проектированию.

Библиографический список 1. Пономарев, А. Б. Подземное строительство. [Текст] / А. Б. Пономарев, Ю. Л. Винников. – Пермь: Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2014. – 262 с. 2. Лысиков, Б. А. Использование подземного пространства. [Текст] / Б. А. Лысиков, А. А. Каплюхин. – Донецк: Норд-Пресс, 2005. – 390 с. 3. Комплексное освоение подземного пространства [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnoe-osvoenie-podzemnogo-prostranstvabolshih-gorodov. – Загл. с экрана. 4. Опыт использования подземного пространства [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://stroy-spravka.ru/article/opyt-ispolzovaniya-podzemnogo-prostranstva-vgorodakh. – Загл. с экрана. 5. Основные виды рисков в подземном строительстве [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://www.kharkovmetroproject.com/index.php?option=com_k2&view=item&id= 78:osnovnye-vidy-riskov-v-podzemnom-stroitelstve&Itemid=295&lang=ru.– Загл. с экрана.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.272+622.14

ВОЗМОЖНОСТЬ КОМПЛЕКСНОГО ОСВОЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК ВО ВТОРИЧНЫХ ЦЕЛЯХ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования данных научных исследований в областях подземного строительства и рационального использования подземного пространства. Рассмотрены и оценены возможности, а также основные функции использования подземных пространств для реализации различных геотехнологий и использования с максимальным эффектом ресурсного потенциала недр Земли. Современная концепция комплексного освоения подземного пространства базируется на многообразии и экономической ценности георесурсов, значимости самих недр с их природоорганизующими функциями как фактора жизнеобеспечения общества. Недра Земли являются одним из важнейших природных ресурсов, служащих не только источником минерального сырья, воды, газов и тепла, но и обладающие столь необходимым для человечества пространством, где могут быть размещены различные объекты жизнеобеспечения общества, а также не утилизированные отходы быта и промышленности. Освоение человеком подземного пространства должно компенсировать прогрессирующий дефицит свободных площадей на поверхности Земли. Альтернативы этому не существует, так как освоение еще одного пространства – космического — дело отдаленного будущего. При этом проблема освоения подземного пространства должна вписываться в общую идеологию комплексного освоения недр Земли. На сегодняшний день ситуация такова: объемы горного производства по настоящему колоссальны. Однако сложившаяся тенденция способна не только сохраниться, но и значительно увеличиться уже в ближайшие годы. Наряду с этим увеличатся и объемы выработанных пространств, являющихся неотъемлемой частью горного производства. Находясь на контроле государства, выработанные пространства, после ликвидации горного производства, иногда используются частично, а зачастую Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопа-лов И.Н. *

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

же просто затапливаются или приходят в негодное состояние, попросту обрушаясь. Исходя из этого, с возрастанием объемов различных производств и технологий, порой даже не связанных с горным производством, возникает потребность использования этих выработанных пространств, что в ряде случаев является экономически более выгодно и оправданно, по сравнению с использованием наземного пространства. Однако следует четко представлять, что размещение тех или иных производств и технологий, на поверхности или под землей, должно сопровождаться правильностью и грамотностью всех принимаемых решений, что зачастую, к сожалению, не всегда выполняется и не до конца осознается. ются:

Основными требованиями по охране недр и окружающей среды явля-

• обеспечение полного и комплексного изучения недр; • соблюдение установившегося порядка предоставления недр в пользование (горные отводы) и недопущение самовольного пользования недрами; • полное извлечение из недр и рациональное использование запасов основных и совместно залегающих полезных ископаемых; • недопущение вредного влияния работ, связанных с пользованием недрами на сохранность запасов полезных ископаемых; • охрана месторождений от затопления, обводнения и других факторов, снижающих качество полезных ископаемых и промышленную ценность месторождений или осложняющих его разработку; • предупреждение необоснованной и самовольной застройки площадей залегания полезных ископаемых и соблюдение установленного порядка использования их для других целей; • предотвращение вредного влияния работ, связанных с пользованием недрами, на сохранность эксплуатируемых и находящихся на консервации горных выработок и скважин, а также подземных сооружений; • предотвращение загрязнения недр при сбросе сточных вод, захоронения вредных веществ и отходов производства, а также при подземном хранении нефти, газа и иных веществ и материалов; • обеспечение охраны атмосферного воздуха, земной поверхности, лесов, вод и других природных ресурсов от вредного влияния работ, связанных с пользованием недрами, приведение земельных участков в состояние, безопасное и пригодное для использования их в народном хозяйстве. Возможны два пути освоения подземного пространства — это приспособление и переустройство выработок, высвобождающихся от горной и технологической деятельности, и строительство специальных подземных объектов. Можно выделить три основных направления работ в рамках проблемы.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Первое направление связано с геомеханическим обеспечением работ по освоению подземного пространства. Опыт эксплуатации месторождений, особенно глубоких (шахты Донбасса), подтверждает необходимость привлечения современных знаний в области механики горных пород и для обеспечения устойчивости подземных сооружений. Второе направление включает задачи создания подземных объектов с длительным сроком эксплуатации для захоронения отходов ядерной энергетики и современного химического производства, а также для размещения подземных электростанций, обогатительных фабрик и других производств. Третье направление, отнюдь не последнее по важности, предусматривает освоение подземного пространства больших городов. В заключении следует отметить: комплексное освоение подземного пространства, вторичное и альтернативное использование горных выработок и строительство подземных сооружений являются на сегодняшний день перспективными и стремительно развивающимися отраслями в мировом опыте.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.236.4

О ПОЛЕВОЙ ПОДГОТОВКЕ КОНВЕЙЕРНОГО ШТРЕКА В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ ИМ. Е. Т. АБАКУМОВА Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Представлены результаты анализа состояния выемочных выработок 8-й западной лавы пласта m3 шахты им. Е.Т. Абакумова, на основании которых для обеспечения устойчивости конвейерного штрека был предложен способ его группирования на полевой конвейерный штрек. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ является одной из основных проблем подземной угледобычи в условиях глубоких шахт Донбасса [1]. При переходе горных работ на глубины более 800–1000 м наблюдается увеличение объема применения сплошных систем разработки. Это объясняется систематическим отставанием при подготовке новых лав к обратной выемке из-за низкого уровня механизации и малых скоростей подвигания проходческих работ; наличием большой протяженности сети выработок и ступенчатости в схемах транспорта, приводящей к резкому возрастанию затрат по выдаче на поверхность дополнительного количества породы от предварительного проведения проходческих выработок; наличием большого количества газоносных и выбросоопасных пластов, проведение выработок по которым сопряжено со значительными затратами для обеспечения высоких темпов проходки. При отработке весьма газоносных и выбросоопасных угольных пластов со слабыми вмещающими породами в условиях глубоких шахт Донбасса применяется сплошная система разработки “лава–штрек” или «лава–этаж». Проведение выработок вслед за очистным забоем осуществляется по разгруженному породному массиву с охраной их бутовыми полосами, что наряду с оставлением породы в шахте, существенно повышает их устойчивость из-за отсутствия воздействия опорного давления лавы на выработку перед лавой и позволяет в 1,5–2 раза снизить затраты на ремонт выработок и подрывку пород почвы [1,2]. При отработке пласта m3 в условиях шахты им. Е. Т. Абакумова «Донецкой угольной энергетической компании» традиционно применялась столбовая система разработки. Однако при подготовке к выемке 8–й западной лавы пласта m3 из-за невозможности своевременной подготовки выемочного столба Научные руководители – к.т.н., доц. Соловьев Г.И., асс. Касьяненко А.Л., асс. Нефедов В.Е. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

было принято решение о работе очистного забоя с применением сплошной системы разработки (рис. 1).

Рис. 1 – Схема 8-й западной лавы пласта m3

Анализ результатов поддержания подготовительных выработок 8–й западной лавы пласта m3 при использовании сплошной системы разработки «лава–ярус» показал, что общее состояние вентиляционного штрека, проводимого буровзрывным способом вслед за лавой вприсечку к выработанному пространству вышерасположенной и ранее отработанной лавы с оставлением угольного целика, шириной 6,5 м, закрепленного металлической арочной крепью КМП–АЗ/14,1 с площадью поперечного сечения 14,1 м2 и охраняемого бутовой полосой, шириной 10 м, удовлетворительное и общие вертикальные смещения боковых пород не превышали 0,6–0,8 м по всей длине выработки [3]. Состояние конвейерного штрека, проводимого с опережением очистного забоя на 5 м при площади поперечного сечения 16,1 м2, закрепленного металлической овоидной крепью КМП–АЗР2/16,1 и охраняемого бутовой полосой, шириной 6 м, неудовлетворительное из-за значительных смещений слабых боковых пород (рис. 2). При общей вертикальной конвергенции боковых пород конвейерного штрека 3,6–3,8 м величина смещений выдавливаемых пород почвы составляет в среднем около 70%. Состояние боковых пород и металлической крепи конвейерного штрека значительно ухудшалось после разлома водоносного песчаника в основной кровле пласта и поступления значительного количества воды в подготовительную выработку на расстоянии 35–40 м вслед за лавой.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

а)

б)

Рис. 2 – Состояние конвейерного штрека 8-й западной лавы пласта m3 при использовании деревянной крепи усиления на расстоянии: 30 м (а) и 60 м (б) вслед за очистным забоем с выдавливанием почвы, разрывом замков и разрушением элементов крепи

Проведенные сотрудниками кафедры РМПИ инструментальные наблюдения за состоянием пород почвы позволили установить, что вертикальные смещения почвы конвейерного штрека на расстоянии 180 м вслед за лавой составили 2,9 м, а кровли – 1,4 м. Для снижения затрат на поддержание пластового конвейерного штрека 8–й западной лавы пласта m3 было принято решение о его группировании на проводимый вслед за лавой западный полевой конвейерный штрек. Согласно рекомендациям сотрудников кафедры РМПИ ГОУ ВПО «ДонНТУ» конвейерный штрек был расположен в прочном песчанике почвы на расстоянии 8 м по нормали от пласта m3, при этом длина наклонного конвейерного ходка, соединяющего полевой и пластовый конвейерные штреки составила 35 м, а угол наклона ходка к горизонтали – 90 (рис. 1). Группирование конвейерного штрека 8–й западной лавы пласта m3 на полевой конвейерный штрек позволило снизить время поддержания пластовой выработки вслед за лавой в зоне выработанного пространства лишь на участке между промежуточными наклонными ходками, длиной 250–300 м (рис. 1). Полевой конвейерный штрек проводился буровзрывным способом под выработанным пространством 8–й западной лавы в почве пласта m3 с отставанием на 100–120 м от очистного забоя. Полевой штрек крепился металлической крепью КМП–А3Р2–14,1 на участке длиной 30 м при поддержании его под охранным угольным целиком и крепью КМП–А3К–15,3 по остальной длине выработки. Сечение выработки в свету – 15,3 м2, вчерне – 17,6 м2. Шаг установки комплектов крепи составлял 0,67 м (рис. 3). Крепление промежуточного конвейерного ходка осуществляется металлической крепью КМП–А3Р2/11,5 с удлинением стоек крепи на 0,7 м, сечением в свету 14,4 м2 и вчерне – 16,5 м2 , с шагом установки комплектов крепи 0,5 м. Затяжка кровли выработки производилась металлической сеткой в 2 слоя, а боков – сеткой в один слой.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Как видно из представленной ниже фотографии, общее состояние проведенной по разгруженным породам почвы выработки было хорошим.

Рис. 3 – Общее состояние западного полевого конвейерного штрека на расстоянии 200 м от сопряжения с наклонными выработками

За весь период поддержания полевого конвейерного штрека средние вертикальные и горизонтальные смещения боковых пород на контуре выработки составили соответственно 0,25 и 0,15 м. Интенсивные смещения боковых пород наблюдались лишь на участке выработки длиной 25 м, поддерживаемым под охранным угольным целиком (рис. 1). После разлома основной кровли пласта, представленной водоносными песчаниками и размокания пород кровли и почвы на данном участке, вертикальные смещения кровли составили 1,0–1,2 м, а почвы 0,9–1,1 м. На данном участке полевого штрека был выполнен комплекс работ по обеспечению устойчивости выработки, который включал организацию стационарного пункта водоотлива, подрывку почвы на 0,8 м и замену отдельных элементов крепи. Инструментальные наблюдения за поведением боковых пород показали, что вертикальные смещений боковых пород на данном участке после выполнения ремонтных работ снизились и составили соответственно 0,6 м (рис. 6). Таким образом, группирование конвейерного штрека 8–й западной лавы пласта m3 на проводимый вслед за лавой в почве пласта западный полевой конвейерный штрек позволило снизить затраты на поддержание пластовой выработки. Анализ общего состояния крепи полевого штрека показал, что по всей длине выработки вертикальные и горизонтальные смещения боковых пород на

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

контуре штрека составляли соответственно 0,25 и 0,15 м. Смещения боковых пород в конвейерном штреке при его групповой подготовке были снижены в 2,5–3,0 раза за счет применения комбинированного способа противодействия выдавливанию пород почвы с помощью упорно–лежневой крепи усиления, которая обеспечила сохранение и использования естественной прочности слоя известняка, залегающего в непосредственной почве пласта [3].

Библиографический список 1. Морозов, И. Т. Перспективы применения сплошной системы разработки в Донбассе. / И. Т.Морозов, П. И.Пономаренко // Уголь Украины. – 1997. – №12. 2. Панфилов, Ю. Н. Особенности механизма проявлений горного давления в выемочных выработках глубоких шахт. / Ю. Н. Панфилов, А. П. Ковшевный, Г. И. Соловьев, Н. Н. Малышева, В. Е. Нефедов, Рубель Д. А. // Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, Москва. №7, 2005 г. С. 212–215. 3. Соловьев, Г. И. О механизме упорно-жесткого противодействия выдавливанию крепких пород почвы конвейерного штрека в условиях пласта m3 шахты им. Е. Т.Абакумова. / Г. И.Соловьев, А. Л.Касьяненко // Известия Донецкого горного института. – 2012. C. 250–258.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 658.51:622.8

РОЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ ВЫБОРЕ СПОСОБА ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а, Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Обоснована необходимость применения современных методов управления производственными операциями применительно к выбору способа охраны выемочной выработки в зоне ее сопряжения с очистным забоем. Описана суть метода управления производственными процессами. Приведены конкретные результаты применения метода на шахте «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс». ШАХТА, УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, СПОСОБ ОХРАНЫ ВЫРАБОТКИ, ПРОДОЛЬНО-БАЛОЧНОЕ УСИЛЕНИЕ АРОЧНОЙ КРЕПИ. Большинство производственных процессов, выполняемых на горных предприятиях, имеют большой резерв для уменьшения времени и трудозатрат на их выполнение. Также существует проблема несвоевременного выполнения плановых производственных процессов, которая приводит к затягиванию производственного цикла. Зачастую это связано с некорректной оценкой существующих горно–геологических условий, а также отсутствием коммуникативного взаимодействия и обратной связи между субъектами, направляющими выполнение операций и объектами управления, которые непосредственно выполняют операции с предметом труда. В связи с этим выбор способа управления производственными процессами, позволяющего достигать наиболее эффективных конечных результатов, является на сегодняшний момент весьма актуальной задачей. Особенно такой подход актуален для выбора механизма управления процессом поиска оптимального способа охраны выработки и затем его внедрения, а также дальнейшей его эксплуатации в выработках 11–й восточной лавы пласта k3 шахты «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс». В данном случае объектом исследования является управление производственными процессами при реализации способа охраны, который будет обеспечивать устойчивость конвейерного штрека в области сопряжения его с очистным забоем. Анализ теории и практики управления шахтой и, в частности, управления производственными процессами на ней показал, что сейчас на шахтах в *

Научный руководитель – к.т.н., доц. Костюк И.С.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

большинстве случаев применяются устаревшие и неэффективные методы управления [1–2], известные еще из доперестроечного периода. Однако уже существуют новые подходы к управлению, которые учитывают современные достижения операционного и стратегического менеджмента [3–4]. При этом процессный подход к управлению [5] позволил не только выделять в производстве отдельные бизнес–процессы, но и моделировать их. В этой связи сформировалась необходимость управлять производственными процессами во всех сферах деятельности современного промышленного предприятия [6,7]. Также появились инструменты, которые можно использовать, чтобы произвести оптимальное совершенствование производственного процесса [8]. Так, к примеру, в данный момент разработан и существует прогрессивный и инновационный способ охраны выемочных выработок, особенно в зоне влияния очистных работ на участке сопряжения выработки с очистным забоем. Его предложил доцент кафедры РМПИ ГОУ ВПО «ДонНТУ», кандидат технических наук Геннадий Иванович Соловьев. Этот способ описан в ряде научных статей [9–11], в которых приводятся хорошие практические результаты внедрения данного способа. Основная идея способа заключается в создании продольно–балочной связи между соседними арками крепи, которая сглаживает неравномерность проявления опорного горного давления. Однако на любой шахте традиционный уклад, силы привычки всегда препятствуют и сопротивляются внедрению новаторских технологических решений. Обеспечение организационных условий, способствующих правильному принятию технологических решений при выборе способа поддержания конвейерного штрека в области сопряжения для условий шахты «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс», который позволит его содержать в удовлетворительном рабочем состоянии. Одной из основных задач, стоящей перед операционным менеджментом шахты, является построение системы эффективного управления предприятием. Одним из передовых методов, который предлагает оптимальное решение этой задачи, является процессный подход к управлению. Он заключается в выделении на шахте сети производственных процессов и управление этими процессами для достижения максимально возможной эффективной деятельности шахты. К основным задачам производственного процесса угольного предприятия по добыче угля относятся: • развитие и совершенствование производства в целях наиболее полного удовлетворения потребностей народного хозяйства в угле; • повышение производительности труда и эффективности производства на основе концентрации горных работ, максимального использования внутренних резервов, интенсификации производства, внедрения прогрессивных процессов, улучшения качества угля, систематического снижения себестоимости добычи угля и повышения рентабельности производства.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Производственный процесс является основой функционирования горного предприятия, который направлен на постадийное превращение полезного ископаемого в массиве пласта в готовую угольную продукцию на поверхности шахты, пригодную к дальнейшей переработке или к употреблению. Суть производственного процесса состоит в том, что необходимо выполнить совокупность действий, которые позволят затраты преобразовать в результат путем воздействия средствами труда на предмет труда. Каждый элемент производственного процесса должен осуществляться соответствующим производственным подразделением, функции которого, определяются предельно четко и для выполнения которой необходимы соответствующая технология и компетенции. Так, например, одно из подразделений берет на себя функции снабжения предприятия материалами, комплектующими изделиями и т. д., а другое, к примеру, — технологические процессы в очистном забое. Каждое подразделения выполняет тот, или иной вид производственных процессов, имеющих свою специфику и особенности. Снижение издержек производства, рациональное использование материальных ресурсов, достижение более высоких экономических показателей являются наиболее важными и актуальными задачами инженерно-техничес-ких работников угольной шахты. Для их решения большое значение имеет совершенствование управления в целях повышения его эффективности, овладение методами эффективного управления производством, а также расчеты и сравнение показателей эффективности производства предприятия. Необходимым условием разрешения поставленных задач является научный поиск, анализ, обобщение практического опыта и обоснование такой системы управления процессом, которая могла бы обеспечить повышение рентабельности производства. Производственный процесс состоит из частичных процессов, которые можно разделить на группы по следующим признакам: • по способу выполнения: ручные, механизированные, автоматизированные. • по назначению и роли в производстве: основные, вспомогательные, обслуживающие. Эффективность производства представляет собой комплексное отражение конечных результатов использования средств производства и рабочей силы за определенный промежуток времени (в зарубежных странах с развитой рыночной экономикой для очерчивания результативности хозяйствования используют другой термин – производительность системы производства и обслуживания, под которой понимают эффективное использование ресурсов (труда, капитала, земли, материалов, энергии, информации). Принципы организации производственных процессов охватывают весь комплекс производственных и управленческих, правовых, экономических, и

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

прочих аспектов организации производства. В связи с этим, формируется конкретный перечень принципов организации и управления производственными процессами:  совершенствование системы менеджмента организации;  применение научных подходов к производственным процессам;  обеспечение инновационного характера развития организации;  ориентация производственных процессов на качество;  обеспечение адаптивности производственных и управленческих процессов;  обеспечение сопоставимости управленческих решений;  персонификация управления и стимулирование результатов труда;  обеспечение информативности процессов управления производством;  обеспечение оперативности управления производством. Перечисленные принципы рациональной организации производственных процессов являются основным фактором повышения организованности системы управления. Основная цель управления горным предприятием состоит в том, чтобы добиться рационального функционирования производственных подразделений за счет иерархического руководства путем создания адаптивных информационных систем, сложного набора оптимизационных моделей и количественных методов, способных быстро обнаружить и предложить вариант ликвидации любого незапланированного отклонения на любом этапе производственно–сбытового цикла. При принятии решений по выбору целей производства, прежде всего, определяют их приоритетность применительно к главной цели и разрабатывают меры по оптимизации. Внедрение решения представляет собой текущую функцию, связанную с оперативным управлением и регулированием производства, что является главным в деятельности руководителя производства. В результате анализа работы добычного участка 11–й восточной лавы пласта k3 шахты «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс» было выявлено слабое звено в цепочке организационных и технологических процессов, которые влекут за собой низкие темпы ведения очистных работ и ухудшают поддержание конвейерного штрека в зоне его сопряжения с лавой. Для обеспечения устойчивости штрека в зоне влияния очистных работ традиционно применяются такие способы, как сооружение бутовых полос, возведение деревянных костров и сооружение полублоков. Однако они имеют ряд недостатков, выявленные на сегодняшний день. По этой причине для повышения эффективности работы в лаве рекомендуется принять альтернативный подход в управлении производственными процессами и наиболее современный способ продольно–балочной связи комплектов основной крепи для обеспечения устойчивости конвейерного штрека

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

в зоне влияния очистных работ, которые позволят достичь высоких темпов ведения очистных работ, повысить производительность труда, а также снизить себестоимость продукции. Для внедрения вышеуказанных инновационных предложений необходимо системно подойти к актуальному вопросу организации данного мероприятия. Что касается организационного плана, то для обеспечения повышения производительности труда и внедрения новых технологических операций, рекомендуется вести работы в четырех сменном режиме. Первая смена является ремонтной, а вторая, третья и четвертая – добычные. На добычном участке должна применяться комплексно-бригадная схема организации ведения очистных и подготовительных работ. Рабочие процессы технологического цикла по проведению и обеспечению устойчивости конвейерного штрека 11–й восточной лавы пласта k3 выполняются комплексной бригадой горнорабочих (ГРОЗ), проходчиков и горнорабочих подземных. В каждую из четырех смен выделяется горный мастер. В первую смену выходит звено в составе 12–15 горнорабочих по ремонту оборудования лавы и 3–4 горнорабочих по ремонту оборудования в проходческом забое, которое, как правило, возглавляет бригадир комплексного звена. В добычные смены в лаве работают звенья из 12–14 горнорабочих, а в проходческом забое – из 5–6 проходчиков, под руководством звеньевых. Вместо бутовой полосы для охраны конвейерного штрека рекомендуется применить продольную балку из отрезков спецпрофиля СВП–27, длиной по 4,0 м, которая подвешивается к каждому верхняку основной крепи по центру выработки на двух металлических крючьях с помощью планки и двух гаек. Отрезки балки соединяются внахлест на 0,4 м двумя стандартными хомутами. Отставание крепи усиления от проходческого забоя должно не превышать 4 м. Применение продольно–балочной усиливающей крепи позволит с технологической точки зрения повысить эффективность работы арочной крепи за счет создания жесткой каркасной конструкции и перераспределить повышенную и неравномерную нагрузку между перегруженными и недогруженными комплектами арочной крепи по всей длине выработки, что в свою очередь позволяет повысить производительность труда ГРОЗов, снизить себестоимость продукции и травматизм рабочих, а также повысить эффективность добычи угля. Все это уже является важнейшей задачей в политике угольной компании и государства. Таким образом, применение современных подходов в управлении производственными процессами позволяет быстро выявить неэффективные производственные операции в технологической цепочке, уверенно и обоснованно сформулировать преимущество инновационных операций, которые в конечном итоге позволяют получить планируемый результат более эффективно в сравнении со старым способом их осуществления.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Рыбников, С. Е. Организация производства и планирование на уголь-

ных шахтах. / С. Е. Рыбников, А. П. Волошин — М.: Недра, 1981. — 352 с. 2. Даянц, Д. Г. Управление персоналом на горных предприятиях: Учебное пособие. — Д. Г. Даянц, Н. П. Романова — М.: Издательство МГГУ, 1996. — 302 с. 3. Костюк, И. С. Основы менеджмента: Учебное пособие для студентов ВУЗов. / И. С. Костюк — Севастополь: Вебер, 2008 — 343 с. 4. Костюк, И. С. Стратегический менеджмент: Краткий конспект лекций. / И. С. Костюк — Донецк: ДонНТУ, 2010 — 164 с. 5. Репин, В. В. Процессный подход к управлению. Моделирование бизнес-процессов [Текст] / В. В. Репин, В. Г. Елиферов. — 6-е изд. — М.: РИА «Стандарты и качество», 2008. — 408 с. 6. Попов, В. Л. Управление производством и операциями: Учеб. пособие / В. Л. Попов, Д. А. Марков, Е. Г. Гуреева, А. В. Крутова. Под ред. проф. В.Л.Попова. — Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. — 342 с. 7. Пашкин, В. Я. Бизнес-процессы управления человеческими ресурсами [Текст] / В. Я. Пашкин, Н. Л. Пашкина // Стратегическое управление организациями в XXI веке: сб. науч. трудов. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. — С. 285–301. 8. Андерсен, Бьёрн. Бизнес-процессы. Инструменты совершенствования / Бьёрн Андерсен. Пер. с англ. С. В.Ариничева. Науч. ред. Ю. П. Адлер. — М.: РИА «Стандарты и качество», 2003. — 272 с. 9. Агарков, А. В. Способ продольно-балочного усиления арочной крепи конвейерного штрека на шахте им. М. И. Калинина / А. В. Агарков, Г. И. Соловьев // Инновационные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: сб. науч. труд. Редкол.: Н. Н.Касьян [и др.]. Вып. 2. – Донецк, 2016. – С. 5-8. 10. Муляр, Р. С. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок продольно-балочным усилением комплектов основной крепи на шахте «Южнодонбасская №3» / Р. С. Муляр, Г. И. Соловьев // Инновационные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: сб. науч. труд. Редкол.: Н. Н. Касьян [и др.]. Вып. 2. – Донецк, 2016. – С. 179-182. 11. Методика определения параметров продольно-балочной крепи усиления. 2-й международный научный форум Донецкой Народной Республики / 2-я международная научно-практическая конференция "Инновационные перспективы Донбасса" / Том 1. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. — г. Донецк, 2016 — С. 163-168.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 658.7:622

ИЗУЧЕНИЕ И ОБОБЩЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ ПРОЦЕССА РЕСУРСООБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И ВЫЯВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ НИМИ Бабак Б.Н., студент гр. РПМ-13б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Исследован процесс ресурсообеспечения горных предприятий. Установлено, что основными его понятиями являются «ресурсообеспечение», «ресурсообеспеченность» и «ресурсопотребление». Описаны свойства этих понятий и взаимосвязь между ними. Перебои в ресурсообеспечении горных предприятий приводят к повышению количества простоев в процессе добычи угля. Они возникают из-за несогласованности в работе различных подразделений и управленческих структур горного предприятия, т.е. из-за наличия между ними различных видов организационных преград на пути коммуникационных процессов. Ресурсообеспечение является ответственным этапом в подготовке горного производства к началу выполнения своей функции — добычи угля, поскольку своевременно и в нужном объеме снабжает все рабочие места шахты необходимыми ресурсами, включая наполнение материально–техническими ресурсами всей логистической цепочки. Принципиально важным является то, чтобы этот этап выполнялся в штатном режиме, т.е. как это предусмотрено плановыми показателями горного производства, потому что, в противном случае, последующие: либо технологический процесс, либо заключительные функции процесса управления (координация, мотивация и контроль) будут выполняться с нарушениями. Причиной сбоев в процессе ресурсообеспечения может являться неправильное восприятие, понимание и интерпретирование основных понятий процесса ресурсообеспечения, притом, что за последние годы современный уровень знаний и теоретических разработок о процедуре управления ресурсами качественно вырос. В связи с этим, как в интересах науки, так и практики управления, актуальным является определение перечня основных понятий, определений и терминов, которые задействованы в процессе ресурсообеспечения и обобщение, уточнение, конкретизация их формулировок, что вначале позволит глубже понять предназначение процесса ресурсообеспечения и затем создать условия для повышения уровня его эффективности.

Научный руководитель – к.т.н., доц. Костюк И.С.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Предварительный поиск использования в технической литературе термина «ресурсообеспечение» показал, что он применяется очень редко. Так, было найдено использование термина в области организации и регулирования логистических процессов и маркетинга (Лимарев В. Я., 2000 г.) [1], управления человеческими ресурсами (Саубанова Л. В., 2009 г.) [2] и управление ресурсообеспечения промышленного предприятия исследовала (Александрова Д. Д., 2017 г.) [3]. В горном деле, вопросами материально–технического снабжения занимались более трех десятков лет тому назад [4,5]. Однако в последние годы сформировалось понятие «ресурсообеспечение» как вторая функция управления, но этот вопрос в учебниках и научных публикациях освещался сравнительно редко. Подтверждением этого являются учебники и пособия следующих авторов: Чечевицыной Л. Н. [6], Бариленко В. И. [7], Кожекина Г. Я. [8], Каменицера С. Е. [9]. Цель статьи — исследование основных понятий процесса ресурсообеспечения горных предприятий для выявления их свойств и взаимосвязи между понятиями, чтобы можно было процесс управления ресурсами на шахте организовать более результативно и эффективно. В процессе управления поставкой и потреблением ресурсов на горном предприятии используется большое количество терминов и понятий, многие из которых лингвистически очень схожи, но различны по содержанию, назначению и месту употребления для описания различных производственных ситуаций. При этом некоторые термины являются универсальными и используются на предприятиях различных отраслей. В связи с этим, руководители горных предприятий и горные инженеры должны дополнять свой понятийный аппарат новыми понятиями, которыми им рекомендуется пользоваться в своей практической деятельности. Это необходимо для правильного, легко воспринимаемого и понятного для собеседников выражения своих мыслей в процессе общения (коммуникации) со своими коллегами и подчиненными для организации эффективного процесса управления ресурсами. К таким терминам, к примеру, можно отнести «обеспечение ресурсами» или «ресурсообеспечение», «ресурсообеспеченность» и «ресурсопотребление». Эти понятия описывают различные состояния или стадии, в которых могут находиться ресурсы в процессе их кругооборота на шахте. Неправильное восприятие или непонимание этого процесса и как следствие невнимательное отношение к нему приводит к дисбалансу обеспеченности ресурсами рабочих мест и впоследствии к снижению производительности труда из-за простоев. Для устранения этой проблемы необходимо как можно шире описать вышеуказанные понятия. Ресурсообеспечение шахты — это комплекс процессов, связанных со своевременным бесперебойным и комплексным обеспечением шахты ресурсами, необходимыми для добычи угля, который создает на шахте и во всех ее производственных системах состояние наличия всех необходимых ресурсов в достаточном объеме на всех рабочих местах для выполнения запланированной

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

работы. Эти процессы определяют перечень и объем ресурсов, необходимых для осуществления бесперебойной добычи угля, а также управление процессом своевременного поступления ресурсов на шахту, распределения их по рабочим местам, их всеобъемлющего учета, правильного хранения и рационального расходования. Обеспечивать ресурсами необходимо не только шахту, но и все рабочие места на шахте. В связи с этим важным параметром этого процесса является объект, который должен обеспечиваться ресурсами. Помимо того, существуют и другие параметры, характеризующие данный процесс, которые показаны на рис. 1.

Рис. 1 – Параметры, влияющие на ресурсообеспечение

Как видно из рис. 1, параметры процесса ресурсообеспечения зависят от следующих его характеристик: • Объект обеспечения — шахта, подразделение на поверхности, непосредственно рабочее место. • Регулярность поставок — частота поставок партий ресурсов на объект обеспечения. • Сроки поставок — максимальное время необходимое для доставки ресурса от поставщика до объекта обеспечения. • Размер партий — это минимальное количество ресурсов находящегося у объекта обеспечения, для бесперебойного ведения рабочего процесса.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

• Риски перебоев — вероятность изменения качества ресурсов, или увеличения срока поставки, или уменьшения партий поставки, или снижения частоты поставок. Допустим, что срок поставки партии крепи с завода–изготовителя увеличился с одного дня до одной недели, а размер партии не изменился. Это приведет к тому, что сроки доставки материала к нужному участку в шахте (проходка) будет нарушен. Вследствие чего будут сокращены темпы проходки, что повлечет за собой снижение скорости подвигания лавы. Если она уменьшается, значит, уменьшается и количество выдаваемого на–гора угля. Это будет продолжаться до тех пор, пока не увеличатся размеры закупаемых партий или не уменьшатся сроки поставки рам крепи на шахту. Таким образом, ресурсообеспечение является необходимым условием для повышения качества продукции, снижения его себестоимости, а также осуществляет его своевременную доставку [1]. Но это все возможно лишь в том случае, если руководители будут понимать друг друга в процессе делового общения. Помимо понятия «ресурсообеспечение» сравнительно редко используется такой термин как «ресурсообеспеченность». Чаще всего этот термин используется в природопользовании как соотношение между величиной природных ресурсов и размерами их использования [10]. В горном деле его используют для обозначения уровня насыщенности какого–либо производст-венного процесса или объекта (рабочего места) достаточным количеством ресурсов. Ресурсообеспеченность шахты — это наличие всех видов необходимых ресурсов на рабочих местах, в подразделениях шахты, наличие достаточных запасов ресурсов на складах, которые позволят беспрерывно выполнять плановые производственные задания, направленные на добычу угля в течение какого–то времени. Таким образом, под ресурсообеспеченностью можно понимать разницу между объемом ресурсов, доставленных на шахту (т.е. ресурсообеспечением) и количеством использованных ресурсов (т.е. ресурсопотреблением). Для удобства определения вероятности остановки технологического процесса эта величина выражается либо количеством времени, на которое должно хватить данного ресурса, либо его запасами, из расчета какое количество единиц продукции будет с помощью их произведено. Поэтому ресурсообеспеченность указывает, какое минимальное количество времени шахта будет бесперебойно работать без поставки новой партии ресурсов (либо бесперебойно будет выполняться производственный процесс). Ресурсообеспеченность шахты прямым образом зависит от ресурсообеспеченности всех ее рабочих мест, так как то рабочее место, которое на минимальный срок обеспечено ресурсами, является «узким звеном» в технологической цепочке шахты, поскольку на нем из-за отсутствия ресурсов раньше других рабочих мест остановится выполнение производственного задания и, соответственно, остановится работа шахты в целом. По этой причине

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

ресурсообеспеченность данного рабочего места будет приравниваться к ресурсообеспеченности всей шахты в целом. Ресурсообеспеченность зависит от влияющих факторов, представленных на рис. 2.

Рис. 2 – Факторы, влияющие на ресурсообеспеченность

Ответы на вопросы, которые возникают при управлении факторами, влияющими на ресурсообеспеченность конкретных рабочих мест, позволяют в плановые сроки, а так же в нужном объеме обеспечивать ресурсами требуемые объекты, что приведет к бесперебойной их работе. Третий термин «ресурсопотребления» чаще всего можно встретить в технической литературе, поскольку он обозначает расход ресурсов различных видов на стадиях жизненного цикла продукции [11]. Применительно для горного производства, его можно сформулировать следующим образом. Ресурсопотребление — физическая величина, отражающая количество ресурсов определенного типа, потребляемых хозяйственным субъектом в течение конкретного периода времени, которая используется для расчета показателей ресурсообеспечения шахты. Данная величина устанавливается либо опытным (эмпирическим), либо расчетным путем (методом прямого счета). Ресурсопотребление также зависит от нескольких, влияющих на него факторов, которые показаны на рис. 3.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 3 – Параметры ресурсопотребления

На шахте устанавливаются и подлежат учету такие показатели, как плановое ресурсопотребление, запасы ресурсов на складах и потери ресурсов в процессе ведения горных работ. Они определяют параметры и нормативы ресурсообеспечения на шахте, которые являются основой для организации ресурсообеспечения, схема которой показана на рис. 4. Результатом выполнения этого процесса является достижение состояния обеспеченности ресурсами: всех рабочих мест, запасов на складе, заполнение ресурсами транспортных сосудов транспортной цепочки и наличие дополнительных запасов, сформированных с учетом возможных потерь. Все это дает возможность в течение расчетного периода времени осуществлять производственные процессы бесперебойно. Однако с течением времени может произойти изменение каких–либо внешних или внутренних факторов, которые могут изменить параметры протекания производственных процессов. Это приведет к изменению фактического ресурсопотребления и объема потерь ресурсов, поэтому должна существовать обратная связь. Она позволяет перед началом процесса планирования ресурсообеспечения на новый период времени корректировать риски, т.е. увеличивать их либо, наоборот, уменьшать.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рис. 4 – Взаимосвязь основных понятий процесса ресурсообеспечения

Как видно из рис. 4, рынки ресурсов обеспечивают (ресурсообеспечение) всеми необходимыми ресурсами предприятие (шахту). Далее эти ресурсы полностью или частично расходуются (ресурсопотребление) за один цикл (смену), после потребления ресурсов, получаем продукцию готовую для дальнейшего использования (уголь). После полного или частичного потребления ресурсов, ресурсообеспеченность нуждается в воспроизводстве (пополнении) ресурсов, для производства нового цикла продукции. Основополагающими понятиями процесса ресурсообеспечения горных предприятий являются «ресурсообеспечение», «ресурсообеспеченность» и «ресурсопотребление». Эти понятия описывают различные состояния, в которых могут находиться ресурсы в процессе их кругооборота на шахте. Каждое из них обладает своими индивидуальными свойствами, знание и понимание которых, а также умение управлять ими, позволяет регулировать процесс обеспечения горных предприятий ресурсами. Исследованные понятия взаимосвязаны между собой, поскольку процесс ресурсообеспечения стремится наполнить каждое рабочее место шахты ресурсами, а ресурсо–потребление, наоборот, истощает ресурсы на рабочем месте, поэтому ресурсообеспеченность — это разница между значениями ресурсообеспечения и ресурсопотребления на определенный момент времени.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Лимарев, В. Я. Организация и регулирование логистических процесссов и маркетинга в системе ресурсообеспечения АПК: Автореф. дис... дра экон. наук Рос. инж. акад. менеджмента и агробизнеса. — М.: — 2000. — 47 с. 2. Саубанова, Л. В. Организация управления человеческими ресурсами на предприятии [Текст] / Л. В. Саубанова // Управление персоналом. – 2009. – №1. 3. Александрова, Д. Д. Исследование проблем управления ресурсообеспечением промышленного предприятия [Текст] / Д. Д. Александрова // Проблемы и перспективы конкурентоустойчивости промышленной продукции и предприятия. URL: http://econf.rae.ru/article/8795 (дата обращения: 19.05.2017). 4. Нуждихин, Г. И. Организация производства и управление горными предприятиями / Г. И. Нуждихин, Б. М. Воробьев, М. И. Крулькевич — М.: Недра, 1984 — 298 с. 5. Лобанов, Н. Я. Организация, планирование и управление производством в горной промышленности. Учебник для вузов / Н. Я. Лобанов, Ф. Г. Грачев, С. С. Лихтерман и др. Под общ. ред. Н. Я. Лобанова — М.: Недра, 1989 — 516 с. 6. Чечевицына, Л. Н. Экономика организации: учеб, пособие / Л. Н. Чечевицына, Е. В. Хачадурова. — Ростов н/д.:, 2016. — 382 с. 7. Анализ хозяйственной деятельности. Под ред. В. И. Бариленко. — М.: Эксмо, 2011. — 352 с. 8. Кожекин, Г. Я. Организация производства / Г. Я. Кожекин, Л. М. Синица. — Мн: ИП Перспектива, 1998. — 334 с. 9. Организация, планирование и управление деятельностью промышленных предприятий. Под ред. С. Е. Каменицера, — М.: «Высшая школа», — 1998. — 467 с. 10. Академик. Географическая энциклопедия Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_geo/238/РЕСУРСО-ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ 11. Академик. Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации Режим доступа: http://normative_reference_dictionary. academic.ru/65772/ресурсопотребление

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.272

ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Белоусов В.А., студент гр. РПМ-12б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведена информация о требованиях к исходной информации, её полнота и достоверность, характеристика основных базовых категорий исходной информации, применяемой при ведении различного вида проектных работ. Ключевые слова: информация, требования к информации, шахта, проектные решения, категории исходной информации, схема вскрытия, параметры шахты. Выполнение прогрессивного и экономичного проекта угольной шахты и его разработка должна базироваться на достоверной, прогрессивной исходной и производной информации, на надежных методах получения исходных и промежуточных данных. Проектирование шахты необходимо рассматривать как объект многоэтапный развивающийся и обновляющийся, а это связано с использованием информации, имеющей в основном прогнозный характер. Большинство данных должно выражаться в форме функции времени, параметры этих функций должны непрерывно корректироваться для каждого нового этапа. Установление подобных функций, определение тенденции изменения тех или иных исходных данных, применение проектных решений и средств механизации основываются на сборе и обработке огромного объема статистических сведений, характеризующих опыт действующих предприятий, состояние научно-исследовательских и проектно–конструкторских работ в отрасли, социальные, экономические и производственные условия шахты, угольного района и бассейна [1]. За последние годы получили широкое распространение прогрессивные механизированные комплексы в очистных забоях, проходческие комбайны в подготовительных забоях, мощные электровозы и конвейеры на транспортных магистралях, средства дегазации в системе проветривания, системы автоматического управления машинами и установками и т. д. Изменения горно–геологических условий выражаются в изменениях мощностей и углов падения угольных пластов, их крепости, газоносности и качественных характеристик, в изменениях физико–механических свойств вме-

Научные руководители – к.т.н., доц. Выговский Д.Д., к.т.н., доц. Выговская Д.Д.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

щающих пород, в изменениях координат мест ведения тех или иных производственных процессов и т. д. При этом некоторые из этих изменений оказываются непредвиденными. Подобные объективные изменения горно–геологических условий иногда коренным образом меняют область применения средств механизации производственных процессов, схем проветривания, транспорта и т. д. Не остаются постоянными и другие параметры, воздействующие на шахту и определяющие ее состояния, в том числе стоимостные параметры и требования со стороны потребителей продукции. Научно–исследовательскими и учебными институтами, отдельными учеными выполняется огромный объем исследований, в том числе обобщающего и прогнозного характера. Большое число подобных работ заканчивается результатами и рекомендациями, имеющими непосредственное назначение — практику проектирования. Использование электронных баз по сохранению документации, обобщающих результатов исследовательских работ, механизированный поиск аккумулируемой информации стали необходимым условием использования при обосновании и проектировании параметров шахт методов экономико-математического моделирования, вероятностных методов прогнозирования и оценки надежности исходных данных, поэтапного проектирования и комплексной оценки эффективности проектов шахт [2]. Поэтапное проектирование становится необходимым установлением закономерности изменения во времени: • горно–геологических условий; • технических параметров основных горных машин и установок: параметров производственных процессов (скорость проведения выработок, скорость подвигания очистных работ, эффективность дегазации и т. д.); • параметров шахты и её элементов (мощность шахты, схема механизации, длина лавы, высота горизонта, размеры выемочных участков, нагрузка на очистные забои, производительность подъема и т. д.); • стоимостных параметров на горные работы и ведение производственных процессов и т. п. Названные закономерности устанавливаются по материалам действующих шахт, сданных в эксплуатацию новых шахт и выполненных проектов. В значительной мере (по действующим шахтам) эти сведения должны формироваться в автоматизированных системах анализа и управления шахтами. Исходя из этого, можно сделать вывод, что информационные системы проектных организаций должны создаваться на принципах согласования с системами управления действующих угольных шахт. Требования, предъявляемые к отбору исходной информации (при объективности и достоверности её) позволяют гарантировать и качество проектных решений.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Одним из объемных блоков информации есть блок производственнотехнической информации. Так, блок исходных данных производственно-технической информации, обеспечивает моделирование и проектирование угольной шахты и является наиболее обширным. К нему относятся параметры схем вскрытия, подготовки, вентиляции и транспорта, параметры всей шахты, очистных и подготовительных забоев, технологического комплекса на поверхности и системы энергоснабжения, сечения горных выработок и основные параметры горных машин, нормы технологического проектирования и правила безопасности — все это входит в массив производственно-технической информации. Поэтому значительная группа исходной информации имеет нормативный характер, часть их представляется постоянными коэффициентами или переменными величинами. При этом необходимо придерживаться одинаковых обозначений, изображений, единиц измерения принятого комплекса информации. Необходимо учитывать, что выполнение технического проекта производится разными группами проектировщиков (технологи, механики, электрики, экономисты и др.), и необходимо делить информацию по принятым технологическим звеньям [1]. Кроме того, некоторая часть исходной информации необходима только на начало проектирования, а другая часть будет формироваться в ходе проектирования, тогда результаты решения одних задач проектирования служат исходными данными при решении других. Эти требования и исходные условия необходимы при оптимизации решений не только при проектировании новой шахты, но и в выполнении проектах реконструкции действующих шахт, а также подготовки новых горизонтов. При этом перечень производственно–технических условий в этом случае больше, чем для новых шахт. Это связано с разнообразием и необходимостью учета сложившихся условий на шахте к моменту ее реконструкции или углубки. Эти условия характеризуются: o ограничением принятых размеров шахтного поля по простиранию и падению, горизонтов, панелей, этажей и др.; o выбором места расположения промышленной площадки шахты и отдельных элементов технологического комплекса на поверхности; o существующим на шахте стационарным оборудованием и другими объектами с большим остаточным сроком службы, которые могут быть использованы и после реконструкции действующей шахты; o принятым расположением главных вскрывающих выработок (вертикальные стволы, квершлаги); o установленными связями между шахтой и потребителями угля. При выполнении проекта реконструкции действующей шахты необходимо учитывать:

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

 глубину работ на действующем горизонте и объем разведанных запасов угля;  технические границы и размеры шахтного поля по простиранию и по падению;  техническую характеристику и производительность действующих стволов;  координаты и схему их взаимного расположения в шахтном поле;  характеристику и степень физического и морального износа объектов технологического комплекса на поверхности;  схему развития транспортных потоков;  фактическую добычу шахты на момент реконструкции. Принятый огромный объем исходной информации, который многократно используется при выполнении проектных задач для угольной шахты, требует создать базовую систему хранения, пополнения и обновления исходной проектной информации, которая будет обеспечивать достаточную полноту и достоверность исходных данных, а так же удобство её использования при выполнении проектных задач.

Библиографический список 1. Малкин, А. С. Проектирование шахт. / А. С. Малкин, А. С. Пучков, А. Г. Саламатин, В. Г. Еремеев. М. – Изд–во АГН, 2000. – 375 с. 2. Егоров, П. В. Проектирование угольных шахт. Учебное пособие. / П. В. Егоров, А. Н. Супруненко, А. И. Набоков. – ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2005. – 221 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 622.831

КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ОХРАНЫ КОНВЕЙЕРНОГО ШТРЕКА В УСЛОВИЯХ ПАО «ШАХТОУПРАВЛЕНИЕ «ПОКРОВСКОЕ» Гаврилов Д.И., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведены результаты применения комбинированного способа поддержания и охраны конвейерного штрека 2-й южной лавы бремсбергового поля блока №5 в условиях ПАО «Шахтоуправление «Покровское» за счет использования литой полосы в сочетании с установкой системы сталеполимерных анкеров, что позволило обеспечить возможность повторного использования конвейерного штрека в качестве вентиляционного. На шахтах Донбасса при отработке весьма газоносных пластов необходимо применять комбинированные системы разработки с прямоточным проветриванием выемочных участков и подсвежением исходящей струи. Проблема поддержания и сохранения устойчивости выработок, поддерживаемых позади очистного забоя актуальна не только с позиций возможности их повторного использования, но и для обеспечения прямоточного проветривания добычных участков, оснащенных высокопроизводительной выемочной техникой. Интересен опыт применения комбинированного способа охраны конвейерного штрека литыми полосами в сочетании с возведением системы сталеполимерных анкеров в условиях шахты «Покровская» (бывшая «Красноармейская – Западная» №1) [1]. В непосредственной кровле пласта d4, (m = 1,6–2 м) залегает алевролит (1–5,4 м, f = 3–3,5), основная кровля – песчаник (9,1–12,4 м, прочность 46–127 МПа). В почве пласта – алевролит (0,6–0,7 м, прочность 32–41 МПа), ниже залегает слой песчаника (10,6–18,8 м, прочность 50–86 МПа). Выше пласта d4 на расстоянии 17–20 м по нормали располагается угольный пласт–спутник, мощностью 0,25–0,5. Глубина разработки порядка 540– 600, угол падения — 2–4º. Согласно проекту строительства шахты предусматривалась прямоточная схема проветривания выемочных участков с движением струи воздуха по лаве в нисходящем порядке, погашением вентиляционного штрека вслед за подвиганием лавы и поддержанием конвейерного штрека позади неё с охраной его бутовой полосой или деревянными кострами со стороны выработанного

Научный руководитель – к.т.н., доц. Соловьев Г.И.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

пространства. Планировалось, что конвейерные штреки можно будет использовать повторно в качестве вентиляционных. Однако бутовые полосы, бутокостры, железобетонные блоки и другие конструкции не обеспечивают надлежащей устойчивости штреков позади движущегося очистного забоя при отработке угольного пласта средней мощности. В результате пришлось отказаться от принятого проектного решения и вместо прямоточного перейти на возвратноточное проветривание с применением газоотсоса. Вентиляционные штреки стали проходить вприсечку к выработанному пространству ранее отработанных этажей или ярусов. Подготовительные выработки погашались по мере подвигания лав. В 1996–1997 гг. на шахте была принята комплексная программа технического перевооружения, совершенствования шахтного фонда и горного хозяйства, что сказалось на результатах её работы достаточно эффективно. Так, в 2000 г. по сравнению с 1996 г. объём добычи угля увеличился в 2,4 раза и составил 4219 тыс. т. Такая нагрузка на действующие очистные забои оказалась предельной по газовому фактору, т.к. при использовании возвратноточная схема проветривания неудовлетворительно работали дегазационные скважины, расположенные впереди лавы и пробуренные со штрека на пласт–спутник. Поэтому вновь назрела необходимость применения прямоточной схемы проветривания лавы. Основная задача заключалась в том, чтобы найти приемлемый в геомеханическом, технологическом и экономическом аспектах способ сохранения устойчивости конвейерного штреков позади очистных забоев, отрабатываемых обратным ходом. На сопряжении лавы с конвейерным штреком в горно–геологических условиях рассматриваемого пласта необходимо было обеспечить минимально возможное оседание пород кровли у штрека со стороны выработанного пространства. Для этого возводимая охранная полоса по своей податливости должна была приближаться к податливости краевой части массива угля, к которому примыкает штрек со стороны падения пласта. Кроме того, охранная полоса должна была возводиться с технологически минимальным отставанием от очистного забоя и практически сразу же оказывать нарастающий отпор интенсивно оседающим породам кровли в районе сопряжения лавы со штреком. Когда со временем полоса будет способна максимально сопротивляться оседающей кровле, она должна выполнять роль «режущей» крепи, способствующей разлому и обрушению зависающих породных консолей вдоль поддерживаемого штрека. Из известных охранных конструкций применительно к такому взаимодействию системы «охранное сооружение – оседающие породы кровли» наиболее приемлемы литые полосы с заданными характеристиками твердеющих материалов. Возведение их вдоль конвейерного штрека способствовало бы также уменьшению утечек воздуха через выработанное пространство.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Прямоточная схема проветривания лавы с применением новой технологии возведения литой полосы вдоль конвейерного штрека была внедрена в условиях 2–й южной лавы бремсбергового поля блока №5 (рис. 1). Длина выемочного столба по простиранию составляла 1370 м. Лава длиной 310 м была оборудована механизированной крепью 3КД–90Т, забойным конвейером СЗК и комбайном 2РКУ–13. Приводные станции были вынесены на штреки. Площадь поперечного сечения конвейерного штрека 13,7 м2; вентиляционного – 12,1 м2, крепление – трёхзвенные металлические арки. Относительная газообильность участка 9,7 м3/т, абсолютная – 18,7 м3/т.

Рис. 1 – Выкопировка из плана горных выработок 2-й южной лавы бремсбергового поля №5

Шаг посадки песчаника основной кровли 15–20 м, алевролита непосредственной кровли 1–4 м. По 2–му южному вентиляционному штреку подавалась свежая струя воздуха (1800 м3/мин), которая двигалась по лаве в нисходящем порядке. По 2–му южному конвейерному штреку также подавалась подсвежающая струя воздуха (1000 м3/мин) для разбавления метана на исходящей вентиляционной струе участка. Песчаники основной кровли и почвы пласта были обводнены. До начала очистных работ приток воды был 8–10 м3/ч. В январе – марте 2001 г. среднесуточная нагрузка на лаву составила 2823 т., а среднемесячное подвигание очистного забоя – 120 м. Возведение литой полосы у конвейерного штрека осуществлялось в следующем порядке. В подготовительный период рабочие очистного участка ежесменно крепили ниши после передвижки нижней приводной станции и устанавливали ряд органной деревянной крепи по простиранию и восстанию пласта (рис. 2). В пределах этих рядов в последующем размещалась гибкая опалубка в виде полиэтиленового мешка.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

В штреке впереди очистного забоя бурились парные анкер – скважины и верхние сегменты постоянной металлоарочной крепи с помощью хомутов, клеевой композиции и анкеров длиной 2,4 м «подхватывались» к породам кровли. Это предотвращало просадку верхнего элемента крепи при демонтаже боковой ножки металлические арки во время передвижки привода лавного конвейера, благодаря чему удаление стойки перед проходом лавы и её установка после прохода не вызывали затруднений.

Рис. 2 – Комбинированный способ охраны конвейерного штрека литой полосой и сталеполимерными анкерами: а) – вид в плане, б) и в) – соответственно в поперечном и продольном разрезах: 1 –стойка крепи; 2 – верхняк крепи; 3 – радиально-наклонные сталеполимерные анкеры; 4 – спаренные анкеры-подхваты; 5 – зона распространения пенополиуретановой смолы; 6 – органка-опалубка; 7 – литая полоса; 8 – обрезная органка

Подхватывающие анкеры устанавливают так, чтобы зацементированная часть штанги полностью пересекала блок обрушения, что обеспечивает передачу нагрузки на анкер, а не на соединительную пластину – самое слабое место

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

системы. Для восприятия этих нагрузок устойчивым массивом за пределом блока обрушения прочность анкера на растяжение должна составлять не менее 250 кН, длина участка штанги, закреплённого в ненарушенных породах кровли, – не менее 0,5 м. Сочетание анкерной крепи с усиливающей крепью сопряжения, состоящей из гидравлических стоек СУГ–17, устанавливаемых под деревянный брус на расстоянии 60 м, повысило устойчивость сопряжения лавы со штреком и позволило обеспечить достаточную безопасность работ в том случае, если стойка крепи демонтировалась заранее на участке равном сменному подвиганию лавы. Возведение литой полосы производилось в первую и третью смены рабочими специализированного участка по поддержанию горных выработок. Технология выполнения включала подвеску петель гибкой опалубки к стойкам органной крепи и вплотную к породам кровли, попакетную засыпку (по 25 кг) минерально–связывающего вещества в специальную установку, перемешивание этого вещества с определённой порцией воды, подачу с помощью агрегата «Моно–830» и гибкого шланга раствора в полиэтиленовую емкость. После заполнения последней гибкий шланг промывался водой с целью устранения из него быстротвердеющего материала. Отставание литой полосы от забоя лавы не превышало 4–6 м. Литая полоса возводилась с помощью не громоздкого и удобного оборудования, относительно легко передвигаемого при подвигании лавы. По конвейерному штреку пакеты минерально–связывающего вещества доставлялись монорельсовой дорогой ДМКУ. Для устройства охранной литой полосы шириной 1 м использовалась порошкообразная цементно-строительная смесь и вода. При смешивании воды со связующей смесью соотношение компонентов составляло 1,1:1. Связующий раствор транспортировался без участия сжатого воздуха. В месте ведения работ практически отсутствовало пылеобразование. Связующий материал литой полосы быстро затвердевал, уже через 2 часа его прочность на одноосное сжатие достигала 4–4,5 МПа, спустя 1–3 дня – 11–16 МПа. При такой технологии скорость подвигания лавы достигала 8 м/сут. Возведение литой полосы у конвейерного штрека осуществлялось в сочетании с установкой системы сталеполимерных анкеров, обеспечивающих создание в кровле выработки грузонесущей конструкции в виде свода из омоноличенных породных слоев (рис. 2, б и в). Общее количество анкеров составляло обычно 9–13 штук в одном межрамном промежутке конвейерного штрека. При этом в проходческом забое выработки устанавливалось от 5 до 9 радиальных в поперечном сечении анкеров с наклоном их на 100 от вертикальной оси в сторону подвигания очистного забоя (рис. 2, б и в).

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

На расстоянии 40–50 м перед лавой производилась установка четырех попарно расположенных между замками крепи анкеров–подхватов длиной по 2,5 м (рис. 2, б и в). Эти анкеры устанавливались вертикально в продольном сечении выработки и соединялись с верхняками крепи с помощью хомутов, «подшивая», таким образом, верхняки к породам кровли. Это позволяло снизить трудоемкость работ по демонтажу и восстановлению боковых стоек металлической арочной крепи во время передвижки вынесенного в выработку привода забойного конвейера. Подхватывающие анкеры устанавливались таким образом, чтобы длина участка штанги, закрепленного в ненарушенных породах кровли, составляла не менее 0,5 м, что обеспечивало передачу нагрузки на анкер, а не на соединительную пластину – самое слабое место системы. Прочность анкера на растяжение составляла не менее 250 кН. Сочетание анкерной крепи с усиливающей крепью сопряжения, состоящей из гидравлических стоек СУГ–17, устанавливаемых под деревянный брус на расстоянии 60 м от очистного забоя, повысило устойчивость боковых пород на сопряжении лавы со штреком и позволило обеспечить достаточную безопасность работ при демонтаже стоек арочной крепи на участке равном сменному подвиганию лавы. В результате внедрения способа охраны конвейерного штрека жесткой литой полосой была доказана возможность применения прямоточной схемы проветривания выемочных участков на пласте мощностью 1,6–2 м. Достигнуто суточное увеличение нагрузки на лаву более чем на 500 т. За счёт изменения схемы проветривания был повышен уровень безопасности работы горнорабочих. Обеспечена лучшая сохранность и работоспособность дегазационных скважин, в отсасываемой смеси которых концентрация метана возросла от 40 до 60%. После отхода лавы от разрезной печи на 500 м средняя потеря проектной площади поперечного сечения штрека не превысила 35%. Подтверждена возможность повторного использования конвейерного штрека в качестве вентиляционного при подрывке в нём на 0,8–1 м выдавленных пород почвы. Затраты на ремонт 1 м повторно используемого конвейерного штрека снизились на 1000 грн. По сравнению с проведением нового вентиляционного штрека вприсечку к выработанному пространству ранее отработанных лав. Возможная производительность труда 3-х горнорабочих по возведению литой полосы объёмом 1,9 м3 на 1 м подвигания лавы достигала 8 м в смену, что не являлось сдерживающим фактором при высокой интенсивности ведения очистных работ. Опыт 2–й южной лавы стал основой для проектирования отработки 3–й южной лавы блока №6 в аналогичных горно–геологических условиях. Литая полоса была применена для обеспечения прямоточной схемы проветривания и поддержания 1–й южной-бис бортовой выработки в условиях двустороннего

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

выработанного пространства. На сопряжении подхватывающие анкера хорошо зарекомендовали себя в сочетании с усиливающей крепью из гидравлических стоек. К недостаткам литых полос следует отнести повышение общей трудоемкости работ технологического цикла и недостаточную начальную жесткость полосы на участке интенсивных смещений пород непосредственной и основной кровли, что сопровождается разуплотнением боковых пород и их значительными смещениями, особенно при выемке пластов мощностью более 1,5 м. Для выбора и обоснования параметров охранных конструкций, возводимых вдоль выемочных выработок, определяющими являются ожидаемая величина смещений пород, радиус зоны неупругих деформаций и величина ожидаемых нагрузок на охранную конструкцию. В результате проведенных натурных наблюдений и маркшейдерских измерений, а также теоретические разработки ИГТМ НАН Украины, были получены выражения для прогнозной оценки указанных параметров. В частности, на базе маркшейдерских измерений параметров вывалов в выработках установлено, что их высота варьирует в пределах 1,0–5,0 м, при среднем значении 2,0 м. Статистической обработкой данных установлено, что высота обрушения пород, определяющая нагрузки на охранную конструкцию с погрешностью 18–22% может быть описана линейной зависимостью следующего вида [1,2]:

hb = a + k ⋅ b

(1) где hb – высота вывала; b – ширина выработки (3< b <6,5 м); а – коэффициент, равный для однородных пород 0,2, для сложных – 0,15; k – коэффициент, равный соответственно 0,70 и 0,50. Используя результаты натурных и аналитических исследований, были обоснованы и разработаны эффективные конструкции для охраны выработок, обеспечивающие их повторное использование и достаточно надежное проветривание выемочных участков. Совершенствование охранных конструкций выработок должно быть связано с разработкой систем обеспечивающих повышение приконтурной и глубинной устойчивости пород, что может быть достигнуто применением искусственно создаваемых охранных систем на основе формирования околоштрековых жестких литых полос, которые имеют весьма высокую несущую способность и высокую степень принудительного взаимодействия с породным массивом. Такая охранная конструкция предотвращает расслоение, разрыхление и обрушение пород, повышая устойчивость выработок. Технический эффект в охранной конструкции достигается достаточно полной интеграцией элементов системы «основная крепь выработки – сталеполимерный анкер – литая полоса» в охранную конструкцию с новыми качествами и деформационно-силовыми характеристиками, в которой обеспечивается надежное долговременное статистическое равновесие системы

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

"крепь – массив". Это упрощает задачу управления горным давлением в выработках, удешевляет охранную конструкцию и исключает трудоемкие операции при ее возведении. Разработанная методика обоснования параметров охранной конструкции с литыми полосами включает: определение класса основной кровли, расчет параметров литой полосы, и определение необходимости проведения специальных мероприятий по предотвращению пучения пород почвы выработки. Ширина литой полосы из быстротвердеющей цементно-минеральной смеси (патент Украины № 53569А; Бюл. №1, 15.01.2003 г) определяется по формуле [1]: Р В= , (2) Р лит.пол. где Рлит.пол – предел прочности материала в суточном возрасте, кН/м2; Р – расчетная нагрузка на литую полосу, кН/м. Установлено, что рекомендуемая ширина околоштрековой полосы, определяемая кратностью к мощности пласта варьирует в пределах 0,6–1,0. Она не должна быть менее 1,0 м. Отставание ее от забоя лавы не должно превышать — 4–5 м; а удаление от контура выработки — 0,2–0,4 м. Нагрузка на литую полосу составляет 12000 кН/м , нормированная прочность материала полосы – 12000 кН/м2 (табл. 1). Проанализированы различные варианты расположения литой полосы в выработанном пространстве. Оптимальным является вариант размещения полосы непосредственно за органным рядом крепи и на расстоянии от стоек основной крепи не более 0,6 м. Разработана технология возведения околоштрековых литых полос при изготовлении смесей насосными установками типа "МОNO-820WТ". При этом обеспечивается транспортировка раствора по трубопроводу диаметром 55 мм в опалубочные емкости, которые размещаются в местах сооружения литой полосы. Таблица 1 – Расчетная нагрузка на литые полосы Расчетная нагрузка на литые полосы по кровле, кН/м2 (тс/м2) Мощность разрабатываемого пласта

Среднеобрушающаяся Труднообруша-ющаили труднообру-шаюяся щаяся с разупрочнением

до 1,0

10 000(1 000)

15 000(1 500)

1,0-2,0

12 000(1 200)

17 000(1 700)

2, 0 - 2, 5

14 000(1400)

20 000 (2 000)

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Конструкция опалубочных емкостей с фильтрующими обеспечивает быстрое истечение остаточной воды. При соотношении вода/смесь, равном 0,2–1,0, прочность материала для полосы через 1, 3, 7, 28 суток составляет соответственно: 9–12, 15–17, 25–28, 39–45 МПа. На седьмые сутки прочность материала из предложенной смеси превосходит в 1,75–2,25 раза аналогичные, выпускаемые в Польше ("Текбленд") и в Германии ("Рго Моnt Р–61"). Таким образом, описанная технология охраны штреках на пологих пластах средней мощности с использованием литых полос в сочетании со сталеполимерными анкерами позволила не только реализовать известные геомеханические принципы охраны выработок, но и практически обеспечила внедрение прямоточной схемы проветривания на высокогазоносных пластах средней мощности для достижения стабильных нагрузок 2500–3000 т/сут. Однако следует отметить, что применение системы сталеполимерных анкеров в количестве от 7 до 13 штук, пробуренных в одном межрамном промежутке конвейерного штрека, существенно повышают общую стоимость поддержания выработки. Одним из способов сокращения количества анкеров является разработанный на кафедре РМПИ ГОУ ВПО «ДонНТУ» способ продольной связи комплектов основной крепи по длине выработки жесткой балкой, например, из отрезков СВП–27 или СВП–33. Данный способ прошел практическую проверку на шахтах «Южнодонбасская №3» [3] и им. Е. Т. Абакумова [4], которая показала, что применение продольной балочно– анкерной крепи усиления позволяет снизить величину вертикальных смещений на контуре выемочных выработок в 2,2–2,6 раза. Опыт шахты «Красноармейская–Западная» по охране выемочных выработок литыми полосами был использован на шахтах им. А. Ф. Засядько и «Комсомолец Донбасса». Дальнейшие исследования будут направлены на выбор и обоснование рациональных параметров способа продольной балочно–анкерной связи комплектов основной крепи выемочных выработок глубоких шахт.

Библиографический список 1. Байсаров, Л. В. Геомеханика и технология поддержания повторно используемых горных выработок / Л. В. Байсаров, М. А. Ильяшов, А. И. Демченко // Днепропетровск: Лира, 2005. – 240 с. 2. Виноградов, В. В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. АН УССР. Ин-т геотехн. механики. – Киев: Наук. Думка, 1989. – 192 с. 3. Бондаренко, Ю. В. О влиянии жесткости каркасной крепи усиления на смещения пород кровли / Ю. В. Бондаренко, Г. И. Соловьев, Е. В. Кублицкий, О.К. Мороз // Известия Донецкого горного института. 2001. №1. С. 59–61.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

4. Соловьев, Г. И., Мороз, О. К., Шуляк, Я. О. Обеспечение устойчивости конвейерного штрека комбинированной продольно–балочной и анкерной крепями усиления в условиях шахты им. Е. Т. Абакумова / Г. И. Соловьев, О. К. Мороз, Я. О. Шуляк // Górnictwo i geologia. Kwartalnik, tom 4, zeszyt 2a. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Polska, Gliwice, 2009. S. 171–179.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

УДК 621.311.1

ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЭКОНОМИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ Гармаш А.В., ст. преп. кафедры «Горное дело», Шмырко Е.О., асс. кафедры «Горное дело» (АФГТ ГОУ ВПО ЛНР «ЛНУ им. В. Даля», ЛНР) Выявлены наиболее энергоёмкие потребители электроэнергии на поверхности шахты и в подземных горных выработках, дано обоснование эффективных методов и организационно–технических мероприятий по экономии электроэнергии на угольных предприятиях. Причём, наибольший эффект можно получить только лишь при использовании автоматизированных систем управления топливно–энергетическими ресурсами. Приведены примеры экономии электроэнергии в условиях Филиала «Шахта «Комсомольская» ГУП ЛНР «Антрацит». Ключевые слова: электроэнергия, электроприёмники, удельный расход, электропотребители, автоматизированная система энергетического мониторинга. 1. Электропотребители угольных шахт, роль потреблённой элетроэнергии в формировании себестоимости 1 т угля по шахте. Современные угольные шахты Восточного Донбасса – крупнейшие потребители электроэнергии. Они оснащены высокопроизводительными машинами и механизмами для проведения горных выработок и добычи полезного ископаемого, мощными транспортными средствами, а также стационарными установками для обеспечения выдачи добытого угля на поверхность и для безопасной работы людей под землей.

Рис. 1 – Структура себестоимости 1 т угля по основным затратам

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Реконструкция и модернизация шахт предъявляют новые требования к совершенствованию электрификации горных работ. Стоимость потреблённой электроэнергии оказывает существенное влияние на формирование себестоимости 1 т угля по шахте, структура которой по основным затратам показана на рис. 1. Большое внимание в области электрификации шахт отдают вопросам экономии электроэнергии, регулирования режимов электропотребителей, снижения удельных норм расхода электроэнергии. 2. Классификация потребителей электроэнергии по мощности на поверхности и в шахте. Наиболее мощными потребителями электроэнергии на поверхности шахты являются главная вентиляторная установка, скиповой, клетьевой и породный подъемы, технологический комплекс шахты. Мощности электродвигателей подъемных машин находятся в широком диапазоне – от 500 до 10 000 кВт, являясь наиболее мощным потребителем электрической энергии на шахте. Наиболее мощными потребителями в подземных горных выработках являются проходческие комбайны и комплексы, горные машины для очистных работ, главная водоотливная установка, конвейерный транспорт и компрессорная установка. Основная масса применяемых в технологических установках двигателей асинхронные, потребляющие активную и реактивную энергии. Для компенсации реактивной энергии применяются конденсаторные установки, как на поверхности шахты (на ГПП), так и в подземных условиях. Энергетические обследования угольных предприятий, выполняемые НИИГМ имени М. М. Федорова, показывают, что в условиях действующей технологии, во всех звеньях производства имеются значительные резервы экономии энергии. Во многих случаях оптимальным энергетическим решениям соответствует максимальная производительность технологического оборудования, с минимальным удельным расходом энергии. 3. Основные факторы экономии электроэнергии. Важным фактором экономии электроэнергии является правильная организация учета, контроля и регулирования режимов электропотребления, внедрение на предприятиях отрасли автоматизированных систем управления топливно–энергетическими ресурсами, создание технических средств, обеспечивающих контроль расхода электроэнергии и энергетических характеристик процессов и установок. Максимальный эффект по экономии электроэнергии достигается при использовании средств автоматизированного контроля и учета потребления электроэнергии например, автоматизированная система энергетического мониторинга АСЭМ предназначенная для контроля и учета расходования энергоресурсов угольных шахт [2].

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Система представляет собой комплекс организационных мероприятий, технических средств и программно–методического обеспечения, которые позволяют таким образом управлять производственным процессом, чтобы потреблялось только минимально необходимое количество ТЭР. Целью создания системы является автоматизация обработки данных об энергопотреблении для принятия управляющих решений по снижению удельного потребление ТЭР. 4. Максимальный эффект по экономии электроэнергии. Общий резерв экономии энергоресурсов для угольных предприятий может быть определен как сумма резервов экономии энергоресурсов отдельных технологических процессов, установок. Предлагаемая система может внедряться поэтапно. Указанные системы внедрены и позволяют подключать их к уже существующим АСУ. Чтобы реализовать весь имеющийся потенциал, необходима планомерная и активная работа по энергосбережению и повышению эффективности работы систем энергоснабжения. Для этого представляется целесообразным: • Разработать концепцию развития и модернизации систем контроля и учета энергопотребления угольных предприятий. • Организовать работы по энергетической паспортизации угольных предприятий. • Создать электронную базу данных энергетических паспортов угольных предприятий и использовать ее для управления процессом энергоснабжения этих предприятий. • Разработать и внедрить на угольных шахтах автоматизированную систему контроля, учета и управления расходованием энергоресурсов. Данная система позволяет давать «советы» на отключение энергоемких установок для исключения перерасхода электроэнергии шахтой. 5. Долевое потребление электроэнергии на угольной шахте. Согласно исследованиям [2], структура потребления электроэнергии технологическими процессами и установками шахты приведена на рис. 2. Из диаграммы видно, что наиболее энергоемкими процессами являются подземный конвейерный транспорт, проветривание, водоотлив. Следовательно, для уменьшения перерасхода электропотребления шахты необходимо регулировать режимы работы магистральных конвейерных линий, главных вентиляторных установок и главных водоотливных установок. Учитывая изложенное, комплекс работ по регулированию режимов технологических установок на шахте должен быть направлен не только на снижение максимумов нагрузок энергосистемы, но и на повышение энергетических и технико–экономических показателей всех составных объектов электрохозяйства шахты.

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 2 – Диаграмма потребления электроэнергии технологическими процессами и установками шахты

6. Возможные способы и технические средства регулирования режимов работы указанных выше технологических установок для снижения расхода электроэнергии с учетом требований Правил безопасности в угольных шахтах: Магистральный конвейерный транспорт Оптимальное управление по критерию «минимальные удельные энергозатраты» может быть достигнуто за счет загрузки конвейера, обеспечивающей минимальный расход электроэнергии на транспортирование единицы веса груза, и сокращения общего времени холостых пробегов ленты. Достичь оптимальной загрузки конвейерной линии в принципе возможно двумя способами: • Регулирование скорости ленты. • При наличии промежуточных бункеров в линии необходимо регулировать интенсивность разгрузки буккеров. • Сокращение общего времени холостых пробегов ленты конвейера может быть достигнуто в результате применения следующих способов. • Автоматический останов конвейера в интервалах отсутствия грузопотока. • Синхронизация момента пуска конвейера и момента поступления груза на его ленту. Способ управления позволяет сократить общее время холостых пробегов ленты и снизить удельный расход электроэнергии на транспортирование груза в сравнении с существующим методом пуска против грузопотока и методом одновременного пуска. Главные вентиляторные установки В зависимости от типа вентилятора в принципе возможны два способа регулирования режима работы установки [1]:

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

• Регулирование поворота лопаток направляющего аппарата (центробежные вентиляторы) или поворота лопаток рабочего колеса (осевые вентиляторы). • Регулирование частоты вращения вентилятора путем изменения частоты вращения приводного электродвигателя. Главные водоотливные установки Необходимо организовать работу насосной установки таким образом, чтобы откачка воды из водосборника осуществлялась во временных зонах с наименьшей стоимостью электроэнергии и не осуществлялась в период максимальной стоимости электроэнергии или в период максимальной нагрузки на энергосистему [3]. 7. Рассмотрев теоретические методы, пути и способы экономии электроэнергии предложим некоторые мероприятия по экономии электроэнергии в условиях Филиала «Шахта «Комсомольская» ГУП ЛНР «Антрацит». Внедрение прогрессивных технологических процессов – переход на бесцеликовую выемку угля при столбовой системе разработки с отработкой столбов по простиранию. Это позволит исключить из работы скребковые конвейеры СП–202, СП–250, установленные раннее по конвейерным просекам и печам, а так же исключить потребление электроэнергии на проведение просеков и печей. • ожидаемая суточная экономия электроэнергии на одном добычном участке при двухсменной работе – 580 кВт*час. • количество одновременно работающих участков при двухсменной работе – 4. • общая ожидаемая суточная экономия электроэнергии составит – 580*4 = 2320 кВт*час. • месячная экономия электроэнергии составит – 2320*25,4=58928 кВт*час. Совершенствование графика работы горно-шахтного оборудования – переход на одновременную двухсменную работу очистных участков по добыче угля. Это позволит более полно загрузить магистральные конвейеры и исключить работу этих конвейеров с неполной загрузкой в 3–ю и 4–ю смены. На шахте применяется полная конвейеризация доставки добытого угля к бункеру скипового подъёма, суммарная мощность, затрачиваемая на холостую работу конвейеров, составляет примерно 2000 кВт. Экономия электроэнергии за счёт перевода конвейеров на 2–х сменную работу составит: 2000*12=24000 кВт*час в сутки, или 24000*25,4=609600 кВт*час в месяц. Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что максимальный эффект по экономии электроэнергии можно достигнуть только лишь при исполь-

100

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

зовании автоматизированной системы энергетического мониторинга, например, АСЭМ, предназначенной для контроля и учета расходования энергоресурсов (активной и реактивной электроэнергии, теплоэнергии, пневмоэнергии) угольных шахт, контроля основных показателей работы технологических установок и участков, расчета затрат электроэнергии на единицу продукции, обработки и анализа информации о расходе энергии предприятием и его подразделениями, а также управления расходованием энергоресурсов. Были рассмотрены и исследованы различные способы и методы энергосбережения, которые нашли практическое применение на шахтах. Согласно структуре потребления электроэнергии технологическими процессами и установками шахты были определены наиболее энергоёмкие процессы и установки и приведены рекомендации для снижения их электропотребления. В качестве примера были предложены мероприятия по экономии электроэнергии филиала «Шахта «Комсомольская» ГУП «Антрацит». Выполнение вышеуказанных мероприятий позволит сократить электропотребление на 58928+609600 = 668528 кВт*час в месяц. Следует отметить, что выполнение мероприятий не требует практически никаких материальных затрат, что благоприятно отразится на себестоимости 1 т угля. Аналогично необходимо проанализировать электропотребление всех технологических процессов и работу всего горношахтного оборудования с целью изыскания резервов, путей и способов экономии электроэнергии. Этому будут посвящены следующие работы.

Библиографический список 1. Богопольский, Б. Х., Левин, М. А. Автоматизация шахтных вентиляторных установок / Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1976. – 232 с. 2. Півняк, Г. Г., Шкрабець, Ф. П., Заїка, В. Т., Разумний, Ю. Т. Системи ефективного енергозабезпечення вугільних шахт. – Дн.: НГУ, 2004. – 206 с. 3. Шевчук, С. П. Повышение эффективности водоотливных устано-вок – К.: Техника, 1991. – 53 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

101

УДК 622.268.6.001.57

ЭКОНОМИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ВЫЕМОЧНОЙ СТУПЕНИ Геков А.Ю., студент гр. РПМ-12б, Краснов Д.С., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Разработана компьютерная модель технологии разработки уклонной выемочной ступени при панельной и погоризонтной подготовке, позволяющая не только выбрать рациональный вариант технологии в заданных условиях, но и оптимизировать технические параметры технологии. Ключевые слова: магистральный штрек, проведение выработки, поддержание выработки, размер выемочной ступени. В 2016 году была разработана компьютерная программа SSR-513.xls [3], позволяющая осуществлять выбор и анализ системы разработки уклонной ступени шахтного поля при панельной (этажной) подготовке ступени. В 2017 году эта программа усовершенствована, дополнена и функционирует как программа (модель) ssr-uklon.xls. Она позволяет произвести выбор наиболее пригодных по экономическим показателям систем разработки как при панельной, так и при погоризонтной подготовке уклонной ступени шахтного поля, а так же сравнить экономические показатели данного вида системы разработки при этих способах подготовки. В основу моделирования технологии разработки выемочной ступени шахтного поля положены следующие принципы: • технологическая схема разработки выемочного участка определяется видом системы разработки; • каждый вид технологической схемы выемочного участка требует наличия определенной системы подготавливающих выработок. Технологическая схема выемочного участка, т.е. система разработки, конструируется их трех узлов: • узел 1 – сопряжение лавы с транспортной выработкой; • узел 2 – сопряжение лавы с вентиляционной выработкой; • узел 3 – сопряжение (примыкание) работающей лавы к уже отработанному выемочному участку. Вид узлов №1 и №2 определяется временем проведения выработки относительно времени начала работы лавы, погашением (или сохранением) вы-

Научный руководитель – к.т.н., проф. Стрельников В.И.

102

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

работки после прохода лавы, направлением движения по выработке воздушной струи и угля относительно направления подвигания лавы, направлением движения свежей струи вдоль лавы. Вид узла №3 определяется размерами угольного целика между работающим и отработанным выемочным участком. Узлы №1 и №2 могут иметь 8 различных взаимозаменяемых исполнений – 8 модулей, узел №3 может быть представлен 4 модулями. Указанные узлы технологической схемы и типы модулей приведены на рис. 1: а) - при панельном или этажном способе подготовки; б) - при погоризонтном способе подготовки. Соответственно типу модуля для каждого узла, каждому варианту системы разработки присвоен условный номер, соответствующий номеру узла сопряжения лавы с транспортной выработкой - номеру узла сопряжения лавы с вентиляционной выработкой - номеру узла примыкания участка к уже отработанному выемочному участку. Так, например, для сплошной системы разработки условный номер варианта имеет вид 1.1.1, если размер целика между соседними участками больше размера зоны опорного давления, или вид 1.1.3 – если вентиляционный штрек проводится вприсечку к старым работам. Технически возможные сочетания модулей узла №1 и узла №2 (в зависимости от направления движения воздушной струи по лаве), показаны на рис 2. Таким образом, технически возможно сконструировать (синтезировать) 128 вариантов технологической схемы выемочного участка. В зависимости от направления свежей и исходящей из лавы воздушных струй, направления движения угля из лавы, как уже отмечалось, находится наличие или даже количество подготавливающих выработок (магистральные штреки при погоризонтной подготовке, ходки и уклоны при панельной подготовке). Например, если система разработки сплошная (вариант 1.1.1), то при панельной подготовке необходимо иметь только три панельные наклонные выработки – уклон и два ходка. Если система разработки комбинированная (вариант 1.4.1), то необходимо имеет на каждом крыле панели ходок для отработанной воздушной струи. При погоризонтной подготовке наличие и количество подготавливающих выработок зависит так же от направления подвигания лавы – по восстанию или по падению. Наличие и количество подготавливающих выработок для каждого из 128 вариантов технологической схемы является строго определенным. Все вышесказанное положено в основу экономико–математической модели выемочной ступени.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рис. 1 – Типы модулей узлов технологической схемы системы разработки

Рис. 2 – Матрица возможных сочетаний модулей узла 1 и узла 2

103

104

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Блок исходных данных, введенных при программировании Этот блок программы формируется на стадии программирования модели, пользователь не должен вносить в него исправления. 1. Текстовое описание каждого из 128 вариантов системы разработки. 2. Характеристика вариантов систем разработки относительно подготавливающих выработок за пределами выемочного участка. 3. Данные о проветривании выемочного участка. 4. Характеристика участковых подготовительных выработок на всех стадиях ее существования (подготовка участка, очистные работы, повторное использование). На каждой стадии существования участковой выработке соответствует определенный «образ» выработки. Всего пластовая выработка может иметь 28 образов (рис. 3). Так при описании столбовой системы разработки, показанной на рис. 4 (слева) транспортная выработка поочередно принимает образы: 24 – при подготовке участка, 1 – при эксплуатации участка. Транспортная выработка при столбовой системе разработки с повторным ее использованием (рис. 4 справа) последовательно проходит образы 24, 1 и 18.

Рис. 3 – Образы участковых подготовительных выработок

Введенные в программу исходные данные полностью характеризуют все варианты систем разработки. Пользователь программы не должен вносить изменения в указанные данные.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

105

Рис. 4 – Примеры образов участковой выработки

Блок исходных данных, вводимых пользователем С этим блоком программы пользователь работает непосредственно. В блоке исходных данных в программу вводятся данные:  о размере шахтного поля по простиранию, размере выемочной ступени, мощности пласта, свойствах пласта и вмещающих пород;  тарифно–ценовые данные – цены на оборудование и материалы, тарифы на оплату труда и энергию;  данные о наклонных и магистральных выработках – сечение, способ охраны, объемы камер, тип крепи и затяжки, способ проведения и т.п.;  данные о транспорте угля и материалов по магистральным и наклонным подготавливающим выработкам – способ транспорта, производительность оборудования, стоимости оборудования и его монтажа;  данные о применяемом оборудовании по выемке угля;  данные о газовыделении и добыче в лаве-аналоге;  данные о технологии очистных работ;  данные о способах охраны участковых подготовительных выработок;  данные о транспорте угля и вспомогательном участковом транспорте;  данные о способе проведения и крепления участковых подготовительных выработок. Блок вычислений Этот блок программы составлен на стадии программирования, пользователь не может вносить в него изменений. • Вычисления промышленных запасов и потерь угля; • Вычисление возможной нагрузки на лаву по проветриванию, по производительности оборудования, нормативной нагрузки [4,5,6]; • Вычисление минимального необходимого сечения участковых подготовительных выработок. • Вычисление экономически эффективной величины податливости крепи [7]. • Вычисление затрат на сооружение средств охраны участковых подготовительных выработок [8].

106

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

• Вычисление затрат на проведение участковых подготовительных выработок [8]. • Вычисление затрат на поддержание участковых подготовительных выработок [8]. • Вычисление затрат на проведение магистральных и панельных выработок, затрат на сооружение камер и приемных площадок [8]. • Вычисление затрат на поддержание магистральных и панельных выработок [8]. • Вычисление затрат на участковый транспорт угля и вспомогательный транспорт. • Вычисление затрат на магистральный транспорт угля и материалов и водоотлив по наклонным выработкам [8]. На основании проведенных вычислений программа формирует сводные таблицы затрат при панельной и при погоризонтной подготовке. Вывод результатов вычислений С этим блоком программы пользователь работает непосредственно. После ввода исходных данных на дисплее выходит сообщение о наилучшем и наихудшем вариантах систем разработки (как пример см. таб. 1). Таблица 1 – Итоговое сообщение о результатах расчетов Наилучший ва- подготовке

погоризонтной

2.2.4

187,92

риант при Столбовая, движение воздуха по лаве от транспортной выработки к вентиляционной и далее на массив. Вентиляционная выработки за лавой погашаются, транспортная - сохраняется для повторного использования.. Вентиляционная выработка - повторно используемая транспортная выработка. Транспортная выработка проводится заранее. Наихудший ва- подготовке

погоризонтной

1.1.1

393,85

риант Сплошная, движение воздуха по лаве от транспортной выработки к вентиляционной, транспортная и вентиляционная выработки проводятся одновременно с лавой, вентиляционная выработка проводится через целик более Lоп

Далее пользователь следует приведенной в программе инструкции о дальнейших действиях и программа выдает сводную таблицу результатов (таблица 2) и диаграмму удельных затрат по вариантам (рис. 5).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

107

По вертикали таблица разбита на 8 блоков соответственно количеству возможных модулей сопряжения лавы с транспортной выработкой. Каждый блок представлен четырьмя строками, каждая из которых соответствует типу модуля примыкания лавы к отработанному участку. По горизонтали таблица представлена 8 столбцами соответственно числу возможных модулей сопряжения лавы с вентиляционной выработкой. Для каждого из 8 блоков таблицы в соответствующей строке указан условный номер варианта, наиболее экономичный по каждому типу модуля сопряжения лавы с транспортной выработкой. В столбце «примечание» символом «ok» обозначен вариант наиболее экономичный вариант. Таблица 2 – Сводная таблица результатов вычислений

На диаграмме показана величина удельных затрат по каждому рассмотренному варианту технологии. При вычислениях использованы укрупненные стоимостные параметры, что не позволяет с уверенностью утверждать о достаточно высокой степени точности вычисленного результата. При экономическом сравнении различных вариантов технологии в горнодобывающей промышленности принято считать, что варианты могут быть равноценными, если разница в результатах вычислений по разным вариантам не превышает 10%.

108

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Программа, учитывая это замечание, выводит на дисплей таблицу вариантов, удельные затраты по которым превышают затраты при наивыгоднейшем варианте не более чем на 10% (таблица 3), и таблицу описания этих вариантов. Таблица 3 – Варианты систем разработки, удельные затраты по которым отличаются не более чем на 10%

Теперь пользователь должен, анализируя другие, кроме экономических, факторы принять решение о выборе того или иного варианта технологии из предложенного списка. Схемы выработок по рассматриваемым вариантам технологии приведены в листах программы №2 и №3. Оптимизация параметров технологической схемы разработки выемочной ступени Модель ssr-uklon.xls позволяет не только выбрать наивыгоднейший вариант технологии разработки ступени, но и установить наивыгодейшие ее параметры. Ниже приведены некоторые примеры исследования влияния параметров технологии на величину удельных затрат.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Диаграмма

Затраты, грн/т (в порядке уменьшения затрат)

1.1.1 1.1.3 1.1.2 1.4.3 6.1.3 3.1.1 5.1.1 3.1.3 1.4.1 5.1.3 6.1.1 4.1.1 1.4.2 6.1.2 4.1.3 4.4.3 5.4.3 3.4.3 7.8.1 7.7.1 6.3.1 4.4.1 3.1.2 8.7.2 5.4.1 3.4.1 5.3.1 3.3.1 4.3.1 6.4.1 2.1.1 8.8.1 8.7.1 7.8.3 7.7.3 6.3.3 5.1.2 4.4.2 4.3.3 5.3.3 3.3.3 1.3.1 7.5.1 7.5.3 5.4.2 3.4.2 1.2.3 6.4.3 8.8.3 8.7.3 1.2.1 2.1.3 4.1.2 7.8.2 7.7.2 6.3.2 1.3.3 8.5.3 8.5.1 4.3.2 5.3.2 3.3.2 6.4.2 8.8.2 8.5.2 2.4.3 1.3.2 7.6.3 6.2.3 4.2.3 6.2.2 7.5.2 2.4.1 2.3.1 1.1.4 3.2.3 2.1.2 8.6.3 1.2.2 2.4.2 2.3.3 5.2.3 1.4.4 7.6.1 6.2.1 4.2.1 2.3.2 7.6.2 4.2.2 8.6.1 8.6.2 3.2.1 4.4.4 3.2.2 5.4.4 3.4.4 3.1.4 2.4.4 7.8.4 7.7.4 6.3.4 2.1.4 7.5.4 4.3.4 6.4.4 6.1.4 4.1.4 5.3.4 3.3.4 8.8.4 8.7.4 2.2.3 5.2.2 5.2.4 8.5.4 5.1.4 1.3.4 5.2.1 2.2.1 2.2.2 1.2.4 7.6.4 6.2.4 4.2.4 2.3.4 8.6.4 3.2.4 2.2.4

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

Рис. 5 – Диаграмма удельных затрат по вариантам

450,00

109

удель ны е затраты , д.е./т

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

415 410 405 400 395 390 400

600

800

1000

1200

1400

размер кры ла панели, м

Рис. 6 – Зависимость удельных затрат от размера крыла панели

удель ны е затраты , д.е./т

415 410 405 400 395 390 500

1000

1500

2000

2500

размер вы емочной ступени, м

Рис. 7 – Зависимость удельных затрат от размера выемочной ступени

удель ны е затраты , д.е./т

110

550 500 450 400 350 75

125

175

225

длина лавы , м

Рис. 8 – Зависимость удельных затрат от длины лавы

275

111

520 510 500 490

Бу

т. По ло с

ка т.

Ко с

ты

то ко с Бу

на

тр ы

ты Ку с

.К ре ан

О рг

Ли т. по

ло с

пь

480 БЖ БТ

удель ны е затраты , д.е./т

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

мо н

.р

з .р +

.р + М он

М он

на п

.д о

эл -в о

. До р п. на

до р ап . Н

эл -в о

+э лво

518 516 514 512 510

удель ны е затраты , д.е./т

Рис. 9 – Зависимость удельных затрат от способа охраны транспортной выработки

Рис. 10 – Зависимость удельных затрат от вида участкового вспомогательного транспорта при панельной подготовке

Библиографический список 1. Стрельников, В. И. Экономико-математическое моделирование и оптимизация технологических процессов в шахтах [Электронный ресурс] : краткий конспект / В. И. Стрельников. Донецк : ДОННТУ, 2016 – Систем. требования: IBM PC, MS Word. 2. Стрельников, В. И. Экономико-математическое моделирование систем разработки : учеб. пособие / В. И. Стрельников, И. Г. Ворхлик. – Саарбрюккен : LAP Lambert Academic Publishing, 2016. – 56 с. 3. Стрельников, В. И. Компьютерное моделирование и выбор рациональной системы разработки тонкого и средней мощности пласта [Електронний ресурс] / В. И. Стрельников, И. Г. Ворхлик // Вісті Донецького

112

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

гірничого інституту. – 2014. – № 1(34). – Систем. Требования: IBM PC, MS Word. 4. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт : ДНАОП 1.1.30-6.09.93 : утв. Госком Украины по надзору за охраной труда 20.12.93. – Киев : Основа, 1994. – 311 с. 5. Нагрузки на очистные забои действующих угольных шахт при различных горно–геологических условиях и средствах механизации выемки. – Москва : ИГД им. А. А. Скочинского, 1991. – 48 с. 6. Нормативы нагрузки на очистные забои и скорости проведения подготовительных выработок на шахтах МУП Украины. - Донецк : ДонУГИ, 2007. – 40 с. 7. Стрельников, В. И. О безремонтном поддержании выработок / В. И. Стрельников, Н. В. Рыбак., Е. Г. Авраменко // Вісті Донецького гірничого інституту. - Донецьк, 2013. – №2. – С. 71–77. 8. Стрельников, В. И. Расчет стоимости отдельных видов горных работ : пособие для проектирования / В. И. Стрельников. - Донецк : ДонНТУ, 2015. – 132 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

113

УДК 622.831

О ПРОДОЛЬНО–ЖЕСТКОМ УСИЛЕНИИ ОСНОВНОЙ КРЕПИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ Гнидаш М.Е., студент гр. РПМ-13б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Представлены результаты проверки эффективности применения одинарной и двойной продольно–балочной крепи усиления для обеспечения устойчивочти конвейерных штреков 2–й западной и 2–й восточной лав пласта h10 «Ливенский» в условиях шахты им. М. И. Калинина государственного предприятия «Донецкая угольная энергетическая компания». Дальнейшее развитие подземной угледобычи в условиях глубоких шахт Донбасса во многом зависит от обеспечения устойчивости подготовительных выработок, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ. Успешная работа современных механизированных комплексов возможна лишь при обеспечении эффективного проветривания очистных забоев и бесперебойного транспорта полезного ископаемого, что невозможно осуществить при интенсивных смещениях боковых пород и необходимости ведения больших объемов работ по ремонту и перекреплению выемочных выработок. Существующие технологические решения по обеспечению устойчивости выемочных выработок [1–3], в силу существенной изменчивости горно-геологических условий эксплуатации угольных пластов и несоответствия параметров применяемых способов подержания выработок условиям ведения горных работ в условиях глубоких шахт, отличаются недостаточной эффективностью и не получили широкого распространения. Сотрудниками кафедры РМПИ ГОУ ВПО «ДонНТУ» был разработан новый способ обеспечения устойчивости выемочных выработок глубоких шахт [4–6]. Предложенный способ позволяет перераспределить повышенную нагрузку между перегруженными и недогруженными комплектами арочной крепи, которая, как известно, нагружена по своему периметру и по длине выработки весьма неравномерно. Продольная связь комплектов крепи осуществляется за счет подвешивания к верхняку каждой арки одной или двух балок из отрезков двутавра или спецпрофиля СВП–27. Для определения рациональных параметров поддержания выемочных выработок глубоких шахт в зоне влияния очистных работ при сплошной системе разработки на шахте им. М. И. Калинина со средины 2002 г. до середины *

Научный руководитель – к.т.н., доц. Соловьев Г.И.

114

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

2005 г. в конвейерном штреке 2–й западной лавы (рис. 1), а со второй половины 2006 г. в конвейерном штреке 2–й восточной лавы пласта h10 (рис.2) проводилась проверка эффективности продольно–балочной крепи усиления (рис 3). Пласт h10 «Ливенский» мощностью 1,14–1,3 м и углом падения 20–230 отрабатывался на глубине 1280 м.

Рис. 1 – Схема горных выработок 2-й западной лавы пласта h10 шахты им. М. И. Калинина

Конвейерный штрек проходился буровзрывным способом с опережением лавы и группировался через 250 – 300 м промежуточными наклонными квершлагами на полевой штрек, проводимый в почве на расстоянии 15 м ниже пласта. Конвейерный штрек охраняется деревянной чураковой стенкой шириной 1,3 м и бутовой полосой длиной 2 м. После остановки в августе 2005 г. 2– й западной лавы была введена в работу остановленная 2–я восточная лава пласта h10 (рис. 2). На первом этапе исследований при величине опережения лавы конвейерным штреком равной 40 м применялась однобалочная крепь продольно– жесткого усиления на участке штрека длиной 300 м.

Рис. 2 – Схема горных выработок 2-й восточной лавы пласта h10 шахты им. М.И.Калинина

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

115

Арочная податливая крепь конвейерного штрека (АП–5/13,8 из спецпрофиля СВП–27 с шагом установки рам крепи 0,5 м) была усилена однобалочной продольно–жесткой крепью, в качестве которой применялась длинная балка из отрезков прямолинейного спецпрофиля СВП–27 длиной по 4 м, которые соединялись на каждом стыке внахлест на 0,5 м двумя хомутами. Балка подвешивалась на 2–х специальных крючьях с планками и гайками по центру каждого верхняка крепи (рис. 3). В створе с лавой вертикальные смещения конвейерного штрека на участке его поддержания длиной 40 м составляли около 2–2,5 м, из которых смещения кровли составляли 75–80%. Вслед за лавой на участке длиной 60– 80 м при поддержании штрека в зоне активных смещений пород в выработанном пространстве вертикальные смещения составляли в среднем около 3 м (смещения кровли составляли около 60%). Таким образом, уже на расстоянии 100 м вслед за лавой появлялась необходимость перекрепления выработки из-за неудовлетворительного состояния комплектов арочной крепи. Обследование арочной крепи показало, что на данном участке конвейерного штрека механизм проявления горного давления заключался в интенсивном выдавливании ножек арочной крепи со стороны выработанного пространства с разрывом замков крепи (всего их было разорвано около 80%) на величину 0,9– 1,3 м.

Рис. 3 – Схема расположения двойной продольно-балочной крепи усиления по длине подготовительной выработки (а) и в ее поперечном сечении (б): 1 – стойки рам основной крепи; 2 – верхняки крепи; 3 – продольные балки усиливающей крепи; 4 – соединительные хомуты для подвешивания балки к верхнякам крепи; 5 – соединительные крючья с планками для связи отрезков балки; 6 – направление вектора максимального горного давления на раму крепи; 7 – плоскости напластования пород кровли

116

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

При этом максимальные смещения контура боковых пород наблюдались по напластованию пород кровли, что сопровождалось значительными смещениями элементов крепи в замке со стороны массива, заклинивании замков и выдавливании крепи в полость выработки (рис. 4, а). На втором этапе для предотвращения интенсивных боковых смещений контура выработки со стороны напластования пород в штреке была установлена двухбалочная усиливающая крепь с симметричным расположением балок по верхняку на расстоянии 1,8 м друг от друга по ширине выработки (рис. 3). Была изменена длина опережения лавы забоем конвейерного штрека, которую снизили с 40 м до 20 м. Необходимость снижения величины опережения была продиктована значительными вертикальными смещениями боковых пород в зоне опорного давления перед лавой при отсутствии продольно-балочной крепи усиления. До начала эксперимента конвейерный штрек проходился завышенным сечением (Sштр=28,5 м2) с общей высотой выработки 6,2 м. Применение двухбалочной усиливающее крепи позволило повысить эффективность работы арочной крепи за счет пространственной консолидации ее комплектов и создания из них жесткой каркасной конструкции. В результате анализа визуальных и инструментальных наблюдений было установлено, что максимальные проявления горного давления наблюдаются по напластованию пород кровли (рис. 4, а). При этом со стороны массива происходило образование локальных зон давления, в которых из-за фокусирования повышенных нагрузок на отдельные элементы крепи образовывались породные складки. а)

б)

Рис. 4 – Состояние конвейерного штрека без крепи усиления (а) при перекреплении на расстоянии 220 м за забоем 2-й западной лавы; и с продольно-жесткой крепью усиления на расстоянии 120 м (б) и при подрывке почвы в 230 м за очистным забоем (в)

Поэтому на третьем этапе исследований, для повышения качества работы жестко–продольной крепи усиления, расположение балок по профилю верхняка было изменено таким образом, чтобы они располагались симметрично относительно напластования пород или направления вектора максимальной нагрузки на крепь (рис. 4, б).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

117

Такое расположение балок позволило существенно улучшить состояние арочной крепи за счет перераспределения повышенной и неравномерной нагрузки между перегруженными и недогруженными комплектами арочной крепи по длине выработки. На рис. 5 представлены результаты инструментальных наблюдений за смещениями боковых пород без применения и при использоваии продольно– балочной крепи усиления в конвейерных штреках 2–й западной и 2–й восточной лав пласта h10 «Ливенский».

Рис. 5 – График зависимости вертикальных смещений породного контура конвейерного штрека 2-й западной и 2-й восточной лав пласта h10: 1 – на контрольном участке без применения продольно-балочной крепи усиления; 2 – на первом экспериментальном участке при использовании одной центральной балки из СВП-27; 3 и 4 – на втором и третьем экспериментальных участках при двух симметричных и асимметричных балках (значком (*) обозначены графики смещений 2-й восточной лавы)

Из приведенных графиков видно, что применение одинарной продольно–балочной усиливающей крепи позволило снизить вертикальные смещения в конвейерных штреках 2–й западной и 2–й восточной лав соответственно в 1,34 и 1,4 раза. Применение двойной продольно–жесткой крепи усиления позволило снизить в 1,83–1,96 раза смещения пород кровли в конвейерном штреке 2–й западной лавы и в 2,14 раза уменьшить вертикальные смещения в конвейерном штреке 2-й восточной лавы. Следует отметить, что величина вертикальных смещений боковых пород в конвейерном штреке 2–й западной превышает соответствующие смещения конвейерного штрека 2–й восточной лавы в среднем на 0,7–0,8 м. Опыт работы западных и восточных лав на протяжения всего периода отработки пласта h10 «Ливенский» показывает, что общее состояние подготовительных выработок в восточных лавах значительно лучше, чем в западных. Одной из

118

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

причин такого положения дел является негативное влияние кливажных трещин. Плоскости кливажных трещин на восточном крыле шахтного поля наклонены на выработанное пространство, что способствует обрушению пород непосредственной кровли без их зависания. А на западном крыле плоскости кливажных трещин наклонены на угольный массив, что приводит к зависанию пород непосредственной кровли и увеличению величины ее зависания, а тем самым, и увеличению шага посадки основной кровли. Таким образом, продольно–поперечная связь комплектов арочной крепи жесткой балкой по длине выработки, особенно при использовании двух продольных балок, позволяет изменить механизм взаимодействия породных отдельностей за счет образования и сохранения устойчивых грузонесущих сводов на контуре пород непосредственной кровли.

Библиографический список 1. Каретников, В. Н. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник / В. Н. Каретников, В. Б. Клейменов, А. Г. Нуждихин // – М.: Недра, 1989. – 571 с. 2. Литвинский, Г. Г. Стальные рамные крепи горных выработок / Г. Г. Литвинский, Г. И. Гайко, М. И. Кулдыркаев // – К.: Техніка, 1999. – 216 с. 3. Бондаренко, Ю. В. О влиянии жесткости каркасной крепи усиления на смещения пород кровли / Ю. В. Бондаренко, Г. И. Соловьев, Е. В. Кублицкий, О. К. Мороз // Известия Донецкого горного института. 2001. № 1. С. 59–61. 4. Гребенкин, С. С. О сохранении устойчивости конвейерных штреков глубоких шахт / С. С. Гребенкин, Г. И. Соловьев, И. К. Демин, Ю. Н. Панфилов, С. Г. Негрей, В. Е. Нефедов, Н. Н. Малышева // Вестник НГАУ, Днепропетровск, 2003, №10, С. 31–33. 5. Соловьев, Г. И. Особенности физической модели самоорганизации боковых пород на контуре выемочной выработки при продольно–жестком усилении арочной крепи // Науковий вісник НГУ, Дніпропетровськ. 2006, №1. С. 11–18. 6. Соловьев, Г. И. Определение параметров продольно-жесткой крепи усиления выемочных выработок глубоких шахт // Геотехнічна механіка: Міжвідомчий збірник наукових праць / ІГТМ ім. М. С. Полякова НАН України. – Дніпропетровськ. 2006. – Вип. 64. С. 157–171.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

119

УДК 622.272

ПОДХОДЫ К ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ Гончар М.Ю., студент гр. РПМ-12а, Мошнин Д.Н., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведены основные требования к выбору эффективной технологии очистных работ по условиям устойчивости и прочности пород кровли и почвы для выбора и применения механизированной выемки угля, схема лавы при безнишевой выемке, виды механизированных комплексов и крепи сопряжения. Ключевые слова: пласт, кровля, почва, устойчивость, обрушаемость, очистной забой, механизированная выемка, безнишевая выемка, крепь сопряжения, добычной участок. Принятые проектные решения по выбору эффективной техники и технологии приводятся на основании анализа горно–геологических условий залегания пласта l4 и опыта работы шахты «Трудовская» при ведении очистных работ механизированным комплексом с комбайновой выемкой угля. В основу положен поиск инженерно–технических решений, которые обеспечивали бы наивысшую нагрузку на очистной забой по техническим возможностям принятого оборудования. При выборе рациональной технологии очистных работ, исходя из результатов исследований, практического опыта в работе приняты во внимание и учтены следующие положения: 1. Нагрузка на очистной забой предопределяется, прежде всего, производительностью техники по выемки угля и условиями ее эксплуатации. 2. В общем случае, возможности достижения максимальной нагрузки на очистной забой можно (следует) вести по трем направлениям. Первое – увеличение скорости подачи за счет установки исполнительного органа с оптимальными для данных условий параметрами (прежде все-го – величины захвата). Второе – увеличение времени наработки на отказ и сокращение времени восстановления (увеличение коэффициента готовности). Третье – увеличение доли чистого машинного времени работы комбайна в течение суток за счет сокращения и совмещения вспомогательных операций,

Научные руководители – к.т.н., доц. Выговская Д.Д., к.т.н., доц. Выговский Д.Д.

120

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

устранения организационно-технических простоев. Удельный вес трудоемкости по подготовке ниш при узкозахватных комбайнах с механизированной крепью составляет 26–28% [1,2,3]. Ликвидация ниш или уменьшение их длины могут быть обеспечены: • самозарубкой комбайна косыми заездами; • двухкомбайновой выемкой при комбайнах с односторонним расположением исполнительных органов относительного корпуса комбайна; • фронтальной самозарубкой при применении комбайнов с симметричным расположением исполнительных органов; • выносом приводной головки конвейера из лавы. Возможно применение конвейеров с плоскими приводными головками, допускающими выход комбайна в подготовительную выработку; применение конвейеров, оснащенных лемехами для погрузки угля при их передвижке. Таким образом, эксплуатационная производительность выемочной машины, по сути, характеризует нагрузку на очистной забой. И если главным направлениям увеличения теоретической производительности, в общем случае, является увеличение скорости подачи, технической – увеличение наработки на отказ и сокращения времени восстановления работоспособности, то эксплуатационной – повышение времени использования комбайна. На практике скорость подачи зависит от горно–геологических и горнотехнических факторов. Горно–геологические факторы (устойчивость боковых пород, наличие ложной кровли и нарушений, выдержанность, гипсометрия пласта, глубина разработки) влияют на ритм протекания процесса добычи угля. В сложных горно–геологических условиях происходит снижение скорости подачи выемочной машины, по сравнению с возможной, по условиям разрушения угольного пласта. К горнотехническим факторам относятся: длина лавы, система разработки, вид крепи, тип выемочной машины, вид транспорта. Система разработки обуславливает эффективность проветривания и управление горным давлением на концевых участках лавы, что сказывается на скорости подачи выемочной машины. Несоответствия между производительностью доставочных средств в подготовительной выработке и возможной производительностью лавы ведет также к снижению скорости подачи комбайна. Исследования, проведенные на шахтах Донбасса, показали, что увеличение длины лавы сверх оптимальной по экономическим соображениям, приводит к росту эксплуатационной скорости подачи комбайна только с мощными двигателями и эффективным их охлаждением [3]. Учет влияния вышеперечисленных факторов на скорость подачи выемочной машины осуществляется путем введения соответствующих коэффициентов и ограничений. Но для конкретной машины скорость подачи определяется, главным образом, сопротивляемостью пласта резанию. Следует иметь в виду, что поскольку сопротивляемость пласта резанию (включая породные прослойки, твердые включения) колеблется в широких

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

121

пределах от 0,3 до 6,0 кН/см, то ее влияние необходимо учитывать еще на этапе выбора выемочной машины, а не только в момент определения скорости подачи комбайна. При отработке пластов с весьма крепкими углями с сопротивляемостью резанию более 3 кН/см рекомендуется снижать крепость угля нагнетанием воды в пласт. Установлено, что повышение влажности угля на 3–4% снижает его прочность на 55–65%. Скорость подачи прямо связана с величиной отжима угля. Управление отжимом угля осуществляется путем изменения ряда технологических параметров очистного забоя – ширина призабойного пространства, ширины захвата исполнительного органа выемочной машины, способа управления кровлей, жесткости крепи и др. Но следует иметь в виду, что в ряде случаев увеличение отжима может сыграть и негативную роль. При большой величине отжима обнажается кровля, что приводит к нарушению ее устойчивости и к вывалам породы. Важное место в процессе проектирования технологии очистных работ занимает выбор рациональной схемы работы выемочной машины. Челноковая схема увеличивает время работы комбайна по выемке, зато при односторонней схеме исключается:  нахождение людей между забоем и конвейером, что снижает травматизм;  значительно снижается трудоемкость работ по зачистке почвы;  большинство горнорабочих находятся на свежей струе, не в запыленном пространстве и в лучших температурных условиях. При интенсивном отжиме предпочтительнее челноковая схема выемки с погрузкой угля статическими погрузчиками (лемешками) конвейера. Однако при волнистых почвах лучше односторонняя выемка угля. Обобщая материалы о влиянии различных факторов на выбор схемы выемки угля можно сделать вывод, что в общем случае на основе опыта челноковая схема выемки целесообразна в лавах на пластах мощностью до 1,5 м, при сопротивляемости угля резанию Ар>1,5 кН/см; при наличии в пласте твердых включений, прослойков породы в нижней и средних частях, почве любой прочности, метанообильности до 20 м3/т.с.д., при длине лавы свыше 170 м [4,5]. В других случаях предпочтение следует отдавать односторонней выемке угля. Полученная в результате расчетов нагрузка на очистной забой должна быть сопоставлена с нормативной и, на этой основе, сделаны соответствующие выводы. Окончательно нагрузка на очистной забой устанавливается с учетом ее возможный величины по газовому фактору, определяемой в соответствии с «Руководством по проектированию вентиляции угольных шахт» [7].

122

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Для получения высокой нагрузки на очистной забой необходимо планировать достижение максимально возможной скорости подачи комбайна за счет использования комбайна большой энерговооруженности, использования отжима угля при минимальной ширине захвата исполнительного органа комбайна, повышения коэффициента готовности за счет качественного технического обслуживания и ремонта оборудования; увеличения машинного времени работы комбайна в течение суток за счет сокращения и совмещения вспомогательных операций, в частности за счет применения механизированной крепи с подпором, химического упрочнения пород, использования механизированной крепи сопряжения, безнишевой работы в лаве, правильного выбора транспортной системы. Ликвидация ниш в очистном забое предусматривается за счет выноса приводной и концевой головок конвейера на штреки, самозарубку комбайна производить косыми заездами. Применять конвейер, оснащенный лемешками для погрузки угля при его передвижке. Однако с технологической точки зрения предусматривать устройство бровки у подготовительных выработок длиной по 1,5 м каждая. Укрепление пород кровли над ними осуществлять путем анкерования. В целом проектирование процесса выемки в лаве осуществляется с учетом надежности технологических цепей в пределах эксплуатационного участка. В целях повышения надежности и эффективности работы технологических звеньев предусматривается организация полноценной качественной ремонтно–профилактической работы. Оптимальная длина лавы в условиях пласта l4 , как с точки зрения получения максимального экономического эффекта из условий минимума эксплуатационных затрат в целом, так и в частности, на горные работы. Так при достижении максимального коэффициента готовности очистного забоя длина лавы составляет 190–220 м. Окончательно длина лавы принимается после выбора типа механизированного комплекса, с учетом его длины в поставке. В качестве крепи сопряжения лавы с подготовительной выработкой из наиболее часто-применяемых (КСШ–5А, КСД–90, ОКСА–IV, КСУ–3м) и рекомендуется КСД–90 [1] . Во-первых, она имеет шаг передвижки как 0,63 м, так и 0,8 м. А, во-вторых, приспособлена для арочной крепи и при высоте нижней подрывки в подготовительной выработке начиная от нуля, т.е. нижняя подрывка не обязательно, что является важным при работе лав по восстанию.

Библиографический список 1. Ярембаш, И. Ф. Производственные процессы в очистных забоях угольных шахт / И. Ф. Ярембаш, В. Д. Мороз, И. Г. Ворхлик, И. С. Костюк. – Донецк, 2007 – 288 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

123

2. Кияшко, И. А. Процессы подземных горных работ. / К., Вища школа, 1992. – 335 с. 3. Дубов, Е. Д. Комплексная механизация очистных работ на угольных шахтах. / К: Техника, 1988. – 208 с. 4. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. М., МУП СССР, ИГД им. А.А. Скочинского, 1979, – Ч.2. – 246 с. 5. Ворхлик, И. Г., Мороз, В. Д., Стрельников, В. И., Костюк, И. С. Пособие по решению практических задач в курсе «Процессы подземных горных работ» (под общей ред. Проф. Ярембаша И.Ф.) / Донецк, ДонНТУ, 2005. – 115 с. 6. Липкович, С. М. Проектирование технологических процессов очистной выемки угля / С. М. Липкович, Н. Н. Лебедев, С. И. Мирошников. – Недра, М., 1974, 224 с. 7. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. – К.: Основа, 1994. – 312 с.

124

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 552.122:552.124.2:622.012.22

АНАЛИЗ СОСТАВА ПОРОД ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК НА ШАХТАХ ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА Донских В.В., студент гр. РПМз-14 (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Проанализированы особенности состава углевмещающих пород на шахтах Донецкого бассейна, которые показали, что в текстуре пород почвы разрабатываемых угольных пластов в 26% случаев наблюдается наличие прочного слоя, присутствие которого не позволяет производить механизированную подрывку почвы. Ключевые слова: текстура, породы почвы, выемочные выработки, подрывка почвы. Условия эксплуатации шахт Донбасса самые проблемные по причине огромных масштабов горного производства, высокой трудоемкости и капиталоемкости, ухудшение разработки месторождений полезных ископаемых оказывают негативное влияние на эффективность развития угольной промышленности республики. Однако в настоящее время уголь является единственным энергетическим ресурсом, которым республика располагает в объемах (до глубины 1500 м залежи угля в Донбассе оцениваются 117,3 млрд. т.), достаточных не только для покрытия собственных потребностей, но и для продажи на мировых рынках, что определяет его стратегическую роль в развитии не только энергетики, но и экономики страны в целом [1]. Анализ источников [2–5] показал, что наибольшее распространение на шахтах Донецко–Макеевского региона получила сплошная система разработки (55%), т.к. она позволяет при относительно небольших начальных капитальных затратах обеспечить быстрый ввод лавы в эксплуатацию. Выемочные выработки поддерживаются в зонах динамического опорного давления впереди лавы и активных сдвижений позади неё, что вызывает перераспределение НДС горных пород, приводящих к интенсивным смещениям породного контура и потере их устойчивости. Поэтому особенно актуальна задача сохранения устойчивости выемочной выработки позади действующей лавы, где происходят наиболее интенсивные деформации. Около 50–60% выемочных выработок находятся в неудовлетворительном состоянии из-за деформирования пород почвы [2–5]. На сегодняшний день существует множество гипотез, объясняющих механизм деформирования почвы в одиночных выработках. При этом общим их

Научный руководитель – асс. Касьяненко А.Л.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

125

недостатком является то, что массив пород почвы рассматривается как однородный и изотропный. Вместе с тем при наличии прочных слоёв в текстуре пород почвы меняется характер их деформирования, что не учтено в существующих методиках расчета их устойчивости. Поэтому изучение процесса деформирования пород почвы при наличии в их текстуре прочных слоёв является актуальной научной задачей. Повышение прочности пород приводит к увеличению размеров породных фрагментов. При наличии в текстуре пород почвы прочного слоя, даже небольшой мощности меняется характер деформирования почвы выработки [4,5]. В таких условиях производить механизированную поддирку весьма сложно, поэтому ее темпы снижаются в 4–5 раз, а энергозатраты на разрушение растут. При этом пороговая прочность для механизированной поддирки составляет σсж>60 МПа [6,7]. Выше этого предела породы разрушаются БВР, что требует применения бурильного оборудования, ВВ, соблюдения режима БВР и т.п. Для исследования состава пород угленосных свит среднего карбона на шахтах Донецкого бассейна использовались источники [8,9] и планы горных выработок угольных шахт для глубин более 1000 м. Анализ состава слоёв пород и их прочности и мощности и порядке следования друг за другом, а также распределение по частоте встречаемости «прочных» и «слабых» слоёв в текстуре пород почвы угольных пластов на шахтах Донецкого бассейна, представлены в виде гистограмм и диаграмм, изображённых на рисунке 1. Чередование слоёв в текстуре пород почвы представлено в следующем порядке: в 82% случаев первым слоем встречаются слабые породы – аргиллиты со средним пределом прочности на одноосное сжатие σсж≈40 МПа или алевролиты с σсж≈60 МПа; вторым прочным слоем в 32% случаев встречаются песчаники с σсж≈80 МПа или известняки с σсж≈120 МПа. Из рис. 1 видно, что в Донецком бассейне в текстуре пород почвы первым слоем в 73% случаев представлены алевролитами, их мощность варьируется от 0,6 до 36 м (средняя мощность составляет 5,2 м); аргиллит встречается в текстуре пород почвы первым слоем в 9,3% случаев, его мощность варьируется от 0,7 до 11 м (средняя мощность составляет 2,2 м). В остальных 17,7% случаях первым слоем в текстуре пород почвы встречаются песчаники и известняки. Таким образом в 82,3% случаев в текстуре пород почвы первым слоем будут выступать аргиллиты и алевролиты, что в случае их выдавливания в полость выработки, дает возможность применения механизированной подрывки. Мощность аргиллита в 5% случаев составляет 0,7-1,0 м, для мощности 1,0-1,5 м – 7% случаев, для мощности 1,5-2,0 м – 6% случаев, для мощности 2,0-2,5 м – 5% случаев, остальные 77% с мощностью свыше 2,5 м. Мощность же алевролита в 7% случаев составляет 0,6-1,0 м, для мощности 1,0-1,5 м – 15% случаев, для мощности 1,5-2,0 м – 13% случаев, для мощности 2,0-2,5 м –

126

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

15% случаев, остальные 50% случаев мощность более 2,5 м. Таким образом, в текстуре пород почвы мощность первого слоя не превышает 2,5 м в 23% случаев для аргиллитов и 50% случаев для алевролитов. Результаты показателей мощностей второго слоя, залегающего непосредственно под первым слоем в текстуре пород почвы угольных пластов в 32% случаев представлен: 30% – песчаниками и 2% – известняками. При этом мощность песчаника изменяется 0,75-50,2 м, известняка – от 0,25 до 5,6 м. Мощность же песчаника в 10% случаев составляет 0,75-1,0 м, для мощности 1,0-1,5 м – 5% случаев, для мощности 1,5-2,0 м – 6% случаев, для мощности 2,0-2,5 м – 9% случаев, остальные 70% – мощность свыше 2,5 м. Мощность известняка в 11% случаев составляет 0,25-1,0 м, для мощности 1,0-1,5 м – 8% случаев, для мощности 1,5-2,0 м – 10% случаев, для мощности 2,0-2,5 м – 33% случаев, остальные 38% это мощность свыше 2,5 м. Таким образом, мощность второго прочного слоя, залегающего под первым слоем в текстуре пород почвы, не превышает 2,5 м в 30% случаев для песчаников и 62% случаев для известняков. Третьим слоем почти 80% случаев идут также алевролиты и аргиллиты [8,9]. В остальных же 20% случаев в текстуре пород почвы угольных пластов залегают песчанистые сланцы и песчаники. Из этого следует, что в 26% случаев (заштрихованная область на рис. 1) в непосредственной близости от контура выработки в текстуре пород почвы встречается прочный слой за слабым слоем. При этом их суммарная мощность в текстуре пород почвы в 20–30% случаев не превышает 2,5 м. При наличии в непосредственной близости от почвы прочного слоя меняется характер её деформирования, выдавливание происходит большими породными фрагментами в полость выработки [10–12]. Это приводит к невозможности производить механизированную подрывку, темпы её снижаются, а энергозатраты на разрушение растут, увеличивая при этом долю затрат на ценообразование угля. В связи свыше изложенным, сохранение целостности прочного слоя позволит, уменьшить затраты, связанные с ремонтом по подрывке пород почвы, сохранением эксплуатационного сечения выработки, повысит безопасность работ. Таким образом, дальнейшие результаты работы будут направлены: 1) на уточнение исследований влияния прочных слоев в текстуре пород на процесс деформирования почвы выемочных выработок; 2) на разработку нового способа обеспечения устойчивости пород почвы при наличии в её структуре прочных слоёв, с целью обоснования рациональных параметров применения.

Рис. 1 – Распределение по частоте встречаемости «прочных» и «слабых» слоёв в текстуре пород почвы угольных пластов Донецкого бассейна*, где: гистограммы распределения частоты встречаемости (n,%) в текстуре пород почвы слоёв мощностью (m, м), представленного: а) песчаники; б) известняки; б – аргиллиты, алевролиты;синим цветом – слои «слабых» пород; красным цветом – слои «прочных» пород; штриховка – область чередования «слабых» и «прочных» слоёв до глубины 2,5 м, составляет 26%.

*в анализ включены угленосные свиты среднего карбона для глубин более 1000 м

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

127

128

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Задачи Министерства угля и энергетики Донецкой Народной Республики [Электронный ресурс]: Официальный сайт Министерства угля и энергетики Донецкой Народной Республики - Режим доступа: http://mintek-dnr.ru/index/zadachi_ministerstva/0-12 - Загл. с экрана. - 28.04.2017. 2. Мокрієнко, В.М. Обґрунтування параметрів способу охорони виробок жорсткими спорудами з компенсаційними порожнинами: Дис… канд. техн. наук : 05.15.02 / Мокрієнко Володимир Миколайович; ДВНЗ «ДонНТУ». – Донецьк, 2013. – 220 с. 3. Развитие теоретических основ управления геомеханическим состоянием дискретного породного массива для обеспечения устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт [Текст]: отчет о НИР (заключ.) / ГВУЗ ДонНТУ; рук. С.В. Подкопаев; исполн.: Г.И. Соловьёв [и др.]. – Донецк, 2012. – 322 с. – Госрег. № 0111U002118. 4. Бондаренко, В. И. Геомеханика нагружения крепи очистных и подготовительных выработок в слоистом массиве слабых пород: Монография / В.И. Бондаренко, И.А. Ковалевская, Г.А. Симанович, В.Г. Черватюк. – Днепропетровск: ООО «ЛизуновПресс», 2012.– 236 с.– ISBN 978-966-2575-13-2 5. Снигур, В. Г. Закономерности пучения пород почвы пластовых выработок [Текст] / В. Г. Снигур // Уголь Украины. – 2014. – №7. – С. 3–5. 6. Мицык, Т. В. Механизация проведения выработок в крепких породах/Т. В. Мицык,А. А. Гуль, П.С. Малый и др.– М.:«Недра», 1977.– 335 с. 7. Медведев, И.Ф. Механизация проведения горных выработок в крепких породах / И.Ф. Медведев, А.А. Фещенко, С.И. Одинец – М.:«Недра», 1982. – 166 с. 8. Методика разведки угольных месторождений Донецкого бассейна // Коллектив авторов. М.: «Недра», 1972. – 340 c. 9. Каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1982. – 267 с. 10. Касьяненко, А.Л. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок в условиях шахты им. Е. Т. Абакумова ГП «ДУЭК» [Текст] / А. Л. Касьяненко, П.В. Загородько, А. П. Тимохин // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов.– Донецк: «Норд – Пресс», 2010. – Вып. 16. – С. 49-51. 11. Соловьёв, Г.И. Особенности выдавливания прочной почвы конвейерного штрека в условиях пласта m3 шахты им. Е.Т. Абакумова [Текст]/ Г.И. Соловьев, А.Л. Касьяненко, О.К. Мороз, Ю.М. Мороз, А.В. Волков, Р.А.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

129

Ястремский // Наукові матеріали XIV-ї Міждародної конференції «Х Szkola geomechaniki». – Глівіце -Устронь, 2011. – С.219-231. 12. Kasyanenko, A. Study of floor heaving in the mine working of а coal mine by monitoring method [Текст] / A. Kasyanenko, G. Solovyov, R. Yastremskiy // 2nd International Scientific Meeting: State And Trends Of Civil Engineering GTZ 2012 and 2nd Conference GEO-EXPO 2012 – Tuzla, June 07-09, 2012. – pp. 549556. – ISBN 978-9958-628-16-0

130

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.323

МЕРЫ ПО УМЕНЬШЕНИЮ ВЕЛИЧИН СМЕЩЕНИЯ БОКОВЫХ ПОРОД В УЧАСТКОВЫХ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ Дрох В.В., студент гр. РПМ-12б, Марюшенков А.В., студент гр. РПМ-12б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведены возможные мероприятия по уменьшению смещений пород в подготовительных выработках, представлено схематическое выполнение усиления крепи и порядок определения затрат на проведение предложенных мероприятий. Ключевые слова: пласт, подготовительная выработка, крепь, анкерование, забутовка, крепь усиления, предварительный распор, взрывощелевая разгрузка. Для разработки мероприятий по уменьшению величин смещения пород проведен был обзор возможных мероприятий по активному управлению состоянием горного массива. К ним относятся: 1. Установка крепи усиления в участковых выработках. Крепь усиления представляет собой металлические податливые стойки трения или гидравлические. Устанавливаются по центру выработки или относятся к одному из боков выработки под раму крепи с использованием специальной насадки или под деревянный или металлический прогон (рис. 1). Место установки стоек определяется технологией ведения работ, но обязательно соблюдение зазоров, определенных ПБ. По длине выработки крепь усиления на участках  1 – впереди первого очистного забоя,  2 – позади первого очистного забоя и  3 – впереди второго очистного забоя. Величины  1 ,  2 и  3 определяются главным образом глубиной расположения выработки и характеристикой кровли по обрушаемости [1,2,3]. 2. Анкерование кровли и боков выработки (рис. 2). Наиболее эффективны металлические анкеры, длиной 2 м, закрепленные по всей длине быстротвердеющим химическим составом. Схема расположения анкеров должна быть увязана с шагом установки основной крепи. Анкерование производится при проведении выработки на расстоянии нескольких десятков метров от ее забоя. Научные руководители – к.т.н., проф. Ворхлик И.Г., к.т.н., доц. Выговский Д.Д. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

131

Рис. 1 – Установка крепи усиления в участковой выработке: 1 – спецверхняк с опорой; 2 – удлиненная насадка УГД-3; 3 – гидростойка

Рис. 2 – Анкерование кровли и боков выработки

3. Применение рамно-анкерной крепи (рис. 3). Арочная крепь возводится обычным способом. Анкеры устанавливаются через отверстия в фигурных планках вначале в кровле, а затем в боках выработки. Анкерование завершается на расстоянии не более 6 м от забоя проводимой выработки. 4. Механизированная забутовка закрепного пространства. Производится в процессе возведения крепи забутовочными машинами МЗ–3, МЗ–6м, 3К–1. Подача забутовочного материала по горизонтали до 150 м, по вертикали – до 8 м.

132

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 3 – Применение рамно-анкерной крепи: 1 – анкер из арматурной стали; 2 – фигурная планка; 3 – затяжка; 4 – металлическая крепь

5. Тампонаж закрепного пространства. Производится в процессе возведения крепи твердеющими смесями на основе вяжущих: цемент, природный ангидрид, фосфогипс. Для приготовления смеси и подачи ее в закрепное пространство применяют машины СО–149 «Монолит»–2(3), ПБМ–2Э, СБ–67, СО–49Б, СО–85А. 6. Предварительный распор основной крепи (рис. 4). Производится с помощью гидростоек в процессе возведения крепи.

Рис. 4 – Предварительный распор основной крепи выработки

Гидростойки одним концом устанавливаются под кронштейн, а дру-гим – на металлические подкладки, уложенные на почву выработки.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

133

7. Упрочнение пород кровли и боков выработки нагнетанием вяжущих веществ. Производится на расстоянии 15–60 м от забоя выработки. Работы ведутся в два этапа: сначала тампонируют закрепное пространство песчано-цементным раствором, а затем через 7–10 суток через шпуры длиной 2–3 м (из расчета 1 шпур на 2–2,5 м2 площади породных обнажений в выработке) нагнетают цементный раствор под давлением 15 МПа. 8. Отсечное торпедирование над искусственным сооружением. Скважины бурят из выработки до подхода лавы. Минимальное расстояние от забоя лавы до места торпедирования – 30 м. Расстояние между скважинами – 2–5 м. 9. Анкерование почвы в момент проведения выработки. Производится деревянными или стеклопластиковыми анкерами (реже металлическими) длиной около 2 м с закреплением их по всей длине бетоном или полимером или с помощью замков в забое шпура. Анкеры располагаются на равном расстоянии друг от друга. У боков выработки анкеры устанавливаются с некоторым отклонением от вертикали в сторону массива. 10. Применение замкнутых рамных крепей ДонУГИ. Могут применяться металлические кольцевые податливые крепи КМП–К4 и КМП–К6. Но целесообразны лишь в выработках, проведенных в слабых породах при наличии значительного всестороннего давления или пучащих пород в почве и сроке службы выработки более 2-х лет. 11. Активная разгрузка почвы с последующим ее упрочнением (АРПУ) (рис. 5).

Рис. 5 – Активная разгрузка почвы с последующим ее упрочнением (АРПУ): а – первый этап; б – второй этап; 1 – разгрузочные шпуры; 2 – инъекционные скважины

134

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Проводится с отставанием от забоя выработки не более 10 м. Число шпуров для разгрузки 0,8–1,0 шт./м2 площади почвы выработки, глубины шпура 1,6–1,8 м, величина зазора ВВ в каждом шпуре 1–2 патрона. Число инъекционных скважин – 75% числа шпуров для разгрузки. Нагнетается песчано-цементный раствор. 12. Взрывощелевая разгрузка почвы (ВЩР) Основные параметры способа указаны на рис. 6.

Рис. 6 – Двусторонняя взрывощелевая разгрузка почвы выработки

В шпурах производится комуфлетное взрывание ВВ массой 0,3–0,6 кг. Работа производится в непосредственной близости от проходческого забоя. 13. Скважинная разгрузка массива от повышенного горного давления. Производится бурением разгрузочных скважин в боках (боку) выработки по пласту. Длина скважин 8–10 м, диаметр 250–400 мм, расстояние между ними 0,8–1 диаметра скважины. В связи с тем, что мощность пласта m 3 > 1,2 м, то потребуется бурение скважин в 2 ряда. Скважины бурятся станками типа «Старт». Анализ вышеизложенных мероприятий по уменьшению смещений кровли позволяет сделать заключение, что при сравнительной технологической простоте эффективными и достаточными в условиях пласта m 3 в обоих случаях подготовки выемочных полей (при повторном использовании выработок и проведением выработок вприсечку к выработанному пространству) могут считаться установка крепи усиления (уменьшает смещения пород в зоне временного опорного давления U1 (U 2 ) в 1,3–2 раза), анкерование кровли и

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

135

боков выработки (коэффициент уменьшения смещения – 0,8), предварительный распор основной крепи (уменьшает смещение кровли U к в 1,2 раза). По этим же соображениям эффективными мероприятиями по уменьшению смещений почвы выработки следует признать установку крепи усиления, анкерование почвы в момент проведения выработки (коэффициент уменьшения U п – 0,8), взрывощелевая разгрузка почвы (уменьшает U п в 2 раза). Анализ затрат на проведение мероприятий показывает, что камуфлетное взрывание и упрочнение почвы песочно–цементным раствором в 2–3 раза дороже, чем взрывощелевая разгрузка. Применение рамно–анкерной крепи – сложно, а коэффициент уменьшения U к не превышает 0,7–0,8. Механизированная забутовка и тампонаж закрепного пространства уменьшает U к в 1,25 раза, а отсечное торпедирование – в 1,2 раза. Применение замкнутых рамных крепей в целом эффективно, но дорого. То же, но еще в большей степени и активная разгрузка почвы с ее последующим упрочнением (АРПУ). Скважинная разгрузка, как было уже отмечено, уменьшает смещение почвы U п в 2,3 раза, но увеличивает смещение кровли U к на половину диаметра разгрузочной скважины. Кроме того, в перебуренной скважинами части угольного массива шириной 8–10 м происходит интенсивное растрескивание пород кровли, что в значительной мере осложняет очистную выемку при отработке следующей лавы. Анализируя и обобщая вышеизложенное, приходим к выводу, что в условиях (на примере пласта m 3 ) в целях уменьшения величины смещения боковых пород в подготовительных выработках следует рекомендовать применение крепи усиления с параметрами: предварительный распор основной крепи, качественную забутовку дробленой породой закрепного пространства и взрывощелевую разгрузку почвы. При этом в каждом конкретном случае (при изменении горно-геологических условий, а, следовательно, и величин смещения боковых пород) следует применять меры по уменьшению смещений исходя из общих, вышеизложенных, положений и на основании технико-экономического обоснования рационального варианта. Наиболее приемлемыми и конкурентоспособными способами подготовки выемочных полей в условиях доработки пластов является способ подготовки выемочных полей с повторным использованием выработок при их охране односторонними бутовыми полосами и способ подготовки путем проведения выработок вприсечку к выработанному пространству после полной отработки верхней лавы. В качестве мероприятий по уменьшению смещений пород в подготовительных выработках, обеспечивающих нахождение выработок в нормальном эксплуатационном состоянии, рекомендуется принять: установку крепи усиления, предварительный распор основной крепи, качественную забутовку закрепного пространства и взрывощелевую разгрузку почвы.

136

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

При изменении горно–геологических условий, а, следовательно, и величин смещений боковых пород, следует принять целесообразные в этих условиях меры по их уменьшению.

Библиографический список 1. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Издание 4-е дополненное. – Л.: ВНИМИ, 1986. – 221 с. 2. Охрана и ремонт горных выработок (под ред. К.В. Кошелева), М., «Недра», 1990. – 218 с. 3. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по курсу «Управление состоянием породного массива» (раздел «Подготавливающие и участковые выработки») для студентов специальности 7.090301 всех форм обучения. Донецк, 2002, – 102 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

137

УДК 628.33

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШАХТНЫХ ВОД Елистратов В.А., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Шахтные воды в Донбассе вносят основной вклад в загрязнение поверхностных водоемов. Учитывая ограниченность ресурсов пресной воды, рассмотрены возможности использования шахтных вод для промышленных и хозяйственно–бытовых потребностей угольных предприятий. Рассмотрены имеющийся опыт и перспективные технологии очистки шахтных вод. В Донбассе имеется острый дефицит пресной воды, используемой для питьевого водоснабжения и коммунальных нужд, а также для технологических процессов. В то же время на поверхность выдаются большие объемы шахтных вод. Вследствие указанных сбросов поверхностные водные источники, которые не отличаются высоким дебитом, превращены в сточные канавы. Вода большей части указанных источников не может быть использована даже для полива сельскохозяйственных угодий. В угольной отрасли были отдельные попытки решения проблемы деминерализации шахтных вод. Так экспериментальная опытно–промышленная выпарная деминерализационная установка производительностью 30 м3/сут. испытывалась в 80-х годах на шахте «Терновская» ПО «Павлоградуголь». Технологической схемой установки предусматривалось только опреснение шахтной воды без переработки рассолов. В это же время на шахте «Петровская» ПО «Донецк-уголь» испытывалась опытно–промышленная электродиализная опреснительная установка циркуляционного типа ЭДУ-50 производительностью 50 м3/сут. [1]. Технологической схемой установки также предусматривалось только опреснение шахтной воды без переработки рассолов. На опытном полигоне Зуевской ТЭЦ ВТИ проводились испытания опреснительных установок: электродиализных аппаратов и обратноосмотической установки с рулонными модулями ЭРО-Э-6,5/900. На установках производились опыты по опреснению воды Зуевского водохранилища, которая по своему химическому составу аналогична шахтным водам шахт этого региона. Переработка рассолов на установках также не производилась. Первая попытка создания деминерализационной установки шахтных вод с законченным технологическим циклом была сделана в Польше, где в 1971 г. была введена в эксплуатацию выпарная деминерализационная установка производительностью 100 м3/ч на шахте «DEMBENSKA»с переработкой рассолов до сухих товарных продуктов — поваренной соли и гипса [2]. *

Научный руководитель – к.т.н., проф. Гомаль И.И.

138

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

В промышленных масштабах использование шахтных вод осуществляется на шахте «Щегловская–Глубокая» ПАО «ДОНБАСС» где общий приток шахтных вод формируется из притока шахтных вод ликвидированных шахт им. Орджоникидзе и «Красногвардейская» (700 м3/ч, содержание взвешенных веществ — до 10 мг/л; сухой остаток — до 1500 мг/л) и собственного притока шахты «Щегловская–Глубокая» (230 м3/ч, содержание взвешенных веществ — 100–150 мг/л, сухой остаток — 2500–3000 мг/л) . Общий приток шахтных вод составляет 930 м3/ч, содержание взвешенных веществ — 36–40 мг/л, сухой остаток — 1750–1870 мг/л. Комплекс очистных сооружений шахтных вод размещается в существующем здании многоканатного подъема ствола № 1 на отм. 0,000 (насосная установка шахтных вод) и на отм. 19,800 (комплекс фильтровальной и умягчительной установок). Эксплуатация комплекса очистных сооружений показала, что произошло снижение объемов сброса шахтных вод, при незначительном росте величины сухого остатка в сбрасываемых шахтных водах (на 10–40 мг/л), уменьшились валовые сбросы солей в гидрографическую сеть района, а очищенная вода соответствует требованиям нормативных документов. Принятые технические решения обеспечивают, как снижение объемов потребления питьевой воды на технические нужды, так и улучшение работы котельного оборудования, систем оборотного водоснабжения из-за снижения коррозии и обрастания трубопроводов и оборудования. По данным шахты количество очищенной шахтной воды в 2007 г. составило 163163 м3, в 2008 г. — 170983 м3, в 2009 г. — 205553 м3, в 2010 г. — 277849 м3, в 2011 г. — 234503 м3. Итого за пять лет 1052051 м3. Стоимость 1 м3 очищенной шахтной воды в 2007–2008 г.г. составляла 2,79 грн., в 2009–2010 г.г. — 4,47 грн. Стоимость питьевой воды поставляемой горводоканалом в 2011 г. составляла 7,9 грн. Таким образом, шахта получила прямой экономический эффект [3]. ЗАО «Аквасервис» в 2006 г. на ликвидированной шахте [4] «Брянцевская» Луганской обл., где имелись самые худшие показатели исходной воды по сравнению с другими угольными предприятиями, провело испытания пилотной мобильной установки очистки шахтной воды производительностью 3 м3/ч. Испытания в течение года показали, что очищенная вода полностью отвечает требованиям стандарта даже из такого источника. Кроме того, ЗАО «Аквасервис» в г. Алчевске построило единственный в Украине завод по производству питьевой воды производительностью 500 м3/ч. Завод использует воду из Исаковского водохранилища, в которое поступают поверхностные и шахтные воды. Исходная вода проходит восемь степеней очистки, по технологии разработанной GE Osmonics, в т. ч. с помощью систем обратного осмоса. Завод обеспечивает Алчевский металлургический комбинат своевременно и в полном объеме технической и питьевой водой, а также может осуществлять поставку питьевой воды в водопровод города.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

139

В связи с развитием ЗАО «Донецксталь» – металлургический завод» и имеющимся дефицитом водных ресурсов институтом «Донгипрошахт» осуществлены проектные проработки перевода технического водоснабжения металлургического комплекса на шахтную воду шахты им. М. Горького [5]. Основными потребителями производственной воды из общезаводской сети являются циклы оборотного водоснабжения металлургических и энергетических агрегатов. Объемы откачиваемых шахтных вод (31872 м3/сут.) могут полностью покрыть потребность ДМЗ в технической воде, которая составляет — 28752 м3/сут. Так как шахтная вода отличается от воды из канала «Северский Донец-Донбасс» по количеству взвешенных веществ и жесткости, проектными проработками предусматривается дополнительная очистка исходной шахтной воды в цехе водоочистки для обеспечения возможности ее использования [1]. Технико–экономические расчеты показали, что использование шахтной воды шахты им. М. Горького для циклов оборотного водоснабжения металлургических и энергетических агрегатов ДМЗ потребует значительных капитальных вложений на строительство резервуаров, подводящих водопроводов и насосной станции перекачки шахтных вод — 19678 тыс. грн. При этом численность обслуживающего персонала не увеличивается, сокращение эксплуатационных расходов по технической воде составит 1022 тыс. грн., или 0,129 грн./м3. Сокращение годовых эксплуатационных расходов по технической воде составит 707,3 тыс. грн. или 0,202 грн./м3. При использовании шахтной воды шахты им. М. Горького для нужд ДМЗ в количестве — 11388 тыс. м3 в год общая экономия затрат по себестоимости технической воды составит 1729,3 тыс. грн., или 0,152 грн./м3. Институтом «Донгипрошахт» выполнены ТЭО и проект «Строительства комплекса по очистке и обессоливанию шахтных вод для питьевого водоснабжения г. Антрацит» с использованием при нормальном режиме 800 м3/ч исходной воды действующего водозабора бывшей шахты «Центральная» и 250 м3/ч воды, получаемой из затопленных работ бывшей шахты 7–7 бис [6]. Очистка шахтной воды планируется комплексом системы фильтрации UFP Selective (разработка итальянской компании "Culligan»), в котором используется высокоэффективное оборудования для очистки воды с высоким содержанием замутняющих и взвешенных веществ. Удаление тяжелых металлов и окисленных органических веществ, большие циклы фильтрации позволяют достичь показателя мутности 1NTU по Европейскому стандарту (до 1,0 мг/л). Система работает полностью в автоматическом режиме, компактная и обеспечивает стабильные показатели очищенной воды при колебаниях качественных показателей исходной воды. Система UFP Selective представляет блок из четырех фильтров. Каждый фильтр содержит трехслойную каталитическую засыпку из минералов: Caflsin, Pirulosite и CuUcite. Эти минералы подобраны специальным образом и выборочно задерживают железо и марганец. Слои располагаются по мере уменьшения размера частиц и увеличения их плотности сверху вниз. Благодаря такому расположению

140

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

засыпки осуществляется глубокая фильтрация и высокоэффективное удаление и задержание загрязняющих частиц. Под фильтрующей засыпкой находятся поддерживающие слои из красного гравия и кремния, увеличивающиеся в размере сверху вниз. Цель такого тщательно продуманного размещения минералов, а также специально разработанного донного распределителя, — обеспечить равномерное распределение воды, как в цикле очистки воды, так и при обратной промывке фильтра. Особые характеристики процесса фильтрации системы UFP позволяют использовать ее для удаления мутности, природных красящих веществ (гумусовых, фульвовых, дубильных кислот), фосфора, железа, марганца, мышьяка и т.д. Для надежного поддержания высоких качественных показателей очищенной воды по факторам: цветность, вкус, запах, содержание микрокомпонентов и др. дополнительно предусмотрена система фильтрации UFP Special. В качестве фильтрующей загрузки фильтров используется активированный уголь. Вода после фильтров UFP Special с загрузкой активированного угля подается в два резервуара чистой воды, вместимостью 5000 м3 каждый. Отфильтрованная вода для снижения минерализации и жесткости направляется на установки опреснения по методу «обратного осмоса». ТЭО предусмотрено два блока «обратного осмоса» фирмы «Culligan» (модель — Aqua-Cleer JW 120 Special) производительностью по 200 м3/ч каждый. Блок включает в себя узел глубокой очистки от взвешенных веществ на патронных фильтрах FGX 3400 Special производительностью 200 м3/ч, который обеспечивает улавливание частиц размером до 5 микрон. Каждый блок «обратного осмоса» включает высоконапорные насосы, устройства промывки микрофильтров и мембран, запорную и регулирующую арматуру, комплекс контрольно-измерительных приборов для автоматизации работы установки [2]. В настоящее время ведется строительство комплекса, который после ввода в эксплуатацию станет своеобразным полигоном для отработки технических и технологических решений. Опыт его работы определит целесообразность использования шахтных вод для питьевого водоснабжения и послужит примером для других регионов. Корпорация Pall разработала серию простых в эксплуатации и управлении систем микрофильтрации, обладающих явными преимуществами по сравнению с другими системами фильтрации, например, по сравнению с песочными фильтрами или многоступенчатыми фильтрами. Система микрофильтрации PallAria является наиболее эффективной технологией удаления механических примесей, обладающей значительными преимуществами по сравнению с обычными системами. Основой систем PallAria являются высокопроницаемые половолоконные мембраны. Эти установки характеризуются высокой удельной пропускной способностью и степенью регенерации.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

141

Системы PallAria способны удалять из воды самого разного происхождения следующие примеси: • Взвешенные твердые частицы, мутность, коллоидные примеси; • Оксиды железа и марганца; • Оксиды мышьяка; • Органические примеси; • Цисты и ооцисты; • Вирусы и бактерии. Системы PallAria могут эксплуатироваться отдельно или интегрироваться в имеющиеся системы предприятия. Гибкость модульной конструкции дает возможность приспособить систему под конкретные технологические процессы и требования. Мобильные фильтрующие системы Pall для водоочистки представляют собой МФ установки с мембранными модулями PallAria, полностью автономные, автоматические, собранные в автоприцепах или контейнерах. Эти системы при условии правильной подготовки места работ в течение всего лишь часа с минимальными трудозатратами можно полностью подготовить к эксплуатации. Одна такая мобильная фильтрующая установка с модулями на основе самых современных половолоконных фильтрующих мембран способна очистить до полумиллиона литров воды в сутки (300 м3/ч). Системы отличаются гибкостью и могут быть рассчитаны на совместную работу с системами очистки других типов, например, с обратноосмотическими. Так как вода бывает загрязнена не только взвешенными, но и растворенными примесями, может возникнуть необходимость удаления в том числе и этих растворенных веществ. Обычно для этого используют обратноосмотические системы, очищающие воду, предварительно профильтрованную МФ системами. Во многих случаях для очистки воды на горнодобывающем предприятии требуются комплексные мембранные системы. Обычно это модульные системы, включающие как минимум ступени МФ и ОО. Комплексные мембранные системы имеют общие/объединенные системы управления (SCADA/HMI) и химической очистки с дозирующими устройствами. Такая конфигурация обеспечивает надежное управление всеми процессами, безопасность эксплуатации и гибкость, гарантирующие высокую эффективность очистки. Область применения PallAria для горнодобывающих предприятий [7]: • Очистка поверхностных вод (например, озерной и речной); • Очистка стоков и технологической воды; • Очистка шахтной и карьерной воды; • Очистка воды после градирен; • Подготовка питьевой воды; • Подготовка воды для котлов; • Подготовка воды для пылеуловителей; • Подготовка подпиточной воды;

142

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Очистка воды для защиты оборудования очистного забоя; • Очистка грунтовых вод; • Очистка воды для оборудования подземных разработок; • Очистка сточной воды; • Очистка технологической воды для рудообогатительных и металлургических предприятий; • Очистка оборотной воды. Нестабильная социально-экономическая ситуация в регионе привела к массовому затоплению шахт Центрального района Донбасса, что является угрозой развития опасных экологических последствий. При ликвидации и затоплении шахт возможно возникновение и развитие различных негативных процессов [7]. Шахтами Центрального района выдаётся на поверхность 59580 тыс. м3 воды в год, в том числе: ПО «Дзержинскуголь» – 11400 тыс. м3, ПО «Артёмуголь» – 23690 тыс. м3, ПО «Орджоникидзеуголь» – 24890 тыс. м3. Из общего количества воды всего лишь 5400 тыс. м3 используется на производственные нужды – противовыбросные и противопылевые мероприятия. Объем сбрасываемых шахтных вод зависит от коэффициента водообильности. Последний зависит от гидрогеологических условий угольных месторождений, полноты мероприятий по предварительному осушению шахтных полей, принятых систем разработки и добычи угля, способов управления кровлей и других факторов и составляет по Центральному району Донбасса – 14,5 м3/т угля. Шахтные воды загрязняются на всех стадиях технологического процесса производства. В составе загрязнителей наиболее характерными являются взвешенные вещества. Они образуются и поступают в шахтные воды в процессе разрушения горного массива, при погрузке и транспортировке горной массы, её орошения, при дренаже вод через выработанные пространства. Содержание взвешенных веществ в выдаваемой на поверхность воде в среднем 232 мг/л, что в два раза выше нормативного, так как мало внимания уделяется предварительной очистке шахтной воды в подземных условиях и своевременной чистке канавок и водосборников околоствольных дворов [8]. Выдаваемая на поверхность шахтная вода кроме взвешенных веществ в значительной степени загрязнена минеральными солями. Минерализация шахтных вод по отдельным шахтам и городам изменяется в пределах 2–4 г/л, что выше нормативных значений. Шахтные воды в большинстве случаев очень жёсткие и без умягчения или опреснения не могут широко использоваться для водоснабжения угольных предприятий, а также для питьевых и оросительных целей [2]. Данные по содержанию загрязняющих веществ в шахтных водах приведены в таблице 1. •

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

143

Таблица 1 – Объем сброса шахтных вод и их покомпонентный состав

№ п/п

Наименование предприятия (шахты)

Произво-

Содержание в сточных водах, мг/л

дительность,

Cl-

SO42-

Ca2+ 205

м3/сутки

Сухой

Окисля-

остаток

емость

2979

6,4

Лидиевка

1050

370

1488

Заперевальная

1200

420

2028 отс. д.

4428

7,2

10000

790

2540 отс. д.

6970

142,0

2750

2200

446

9212

2,1

5 Бутовка Донецкая

3050

5057

2452

390

13127

22,9

Кировская

6850

3062

7206

666

18474

37,7

Центр. Заводская

10450

2926

8464

1057

22154

отс. д.

Засядько

7400

7770

6216

1184

24938

65,9

Челюскинцев

11250

9675 24986 8161

45641

79,9

Октябрьская

17550

8038 17900 2950

53900

230,0

Трудовская

11540

9500 20344 3226

62885

72,3

3 4

Красногвардейская Калининская

Откачиваемая с шахт вода поступает в шахтные поверхностные водосборники, а если их нет, то напрямую в пруды-осветлители, которые в основном расположены в природных балках. Эффективность прудов-осветлителей составляет 60–80 %. Содержание взвешенных веществ после пруда составляет 20–50 мг/л [8]. Шахтная вода с прудов–осветлителей сбрасывается в местные реки, вызывая их деградацию. Уровень загрязнения превышает допустимые нормативы в десятки раз. За предыдущий год в реки Донецкой области попало: 23,3 тыс. т взвешенных веществ, 701,8 тыс. т сульфатов, 2,68 тыс. т аммонийного азота, 16,6 тыс. т нитратов, 41 тыс. т нитритов, 82,6 т веществ синтетического происхождения, 282,7 т нефтепродуктов, 3,3 т фенола и более 300 т тяжёлых металлов.

144

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Учитывая дефицит водных ресурсов в восточных районах Украины, шахтные воды могут быть реальным альтернативным источником водоснабжения. Для обеспечения своей производственной деятельности шахты потребляют воду питьевого качества, шахтную и техническую. Питьевая вода используется как по-своему прямому назначению на хозяйственно–питьевые нужды, так и на производственные. В Донецкой и Днепропетровской областях на производственные нужды расходуется соответственно 24,9% и 21,4% потребляемой питьевой воды [1]. Такое различие объясняется наличием ресурсов питьевой воды в регионах и её стоимостью. К основным потребителям передаваемой шахтной воды относятся обогатительные фабрики и специализированные управления по тушению породных отвалов и рекультивации земель, на балансе которых имеются очистные сооружения. В Донецкой области из всего объема переданной шахтной воды на обогатительные фабрики поступает 32,4%. К основным водопотребляющим процессам на предприятиях угольной промышленности относятся: пылеподавление, предварительная дегазация угольных пластов вакуум-насосами, выработка сжатого воздуха, кондиционирование воздуха, гидромеханизация горных работ, обогащение угля мокрым способом, хозяйственно-бытовые нужды, выработка теплоэнергии в котельных. При этом основными потреблениями шахтной воды в настоящее время, являются процессы пылеподавления и мокрого обогащения угля, где предъявляются наименее жесткие требования в используемой воде. Мокрыми способами обогащения угля являются флотация, отсадка, обогащение в тяжелых средах и др. [6]. Хозяйственно-бытовые нужды предприятий угольной промышленности включают хозяйственно-питьевые и коммунально-бытовые нужды. Коммунально–бытовые нужды предприятий угольной промышленности включают: мытье в душевых и умывальниках, стирку спецодежды, мокрую уборку помещений, полив территории промплощадки, тротуаров, обеспечения водой санузлов, моек [9]. Выводы 1. Угольные шахты являются крупными потребителями питьевой и технической воды, и в тоже время откачивают на поверхность огромное количество шахтной воды. Качество шахтных вод не соответствует требованиям предъявляемым потребителями, поэтому для использования шахтной воды для промышленных и бытовых нужд необходимо производить ее очистку, деминерализацию и обеззараживание. 2. Учитывая дефицит водных ресурсов в восточных районах Украины, шахтные воды могут быть реальным альтернативным источником водоснабжения.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

145

3. Необходимо повсеместно использовать шахтные воды самими угледобывающими предприятиями с максимальным использованием существующих зданий, сооружений и инфраструктуры. 4. К настоящему времени уже созданы предпосылки для крупномасштабного внедрения установок комплексной переработки шахтных вод. Это позволит расширить круг потребителей очищенной шахтной воды, как на шахтах, так и на смежных предприятиях и предприятиях других отраслей промышленности, а также решить проблему предотвращения загрязнения природных водных объектов, что в итоге благоприятно скажется на экономике и экологии регионов. 5. При планировании направлений использования шахтной воды необходимо учитывать в первую очередь требования потребителей к очищенной воде и качество шахтной воды, а выбор экономически выгодных и технически осуществимых и достаточных методов очистки осуществлять в зависимости от поставленных целей (техническая, питьевая вода, орошение, рекреация).

Библиографический список 1. Синявский, С. А., Резников, С. И. «Донецксталь»: вовлечь шахтные воды в народнохозяйственный оборот // Инвест-Украина. Международный деловой журнал — 2010 — №3 (42), С. 18–22. 2. Синявский, С. А. О проблеме деминерализации шахтных вод // Уголь Украины — 2010, №2, С. 22–24. 3. Высоцкий, С. П., Гулько, С. Е. Использование шахтных вод в качестве резервного источника водоснабжения // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах: сб. науч. тр. / МакНИИ. – Макеевка-МакНИИ, 2014. – №1(33). – С. 82–98. 4. Кабаков, А. С., Язев, А. С., Титомир, О. Н. О целесообразности строительства на закрытых шахтах и водоемах комплексов по производству питьевой воды. Уголь Украины, 2007, №6, С. 10–14. 5. Використання шахтних вод для технічного водопостачання. Загальні технічні вимоги: СОУ 10.1.00174125.016:2008 / Мінвуглепром України. — К., 2008. 6. Гулько С. Е., Гомаль И. И. Опыт и перспективы использования шахтной воды // Уголь Украины, 2013. – №6, С. 30–34. 7. http://ig.ua/ru/vodopodgotovka_mining/osobennosti_obrabotki_vody_v_ gornodobyvayuschei_promyshlennosti.html. 8. Гулько С. Е. Использование шахтных вод в системах питьевого и технического водоснабжения // Сборник материалов первого международного форума: «Зеленый город: взгляд в будущее» (Горловка, 31 мая – 1 июня 2013 г.) – С. 147–151.

146

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

9. Высоцкий С. П., Гулько С. Е. Использование шахтных вод для питьевого водоснабжения и в производственных циклах промышленных предприятий // Вести Донецкого горного института Всеукраинский научно-технический журнал горного профиля, 2014. – №1 (32), С. 78–84. 10. Высоцкий С. П., Гулько С. Е. Совершенствование технологии очистки шахтных вод от взвешенных частиц // Научный вестник НИИГД «Респиратор» –– № 3(53), 2016. – С. 70–78.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

147

УДК 622.4

СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ШАХТНОГО МЕТАНА Золотухин Д.Е., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк) * Исследованы существующие и перспективные способы утилизации шахтного метана. Рассмотрены достоинства и недостатки, определена область применения существующих способов утилизации. При разработке угольных месторождений постоянно выделяется газ метан. Он несет опасность взрыва в подземных выработках шахты и является одним из парниковых газов. При попадании в атмосферу метан наносит сильнейший урон экологической обстановке. Он в 21 раз активнее, чем углекислый газ по своей способности создавать парниковый эффект на планете. В 2010 г. выброс метана из угольных шахт вырос до 51 млрд. куб. м чистого метана в год (эквивалентно 724 млн. т углеродного газа), что равносильно ежегодному выхлопу 171 млн. автомобилей [1]. В данный момент в мире существуют несколько коммерчески испытанных технологий, которые работают на шахтном и вентиляционном газе. Среди них наиболее используемым методом, позволяющим утилизировать шахтный газ и снижать вредные выбросы, является использование его в двигателях внутреннего сгорания. На сегодняшний день в мире существует ряд проектов, где шахтный метан используется для производства электричества. Наибольшим опытом ведения подобных проектов (свыше десяти лет) обладают Австралия, Германия, Япония, Великобритания и США. За последние два года утилизация шахтного газа стала все больше применяться на шахтах в развивающихся странах, таких как Китай, Польша, Россия и Украина. Согласно данным за 2005 г., в мире существует около пяти десятков электростанций, работающих на шахтном газе, суммарной мощностью свыше 300 МВт. Индивидуальная производственная мощность таких электростанций может сильно различаться, начиная от мини–электростанций в 150 кВт до самой крупной станции в 94 МВт. Самая крупная электростанция, работающая на шахтном метане, по проекту «APPIN & TOWER», работает в Австралии штат New South Wales. В качестве топлива для 94-х газовых двигателей внутреннего сгорания, каждый из которых мощностью в 1 МВт, используется шахтный газ трех подземных угольных шахт, принадлежащих компании ВНР Billiton. Используются модульные энергопроизводящие установки малой мощности, так как это позво*

Научный руководитель – к.т.н., проф. Гомаль И.И.

148

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

ляет оптимизировать нагрузку электростанции. При колебаниях подачи шахтного газа только необходимое количество двигателей находится в работе, функционируя со стопроцентной нагрузкой, в то время как остальные двигатели останавливаются. Подобный модульный подход часто применяется на действующих шахтах, где количество и концентрация шахтного газа подвержены постоянным колебаниям. Помимо оптимизации нагрузки использование небольших модулей, заключенных в контейнеры, удобно из-за возможности дистанционной сборки, легкости перемещения (например, на другую шахту) и возможности постепенного наращивания мощности [1]. Наилучшие в мире результаты по утилизации шахтного метана и реализации принципов Киотского протокола и Парижской конференции достигнуты ФРГ. На начало 2006 г. только в Рурском бассейне работали более 130 контейнерных ТЭС на шахтном газе с установленной мощностью более 150 МВт электрической энергии (на шахте «Антрацит Иббенбюрен» кроме четырех КТЭС действует еще стационарная установка мощностью 27 МВт). Большинство из них установлено на отработанных шахтных полях, где их показатели примерно на 20 % лучше, чем на действующих шахтах. В 2006 г. фирма Эмиссионс–Традер ЕТ подала заявки на 55 эмиссионных проекта по шахтному газу. Два из них (г. Хёрне) уже полностью признаны и функционируют как «утилизационные — эмиссионные проекты», они, на данный момент единственные в мире реально действующие эмиссионные проекты на шахтном газе, соответствующие всем критериям Киотского протокола [2]. Интенсивное внедрение КТЭС стало возможно благодаря: • закону ФРГ о возобновляемых видах энергии, гарантирующего передачу электроэнергии в сеть по цене около 7 евроцентов за 1 кВт-ч в течение 20 лет; • наличию Указаний Земли Северная-Рейн-Вестфалия об использовании установок на шахтном газе, позволяющих использовать шахтный газ при любой концентрации метана, если содержание кислорода меньше 6%, что наблюдается практически всегда на отработанных шахтных полях; • активной поддержке правительства Земли Северная-Рейн-Вестфалия и методическому, инженерному сопровождению немецкого института прикладных исследований УМЗИХТ (Государственного института экологии, безопасности и новых видов энергии). Широкомасштабное использование в ФРГ шахтного газа для выработки электроэнергии выявило и имеющиеся проблемы: • на отдельных закрытых шахтах газ после 3–5 лет работы резко убывает, падает концентрация, происхождение шахтного газа еще недостаточно изучено, интенсивность отсасывания газа следует оптимизировать; бурение скважин на полях закрытых шахт является очень рискованным, сложным и дорогостоящим; • на действующих шахтах среднее время работы КТЭС не превышает 7000 ч в год, причины: технологические и профилактические работы в шахтах, а

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

149

также нестабильность концентрации СН4, периодическое ее снижение ниже 25–30%; • резкое возрастание эксплуатационных затрат при длительной концентрации СН4 менее 30 % в шахтной смеси (сравнимо с работой автомобиля на первой передаче); • большие капитальные (1 млн. евро за 1 МВт) и эксплуатационные затраты (более 200-300 тыс. евро в год на 1 МВт); • электрическую и тепловую энергию из-за отсутствия потребителей не всегда можно использовать. По оценкам экспертов, действующие и прогнозируемые цены до 2017 г. могут дать дополнительную прибыль в размере 2–6 евро-центов за 1кВт-ч электроэнергии. Из-за отсутствия в странах СНГ закона о сбыте электроэнергии, полученной от утилизации шахтного газа, сегодня невозможно провести полную экономическую оценку различных технологий утилизации. Шахте нужно двойное электроснабжение, рассчитанное на определенную установленную мощность потребителей, и владельцы энергосети не допустят, чтобы шахты перешли на собственное электроснабжение, сохраняя их электросеть в качестве резервной. Безусловно, что без законодательной директивы они могут по очень низким ценам закупать излишки шахтной электроэнергии в свою сеть и по завышенным ценам предоставлять шахтам свою энергосеть в качестве резервной. Данный вопрос требует законодательного решения. К технологии утилизации ближайшего будущего не следует относить и проекты по сжиганию газа вентиляционной струи, этот вопрос технически еще не решен. В настоящее время ни на одной шахте мира данные установки не работают, экспериментальная работа подобных установок в других отраслях экономически себя не оправдывает. Доработка этих инженерных предложений до серийного производства потребует еще длительного времени. Сведения по различным технологиям утилизации шахтного метана в ФРГ приведены в табл. 1. При оценке различных технологий утилизации шахтного метана в России следует правильно учитывать требуемые затраты. Для утилизации метана надо его предварительно каптировать, как правило, это требует значительных дополнительных затрат по шахтной дегазации, чтобы концентрация метана превысила 25–40%, что требуется по существующим технологиям утилизации. Применяемое импортное утилизационное оборудование требует сертификации, доставки, растамаживания с уплатой таможенной пошлины и НДС. Как правило, не учитываются или значительно занижены и общие затраты по проекту: дополнительные мероприятия по дегазации, документация, разрешения, насосы, трансформаторы, эксплуатационные затраты, дополнительные измерительные и контрольные приборы ликвидации проекта, ежегодные за-

150

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

траты по сертификации полученных эмиссионных снижений. Эксплуатационные затраты в ФРГ по контейнерным ТЭС превышают 300 тыс. евро в год на 1 МВт электроэнергии. Вероятно, что и в странах СНГ они не будут значительно ниже. Возможно, это является одной из причин того, что ни одна из американских контейнерных ТЭС фирмы Катерпиллер, поставленных в Кузбасс, Воркуту и Донбасс, так и не начала работать [2]. Таблица 1 – Ориентировочная сводная таблица по различным технологиям утилизации шахтного метана в ФРГ Контейнерная

Показатели

КГУУ 5/8

Котельная

Оптимальная мощность, МВт

1,35 эл.

Расход метана, 100% СН4, м3/мин

8,36

6,27

Реальное количество часов работы в году

7.700

2.000

6.000

Получаемые снижения эмиссий СО2, т/год

50.000

65.000

37.000

6.000

700

4.600

400.000

500.000

1.300.000

50.000

70.000

300.000

12.500

13.000

2.800

43.000

7.200

Дегазация

Тепло

ТЭС

Количество снижаемых эмиссий СО2 т/г на 1м3/мин сжигаемого 100 % СН4 в установке Капитальные затраты всего проекта, евро Годовые эксплуатационные затраты, евро/год Снижение СО2 т/г на 100.000 евро капзатрат Снижение СО2 т/г лет на 100.000 евро всех затрат Дополнительный доход к снижению эмиссий

Электро- и теплоэнергия

Киотский протокол и Парижская конференция дали дополнительную возможность проверки эффективности всех предложений по поставке оборудования для выработки электроэнергии: производитель-поставщик не продает оборудование, а инвестирует его в проекты совместного осуществления (ПСО) и получает отчисления от прибыли. Такие предложения делает группа немецких поставщиков КТЭС и организаторов ПСО (немецкие фирмы Демета, А-ТЕС Анлагентехник, Эмис-сионс-Традер ЕТ, Про-2 Анлагентехник совместно с СП - Новая энергетика в Кемерово, «Эко-Альянс» в Киеве, «Кар-Метан» в Караганде).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

151

Опыт работы показал, что: • основной проблемой утилизации шахтного метана является недостаточная концентрация его, что значительно усложняет и сильно удорожает технологию утилизации; • на отдельных закрытых шахтах количество газа после 3–5 лет работы резко убывает, падает концентрация, происхождение шахтного газа еще недостаточно изучено, интенсивность отсасывания газа следует оптимизировать, бурение скважин на полях закрытых шахт является очень рискованным, сложным и дорогостоящим; • на действующих шахтах среднее время работы КТЭС не превышает 7000 ч в год, причины: технологические и профилактические работы в шахтах, а также нестабильность концентрации СН4, периодическое ее снижение ниже 25–30%; • резкое возрастание эксплуатационных затрат при длительной концентрации СН4 менее 30 % в шахтной смеси (сравнимо с работой автомобиля на первой передаче); • большие капитальные (1 млн. евро за 1 МВт) и эксплуатационные затраты (более 200–300 тыс. евро в год на 1 МВт); • электрическую и тепловую энергию из-за отсутствия потребителей не всегда можно использовать. Таким образом, из-за дороговизны эксплуатации и подготовки газа данные способы применимы не ко всем шахтам. Утилизация шахтного метана начинается с добычи газа каптированием из шахтной атмосферы или откачиванием его из подземных либо поверхностных дегазационных скважин. Оценка газового энергетического потенциала одних только донецких шахт показала, что в пределах их горных отводов содержится более 26,5 млрд. куб м «шахтного» метана, который по своим свойствам идентичен природному газу Уренгойского месторождения. Запасы метана на отдельных шахтах колеблются от 0,2 до 4,7 млрд. куб м. Например, в недрах шахты им. Засядько они составляют 3,6 млрд. куб м, им. Скочинско-го – 4,7 млрд. куб м, «Южнодонбасской №3» – 3–3,5 млрд. куб м. На сегодня на донецких шахтах можно извлекать и использовать в энергетических целях более 3 млрд. куб м метана в год. В настоящее время технологии утилизации метана развиваются по следующим основным направлениям: - сжигательные установки; - выработка тепла (котельные); - когенерационные энергокомплексы; - производство топлива для автомобилей. Применение той или иной технологии определяется происхождением шахтного метана, его концентрацией, а также дебетом (выходом метана).

152

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Сжигательные установки. Подъём шахтного метана на поверхность осуществляется с помощью вакуум-насосов. Содержание метана должно быть не менее 25%. Конструкция контейнерной утилизационной установки УКГ-1 приведена на рис. 1.

Рис. 1 – Установка контейнерная утилизационная УКГ-1: 1 – блок компрессорный; 2 – камера сгорания; 3 – блок распределительного устройства; 4 – выхлопная шахта

Шахтный метан направляется в газоутилизационную установку, для утилизации его посредством сжигания в специальной камере при температуре 1000-1200°С, с целью предотвращения выделения метана в атмосферу. В состав установки входят блок компрессорный и помещение для камеры сгорания. Используются ротационные низконапорные компрессоры. Сжигательная установка применяется как самостоятельно, так и в составе с теплоэлектростанцией. В этом случае установка используется для откачки газа из скважины, его очистки и подготовки к дальнейшему использованию [3]. Получение тепловой энергии. Очевидно, что тепло, получаемое при сжигании метана, можно использовать в пределах инфраструктуры предприятия, например, для обеспечения горячей водой, душевых, бытовых помещений и др. Принципиальная схема сжигания метана в котельной приведена на рис. 2 [3].

Рис. 2 – Принципиальная схема котельной:

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

153

1 – котел; 2 – горелка; 3 – воздуходувка; 4 – пламегаситель; 5 – каплеулавливатель; 6 – вакуум-насос; 7 – дымосос

Блочные теплоэлектростанции. В состав теплоэлектростанции входит дизель-генератор, адаптированный для работы на газообразном топливе. Эффективнее использовать специальные газопоршневые двигатели, воздушное дутье для которого обеспечивается метановой смесью. Установка вырабатывает электроэнергию, а также тепловую энергию как побочный продукт. Тепловая энергия получается за счёт горячей воды системы охлаждения дизель-генератора и может быть полезно использована для собственных нужд. Коэффициент полезного действия такой тепловой электростанции составляет 40-43% по выработке электроэнергии [3].

Рис. 3 – Конструкция блочной ТЭС

Когенерационные энергокомплексы. Повышение эффективности использования шахтного метана целесообразно путём создания шахтных энергокомплексов, использующих когенерационные технологии, представляющие собой ту или иную комбинацию паровых или водогрейных котлов с паротурбинными, газотурбинными или газопоршневыми установками, обеспечивающими совместную выработку тепловой и электрической энергии с высоким к.п.д. за счёт более полного использования потенциала рабочего тела. Если потребление электроэнергии практически не зависит от времени года, то потребление тепловой энергии крайне неравномерно. Поэтому необходимы специальные схемы. Избыточное тепло в летнее время может быть использовано для кондиционирования шахтной атмосферы и для дополнительной выработки электроэнергии. Для целей кондиционирования целесообразно взамен обычных пароконденсационных холодильных машин использовать абсорбционные, которые в качестве приводной энергии используют не механическую работу, а тепло. К.п.д. таких установок по выработке электроэнергии достигает 58%.

154

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Ниже рассматривается когенерационная установка на шахте им. А.Ф. Засядько, которая использует в качестве топлива шахтный газ. Ее проектная мощность 36,4 МВт электрической и 35 МВт тепловой энергии. В качестве энергогенерирующего оборудования на первом этапе использованы двенадцать газопоршневых когенерационных модуля типа JMS 620 производства фирмы GE JED. Используемые агрегаты выгодно отличаются от своих аналогов более продолжительным сроком службы и возможностью стабильной работы при использовании в качестве топлива шахтного метана с большой частотой колебания концентрации метана в смеси. Рабочие цилиндры газопоршневого двигателя снабжены форкамерой, наличие которой позволяет агрегату работать на относительно бедных топливных смесях. Тепловая схема когенерационной установки – трехступенчатая. Схема предусматривает отпуск теплоносителя в виде горячей воды с параметрами 110/70°С. На первом этапе происходит утилизация тепла смазочного масла, газовоздушной смеси и рубашки двигателя. При этом вода подогревается с 70 до 86°С. Дальнейший подогрев теплоносителя с 86 до 110°С осуществляется за счет утилизации тепла выхлопных газов. Принципиальная схема утилизации тепловой энергии когенерационной установки и ее основные количественные показатели приведены на рис. 4. При недостаточной присоединенной тепловой нагрузке потребителей излишняя теплота удаляется с помощью системы аварийного охлаждения, при этом поток выхлопных газов перенаправляется в обход теплообменника при активировании цепи байпаса выхлопного газа.

Рис. 4 – Принципиальная схема утилизации тепловой энергии когенерационного модуля JMS 620, применяемого на шахте им. А.Ф. Засядько

Для более компактного расположения установки и уменьшения длин инженерных коммуникаций была принята двухэтажная компоновка производственных помещений станции. Когенерационные модули расположены в четырех машинных залах, там же расположены: маслохозяйство, насосная, помещение распредустройства, диспетчерская, другие вспомогательные и бытовые помещения. Газ из поверхностных скважин после стабилизация давления поступает на сепаратор. В сепараторе из газа удаляется капельная влага и твердые примеси размером более 5 мкм. Для того чтобы обеспечить относительную влаж-

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

155

ность газа не более 80%, как этого требует когенерационный модуль, при исходной влажности, достигающей 100%, шахтный газ проходит узел охлаждения. В указанном узле температура газа понижается с 40-46 до 35°С, а сконденсировавшаяся влага вместе с твердыми примесями удаляется в фильтрахсепараторах с фторопластовыми пакетами. После этого газ поступает на блоки нагрева, где его температура повышается с 35 до 40°С, а относительная влажность понижается до 80%. Отсепарированная влага подается в бак дегазации для отделения остатков растворенного газа. В качестве теплоносителя используется горячая вода, подготавливаемая на когенерационной станции, а холодоноситель подготавливается на холодильной станции, состоящей из двух холодильных машин общей холодопроизводительностью 420 кВт и расположенной возле площадки газоподготовки. Для запальной дозы (форкамеры), а также для поддержания концентрации метана в топливном газе не ниже заданного уровня используется природный газ или газ с поверхностных скважин с содержанием метана до 95%. Следует обратить внимание на то, что для обеспечения нормальной и стабильной работы когенерационного модуля требуется форка мерный газ с концентрацией метана не ниже 25% и в незначительных объемах, а именно 25 Нм3/ч при расходе топливного газа в 2830 Нм3/ч. Подмешивание природного газа или газа с поверхностных скважин предусмотрено только в случае понижения концентрации метана в шахтном газе ниже 25%. За время эксплуатации (с января по сентябрь 2006 г.) фактических случаев использования природного газа для повышения концентрации шахтного газа не было. Когенарционная установка, работающая на шахтном метане, является не только единственной в Украине, но и крупнейшей в мире. Её проектная мощность почти в полтора раза превышает мощность соответствующей установки, эксплуатируемой в Германии, считавшейся до этого наиболее крупной установкой в мире. Исследования показали, что в процессе комплексной дегазации при годовой добыче 3 млн. т угля из шахты потребуется выдавать более 1 млн куб м газовой смеси. Этого объема достаточно для эффективной и рентабельной работы когенерационной электростанции, проектирование которой было начато в 2005 году. В разработке проекта принимали участие специалисты шахты, институты Национальной академии наук Украины, ЧНПП «Синапс», ООО «Электроюжмонтаж» и уже в 2006 первая очередь КГЭС, размещенная на восточной промплощадке шахты им. Засядько, была пущена в строй. Сбор и транспортировка извлеченного метана на шахте им. Засядько осуществляется разветвленной системой газотранспортных трубопроводов, длина которых превышает 60 километров. Газ каптируется четырьмя вакуумнасосными станциями, оборудованными отечественными вакуум-насосами производительностью 150 куб м в час, построенными на промышленных пло-

156

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

щадках шахты. Затем шахтный метан проходит через пункты очистки и газоподготовки. КГЭС составляют 12 когенерационных модулей австрийской фирмы GE Jenbacher, мощностью по 3 МВт электрической и 2,83 МВт тепловой энергии. Большая часть электрической и тепловой энергии идет на покрытие собственных нужд предприятия и сокращает расходы по соответствующим статьям производственных затрат. На протяжении 2009-2013 годов в процессе дегазации угольных пластов шахты им. Засядько было извлечено 170,5 млн. куб. м шахтного газа метана, который был использован для выработки почти 560 Мвт-часов электроэнергии и 165 Гкал тепла. За счет собственного теплоэнергообеспечения от шахтных энергокомплексов за пять лет работы станции шахта сэкономила за счет использования собственного тепла и электроэнергии 210 млн. грн. Однако в истории этого уникального строительства есть и еще один положительный момент. С точки зрения парникового эффекта метан является в несколько десятков раз более опасным, чем углекислый газ. Поэтому строительство когенерационной электространции на шахте Засядько привело к значительному улучшению экологии региона и стало пилотным проектом по сокращению выбросов. Кроме того, сокращая выбросы метана в атмосферу, предприятие получило возможность участвовать в реализации мероприятий в рамках Киотского протокола. За время работы КГЭС выбросы метана в атмосферу были сокращены на 2,8 млн. т в эквиваленте СО2. На когенерационной электростанции внедрена система регистрации масла с последующим использованием его на предприятии. Производится мониторинг вредных выбросов как персоналом КГЭС (внутренний контроль), так и соответствующими государственными контролирующими органами, как украинскими, так и международными. Ведется отчетность о выполнении обязательств в рамках требований Киотского протокола о сокращении вредных выбросов, что удостоверяется регулярными международными проверками. Предприятие вложило более 7 млн. долларов США в приобретение американского станка для бурения поверхностных дегазационных скважин. Развитие этого направления позволит увеличить количество утилизированного метана и количество газовых заправок. Ведутся эксперименты по обогащению метановоздушной смеси. Благодаря технологии короткоцикловой абсорбции, концентрацию метана в смеси возможно повысить до уровня 25%, после чего он становится пригодным для последующей утилизации. Опыт реализации программы комплексного извлечения и использования метана на шахте им. Засядько позволил разработать основы промышленных технологий извлечения и использования газа угольных месторождений, как альтернативного вида топлива. Сегодня фирмой «Энергометан» для группы шахт ГП «Макеевуголь» совместно с институтами МакНИИ и ИГТМ им.Полякова разработана такая программа, основанная на опыте шахты им.Засядько.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

157

Программой предусмотрено снижение содержания метана в шахтной атмосфере, которое позволит не только сократить до минимума потенциальную возможность взрывов метана и улучшить состояние техники безопасности и условия труда, но и, сняв ограничения по газовому фактору, повысить темпы проведения подготовительных выработок, нагрузку очистных забоев, увеличить объемы добычи угля. Все это, вместе с переходом на потребление при добыче угля собственной электроэнергии и тепла, позволит значительно улучшить экономические показатели угольных предприятий. Работы, производимые на шахте им. Засядько, являются началом не только нового направления повышения безопасности и улучшения условий труда горняков угольных шахт, но и важным направлением улучшения экологии региона, имеющим большое значение для жителей Донбасса [4]. Кроме использования шахтного метана для выработки тепловой и электрической энергии его используют также в качестве топлива для автомобилей. Общая схема автозаправочной станции АГНКС приведена на рисунке 5.

Рис. 5 – Схема АГНКС: 1 - блок технологический; 2 - блок входных кранов; 3 - блок аккумуляторов; 4 - емкость дренажная; 5 - колонка заправочная с коммерческим учетом газа; 6- стойка отсечная рампы заправочной; 7 - заправочный пост на два автомобиля; 8 – операторная

Газ низкого давления из сети поступает в блок входных кранов, а затем во входной сепаратор технологического блока, где производится первичная очистка газа от механических примесей и капельной влаги. Счетчик-расходометр измеряет количество поступающего на станцию газа с целью коммерческого расчета с поставщиками. Из входного коллектора газ направляется в

158

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

компрессорные установки, где происходит четырехступенчатое сжатие его до 25 МПа. КПГ подается в напорный коллектор, из которого поступает в блок адсорбционной осушки. Управление пневмоприводными кранами обеспечивается блоком управления. После осушки газ направляется в заправочный коллектор для заправки в автомобили или для хранения в блок аккумулятора. Конденсат, выделившийся в ходе технологических процессов, сливается в заглубленную в грунт дренажную ёмкость. Управление работой всех систем автоматизировано. Наличие АГНКС так же дает экономические преимущества предприятию за счет перевода собственного транспорта на более дешевый вид топлива. Теперь рассмотрим преимущества газа перед бензином и дизельным топливом. Преимущества относятся как к метану, так и к пропан-бутану: • увеличение межремонтного периода работы двигателя в 1,5 раза. • увеличение срока службы моторного масла в 1,5-2 раза. • снижение уровня шума работы двигателя на 3-8 ДБ (как минимум в 2 раза). • увеличение срока службы свечей зажигания на 40 %. • снижение токсичности выхлопных газов: СО - в 2-3 раза, 1МО - в 1,2 раза, СН - в 1,3-1,9 раза. • снижение дымности выхлопных газов (для дизельных двигателей) в 2-4 раза. Выводы 1. Применение той или иной технологии утилизации метана прежде всего зависит от концентрации шахтного газа и газообильности шахты. 2. Экономически выгодно применение когенерационных энерго-комплексов по сравнению с другими способами переработки метана, т. к. они могут функционировать при относительно низкой концентрации газа и помимо электроэнергии выдают большое количество тепла, которое, в свою очередь, может быть использовано для хозяйственных нужд. 3. Автозаправочные станции АГНКС целесообразно применять при большом автомобильном парке предприятия, т. к. это дает возможность обеспечивать транспорт более дешевым топливом. 4. При падении концентрации метана когенерационные энерго-комплексы и АГНКС могут осуществлять отбор природного газа из сети для поддержания стабильной работы системы. 5. Применение данных технологий снижает себестоимость угля за счет частичного перехода на более дешевые источники энергии.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

159

Библиографический список 1. Звягильский, Е. Л. Утилизация шахтного метана – путь решения проблемы выбросов метана в атмосферу / Е. Л. Звягильский, Б. В. Бокий // Сборник научных докладов. Ч.1 УкрНИМИ. – 2005. – С. 220–228. 2. Безпфлюг, В. А. Опыт утилизации шахтного метана в ФРГ и возможности его утилизации в России // Уголь. – 2006. – № 8. – С. 31–38. 3. Астахов, С. А. Утилизация шахтного газа // Уголь. – 2006. – № 8. – С. 9–13. 4. Булат, А. Ф. Научно-технические основы создания шахтных когенерационых энергетических комплексов / А. Ф.Булат, И. Ф. Чимерис. – Киев: Наукова думка, 2006. – 176 с.

160

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.831

ОСОБЕННОСТИ ОХРАНЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ ПОРОДНЫМИ ПОЛОСАМИ Иващенко Д.С., студент гр. РПМ-13б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Выполнен анализ эффективности применения бутовых полос для охраны конвейерных штреков по пласту h10 “Ливенский” в условиях шахт ГП “Донецкуголь”, имени газеты “Социалистический Донбасс” и имени М. И. Калинина при использовании двух вариантов сплошной системы разработки – соответственно «лава-штрек» и «лава-этаж». С увеличением глубины разработки отмечается существенное ухудшение состояния выработок из-за интенсификации проявлений горного давления и повышения трудоемкости их поддержания. Анализ опыта поддержания подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях больших глубин разработки при применении столбовых систем показывает, что даже вне зоны влияния опорного давления наблюдается интенсивное пучение пород почвы. Это приводит к необходимости осуществлять многократные подрывки почвы перед очистным забоем на участке выработки, насыщенном горно– шахтным оборудованием, транспортными, электрическими и другими коммуникациями. Применение столбовых систем разработки для эффективной эксплуатации дорогостоящих, но высокопроизводительных механизированных комплексов также во многом осложняется интенсивным пучением пород почвы, поэтому в последние годы в условиях глубоких шахт наметилась тенденция роста объема применения сплошных систем разработки [1-3]. Совершенствование способов охраны выемочных выработок при сплошных системах разработки должно быть ориентировано на разработку эффективных и малозатратных технологий для обеспечения устойчивости выработок. Эффективность охраны подготовительных выработок бутовыми полосами можно проследить на примере транспортных штреков, проводимых на шахтах ГП “Донецкуголь”, им. газеты “Донбасс” и им. М. И. Калинина, по пласту h10 “Ливенский” мощностью 1,2–1,4 м, со слабыми породами непосредственных кровли и почвы, и высокой газодинамической активностью.

Научные руководители – к.т.н., доц. Соловьев Г.И., к.т.н., доц. Голембиевский П.П., асс. Нефедов В.Е. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

161

На шахте им. газеты “Донбасс” применялась сплошная система разработки “лава–штрек” с тремя подготовительными выработками, проводимыми вслед за лавой. Эти выработки, из которых средний штрек – вентиляционный, нижний – транспортный и верхний – воздухоподающий, охранялись бутовыми полосами, возводимыми скреперными установками ЗУ-2 (рис. 1).

Рис. 1 – Сплошная система разработки «лава-штрек» при отработке пласта h10 «Ливенкский» на шахте им. газеты «Соц. Донбасс»

Для снижения затрат на поддержание верхнего вохдухоподающего и нижнего конвейерного штреков производилось их группирование на полевые штреки. Конвейерный полевой штрек проводился в почве пласта по прочным песчаникам с отставанием от лавы на 80–100 м и соединялся с пластовым конвейерным штреком промежуточными наклонными квершлагами с расстоянием между ними 250–300 м. Выработки проводились буровзрывным способом вслед за лавой с верхней подрывкой. Вдоль среднего вентиляционного штрека возводились двусторонние бутовые полосы с размерами по падению – 10 м и по восстанию – 4 м. Размер бутовых полос возводимых над транспортным штреком составлял 16 м, а под воздухоподающим – 12 м. Отставание породных забоев подготовительных выработок от лавы составляло 8–10 м. Состояние воздухоподающего, вентиляционного и конвейерного штреков при их охране бутовыми полосами было удовлетворительное. Общие вертикальные и горизонтальные смещения вмещающих пород на контуре выработок на расстоянии 150–160 м вслед за лавой составляли соответственно 1,5– 1,9 и 1,2–1,4 м. Следует отметить, что при ранее применявшийся на шахте способе проведения конвейерного штрека перед очистным забоем на расстоянии 40 м и охране его по схеме «угольный массив – бутовая полоса» состояние выработки было неудовлетворительным из-за интенсивных смещений пород кровли и почвы. Этому способствовало знакопеременное воздействие на крепь

162

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

выработки перед лавой повышенного опорного давления с последующим проседанием подработанного массива пород вслед за лавой при наборе несущей способности бутовыми полосами вслед за лавой и активными смещениями вмещающих пород после посадки основной кровли. Применение способа проведения конвейерного штрека вслед за лавой позволило в 1,6–1,9 раза снизить величину вертикальных смещений боковых пород. На шахте им. М. И. Калинина применялась сплошная система разработки “лава–этаж” с проведением транспортного штрека буровзрывным способом: впереди лавы с опережением ее на 45 м, а вентиляционного штрека вслед за лавой с отставанием от нее на 10 м. Воздухоподающий штрек проводился вслед за лавой на расстоянии 10 м от нее вприсечку к транспортной выработке ранее отработанной лавы (рис. 2). Воздухоподающий и конвейерный штреки группировались на полевые штреки, расположенные в прочных песчаниках почвы пласта, с помощью промежуточных наклонных квершлагов. Расстояние между промежуточными квершлагами составляло 250–300 м.

Рис. 2 – Сплошная система разработки «лава-этаж» при отработке пласта h10 «Ливенский» на шахте им. М.И. Калинина

Охрана воздухоподающего и вентиляционного штреков осуществлялись бутовыми полосами, возводимыми скреперными лебедками ЗУ–1 из породы от проведения этих выработок. Общее состояние этих штреков было удовлетворительное и величина вертикальных и горизонтальных смещений на их контуре составляли на расстоянии вслед за лавой 160 м соответственно 1,7– 1,9 и 1,4–1,6 м. Охрана транспортного штрека осуществлялась бутовой полосой, возводимой вручную из породы, получаемой из бутового штрека. Размер бутовой полосы составлял 12 м. Состояние конвейерного штрека, проводимого с опережением лавы на 40 м и охраняемого бутовой полосой из породы от проведения бутового штрека, было неудовлетворительным.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

163

Наблюдения за поведением боковых пород на контуре конвейерного штрека 2-й западной лавы пласта h10 шахты им. М. И. Калинина, выполненные сотрудниками кафедры РМПИ [4], позволили установить величину смещений вмещающих пород на различных этапах поддержаний выработки. Результаты замеров смещений представлены на рис. 3. Из представленных на рис. 3 графиков видно, что на участке поддержания конвейерного штрека диной 165 м, из которых первые 45 м представляют собой расстояние между забоем конвейерного штрека и лавой, общая величина вертикальных и горизонтальных смещений составила соответственно 5,4 и 2,75 м.

Рис. 3 – Графики зависимости вертикальных (1) и горизонтальных (2) смещений и соответственно скоростей смещений (11) и (21) породного контура конвейерного штрека 2-й западной лавы пласта h10 шахты им. М.И.Калинина от расстояния до лавы на контрольном участке штрека при опережении лавы на 45 м

При этом, максимальная скорость смещений породного контура штрека наблюдалась непосредственно на сопряжении лавы с выработкой. Анализ результатов поддержания транспортных штреков [1-3] показал, что при наличии различий в технологии проведения, способе возведения бутовых полос, шаге установки арочной крепи, основным фактором предопределившим эффективность способа охраны, применяемого на шахте им. газеты “Донбасс”, является проходка выработки по разгруженному массиву пород, не испытывающему знакопеременного механизма деформирования – вначале сжатия в зоне опорного давления, а затем разуплотнения за лавой на участке выработанного пространства при наборе несущей способности опорными

164

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

охранными конструкциями с последующим активным сдвижением пород кровли после посадки основной кровли. На основании проведенного анализа можно рассматривать сплошную систему разработки с проведением выработок за лавой как систему, обеспечивающую следующие благоприятные возможности для роста эффективности ведения горных работ в сложных горно–геологических условиях. 1. Повышение устойчивости боковых пород на сопряжениях лавы с подготовительными выработками, проводимыми вслед за лавой и охраняемыми бутовыми полосами из породы от проведения этих выработок. 2. Решение важного экологического вопроса – оставления породы в шахте. 3. Создание предпосылок для малозатратного поддержания и повторного использования выработок. 4. Обеспечение возможности максимального извлечения и повторного использования металлической крепи из погашаемых выработок. На поверхность поднимается порода от проведения капитальных выработок, подготовительных выработок при столбовой системе разработки, ремонта выработок, обрушений неустойчивых боковых пород в призабойное пространство лав. Суммарные объемы выдаваемой на поверхность породы составляют по всей угольной отрасли миллионы тонн породы в год. Подъем и утилизация породы на поверхности сопряжены со значительными затратами трудовых и материальных ресурсов на транспортировку и складирование огромных объемов породы, отчуждение земельных участков и крайне отрицательного влияния на окружающую среду. Приведенные аспекты подчеркивают важность и большое народнохозяйственное значение поиска новых технических решений по снижению объемов выдачи и складирования породы на поверхности. На шахтах Донбасса, в основном отрабатывающих тонкие угольные пласты в сложных горно–геологических условиях, в качестве охранных сооружений широко применяется возведение породных полос, обеспечивающих предотвращение деформирования породного контура и постоянной крепи подготовительных выработок. Смещения кровли на контуре выработки, охраняемой бутовой полосой являются следствием опускания и расслоения кровли и предопределяются недостаточной плотностью породной полосы и некачественным заполнением закладываемого пространства. Охранные полосы, возведенные пневматическим способом при использовании породозакладочного комплекса “Титан”, по сравнению с полосами, возводимыми вручную или с помощью скреперных установок (ЗУ–1, ЗУ–2), обладают повышенной плотностью (коэффициент заполнения равен 0,7–0,8 против 0,4–0,5) и обеспечивают более высокую эффективность охраны выработки от проявлений горного давления. Однако, как показывают результаты многочисленных шахтных исследований по этой проблеме, область интенсив-

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

165

ного пучения почвы при этом лишь переносится на большее расстояние от забоя. Применение бутовых полос обеспечивает необходимые конструктивные размеры подготовительных выработок на концевых участках лав, но не исключает необходимости их перекрепления и подрывки почвы при дальнейшей эксплуатации. По нашему мнению, целесообразно использование такого способа охраны, при котором породная полоса на всем своем протяжении быстро воспринимала бы нагрузку от пород кровли еще на сопряжении лавы со штреком, способствовала обрушению зависающих консолей пород основной кровли вблизи выработки и снижению пригрузки на опорные конструкции и крепь выработки. В то же время бутовая полоса, являясь своеобразным концентратором напряжений, не должна интенсифицировать выдавливание пород почвы в выработку, а напротив – должна компенсировать повышенные напряжения в почве и предотвратить интенсивное деформирование породного контура и основной крепи выработки. Таким образом, необходимо разработать новые технологические решения и создать оборудование, которое позволило бы не просто утилизировать породу в выработанном пространстве, а предоставило бы возможность управлять геомеханическими процессами в выработанном пространстве с целью минимизации вредного проявления горного давления в подготовительных выработках. Одним из решений данной проблемы может стать способ охраны подготовительных выработок бутовыми полосами, имеющими характер дискретных опор переменной жесткости по площади породной полосы. В связи с этим целью дальнейших исследований является определение необходимых количественных и качественных параметров нового способа охраны с целью решения поставленной задачи. Весьма важным фактором, также способствующим сохранению устойчивости выемочных выработок, является определение рационального сочетания параметров основной и усиливающих крепей выработки и возведенных вдоль нее опорных конструкций.

Библиографический список 1. Аносов, О. С. Управление горным давлением при разработке угольных пластов. – Донецк: Донбасс, 1990. – 303 с. 2. Черняк, И. Л., Шевченко, Б. А., Самохвалов, Ю. И. Повышение устойчивости подготовительных выработок на шахте им. А. Г. Стаханова / И. Л. Черняк, Б. А. Шевченко, Ю. И. Самохвалов – Уголь Украины // №11, 1987. 3. Черняк, И. Л. Предотвращение пучения горных выработок // М.: Недра, 1978. – 237 с. 4. Панфилов, Ю. Н. Особенности механизма проявлений горного давления в выемочных выработках глубоких шахт / Ю. Н. Панфилов, А. П. Ков-

166

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

шевный, Г. И. Соловьев, Н. Н. Малышева, В. Е. Нефедов, Д. А. Рубель // Горный информационно–аналитический бюллетень // МГГУ, Москва. №7, 2005 г. С. 212–215.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

167

УДК 622.232.8: 622.284

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ И УГЛЕСПУСКНОЙ ПЕЧЕЙ ПРИ ВЫЕМКЕ УГЛЯ ЩИТОВЫМИ АГРЕГАТАМИ Капуста В.И., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк) * Крепление вентиляционной и углеспускной печей, и поддержание их в рабочем состоянии в течение всего срока отработки щитовой полосы, являются одними из наиболее трудоемких операций при щитовой выемке, а также узким технологическим звеном, снижающим технико–экономические показатели работы щитовых агрегатов. На шахтах Центрального района Донбасса ежегодно крепится и поддерживается около 30–40 км печей, на это расходуется до 6–8 млн. руб., или в среднем на 1 м печи – 180–200 руб., из которых 20–35% затрачивается на ремонт и восстановление крепи. Затраты по шахте на возведение и ремонт крепи печей в среднем составляет 30–40% в удельном весе участковой себестоимости угля. В последнее время, из-за увеличения глубины ведения очистных работ и ухудшения горно-геологических условий, наблюдается тенденция, направленная на усиление паспортов крепления печей. Однако это не всегда дает положительный результат. Интенсивное смещение боковых пород вызывает преждевременное повреждение крепи и подрыв обрушенных пород в рабочее пространство печи, причем разрушение крепи наблюдается не по всей длине печи, а на отдельных ее участках, которые находятся в основном в верхней части крепи. Для ликвидации последствий повреждения крепи необходимы дополнительные затраты ресурсов и требуется время, в течение которого вынужден простаивать щитовой агрегат. В связи с этим происходит потеря добычи угля, объем которой на шахтах Центрального района Донбасса достигает 70 тыс. т в год. Проведенные шахтные инструментальные и аналитические исследования за процессом смещения боковых пород в печи и за характером взаимодействия их с крепью печи позволили установить неравномерность распределения нагрузки на крепь по длине и ширине печи, и несоответствие деревянной крепи действующим на нее нагрузкам. Неравномерное распределение нагрузки на крепь по длине печи вызвана, во-первых, ограниченной длиной печи, из-за чего на ее концевых участ-

Научный руководитель – к.т.н., доц. Костюк И.С., ст. преп. Фомичев В.И.

168

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

ках у вентиляционного и у откаточного горизонтов не в полной мере проявляется интенсивность зоны опорного давления вокруг очистной выработки на разрабатываемом пласте. Во-вторых, неравномерным распределением обрушенных пород в выработанном пространстве, так как за счет ее скатывания вниз по падению, нижняя его часть более плотно подбучена обрушенными породами, имеет сравнительно меньшую скорость смещения пород кровли, чем верхняя часть выработанного пространства, где кровля не подбучена обрушенными породами и процесс обрушения пород кровли развивается неограниченно, и это приводит к интенсивному смещению кровли над печью. В-третьих, неравномерным влиянием зон повышенного горного давления в толще боковых пород от краевых частей надрабатывающих и подрабатывающих пластов, так как из-за различия расстояний между пластами и неоднородности междупластий на уровне разрабатываемого пласта происходит образование зон повышенного горного давления различных размеров, и их неравномерное наложение друг на друга по длине печи. Неравномерность распределения нагрузки на крепь по ширине печи вызвана наличием, с одной стороны, печи угольного массива, а с другой стороны – выработанного пространства, в котором периодически происходит перепуск обрушенных пород и изменяется степень его заполнения ими по длине печи. Несоответствие деревянной крепи действующим на нее нагрузкам объясняется тем, что крепление печи начинает производиться не менее чем через 4 суток после обнажения щитовым агрегатом боковых пород, поэтому к моменту крепления вентиляционной печи боковые породы вокруг неё уже нарушены и абсолютное значение смещений достигает 40 мм. Это вызвано тем, что призабойное пространство, находящееся в зоне динамических проявлений опорного давления над забоем с интенсивным смещением боковых пород до 8–10 мм/сут и достигающее в длину до 5 м, преодолевается со скоростью не более 1,26 м/сут. Причем в этот период боковые породы дополнительно испытывают циклические нагрузки от механизированных секций крепи щитового агрегата при его посадке. Интенсивное смещение боковых пород печи приводит к формированию над кромкой угольного массива вдоль её зон концентрации напряжений. После превышения ими предельно–допустимых значений, приконтурные слои начинают расслаиваться, и затем в них образуются вертикальные трещины. В результате этого утрачивается связь со слоями, расположенными над угольным массивом, и снижается их несущая способность. Применение в этом случае для крепления печи деревянной органной крепи приводит к быстрому росту нагрузки на неё, так как органная крепь обладает слабой податливостью и неравномерным распределением нагрузки на стойки, из-за чего они по одной быстро начинают разрушаться. Применение более податливых сплошных накатных костров из шпального бруса также нецелесообразно, так как они конструктивно не позволяют создать распор между

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

169

боковыми породами, поэтому костры начинают с ними полностью взаимодействовать после отхода забоя на расстояние 10–15 м, а за это время смещения достигают значения 100–150 мм. Развившиеся при этом в породах кровли деформационные процессы приводят к значительному снижению высоты печи и к нарушению безопасных условий труда в ней. Наиболее близкими к данным горнотехническим условиям по своим рабочим характеристикам являются железобетонные опоры и монолитная крепь из быстротвердеющего раствора. Кроме того, для устранения целого ряда недостатков, связанных с технологией проведения печи вслед за щитовым агрегатом, рекомендуется вентиляционную печь проводить заблаговременно вне зоны влияния очистных работ. По характеристике работы эти крепи незначительно отличаются друг от друга. Монолитная крепь по сравнению с железобетонной более прочнее, лучше взаимодействует с боковыми породами и процесс её возведения поддается полной механизации, однако она имеет несколько меньшую податливость и отличается способом ее регулирования, и, кроме того, ее наиболее удобно и быстрее возводить по направлению с откаточного горизонта к вентиляционному. В связи этим, монолитную крепь наиболее целесообразно возводить в предварительно пройденной печи, так как для ее формирования необходимо использовать специальную опалубку, а железобетонные опоры можно устанавливать при обоих способах проведения печи. Для крепления печей рекомендуется принимать серийно выпускаемые промышленностью железобетонные блоки БЖБТ–6, из которых выкладывают железобетонные опоры. Крепь устанавливают в вентиляционной печи по мере выемки угля щитовым агрегатом. При этом отставание постоянной крепи в ней должно превышать 2 м от секций щитового агрегата. К месту укладки железобетонные блоки транспортируются по грузовому отделению вентиляционной печи в скипах с донной разгрузкой по 10–15 шт. Установку железобетонной опоры производят 2–3 человека с помощью лебедки. Для придания железобетонной опоре необходимой податливости, значение которой определяется в зависимости от конкретных горно-геологических условий, между ее блоками укладываются податливые прокладки с определенной суммарной толщиной. Податливые прокладки изготавливаются из досок или распилов, которые укладываются с таким расчетом, чтобы над каждым блоком ориентация волокон древесины была перпендикулярной направлению волокон под блоком. При этом суммарная толщина всех податливых слоев в железобетонной опоре должна быть в 1,5–2 раза больше, чем значение ее податливости. Наиболее технологическим и менее трудоемким является использование в качестве податливого элемента древесно-стружечной плиты из прессованных древесных опилок. Однако они плотнее древесины, поэтому их суммарная толщина должна быть больше необходимой податливости в 2–2,5 раза.

170

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Распор железобетонной опоры между почвой и кровлей осуществляется с помощью податливого железобетонного элемента, состоящего из верхнего и нижнего блоков, между которыми образуется полость, заполняемая упругим твердеющим материалом. При мощности пласта свыше 1,5 м для повышения продольной поперечной устойчивости опор, их рекомендуется выкладывать из железобетонных блоков прямоугольной формы с П-образными вырезами, выполненными с двух взаимно-противоположных боковых сторон. После выкладки из этих блоков железобетонной опоры, П-образные вырезы каждого блока все вместе на двух взаимно-противоположных боках образуют сплошные П–образные пазы, в которые плотно вставляется стойка, кинематически связывающая все железобетонные блоки по вертикали. При этом стойка на половину выступает из П–образного паза, а после установки последующей железобетонной опоры, она оказывается размещенной в канале между предыдущей и последующей опорами. Таким образом, стойка обеспечивает кинематическую связь между всеми железобетонными блоками двух соседних опор, в результате чего повышается продольно–поперечная устойчивость железобетонных опор в условиях крутого пласта. Выбор параметров установки железобетонных опор осуществляется в следующей последовательности. В начале, с помощью номограммы по принятому расстоянию между опорами вдоль печи, определяется максимально действующая на них нагрузка, распределенная по ширине печи. Затем рассчитывается несущая способность одной железобетонной опоры в зависимости от предела прочности, используемых железобетонных блоков и вида прокладок между ними, а также от высоты железобетонной опоры и угла ее установки. На основе этого определяется необходимое количество железобетонных опор по ширине печи с заданным расстоянием между ними по ее длине. В случае необходимости увеличения или уменьшения полученного количества железобетонных опор по ширине печи корректируется расстояние между ними вдоль печи. В промежутке между железобетонными опорами в ряд по длине печи устанавливают сплошные накатные костры. По причине неравномерности распределения конечных значений смещений блоковых пород, и нагрузки на крепь по длине и ширине печи, производится выравнивание нагрузки на железобетонные опоры с помощью измерения их податливости и расстояния между ними. Распределения значений податливости железобетонных опор и расстояний между ними по длине печи рассчитывают пропорционально распределению конечных значений смещений боковых пород по длине печи, зависимость которого была получена предварительно в одной из предыдущих печей данного выемочного участка. Выравнивание распределения нагрузки на железобетонные опоры по ширине печи производится путем снижения податливости железобетонных опор, установленных между ходовым и грузовым отделениями на 30–40% и со

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

171

стороны угольного массива до 70% по сравнению с податливостью железобетонных опор, установленных со стороны выработанного пространства, при этом ширина ходового отделения должна быть на 30–40% меньше ширины грузового отделения. Другим способом, повышающим устойчивость печей, является крепление их монолитной крепью из быстротвердеющего материала. Возведение монолитной крепи производят в предварительно пройденной печи. В этом случае из-за устранения кутковой части щитового забоя, уменьшается вероятность выброса угля в этом месте, а процесс крепления не сдерживает выемку угля. При этом крепление осуществляется с максимальной скоростью и обеспечивается загрузка оборудования, и занятость бригады полную рабочую смену, а также улучшается состояние печи на сопряжении с очистным забоем. Применение такой технологии позволяет максимально механизировать процесс крепления и исключить использование дефицитных лесоматериалов. Для механизации процесса крепления используется смесительно-нагнетательный агрегат, который устанавливается на вентиляционном горизонте и служит для приготовления быстротвердеющего раствора из фосфогипсового вяжущего, и для его транспортировки по растворопроводу с вентиляционного горизонта к месту укладки. Также для механизации процесса возведения монолитной крепи используется передвижная опалубка. Во время поступления быстротвердеющего раствора в печь и заполнения им внутреннего ее пространства по всему поперечному сечению, опалубка позволяет в растворе оградить рабочее пространство двух отделений печи от его проникновения, и таким образом в период схватывания печи от его проникновения, и в период твердения раствора сформировать контуры монолитной крепи. Для формирования рабочего пространства отделений печи предлагается использовать одну из двух конструкций подвижных опалубок: сплошную эластичную опалубку или разборную опалубку из эластичных элементов. Сплошная эластичная опалубка представляет собой конструкцию, по форме и размерам соответствующую поперечному сечению отделений печи. Она состоит из внутренней жесткой оболочки и внешней эластичной оболочки, которые расположены концентрично относительно друг друга. Пространство между оболочками разделено посредством гибких продольных перегородок на изолированные секторы, при этом полость каждого сектора сообщена с источником сжатого воздуха. Нижнюю часть опалубки оставляют в уже затвердевшем участке монолитной крепи и все четные и нечетные полости опалубки заполняют сжатым воздухом до величины, равной величине статического давления раствора на опалубку у почвы печи в самой нижней точке заливки и после этого начинают подавать раствор за опалубку.

172

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Как только раствор схватится и затвердеет, в каждой предыдущей четной полости по отношению к последующей нечетной полости, повышают давление сжатого воздуха до величины, не превышающей прочность затвердевшего монолита, и одновременно с этим, во всех последующих нечетных полостях, снимают давление сжатого воздуха до величины атмосферного. Благодаря этому, четные полости начинают, а с другой – жесткий внутренний каркас опалубки, то четные полости расширяются в сторону перегородок, которые растягивают внешнюю оболочку, что постепенно заставляет ее самостоятельно отделяться от поверхности монолита, после чего в четных полостях снижают давление до величины атмосферного и одновременно в остальных нечетных полостях повышают величину давления до самоотделения внешних участков оболочки этих нечетных полостей от поверхности монолита, затем в них также снижают давление сжатого воздуха до величины атмосферного. Внешняя оболочка опалубки, за счет сокращения перегородок, совсем отходит от поверхности монолита. После этого опалубку передвигают на место очередной заходки с помощью ручных лебедок или гидродомкратов. Разборная опалубка из эластичных элементов представляет собой конструкцию, по форме и размерам соответствующую поперечному сечению отделений печи и собранную из полных эластичных элементов, к которым через трубопроводы поведен сжатый воздух. Эластичные элементы опалубки выполнены в виде квадратных параллелепипедов с овальной полостью внутри и соединены между собой стержнями, вставленными в углубления, которые расположены на внешних поверхностях эластичных элементов, они ориентируются между собой с таким расчетом, чтобы расположение одноименных осей овала поперечного сечения полости было перпендикулярно друг другу. Опалубка работает следующим образом. После ее сборки производится заливка быстротвердеющего раствора за опалубку. В процессе превращения раствора в монолитную крепь он скрепляется с внешней поверхностью опалубки, поэтому для быстрого отрыва опалубки от затвердевшего монолита во всех эластичных элементах, у которых, например, полости расположены горизонтально, повышают уровень давления сжатого воздуха, а во всех остальных эластичных элементах – снижают уровень давления сжатого воздуха до атмосферного. Затем делают наоборот: в горизонтальных полостях снижают давление, а в вертикальных – повышают. За счет этого эластичный материал элементов по внешнему контуру опалубки приходит в движение, и опалубка самостоятельно отделяется от монолита крепи. Отделенную опалубку с помощью лебедки перемещают на новый участок заливки крепи, с таким расчетом, чтобы часть опалубки осталась в монолите крепи. Затем в полости подают сжатый воздух, и опалубка автоматически распирается в монолитной крепи, которая теперь служит направляющей для опалубки. Кроме того, благодаря распору опалубки устраняются щели между

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

173

контуром опалубки и монолитной крепью. Дальше процесс возведения крепи продолжается в той же последовательности. При возведении монолитной крепи, в боковых ее стенках оставляются окна, которые служат для перемещения людей из ходового отделения печи в забой и движения потока воздуха из забоя. В крайних боковых стенах окна оставляют через каждые 2–3 м, причем со стороны угольного массива, который разрабатывается щитовым агрегатом в последнюю очередь окна в ней можно не оставлять, если толщина стенки превышает 0,3 м. Стенку с такой толщиной разрушают щитовым агрегатом по мере выемки угля. В средней стенке окна сооружают через каждые 8–9 м. Выбор параметров монолитной крепи производится на основе зависимости распределения конечных значений смещений боковых пород по длине печи, которая должна быть установлена в одной из предыдущих печей данного выемочного участка, и в следующем порядке. Для участка печи с наибольшим значением конечных смещений производится определение нагрузки на монолитную крепь. Затем с учетом нагрузки на крепь, размеров печи, устойчивости боковых пород и необходимой податливости крепи выбирается суммарная толщина трех ее стенок. Для более равномерного распределения напряжений по ширине монолитной крепи, возникающих из-за неравномерности нагрузки на монолитную крепь по ширине печи, толщину боковой стенки крепи со стороны выработанного пространства принимают максимальной, а по сравнению с ней толщину средней стенки крепи уменьшают на 30–40% и стенки со стороны угольного массива на 70– 80%. Выравнивание напряжений в монолите крепи по длине печи производится дифференцированным выбором податливости и несущей способности стенок крепи пропорционально изменению конечных значений смещений боковых пород. Чем больше в растворе увеличивают содержание воды, тем более податливый становится монолит после твердения раствора. Несущая способность стенок крепи регулируется за счет изменения их суммарной толщины, которая по мере возведения монолитной крепи изменяется путем перемещения опалубок по ширине печи. Благодаря всему этому, по длине и ширине печи происходит неравномерное деформирование крепи, однако в его монолите возникают одинаковые напряжения, которые меньше предельно допустимых. Это обеспечивает сохранение крепи в течение всего времени поддержания крепи. Таким образом, предлагаемые способы крепления печей более надежны по сранению с деревянной крепью, а технология установки железобетонных опор и технология возведения монолитной крепи позволяют применить дифференцированный выбор параметров крепи по длине и ширине печи, что способствует улучшению условий ее работы, а это обеспечивает удовлетворительную устойчивость крепи в течение срока службы печи и более экономное расходование материалов.

174

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Крепь для охраны подготовительных выработок : А. С. 1064004 СССР, МКИ Е 21Д 2/0.8/ В. Д. Мороз, Е. И. Кольчик, И. С. Костюк (СССР).– 3 с: ил 2. Способ охраны подготовительной выработки и устройство для его осуществления: А. С. 1668682 СССР, МКИ Е 21Д 2/10/ В. Д. Мороз, А. Н. Беляев, И. С. Костюк, В. И. Фомичев (СССР). – 4 с: ил 3. Методические указания по совершенствованию способов управления горным давлением при разработке свит угольных пластов Донбасса с углами падения свыше 350: Утв. Минуглепромом УССР 28.12.83 г. – Л.: ВНИМИ, 1985. – 39 с. 4. Способ возведения монолитной крепи в подготовительных выработках: А. С. 1585527 СССР, МКИ5 е 21Д 2/10/ С. И Старосельский, И. С. Костюк, В. И. Фомичев, Л. В. Гуцал (СССР). – 4 с: ил 5. Опалубка для возведения монолитной крепи в подготовительных выработках: А.С. 1285527 СССР, МКИ5 Е 21Д 2/10/ С. И Старосельский, И. С. Костюк, В. И. Фомичев, Л. В. Гуцал (СССР). – 4 с: ил 6. Костюк, И.С. Моделирование прогиба пород кровли при выемке угля щитовыми агрегатами. – Донецк: ДПИ,1986. – 16 с. – Деп. в УкрНИИНТИ

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

175

УДК 622.81

ЛОКАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ УГЛЯ И ГАЗА Капуста В.И., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк) * В настоящее время на шахтах из выбросоопасных шахтопластов с применением способов предотвращения внезапных выбросов (почти исключительно локальных) добываются 30–40% угля. Внезапные выбросы представляют серьёзную опасность для работающих в забоях и связаны со значительными затратами на ликвидацию их последствий. Поэтому вопрос обеспечения безопасной отработки пластов, склонных к газодинамическим явлениям, является актуальным на данном этапе. Одним из способов предотвращения выбросов угля и газа является гидрорыхление угольного пласта. Оно основано на высоконапорном нагнетании воды в пласт и широко применяется в очистных и подготовительных выработках на пластах, если обеспечивается бурение и герметизация скважин на заданную глубину и поступление воды в пласт или отдельные его пачки. Сущность гидрорыхления пласта в очистных и подготовительных выработках несколько иная, чем при вскрытии пластов и заключается в следующем. В направлении проведения выработки бурят ручными электро- или пневмосверлами скважины, диаметром 40–45 мм, которые герметизируют шланговыми гидрозатворами отечественного производства или западноевропейского, например, такими фирмами как «Хельтер» (Германия), «Таурус» (Венгрия) и др. Глубина герметизации скважин принимается равной протяженности зоны эффективной трещиноватости призабойной части пласта, а за ее пределы через фильтрующую часть скважины в область неупругих деформаций пласта нагнетается вода под высоким давлением. Проникая в микротрещины этой области, вода производит рыхление пласта, сопровождающееся интенсивной дегазацией и увеличением безопасной зоны разгрузки. К параметрам способа относятся: диаметр, длина и глубина герметизации скважин, расстояние между скважинами, величина неснижаемого опережения скважинами забоя выработки, количество, давление и темп нагнетания воды. Длина скважин – 6–9 м, глубина герметизации lг = 4–7 м. Величина неснижаемого опережения принимается равной фильтрующей части скважин и составляет lн.о. = 2 м. Расстояние между скважинами не должно превышать 2Rэф, т. е двух радиусов эффективного нагнетания воды в пласт, который определяется в зависимости от глубины герметизации и составляет Rэф ≤ 0,8 lг.

Научный руководитель – ст. преп. Фомичев В.И.

176

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Расчетный удельный расход воды должен составлять не менее 20 л/т, а количество воды, нагнетаемое в одну скважину, определяют по формуле:

Где m – мощность пласта, м; γу – удельный вес угля, т/м3; lг – глубина герметизации скважин. Давление нагнетания воды принимается Рн = (0,75–2,0)γН (МПа) при темпе нагнетания не менее 3 л/мин. Число скважин принимают в зависимости от ширины полосы угольного массива, подлежащей гидрорыхлению, и расстояния между концевыми частями скважин не менее 2Rэф. При этом в подготовительной выработке число скважин должно быть не менее двух. В подготовительных выработках пологих пластов кутковые скважины бурят на расстоянии 1 м от кутков с наклоном 5–7º в сторону массива. В подготовительных выработках крутых пластов верхнюю скважину бурят на расстоянии 1 м от кутка с подъемом 5–7º к линии простирания, нижнюю – горизонтально на расстоянии 0,5 м от подошвы выработки. В очистных забоях с прямолинейной формой забоя скважины бурят перпендикулярно забою, при этом скважины каждого последующего цикла бурят между скважинами предыдущего цикла гидрорыхления. В комбайновых нишах на пологих пластах скважины бурят на расстоянии 1 м от кутков с наклоном 5–7º в сторону массива. В потолкоуступных лавах крутых пластов одну скважину располагают на расстоянии 1 м от кутка, под углом 5–7º с подъемом к линии простирания, остальные – по простиранию на расстоянии не более 2Rэф. Гидрорыхление считается законченным, если в скважину подано расчетное количество воды и давление воды снизилось не менее чем на 30% от максимального давления нагнетания. Контроль эффективности гидрорыхления осуществляют по динамике газовыделения или по параметрам акустического сигнала в контрольных шпурах. Выемку угля после гидрорыхления допускается производить не более чем на глубину герметизации скважин lг. Схемы расположения скважин и шпуров для контроля эффективности гидрорыхления в подготовительных и очистных забоях пологих и крутых пластов приведены на рисунке 1. На шахтах, оборудованных сейсмопрогнозом, применяют оперативное управление гидрорыхлением в соответствии с Руководством по применению способа управления процессом гидрорыхления пласта по параметрам акустического сигнала. Способ предусматривает регистрацию акустического сигнала, формирующегося при бурении скважин и нагнетании воды в угольный пласт, и последующую его обработку на персональном компьютере.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

177

Рисунок 1 – Схемы расположения скважин: 1 – для гидрорыхления и шпуров; 2 – для контроля эффективности способа; а), б) – в подготовительной выработке, нише и комбайновой части лавы пологого пласта; в) – в штреке и уступах лавы крутого пласта

При бурении скважины определяется величина зоны разгрузки lр и положение максимума опорного давления lо, о чем оператор сообщает горному мастеру и заносит их значения в наряд-путевку. Если расстояние от забоя до максимума опорного давления lо больше или равно расчетной глубине герметизации lг, то нагнетание производится при расчетной глубине герметизации. Если 3 м < lо < lг, то нагнетание производится при глубине герметизации, равной расстоянию от забоя до максимума опорного давления. При lо < 3 м, то нагнетание не производится, а дальнейшее проведение подготовительной выработки, выемка в нише или на участке забоя лавы, величина которого равна расстоянию между крайними скважинами с lо < 3 м, увеличенному в обе стороны на 0,5 м интервала между скважинами, осуществляется буровзрывным способом в режиме сотрясательного взрывания. При нагнетании воды в скважину регистрация акустического сигнала производится непрерывно после достижения давления в гидросистеме 10 МПа. Для регистрации акустического сигнала в очистном забое сейсмоприемник (подземный блок АПСС) устанавливается на расстоянии 3–10 м от скважины и подключается к системе передачи сигнала на поверхность или к РАМШ. В подготовительной выработке сейсмоприемник располагается на расстоянии 2–5 м от забоя в стенке со стороны нагнетаемой скважины. Сейсмоприемник закрепляется путем расклинивания в шпуре, диаметром не менее 42 мм, расположенном в угле или вмещающих его породах на глубине 0,3–0,5 м. При снижении давления на величину 30% и более от достигнутого максимального, горный мастер запрашивает оператора об эффективности процесса гидрорыхления. При наличии на дисплее компьютера сообщения «Активный процесс завершен» он может прекратить гидрорыхление. Если сообщение о завершении активного процесса отсутствует, нагнетание продолжают до закачивания расчетного количества воды. Активный процесс гидрорыхления считается завершенным, если после достижения максимального значения амплитуды низкочастотной составляющей зафиксировано ее снижение.

178

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Гидрорыхление считается эффективным, если активный процесс завершен и давление в гидросистеме упало на 30% и более от достигнутого максимального, а при величине зоны разгрузки менее глубины герметизации дополнительно необходимо, чтобы частота максимальной амплитуды не превышала 120 Гц или коэффициент ее вариации во временных интервалах был более 15%. Если гидрорыхление оценено как эффективное, то безопасная глубина выемки равна глубине герметизации скважины, и контроль эффективности путем определения зоны разгрузки не применяется. В случае если гидрорыхление оценено как неэффективное, то безопасная глубина выемки принимается равной величине зоны разгрузки, установленной при бурении скважины для нагнетания, за вычетом неснижаемого опережения 1,3 м. В следующую смену производится повторное нагнетание. На крутом падении одним из способов предотвращения внезапных выбросов угля и газа возможно применение разгрузочных пазов. Область применения способа – подготовительные и очистные выработки крутых (уступы лав) и пологих (ниши лав и комбайновая часть в местах геологических нарушений) пластов. Сущность способа, показанная на примере применения разгрузочных пазов в подготовительной выработке пологого пласта, заключается в «перерезке» пласта в кутках забоя, что приводит, вследствие устранения отпора стенок, к развитию деформаций упругого восстановления и обратной ползучести пласта, и, как следствие, к формированию безопасной зоны разгрузки в призабойной части пласта таких размеров и формы, которая позволяет безопасно выполнять работы по выемке угля минимум на один цикл (рис. 2).

Рисунок 2 – Безопасная зона разгрузки пласта до 1 и после 2 образования разгрузочных пазов 3 в подготовительной выработке

Разгрузочные пазы должны удовлетворять следующим требованиям (параметрам):  плоскость паза должна быть перпендикулярна к кровле (почве) пласта;  паз должен быть сплошным на всю мощность пласта;  ширина паза должна составлять 60–80 мм;  глубина паза не должна превышать 2,5 м;

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

179

 минимальное неснижаемое опережение пазом забоя должно быть не менее 1 м. Разгрузочные пазы в нишах лав на пологих пластах образуют в кутках на расстоянии не более 0,5 м от стенок ниши, и ориентируют в направлении подвигания лавы. Разгрузочные пазы в подготовительных выработках пологих пластов располагают на расстоянии 0,5 м от стенок угольного забоя под углом 5–100 к оси выработки в сторону угольного массива. Аналогично ориентируют разгрузочные пазы в штреках на крутых пластах: один в нижнем кутке (у подошвы), другой в верхнем кутке. Таким образом, достигается безопасное состояние рабочего места для дальнейшей безопасной работы в забое.

180

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.232.8

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЩИТОВЫХ АГРЕГАТОВ НА ШАХТАХ ЦЕНТРАЛЬНОГО РАЙОНА ДОНБАССА Квич А.В., студент гр. РПМ-12б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Основным средством комплексной механизации отработки крутых и крутонаклонных пластов Донбасса являются щитовые агрегаты. В среднем, в работе находятся 65–70 очистных забоев, оборудованных щитовыми агрегатами. В Центральном районе Донбасса большинство щитовых лав работает на пластах, отработка которых другими существующими средствами выемки невозможна или небезопасна. Это пласты, опасные по внезапным выбросам угля и газа и со сложными горно-геологическими условиями. Так применение щитовых агрегатов сделало возможным производить отработку таких пластов как толстый, Подпяток, Бабаковский, Юльевский, Романовский и другие, запасы в которых на многих шахтах из-за отсутствия средств для безопасной их разработки были законсервированы. Удельный вес щитовой добычи угля по Центральному району Донбасса за 1995 год составил 30%, а на некоторых шахтах этот уровень составляет 40–50% и более (шахты им. Гаевого, Румянцева, Карла Маркса). Вместе с тем технико-экономические показатели работы щитовых агрегатов являются низкими. Например, среднесуточная нагрузка на щитовой забой составляет около 130 т. Низкие технико–экономические показатели объясняются как отрицательным воздействием ряда природных факторов, так и недостаточной решённостью ряда технологических вопросов. Из природных факторов наиболее негативное влияние оказывают выбросоопасность пластов и устойчивость боковых пород, а из технологических – несовершенство паспортов крепления и способов углеспускных печей. Крепление углеспускных печей в настоящее время осуществляется различного рода конструкциями из дерева. При высокой трудоёмкости крепления и поддержания (65% от общего объёма работ), большом расходе лесоматериалов (30–50 м3 на 1 т добычи угля) эксплуатационная надёжность печей невелика, что приводит к значительным потерям угля. Промышленное применение щитовой технологии (агрегат АЩ и его модификации 1АЩ, 1АЩМ) выемки крутых пластов в Центральном районе Донбасса началась с 1970 г. В АО «Дзержинскуголь», а затем с 1973 г. в ПО «Артёмуголь». Начиная с этого времени количество лав, оборудованных щитовыми агрегатами и объём добычи из них возрастали. *

Научный руководитель – ст. преп. Фомичев В.И.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

181

Щитовые агрегаты типа АЩ (1АЩМ) предназначались для отработки пластов, мощностью 1,2–2,2 м, с углом падения свыше 500, с боковыми породами не ниже средней устойчивости. Опыт эксплуатации этих агрегатов выявил ряд существенных конструктивных недостатков, а именно: o невозможность поддержания ложной кровли; o вследствие недостаточной длины верхнего перекрытия после выемки угля на шаг посадки имеет место обрушение, отслаивание кусков породы; o посадка щитового агрегата под собственным весом вызывает большие динамические нагрузки, приводящие к деформациям отдельных узлов; o недостаточная ширина отрабатываемых полос (40 м) и другое. Следует также отметить, что с увеличением глубины разработки в Центральном районе Донбасса наблюдается уменьшение угла падения пластов. Так на шахтах им. Ленина и Кочегарка ПО «Артёмуголь» ряд пластов Горловской и Алмазной свит на горизонте 970 м уже имеют угол падения 38–45 градусов, поэтому при применении агрегатов 1АЩМ возникали трудности при их передвижке. Особенно затруднителен на таких пластах отход от монтажных ниш, так как в этом месте давление обрушенных пород на агрегат незначительно. Для принудительной передвижки агрегатов использовались гидравлические стойки. Всё это снижало эффективность выемки угля агрегатами 1АЩМ, а при встрече зон со слабоустойчивыми боковыми породами часто делало её невозможной. В 1978 году начался серийный выпуск щитовых агрегатов типа 1АНЩ для разработки пластов, мощностью 0,7–1,3 м, и углом падения свыше 35 градусов, в 1984 году – 2АНЩ. Щитовая крепь этих агрегатов состоит из поочерёдно передвигаемых двух групп секций: основных и вспомогательных, чередующихся через одну. Принцип посадки щитовой крепи, предусматривающий принудительную последовательную передвижку вспомогательных и основных секций, а при необходимости – передвижку каждой отдельной секции самостоятельно, имеет существенные преимущества в сравнении с агрегатом 1АЩМ. Если легкообрушающаяся кровля встречается на небольших участках по длине забоя, то возможно производить передвижку вспомогательных секций вслед за выемкой угля без потери контакта верхних перекрытий передвигаемых секций с кровлей пласта. Как показала практика применения щитовых агрегатов на выбросоопасных пластах, предположение, выдвинутое на начальной стадии их применения, о возможности предотвращения газодинамических явлений в горизонтально расположенном забое, не подтвердилось. При работе щитовых агрегатов имеют место внезапные выбросы угля и газа, выдавливание угля под щитовым агрегатом. Несмотря на это, на шахтах Центрального района Донбасса

182

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

разработка выбросоопасных пластов, мощностью более 0,7 м, в основном производится щитовыми агрегатами, выемка которыми может осуществляться без постоянного присутствия людей в забое. Локальные противовыбросные мероприятия при щитовой выемке угля часто технологически невыполнимы из-за стеснённости рабочего пространства и не всегда исключают вероятность проявлений газодинамических явлений по всей длине щитового забоя. Поэтому в настоящее время выемка одиночных выбросоопасных пластов, незащищённых при частичной или неэффективной защитах, производится щитовыми агрегатами с ограничением интенсивности выемки угля, с текущим прогнозом опасных зон и с оперативным управлением интенсивности технологического процесса выемки угля под контролем звукоулавливающей аппаратуры. При этом в неопасных зонах ограничения по интенсивности выемки угля снижается, а ограничение по совмещению операций выемки угля и креплению вентиляционной печи остаются в силе. Щитовые агрегаты 1АНЩ и 2АНЩ предназначены для отработки пластов с боковыми породами не ниже средней устойчивости. На практике это условие часто нарушается по целому ряду причин. Так, в настоящее время, 34 щитовых забоя или 52,5% от общего их количества работали на пластах с неустойчивыми породами кровли, из которых 21 щитовой забой отрабатывали одиночные выбросоопасные пласты. Отработка этих пластов щитовыми агрегатами была рекомендована комиссией по определению порядка отработки пластов на шахтах Центрального района Донбасса. Остальные щитовые забои были введены в эксплуатацию из-за отсутствия в настоящее время других более безопасных и эффективных средств выемки. Отрицательное влияние на работу щитовых агрегатов оказывает также непрогнозируемые геологические нарушения местного характера в виде зон ослабленных боковых пород, обрушающихся вслед за выемкой угля. Выход этих зон существенно осложняет условия эксплуатации щитовых агрегатов и часто делает невозможным их переход очистными работами, что приводит к преждевременному их демонтажу. Наличие местных незначительных геологических нарушений не является препятствием для применения щитовых агрегатов, однако это требует дополнительных работ, что увеличивает время выемочного цикла. В настоящее время 52,5% лав, оборудованных щитовыми агрегатами, разрабатывают пласты с неустойчивыми и слабоустойчивыми боковыми породами. Для выемки этих пластов пока не создана более эффективная техника, отработка их отбойными молотками запрещена, следовательно, щитовые агрегаты в подобных условиях будут применяться и в дальнейшем, а удельный вес разработки пластов со сложными горно-геологическими условиями будет возрастать.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

183

Для улучшения технико-экономических показателей работы щитовых агрегатов институтами ДонГИПроуглемаш, ДонНИИ, Автоматгормаш и др. ведутся работы по модернизации серийно выпускаемых щитовых агрегатов нового поколения и уровня, совершенствованию технологии добычи угля из крутонаклонных и крутых пластов широкими полосами по падению. Модернизированные агрегаты типа АНЩМК предназначены для замены типоразмером 1АНЩМК – агрегата 1АНЩ, типоразмером 2АНЩМК – агрегата 2АНЩ. Серийный выпуск щитовых агрегатов типа АНШМК начался с 1993 года. Проведение модернизации по повышению технического уровня щитовых агрегатов 1АНЩ и 2АНЩ предусматривало: • повышение технической производительности агрегатов в 1,5 раза (с 2 до 3т/мин) за счёт увеличения энерговооружённости агрегата и скорости передвижки крепи; • увеличение сопротивления крепи в 1,4 раза; • увеличение коэффициента перекрытия с 0,7 до 0,75; • снижение трудоёмкости монтажно–демонтажных работ на 10% за счёт совершенствования и расширения номенклатуры вспомогательного оборудования, приспособлений, инструктажа. Предполагаемая модернизация улучшит технические возможности щитовых агрегатов, но не сможет исключить основные недостатки щитовой выемки крутых и крутопадающих пластов. К ним надо отнести: высокую трудоёмкость возведения вентиляционной печи, большой расход лесоматериалов, зависимость подвигания очистного забоя лавы от скорости крепления вентиляционной печи, низкую эксплуатационную надёжность печей. Один из вариантов решения этой проблемы был предложен институтами ДонГИПроуглемаш, ДонУГИ и ИГО «Автоматгормаш», которые разработали комплекс очистной щитовой типа КЩ. Он предназначен для комплексной механизации выемки полосами по падению крутых и крутонаклонных пластов, мощностью 0,7–2,2 м, с боковыми породами до неустойчивых включительно, с полной механизацией выемки угля и крепления, в том числе в монтажных нишах и печах. Крепление углеспускных печей осуществляется гидравлическими секциями, которые, по мере подвигания очистного забоя, перемонтировались в вентиляционную печь. В результате испытания опытного образца на пласте Мазур–восток шахтоуправления «Александровское» ПО «Орджоникидзеуголь» в 1988 г. выяснилось, что трудоёмкость монтажно–демонтажных работ в углеспускных и вентиляционных печах была довольно высока и не снята зависимость скорости подвигания очистного забоя от крепления вентиляционной печи гидравлическими секциями, перемонтируемыми из углеспускной печи (время составляло около 180 минут).

184

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

В результате проведения вышеизложенных испытаний можно сделать вывод, что наиболее рациональной щитовая выемка будет тогда, когда работы по выемке угля и креплению углеспускных печей будут разнесены во времени и пространстве. Опыт применения щитовой выемки крутых пластов в Центральном районе Донбасса показывает целесообразность такой технологии. Однако процесс возведения углеспускных печей и их устойчивость оставляют желать лучшего.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

185

УДК 622.28.044

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРА Лежава Д.И., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк) * Анализ известных в отечественной и зарубежной практике технологических разработок в области крепления и поддержания горных выработок показывает, что одним из перспективных и эффективных направлений является применение анкерных крепей и систем. Анкерная крепь достаточно широко применяется на шахтах Европы. Сейчас анкерная крепь применяется в качестве временной крепи при проведении выработок в сложных условиях и в отдельных случаях для поддержания сопряжений лав с подготовительными выработками. Краткий обзор существующих способов закрепления анкеров показывает, что для их реализации необходимы определенные материальные затраты, связанные с бурением шпуров, специальным изготовлением анкеров, необходимостью применения дорогих связующих материалов, использованием специального оборудования. Поэтому, поиск и разработка ресурсосберегающих способов и средств закрепления анкерной крепи является весьма актуальной задачей. Совершенствование необходимо вести в направлении разработки и использования малооперационных и простых способов и средств. Сотрудниками кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» ДонНТУ разработан новый безклеевой способ установки анкера [1]. В статье студента ЛиманскогоД.И. «Лабораторные испытания ресурсосберегающего способа закрепления анкера» приведены результаты закрепления модели анкера в породном образце. Для снижения усилия вдавливания применим пластиковую втулку. На рис. 1 показаны результаты лабораторных испытаний процесса впрессовки анкера 1 и его выдергивания 2 при использовании пластмассовой втулки с внутренним диаметром 6,5 мм при диаметрах анкера и шпура равных, соответственно 8,0 и 10,5 мм. Испытания показали, что процесс впрессовки сопровождается увеличением усилия впрессовки при увеличении участка закрепления анкера, и в конечной стадии они составляют 450 Н, что в 25 раз меньше усилия впрессовки анкера в предыдущем случае. При выдергивании анкера наблюдается уменьшение усилия выдергивания с уменьшением участка закрепления анкера. В начальной стадии наблюдается превышение усилия выдергивания анкера на 25% по сравнению с усилием запрессовки.

Научный руководитель – ст. преп. Дрипан П.С.

186

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Усилие впрессовки и выдергивания N, кН

0,7 0,6

0,5

0,4 0,3 0,2 0,1 0

Величина заделки dh, мм

Рис. 1 – Зависимость усилия впрессовки и выдергивания анкера с распорной втулкой от величины заделки

В результате проведенных исследований установили, что при статическом режиме работа вдавливания и выдергивания анкера отличается на разных этапах нагружения. Также проведенные исследования позволили определить зависимость изменения усилия вдавливания от разности диаметров шпура и отверстия, что позволяет рассчитывать параметры предлагаемого способа установки анкеров.

Библиографический список 1. Патент на корисну модель №55763 Україна. МКИ Е21D 20/00. Спосіб встановлення анкера / Касьян М.М., Новіков О.О., Петренко Ю.А., Дрипан П.С., Шестопалов І.М., Гладкий С.Ю., Виговський Д.Д. – Заявл. 04.06.2010 ; опубл. 27.12.2010; бюл. № 24. – 6 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

187

УДК 622.28.044

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ РЕСУРСОСОБЕРЕГАЮШЕНГО СПОСОБА ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРА Лиманский А.В., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Существующие способы закрепления анкерной крепи условно можно разделить на три группы. К первой группе относятся способы закрепления, основанные на использовании замков различной конструкции, которые распираются в шпуре при вращении анкера. Несущая способность анкера составляет 20–60 кН при времени установки анкера 2–5 мин. Ко второй группе относятся способы закрепления, предусматривающие использование вяжущих материалов. При этом анкер закрепляется на некотором участке или по всей длине. Усилие закрепления анкера таким способом составляет 50–130 кН. Установка анкера производится за 3–5 мин., но включение в работу происходит через более длительный период, связанный с временем схватывания связующего состава. Третью группу составляют способы, в которых закрепление анкера производится без связующих составов и механических замков – беззамковые способы закрепления. Закрепление анкера осуществляется за счет энергии взрыва [1], или за счет выпрямления предварительно смятой внутрь тонкостенной трубы диаметром 41 мм в шпуре диаметром 30–39 мм под действием давления воды 30 МПа. Известен способ закрепления трубчатого тонкостенного анкера с продольным разрезом за счет упругих свойств при введении анкера диаметром 38 мм в шпур диаметром 35 мм. Усилие закрепления составляет от 25 до 50 кН на 1 м. Время установки анкера 2 мин. Общим недостатком последних рассмотренных анкерных систем является низкая прочность тонкостенного тела анкера на сдвиг. Для закрепления анкерной крепи всеми рассмотренными способами непременным условием является предварительное бурение шпуров. В этом разрезе особое место занимает разработанный в США способ установки анкерной крепи, предусматривающий закрепление анкера без предварительного бурения шпура за счет вдавливания анкера с помощью гидравлической установки в окружающий выработку массив. Сплошной анкерный стержень диаметром 20,6 мм вдавливался в породы прочностью 30–40 МПа на

Научный руководитель – ст. преп. Дрипан П.С.

188

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

глубину 0,5–0,8 м. Одной из проблем при реализации данного способа установки анкера является обеспечение заданного направления его установки. Краткий обзор существующих способов закрепления анкерной крепи показывает, что для их реализации необходимы определенные материальные затраты, связанные с бурением шпуров, специальным изготовлением анкеров, необходимостью применения дорогих связующих материалов, использованием специального оборудования. Совершенствование способов закрепления анкерной крепи, на наш взгляд, необходимо вести в направлении разработки и использования малооперационных и простых способов и средств. Этим требованиям во многом отвечают разработанные в ДонНТУ способы закрепления анкеров использующих эффект прессовой посадки. Сущность первого способа заключается в том, что в предварительно пробуренный шпур производится впрессовка сплошного анкера несколько большего диаметра, чем диаметр шпура. Закрепление анкера в этом случае происходит за счет усилий взаимного деформирования пород на контуре шпура и тела анкера. Второй способ предусматривает закрепление анкера в донной части шпура за счет впрессовки сплошного анкера в пластмассовую втулку с меньшим внутренним диаметром, чем диаметр анкера.

Усилие впрессовки и выдергивания N, кН

16 14 12 10

6 4 2 0

Величина заделки dh, мм

Рис. 1 – Зависимость усилия впрессовки и выдергивания анкера от величины заделки: 1, 2, 3 – зависимость усилия впрессовки от глубины заделки при превышении диаметра анкера над диаметром шпура соответственно на 3,8; 2,5 и 1,3%; 4 - зависимость усилия выдергивания от глубины заделки

На рис. 1 приведены результаты лабораторных испытаний процесса впрессовки моделей сплошных анкеров с различными диаметрами в шпуры с меньшим диаметром. Позиции 1, 2, 3 соответствуют величинам превышения диаметра анкера над диаметром шпура соответственно на 3,8; 2,5; 1,3%. Испытания показали, что в первых двух случаях происходит хрупкое разрушение

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

189

образцов породы при введении анкера на глубину равную соответственно 3 и 10 мм. При этом наблюдается резкое увеличение усилия впрессовки при введении анкера в шпур. При относительной разности диаметров анкера и шпура равной 1,3% процесс впрессовки анкера на глубину 50 мм сопровождается увеличением усилия впрессовки от 0 до 10 кН. Позиция 4 (рис. 1) отражает изменение усилия выдергивания анкера от величины его закрепления в образце. Зависимость усилия выдергивания анкера при уменьшении величины участка его закрепления с 50 до 20 мм, практически адекватно отражает процесс впрессовки анкера. Дальнейшее уменьшение величины участка закрепления анкера связано с резким изменением усилия его выдергивания особенно на его конечной стадии. Это связано, на наш взгляд, с увеличением диаметра шпура за счет истирания пород на его контуре при впрессовке анкера.

Библиографический список 1. Анкерная крепь : Справочник / А. П. Широков, В.А. Лидер, М.А. Дзауров и др.- М: Недра 1990. – 205 с.

190

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 553.1:622.256

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗЛИШНЕГО ВЫПУСКА ПОРОДЫ ПРИ РЕМОНТЕ ВЫРАБОТКИ НА ЕЕ ПОСЛЕДУЮЩУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования данных научных исследований в областях геомеханики и технологии ремонта горных выработок. Приведен анализ состояния выработок и дана оценка степени влияния вывалообразования при их ремонте на последующую устойчивость. Анализ состояния горных выработок показывает, что ведение различных ремонтных работ (замена деформированной крепи или ее элементов, подрывка почвы и т.п.), связанных с изменением формы и размеров выработки, проводит к временной интенсификации смещений. При этом во многих случаях перекрепление выработки связано с излишним выпуском породы. С целью оценки влияния образовавшихся в массиве дополнительных породных обнажений на послеремонтное состояние выработки была поставлена и решена следующая задача. Выработка круглой формы (рис. 1) радиусом R 1 пройдена на глубине Н и поддерживается крепью с несущей способностью Р, работающей в режиме постоянного сопротивления. Приняты допущения, что породы, вмещающие выработку однородны и изотропны, напряжения нетронутого массива приняты гидростатическими – γH . Как показали результаты исследований, величина коэффициента бокового распора на глубинах более 600 м приближается к единице. Доказано, что при значении коэффициента бокового распора от 0,7 до 1,0 погрешность в определении напряжений не превышает 15% по сравнению со случаем, когда поле начальных напряжений принимается равнокомпонентным. Вокруг выработки образуется зона неупругих деформаций, радиусом R 2 . В результате разрушения в ней пород происходит смещение контура выработки U . При некоторой степени деформации поперечного сечения выработки, соответствующей радиусу зоны неупругих деформаций R 2 происходит ее перекрепление с расширением до первоначальных размеров, сопровождающееся излишним выпуском пород на высоту h 0 . Принято условие максимального выпуска породы: h 0 = R 2 − R 1 . *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

191

Рис. 1 – Расчетная схема

Полость обрушения может быть заполнена различными материалами. Задача сводилась к определению радиуса зоны неупругих деформаций R 3 после перекрепления выработки при условии, что образовавшаяся при прежнем выпуске породы полость заполняется или не заполняется материалом. Для решения задачи использовались методы теории предельного равновесия. При решении задачи были приняты следующие граничные условия: σ r1 = P при r = 1 R + h0 ; σ r1 = σ r 2 при r = 1 R1 σ r 3 = σ r 2 при r = R *3 , где σ r1 , σ r 2 , σ r 3 – радиальные напряжения, МПа; P – несущая способность крепи, установленной в выработке после перекрепления, МПа; R 1 – радиус выработки вчерне после ремонта; R *3 – конечный радиус ЗНД после ремонта. Для определения радиуса зоны неупругих деформаций рассмотрим

192

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

уравнение предельного равновесия пород вокруг выработки:  dF  ψ F,  = 0  dr 

(1.1)

где

F = σr ⋅ r,

dF = σe dr

(1.2)

Приняв в качестве уравнения равновесия уравнение прямолинейной огибающей кругов Мора, в области предельного равновесия получим: σ ΘI − (2B + 1)σ Ir = σ *сж ,

(1.3)

за пределами области предельного равновесия: σ ΘII − (2B + 1)σ rII ≤ σ мсж ,

(1.4)

при этом на границе области предельного равновесия после ремонта при получим:

R *3

σ Ir = σ IIr ,

(1.5)

где σ Ir , σ IIr – радиальные напряжения, действующие в области предельного равновесия и за ее пределами, МПа; σ ΘI , σ ΘII – тангенциальные напряжения, действующие в области предельного равновесия и за ее пределами, МПа; σ *сж – длительная прочность пород, находящихся в зоне неупругих деформаций на одноосное сжатие, МПа; σ мсж – длительная прочность пород в массиве на одноосное сжатие, МПа; B – безразмерный коэффициент, определяющийся по формуле:

sin ρ , 1 − sin ρ

(1.6)

ρ – угол внутреннего трения пород, град. В области предельного равновесия, выражение для функции F(r) получаем из уравнения (1.3), которое с учетом (1.2) примет вид:

dF F − (2B + 1) = σ *сж . dr r

(1.7)

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

193

Это уравнение имеет решение: F(r ) = C1 ⋅ r

2 B +1

σ*сж r, − 2B

(1.8)

где

C1 – постоянная интегрирования. Радиальные напряжения в области предельного равновесия получим из выражения (1.8) с учетом (1.2):

σ Ir

= C1 ⋅ r

σ*сж . − 2B

(1.9)

Тогда в части области предельного равновесия, где при ремонте произошел вывал и которая заполняется материалом с характеристиками σ мсж.з и В′м выражение (1.9) примет вид: σ r1 = C1 ⋅ r

2 BМ . З .

σ мсж.з , − 2 B м .з

(1.10)

где σмсж.з – предел длительной прочности материала забутовки на одноосное сжатие, МПа; В м.з – безразмерный коэффициент, определяемый из выражения (1.6) при ρ = ρ м.з ; ρ м.з – угол внутреннего трения материала забутовки, град. Для той части области предельного равновесия, которая не затронута вывалом выражение (1.9) примет вид:

σr2 = C2 ⋅ r

σ *сж − . 2B

(1.11)

Постоянная интегрирования С1 определяется из граничного условия: при r=1 (на контуре выработки) σ r = P .

σr2 = C2 ⋅ r

σ *сж − . 2B

(1.12)

Тогда с учетом (1.12) формула (1.10) примет вид:

 σ м .з  σ м .з σ r 2 =  P + сж  ⋅ r 2 B м.з − сж . 2 Bм . з  2 Bм . з 

(1.13)

194

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Постоянная интегрирования C 2 также находится из граничного условия: R + h0 при r = 1 , σ r1 = σ r 2 : R1  σ мсж.з   C2 = P + 2 B м .з 

 R 1 + h 0   R 2 

  

2 Bм . з

σ мсж.з σ *сж  R 2  − + 2 B м .з 2B  R 1 + h 0 

  

(1.14)

Тогда выражение (1.11) с учетом (1.9) запишется в виде: σ r2

 σ мсж.з =  P + 2 B м .з   R2 ×   R1 + h 0

  

 R 1 + h 0   R 2  2B

⋅ r 2B −

  

2 Bм . з

σ *сж  σ мсж.з × + − 2 B м .з 2B  

σ *сж

(1.15)

Радиальные и тангенциальные напряжения, действующие за пределами области предельного равновесия, определяется по формуле: σ IIr  C3 = γ ± H ,  2 II r σe 

где

(1.16)

C 3 – постоянная интегрирования. Она находится из граничного условия:

при r = R *3 выполняется равенство (1.5) м 2BγH + σсж (R *3 ) 2 . C3 = − 2(1 + B)

(1.17)

С учетом (1.17) формула для определения радиальных напряжений, которые действуют за границей области предельного равновесия, запишется в следующем виде: 2BγH + σмсж * 2 (1.18) σ r 3 = γH − (R 3 ) . 2(1 + B) Радиус зоны неупругих деформаций после ремонта с учетом вывалообразования определится из выражений (1.15) и (1.18) при граничном условии r = R 3 , σ r1 = σ r 2

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

R *3

 2BγH + σ мсж σ*сж  = (R 1 + h 0 ) γH − + 2(1 + B) 2B 

195

 ×   (1.19)

1 −1  2 B

2B м .з    R 1 + h 0  м.з σ мсж.з σ*сж   σ сж     − + ×  P + 2B м.з  R 1  2B м.з 2B     

Так как в реальных условиях обрушение пород происходит только в кровле выработки, а не по всему периметру, то учтем это с помощью приведенного радиуса R пр , который определим следующим образом: Сечение выработки до ремонта S0 = πR 12 .

(1.20)

Поперечное сечение обрушения в кровле высотой h 0 в форме параболы

Sоб =

4 2 ⋅ h 0 ⋅ B = ⋅ h 0 ⋅ R1 . 3 3

(1.21)

Суммарная площадь обнажения после обрушения

Sн = πR 12 +

 4 4   ⋅ h 0 ⋅ R 1 = R 1  πR 1 + h 0  = R 12  π + 3 3   

4  h0    . 3  R 1  

(1.22)

Приведенный радиус вновь образованного после обрушения пород обнажения составит

R пр

4 h  π +  0  3  R1  S 4 h  = н = R1 ⋅ = R 1 ⋅ 1 +  0  . 3π  R 1  π π

(1.23)

Тогда выражение (1.19) примет следующий вид:

R *3

 2BγH + σ*сж σ*сж   × = R пр ⋅  γH − + 2(1 + B) 2B   1 −1  2 В

2B м .з *  м .з    R пр  м.з σ σ σ сж   сж сж ⋅  − + ×  P +  2Вм.з   R 1  2Вм.з 2В      

(1.24)

196

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Конечный радиус зоны неупругих деформаций вокруг выработки, которая не ремонтируется, определяется по формуле:  2BγH + R 3 = R 1  γH − 2(1 + B) 

σ мсж

σ *сж

 2B    2B  2BP + σ *сж

1 2  B

  

(1.25)

Для оценки степени влияния вывалообразования при ремонте выработок на их последующую устойчивость принят коэффициент k 1 , который показывает во сколько раз увеличивается размер зоны неупругих деформаций после ремонта, сопровождаемого вывалообразованием по сравнению с конечным размером зоны неупругих деформаций вокруг выработки без ее ремонта: R *3 . k1 = R3

(1.26)

Для ведения расчетов по формулам (1.19) и (1.20), (1.21) необходимо знать значения величин h 0 , σ мсж.з и Вм' .з . Характеристика материала забутовки σ мсж.з и B м.з определялась путем построения паспорта прочности. Формула (1.19) получена из условия заполнения образовавшейся полости от обрушения пород каким-либо материалом. Если же полость не заполняется (то есть при r = σ r = 0 ), формула (1.19) для определения конечного размера зоны неупругих деформаций после ремонта запишется в виде:  2B R *3 = R пр ⋅  *  σ сж

σ мсж

 2BγH + ⋅  γH − 2(1 + B) 

 2 B  . + 2B  σ мсж

(1.27)

Значения коэффициента увеличения размеров зоны неупругих деформаций при ремонте выработки k1 для различных горно-геологических и горнотехнических условий представлены на рис. 2. В заключении следует отметить, что при не заполнении полости в кровле выработки радиусом 2 м и высотой 2 м, образовавшейся от излишнего выпуска породы, размер зоны неупругих деформаций, а, следовательно, и смещения контура выработки после перекрепления увеличиваются в 1,5 раза, по сравнению с технологией ремонта выработки без излишнего выпуска породы.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

197

Рис. 2 – Графики зависимости коэффициента увеличения размеров зоны неупругих деформаций от размеров полости обрушения: 1 – для заполнения полости используются деревянные костры; 2 – полость не закладывается

198

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

8. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 9. Новиков, А. О. Метод расчета параметров анкерных породо-армирующих систем для крепления горных выработок / А. О. Новиков // Научнотехнический сборник «Разработка рудных месторождений» / Криворожский технический университет. – Кривой Рог, 2010. – №93. – С. 260–264. 10. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 11. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 12. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115. 13. Новиков, А. О. Исследование механизма взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом для обоснования методики расчета ее параметров / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Известия Тульского государственного университета / Тульский государственный университет. – Тула : Гриф и К, 2009. – Вып. 4: Естественные науки. Серия "Науки о Зем-ле". – С. 104–109. 14. Новиков, А. О. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку, закрепленную анкерной крепью / А. О. Новиков, И. Г. Сахно // Известия Донецкого горного института / Донецкий национальный технический университет. – Донецк, 2007. – №1. – С. 82–88.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

199

УДК 622.026

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПОРОД ПОЧВЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ГЛУБОКИХ ШАХТ НА ПРИМЕРЕ ШАХТЫ ИМЕНИ В.М. БАЖАНОВА ГП «МАКЕЕВУГОЛЬ» Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведен анализ состояния горных выработок шахты имени В.М. Бажанова. Изложена концепция применения способа взрывощелевой разгрузки для повышения устойчивости пород почвы, и описана схема размещения разгрузочных шпуров. Ежегодно на шахтах Донбасса ремонтируется до 20% поддерживаемых горных выработок. Причем в 60% случаев вызвано это пучением пород почвы. На шахте имени В. М. Бажанова ГП «Макеевуголь» 27,2% поддерживаемых выработок находятся в неудовлетворительном состоянии, из которых 55,1% приходится на выработки с интенсивным пучением пород почвы. Затраты на устранение последствий вспучивания пород почвы в выработках составляют порядка 45% затрат на их поддержание. Для повышения устойчивости пород почвы в воздухоподающем штреке второй восточной лавы пласта mЗ горизонта 1100 м был применен способ взрывощелевой разгрузки. Выработка сооружалась с сечением в свету 17,9 м2, в проходке – 22,4 м2. Крепление осуществлялось арочной податливой пятизвенной крепью КГВ–А5 (13,8), с шагом установки – 0,8 м, и деревянной затяжкой. Выработка проводилась вслед за лавой, с верхней подрывкой комбайном 4ПП–2. Со стороны лавы охранялась бутовой полосой. Горно–геологические условия следующие:  средняя мощность пласта m3 порядка 1,67 м;  угол залегания пласта – 5°;  прочность угля на одноосное сжатие 14 МПа;  в кровле пласта залегает глинистый сланец, мощностью 11,2 м с прочностью на одноосное сжатие 30–40 МПа;  в почве пласта – песчаный сланец, мощностью 3,87 м с прочностью на одноосное сжатие 40 МПа. Ниже залегает песчаник, мощностью 3,27 м и с прочностью на сжатие 60 МПа. К началу эксперимента было пройдено порядка 100 м выработки при средней скорости подвигания очистного забоя – 60 м/мес. В выработке наблю-

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

200

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

дались следующие деформации: смещение по периметру крепи произошли неравномерно. Со стороны выработанного пространства, в районе замков податливости, крепь и затяжка деформировались более интенсивно. В выработке наблюдалось пучение пород почвы, которое происходило интенсивнее со стороны угольного целика. Смещения контура выработки при этом составили: со стороны кровли – 300–350 мм; со стороны почвы – 250–300 мм. С целью выбора рациональных параметров способа охраны и получения наибольшего эффекта от его использования, в выработке на независимых экспериментальных участках последовательно применялись 3 схемы размещения разгрузочных шпуров в боках и в почве. На первом экспериментальном участке разгрузочные шпуры, длиной 2,5 м, бурились в боках выработки: со стороны угольного целика – под углом 30° к горизонту, со стороны бутовой полосы – под углом 70° к горизонту. Расстояние между разгрузочными шпурами – 0,8 м. Масса заряда ВВ в шпуре составляет 0,6 кг (аммонит Т-19). Работы по разгрузке пород почвы велись на расстоянии 42 м от забоя. На втором экспериментальном участке разгрузочные шпуры, длиной 2,5 м, бурились посередине пролета в почву выработки, под углом 70° к горизонтальной плоскости. Расстояние между шпурами – 0,6 м. Масса заряда ВВ в шпуре – 0,6 кг (аммонит Т-19). Работы по разгрузке пород почвы велись на расстоянии 38 м от забоя. На третьем экспериментальном участке разгрузочные шпуры, длиной 2,5 м, бурились в боку выработки со стороны угольного целика и посредине пролета – в почве. Шпуры в боку выработки бурились под углом 70° к горизонту, а в почве – под углом 20° к вертикальной оси. Расстояние между разгрузочными шпурами в ряду – 0,6 м. Масса заряда ВВ в шпуре – 0,6 кг (аммонит Т-19). Работы по разгрузке пород почвы велись на расстоянии 20 м от забоя. Для наблюдения за смещениями пород на контрольном и экспериментальных участках были установлены контурные замерные станции. Работы по разгрузке пород почвы на экспериментальных участках проводились в ремонтную смену. Разгрузочные шпуры бурились в соответствии с рекомендациями и утвержденным паспортом буровзрывных работ ручными электросверлами СЭР-19Д, на участке выработки, длиной 5–7 м. Взрывание зарядов в шпурах осуществлялось за один прием. Наблюдения за смещениями породного контура выработки на контрольном и экспериментальных участках проводились в течение 6 месяцев с интервалом не менее 2 раз в неделю. В заключении было установлено, что применение способа взрывощелевой разгрузки уменьшает смещения пород почвы в 1,5, 1,8 и 2,2 раза соответственно на первом, втором и третьем экспериментальных участках. На основании полученных результатов была рекомендована третья схема размещения разгрузочных шпуров к дальнейшему применению на шахте.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

201

202

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.261.2

МЕХАНИЗМ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* На основании теоретических и экспериментальных исследований, касающихся устойчивости упруго-пластических систем, разработан новый подход к изучению механизма потери устойчивости горных выработок. Одной из важнейших задач горной геомеханики является обеспечение устойчивости выработок. В условиях глубоких шахт изменяется динамика и характер геомеханических процессов, происходящих в породном массиве, вмещающем выработку. Анализ существующих представлений о механизме проявления горного давления в окрестности поддерживаемых выработок показал, что образование и развитие зон неупругих деформаций (ЗНД) во многом определяет их состояние. В тоже время закономерности процессов, происходящих внутри ЗНД, пока изучены недостаточно. Существующие на данный момент методы оценки устойчивости выработок и параметров ожидаемого напряженно-деформируемого состояния (НДС) вмещающего массива позволяют рассчитать, как правило, лишь отдельные виды деформаций породных обнажений и применимы в узком диапазоне условий конкретных регионов, в большинстве случаев носят эмпирический характер. Результаты известных аналитических расчетов имеют значительные расхождения с данными шахтных наблюдений. Одними из главных причин такого противоречия являются механистический перенос основных подходов и соотношений теории сплошных сред на поведение такой сложной среды, как горный массив, а также классических представлений о потере устойчивости упругих систем на упругопластические. Из-за сложностей математического характера в известных решениях, как правило, рассматривается задача о распределении НДС вокруг круглой выработки, внутри которой установлена крепь с равномерным отпором. При выполнении расчетов с реальными значениями параметров, характеризующими физико-механические свойства горных пород, эти решения прогнозируют смещения контура выработок в несколько десятков миллиметров, в то время как, фактически установленные смещения для таких условий на один – два порядка выше. Смещения контура выработок являются *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

203

следствием весьма сложных геомеханических процессов, происходящих в окружающем породном массиве. Именно это обстоятельство практически вынудило исследователей выстраивать многочисленные деформационные модели (зачастую весьма сложные и тонкие) с введением, вообще говоря, не оправданных допущений [1–3], что привело исключительно к идеализации механизма проявления горного давления, в котором не отражается физическая сущность происходящих геомеханических процессов. В силу указанных обстоятельств исследования посвященные изучению механизма формирования НДС вмещающего выработки массива, нагрузок на крепи, разработке методов оценки устойчивости и обеспечения длительного эксплуатационного состояния всего комплекса горных выработок на протяжении последних 30–40 лет являются предметом многочисленных дискуссий. В ряде работ [4–8] предложен новый подход к оценке устойчивости выработок. В них критерий устойчивого и не устойчивого состояния упругой системы Эйлера перенесен в упруго–пластическую область деформирования и сформулирован в бифуркационной форме. Для случая, когда возможен равновесный переход системы из исходного состояния в некоторое другое (бифуркация равновесия) при неизменных внешних силах – ее состояние неустойчиво. Идея такого подхода заключается в том, что если при решении задачи о бифуркации состояния системы выделяются значения внешних параметров, при которых становятся возможными разные, но бесконечно близкие значения внутренних параметров, то в условиях пластичности появляется другая дополнительная возможность определения характерных значений внешних параметров. А именно, при рассмотрении упругопластической задачи в приращениях можно выделить такие значения, которые отвечают неединственности решения системы уравнений для приращений. В противоположность классическим задачам устойчивости движения, характерным для теоретической механики, на первый план выступают не свойства инерционности, а природа связей, в качестве которых выступают определяющие соотношения пластичности, эквивалентные в какой-то мере меняющимся связям с сухим трением. Именно это обстоятельство позволяет отказаться от постулата о непрерывной зависимости параметров, определяющих движение системы в данный момент, от таковых в любой предыдущий конечно удаленный момент. В соответствии с этим появилась возможность определить понятие неустойчивости движения даже более эффективным, чем по Ляпунову способом. Невозмущенное движение, начиная с данного момента, является неустойчивым, если исчезающее малое изменение параметров движения в данный момент времени приводит к конечному их изменению в любом последующем конечном временном интервале. На основе новых подходов и решений задачи об устойчивости массива горных пород вокруг протяженной одиночной выработки [6–8] было установлено, что по мере развития деформационных процессов в зависимости от величины горного давления и физико-механических свойств пород, вмещающий

204

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

массив последовательно проходит дискретный полубесконечный ряд равновесных состояний. При этом, можно выделить такие значения деформаций контура выработки, которые отвечают не единственности решения системы уравнений пластичности, т.е. достигается такое возмущение контура выработки, при котором при неизменных внешних параметрах нагружения происходит переход из сложившегося напряженного состояния массива в некоторое другое, то есть появляется точка бифуркации. Проведенные для различных геомеханических условий расчеты показали, что относительные возмущения контура выработки, при которых наступает потеря устойчивости, составляют 12-18 %, что хорошо коррелирует с данными инструментальных наблюдений за смещениями пород в выработках [9]. В отличие от устоявшихся представлений о процессах формирования и эволюции в процессе своего развития НДС вмещающего выработку массива установлено, что они происходит скачкообразно, последовательно проходя дискретный ряд равновесных состояний, отвечающих определенному соотношению физико–механических свойств вмещающих пород и уровню горного давления. Установлено, что процесс потери устойчивости выработки инициируется формированием и попеременным вдавливанием двух клиновидных областей вмещающего массива. Визуально этот процесс выглядит, как образование складок.

Рис. 1 – Потеря выработкой устойчивости по первой схеме

В зависимости от тяжести горно–геологических и геомеханических условий поддержания выработки деформирование вмещающего массива при

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

205

потере устойчивости может проходить по двум внешне близким схемам, требующим, различных инженерных решений. Первая (мягкая) (рис. 1) потеря устойчивости сопровождается формированием «клина вдавливания» с углом раскрытия 140-150°, внутри которого происходят расслоения пород по нормали к напластованию с сохранением их структуры. В этом случае для сохранения устойчивости выработки необходимо выполнить предварительное укрепление массива, например, путем направленного нагнетания вяжущих или установки анкеров в точно выбранном направлении. При потере устойчивости по второй схеме (жесткая) (рис. 2) происходит формирование «клина вдавливания»" с углом раскрытия близким к прямому, при этом, внутри клина образуется ядро перемятых уплотненных пород с полной потерей структуры, а со стороны противоположной основному направлению деформирования, появляется дополнительное вдавливание, соответствующее предыдущей стадии деформирования. В этом случае для сохранения устойчивости выработки, простого механического воздействия недостаточно.

Рис. 2 – Потеря выработкой устойчивости по второй схеме

Подводя итог, можно сделать вывод о необходимости мероприятий по управлению напряженно–деформированным состоянием массива, например, локальная разгрузка, либо изменение его физико–механических свойств.

206

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Ставрогин, А. Н., Протосеня, А. Г. Пластичность горных пород. – М.: Недра, 1979. – 301 с. 2. Протосеня, А. Г., Ставрогин, А. Н., Черников, А. К., Тарасов, В. Г. К определяющим уравнениям состояния при деформировании горных пород в запредельной области // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1981. – №3. – С. 33–43. 3. Протосеня, А. Г., Ставрогин, А. Н., Черников, А. К., Тарасов, В. Г. Запредельное состояние горных пород и его связь с задачами неоднородной теории пластичности // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 1979. – №6. – С. 3–9. 4. Driban, V. New approach to assessment of mine working stability [Text] / V. Driban // 7-th International Scientific Conference Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection SGEM - Albena, (Bulgaria). – 2007. – P. 251 – 259. 5. Driban, V. On the of mine working stability [Text] / V. Driban // Форум гірників – 2007 - Дніпропетровськ, (Україна). – 2007. – с. 35 – 41. 6. Driban, V. On the new approach to the problem of maintenance mine workings [Text] / V. Driban // 21th World Mining Congress “New Challenges and Visions for Minigs” – Krakow (Poland). – 2008. – P. 65 – 72. 7. Дрибан, В. А. Об одном подходе к оценке устойчивости массива горных пород вокруг выработок / Зб. наук. пр. УкрНДМІ НАНУ. – Донецьк, 2010. - № 7 – С. 211–223. 8. Дрибан, В. А. Об одном пути потери устойчивости горной выработки выработок / Зб. наук. пр. УкрНДМІ НАНУ. – Донецьк, 2011. – №9 частина I. - С. 309–335. 9. Дрибан, В. А. Определение критерия устойчивости выработок / Дрибан В. А., Южанин И. А., Терлецкий А. М. / Зб. наук. пр. УкрНДМІ НАНУ. – Донецьк, 2010. – №7 – С. 190–198.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

207

УДК 553.1:622.012.2

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД, ВМЕЩАЮЩИХ ВЫРАБОТКИ ШАХТ ДОНБАССА Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Представлены способы управления состоянием массива горных пород, основанные на идеях разгрузки от повышенных напряжений и их укрепления, которые позволяют в максимальной степени использовать несущую способность массива. В ДонНТУ за последние 30 лет был разработан и апробирован целый ряд локальных способов охраны выработок. Указанные способы базируются на идеях разгрузки пород от повышенных напряжений и их укрепления и позволяют в максимальной степени использовать несущую способность массива. Так, для направленного, локального повышения прочности пород разработаны и запатентованы способы укрепления с использованием эффекта вакуумирования (рис. 1).

Рис. 1 – Способы направленного укрепления пород с использованием эффекта вакуумирования (А.С. СССР №973852) (а) и воздушной «опалубки» (А.С. СССР №1747708) (б): 1 – скважина; 2 – инъектор; 3 – распорно-изолирующее устройство; 4 – трубка подачи сжатого воздуха

Сущность предлагаемых способов заключается в следующем. В кровлю или бока выработки, в пределах участка породного обнажения на котором по расчетам необходимо повысить прочность пород бурят скважины. После этого *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

208

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

в них устанавливают герметизирующие устройства. Затем, одновременно с нагнетанием укрепляющих растворов в одни скважины производят отсос воздуха из других скважин (рис. 1, а). Этим обеспечивается направленное движение укрепляющих растворов в заданных областях. С целью предупреждения протекания нагнетаемого укрепляющего раствора через наиболее нарушенный слой приконтурных пород в полость выработки, в усовершенствованном способе (рис. 1, б), в скважины для укрепления подают на участке нарушенных пород между герметизирующими устройствами (за пределами укрепляемого участка) сжатый воздух. Для повышения устойчивости приконтурных пород (в том числе и локального) разработаны и запатентованы следующие способы повышения устойчивости на основе применения анкерного крепления. Усовершенствованный способ опорно-анкерного крепления [1] позволяет обеспечить устойчивость пород на контуре выработки при величине коэффициента бокового распора (λ) меньше единицы. Суть способа состоит в создании начального натяжения в анкерах (Рн), устанавливаемых в боках выработки в 2–6 раз выше (в зависимости от величины коэффициента бокового распора), чем в анкерах, устанавливаемых в кровлю (рис. 2). При этом снижаются напряжения, действующие в кровле выработки, предупреждается образование зон разрушения пород на ее контуре. С целью предупреждения развития разрушений в массиве (на отдельных его участках) предложен способ установки анкера [2]. Для этого анкерная штанга в импульсном режиме впрессовывается в заранее пробуренный шпур с меньшим, чем у нее диаметром. При вдавливании анкера происходит упруговязкое деформирование пород по его контакту со стенками шпура, при этом, создаваемое давление на торец анкера (до 200 МПа) передается на прилегающий массив как в продольном, так и в поперечном направлении. Способ позволяет повысить устойчивость поддерживаемой выработки путем изменения вида и параметров напряженного состояния укрепляемых пород, так как в результате увеличения коэффициента бокового распора у них возрастет предел прочности и угол внутреннего трения.

Рис. 2 – Усовершенствованный способ опорно-анкерного крепления

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

209

Для устранения концентраций напряжений вокруг мест установки анкерных штанг, с целью расширения области использования анкерного крепления, локального повышения устойчивости горной выработки, проводимой в породах любой категории устойчивости, запатентован способ крепления горной выработки анкерной крепью [3]. Сущность способа заключается в выборе такого материала анкерной штанги и ее диаметра, расстояния между соседними анкерными штангами, угла наклона анкерных штанг к поверхности породного обнажения, чтобы отношение приведенного модуля упругости создаваемой породно-анкерной конструкции Епр к модулю упругости анкеруемой породы Eп, находилось в пределах от 1 до 1,25, при этом приведенный модуль упругости породно-анкерной конструкции Епр рассчитывают по формуле:

Е пр =

2 ⋅ E a ⋅ d a ⋅ sin α + ( t − d a ) ⋅ E п , t

где Ea – модуль упругости материала, из которого изготовлена анкерная штанга, МПа; da – диаметр анкерной штанги, м; α – угол наклона анкерной штанги к поверхности породного обнажения, град; t – расстояние между соседними анкерными штангами, м; Eп – модуль упругости скрепляемых анкерами пород, МПа. Способ пространственного анкерования [4] позволяет создать вокруг выработки (отдельного участка ее контура) породно-анкерную оболочку (конструкцию) с высокой остаточной несущей способностью, которая дает возможность породам на контуре деформироваться в значительных пределах (рис. 3). Сущность способа заключается в том, что закрепляемая поверхность породного обнажения по длине выработки или ее участка условно разбивается на четные и нечетные полосы. В пределах каждой полосы размечаются квадраты. Квадраты в четных полосах смещены вдоль оси выработки относительно квадратов нечетных полос на половину стороны своего основания. Анкеры устанавливают в вершинах квадратов, при этом направление установки анкеров совпадает с большими диагоналями кубов, боковыми гранями которых являются указанные квадраты. Анкеры устанавливают с наклоном к забою выработки. В четных и нечетных рядах анкеры направлены в противоположные стороны относительно продольной оси выработки. Для выработок, поддерживаемых в сложных горно–геологических условиях, разработан способ комбинированного крепления выработки анкерной крепью [5].

210

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 3 – Пространственная схема расположения анкеров с их ориентацией по смещенным диагоналям куба: 1 – анкеры четного ряда; 2 – анкеры нечетного ряда; 3 – кровля выработки; 4 – анкерный подхват, 5 – четные полосы; 6 – нечетные полосы

Рис. 4 – Схема комбинированного способа крепления выработки анкерной крепью: 1 – забой выработки; 2 – жесткая анкерная крепь; 3 – податливая анкерная крепь

Он позволяет создавать вокруг выработок породно-анкерные конструкции с высокой несущей способностью, работающие в ограниченно-податливом режиме и допускающие их деформирование до максимальных значений

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

211

остаточных деформаций. Для этого (рис. 4) в забое выработки 1 возводят в кровлю и бока жесткую анкерную крепь 2, при этом вокруг выработки образуется породно-анкерная оболочка с высокой несущей способностью выполняющая роль крепи. С отставанием от забоя возводят податливую анкерную крепь 3 на глубину, больше расчетного размера формирующейся вокруг выработки зоны разрушенных пород. При удалении забоя, разрушение пород в пределах породно-анкерной оболочки не происходит. Процессы деформирования и разрушения начинаются в глубине массива за ее пределами. Возводимая с отставанием от забоя податливая анкерная крепь позволяет перемещаться жесткой породно-анкерной оболочке в полость выработки, не разрушаясь, при этом, максимально используется ее несущая способность, что способствует скорейшему установлению в массиве равновесного состояния и стабилизации смещений пород. Многократно увеличивается работоспособность крепи, повышается устойчивость выработки, снижаются материальные и трудовые затрат на поддержание. С целью обеспечения длительной устойчивости выработок, снижения затрат на их поддержание и упрощения технологии крепления была разработана рамно-анкерная крепь [6], общий вид которой показан на рис. 5.

Рис. 5 – Общий вид рамно-анкерной крепи: 1 – рама податливой крепи; 2 – жесткие анкеры; 3 – планка; 4 - гайки 4; 5 – фигурные шайбы; 6 – закрепляемая поверхность; 7 – шпуры для установки анкерных штанг; α – угол установки анкерных штанг

212

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Она состоит из податливой рамы 1, жестких анкеров 2, связанных с рамой посредством планки 3, гаек 4 и фигурной шайбы 5. Для установки анкеров в закрепляемую поверхность 6 бурятся шпуры 7 под углом α=40-70. Устанавливаемая в забое проводимой выработки рамная крепь, обеспечивает необходимый подпор породам на контуре выработки и препятствует развитию разрушений вглубь массива до момента установки анкерной крепи. После установки анкерной крепи в приконтурном ненарушенном массиве создается жесткая породно-анкерная конструкция, в которой за счет скрещивающегося расположения анкеров, обеспечивается дополнительный подпор породам на контуре выработки и достигается положительный технический эффект. Благодаря своему пространственному расположению анкеры вовлекаются в совместную работу с рамной крепью. При этом происходит не только объединение усилий рамной и анкерной крепи по восприятию горного давления, но и обеспечивается их жесткий и согласованный режим работы за счет соединения их в единую конструкцию планкой, фигурными шайбами и гайками. Для сохранения устойчивости выработок, в которых она потеряна, по второй схеме разработаны способ поддержания «крепь-охрана» (рис. 6), комбинированный способ охраны (рис. 7) и способы борьбы с пучением (взрывощелевая разгрузка (рис. 8) и образования компенсационной полости в почве выработки (рис. 9), позволяющие управлять напряженно–деформированным состоянием вмещающего массива. В геомеханических условиях, когда применение традиционной конструкции анкеров не позволяет существенно влиять на величину действующих на контуре выработки напряжений, предложен способ поддержания выработок «крепь–охрана» [4]. Идея способа состоит в совмещении процессов разгрузки вмещающего выработку массива от повышенных напряжений и его крепления. Это достигается путем взрывного раскрепления трубчатых анкеров специальной конструкции, устанавливаемых по периметру выработки на определенном расстоянии. При раскреплении анкеров, часть энергии взрыва расходуется на образование зоны разгрузки на заданном от контура выработки удалении, а остальная – на развальцовывание анкеров в шпурах. При этом вокруг выработки искусственно образуется область из нарушенных пород, а образованная породно-анкерная оболочка выполняет роль крепи (рис. 6). Комбинированный способ охраны предназначен для снижения напряженного состояния вмещающего выработку пород и рекомендуется для применения с целью улучшения условий поддержания выработок. Сущность способа (рис. 7) заключается в проведении передовой выработки с разгрузкой массива от повышенных напряжений и образованием вокруг неё ЗНД необходимых размеров. В дальнейшем выработку расширяют до проектных размеров и возводят облегченную крепь. К основным параметрам способа относят: площадь поперечного сечения передовой выработки, выбираемую в зависимости

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

213

от проектного сечения; отставание забоя выработки проектного сечения от забоя передовой выработки; параметры взрывной разгрузки в передовой выработке. Применение способа позволяет на 30–40 % снизить материальные трудовые затраты на поддержание выработки.

Рис. 6 – Схема проведения выработки с использованием способа «крепь-охрана» (а) и конструкция заряда ВВ (б): 1 – трубчатый анкер; 2 – гайка стопора пакера; 3 – пакер; 4 – патроны ВВ; 5 – песчано-глинистая забойка; 6 – провода электродетонаторов; 7 – шпур; 8 – опорная плита; 9 – натяжная гайка

Способ взрыво-щелевой разгрузки (рис. 8) предназначен для предупреждения пучения пород почвы в выработках, проводимых буровзрывным способом, сооружаемых в породах с прочностью не менее 40 МПа. Он реализуется путем взрывания заряда взрывчатого вещества (ВВ) в шпурах глубиной до 2,5 м, пробуренных через бока выработки в почву. Способ хорошо вписывается в технологический цикл работ по проведению выработки и не снижает скорость ее проведения. Схема расположения разгрузочных шпуров является составной частью паспорта проведения выработки. Способ предупреждает выдавливание пород почвы за счет искусственного образования в приконтурном массиве локальных областей пониженных напряжений, наличие которых позволяет перенести действующие повышенные напряжения вглубь массива. При этом в почве выработки образуется зона разгрузки с минимальными деформациями, что обеспечивает использование несущей способности разгруженного

214

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

от напряжений массива для предупреждения пучения. К основным параметрам способа относят: длину разгрузочных шпуров, углы наклона их к горизонту в сторону почвы и относительно продольной оси в сторону забоя, расстояние между разгрузочными шпурами и величину заряда ВВ в них.

Рис. 7 – Комбинированный способ охраны капитальных выработок: 1 – шпуры для расширения передовой выработки до проектных размеров; 2 – выработка проектного сечения; 3 – разгрузочные шпуры; 4 – шпуры для проведения передовой выработки.

Способ борьбы с пучением путем образования компенсационной полости в почве выработки (рис. 9) предназначен для предупреждения выдавливания пород почвы в выработках, носящего характер складкообразования. Способ может применяться как при сооружении, так и при эксплуатации выработок. Сущность способа заключается в предотвращении эффекта складкообразования пород непосредственной почвы выработки путем искусственного создания компенсирующей полости на пути смещения слоев почвы по плоскостям напластования. Для этого в почву выработки в направлении перпендикулярном напластованию бурят шпуры, в которые помещаются камуфлетные заряды ВВ, взрываемые за один прием с различными сериями замедления. Работы по созданию компенсационных полостей могут осуществляться как в за-

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

215

бойной части выработки при ее сооружении, так и при эксплуатации выработки в случае начала интенсивного выдавливания пород, а также одновременно с ведением работ по поддирке. К параметрам способа относят: глубину разгрузочных шпуров, расстояние между ними, величину заряда ВВ в шпуре.

Рис. 8 – Способ взрывощелевой разгрузки: 1 – горная выработка; 2 – зона разгруженных от напряжений пород; 3 – разгрузочные шпуры.

Рис. 9 – Способ борьбы с пучением путем образования компенсационной полости в почве выработки

216

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Все вышеописанные способы охраны прошли широкую промышленную апробацию на шахтах Восточного Донбасса и показали высокую техническую эффективность.

Библиографический список 1. Патент на корисну модель №45341. Україна. МКИ Е21В 13/00. Спосіб опорно–анкерного кріплення гірничих виробок / М. М. Касьян, О. О. Новіков, Ю. А. Петренко, В. А. Плетнев, С. Ю. Гладкий, І. М. Шестопалов. Заявл. 05.05.2009. Опубл. 10.11.2009, Бюл.№ 21. – 6 с. : ил. 2. Патент на корисну модель №558763 Україна. МКИ Е21D 20/00. Спосіб встановлення анкера / Касьян М. М., Новіков О. О., Петренко Ю. А., Дрипан П. С., Шестопалов І. М., Гладкий С. Ю., Виговський Д. Д. – Заявл. 04.06.2010 ; опубл. 27.12.2010 ; бюл. № 24. – 6 с. 3. Патент №95155 Україна. МКИ Е21D 20/00, Е21D11/00. Спосіб кріплення гірничих виробок анкерним кріпленням / Касьян М. М., Новіков О. О., Петренко Ю. А., Плетнев В. А., Гладкий С. Ю., Шестопалов І.М. – Заявл. 25.12.2009; опубл. 25.06.2011; бюл. № 12. – 8 с. 4. Временная инструкция по применению способа поддержания горных выработок «крепь–охрана» : РД 12.18.072-88 / К. В. Кошелев, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков и др. – утв. Минуглепром СССР 26.09.88. – Донецк–Харьков, 1988. – 39 с. 5. Патент на корисну модель №42320. Україна. МКИ Е21D 11/00, E21D 13/00. Спосіб кріплення гірничих виробок / М. М. Касьян, В. А. Плетнев, С. Ю. Гладкий, І. Г. Сахно, О. О. Новіков, І. М. Шестопалов. – Заявл. 23.02.2009 ; опубл. 25.06.2009 ; бюл. № 12. – 6 с. : ил. 6. Патент на корисну модель №53899. Україна. МКИ Е21D 13/00. Спосіб комбинованого кріплення гірничої виробки анкерним кріпленням / М. М. Касьян, О. О. Новіков, Ю. А. Петренко, І. Г. Сахно, І. М. Шестопалов, В. А. Плетнев, С. Ю. Гладкий. – Заявл. 29.03.2010 ; опубл. 22.10.2010 ; бюл. № 20. – 4 с. : ил. 7. Патент на корисну модель № 62682. Україна. МКИ Е21D 13/00. Рамно–анкерне кріплення / М. М. Касьян, О. О. Новіков, Ю. А. Петренко, І. М. Шестопалов, П. С. Дрипан, С. Ю. Гладкий, Д. Д. Виговський. – Заявл. 10.02.2011 ; опубл. 12.09.2011 ; бюл. № 17. – 6 с. : ил.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

217

УДК 622.268.13

КОМПЛЕКС ЭФФЕКТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК И ОСОБЕННОСТИ ИХ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ШАХТЕ «СТЕПНАЯ» ПАО «ДТЭК «ПАВЛОГРАДУГОЛЬ» Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции и структурирования научных исследований, проведенных в условиях шахты «Степная», задачей которых являлись исследования, которые позволят установить особенности деформирования пород, вмещающих подготовительные выработки на шахте «Степная» и наметить мероприятия, направленные на повышение их устойчивости. В настоящее время рамные металлические крепи из-за значительного разнообразия их конструкций и широкого диапазона рабочих характеристик стали фактически универсальным средством крепления горных выработок. На сегодняшний день более 90% поддерживаемых выработок Донбасса закреплены рамными крепями. Однако, в связи с постоянным увеличением глубины ведения горных работ, и усложняющимися горно–геологическими условиями отработки угольных пластов, до 30% выработок, закрепленных данным способом, в процессе эксплуатации ремонтируются, что значительно повышает себестоимость угля. Кроме того, металлические рамные крепи имеют также ряд недостатков: o высокая металлоемкость; o низкая степень механизации процесса ее установки, и, как следствие, ограничение темпов проведения. Одним из перспективных направлений, которые позволят устранить данные недостатки, является широкое внедрение комбинированных рамно-анкерных крепей. Опыт их применения показал, что при этом на 30–80% снижается расход металла (достигается за счет увеличения шага крепи в выработке и применения облегченных профилей рамной крепи), повышается производительность работ при креплении выработок в 1,5–2,0 раза. Однако существует причина, сдерживающая широкое применение комбинированных крепей, – недостаточная изученность влияния образуемых породно–анкерных конструкций на механические процессы, происходящие во вмещающем массиве выработки, что, в свою очередь, не позволяет понять роль каждой из конструкций в процессе поддержания выработки, достоверно *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

218

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

установить область применения крепей, а также разработать научно обоснованный метод расчета их параметров. В связи с этим, проведение исследований, направленных на изучение и установление особенностей деформирования выработок, закрепленных комбинированными крепями, является актуальной научной задачей. По данным маркшейдерской службы шахты «Степная» из 115281 м поддерживаемых выработок подготовительные составляют 44479 м (38,6%), причем 96% выработок закреплены рамными конструкциями крепи и только 4% – рамно–анкерными. Из 3118 м участков подготовительных выработок с деформированной крепью 460 м (14,8%) связаны с деформациями пород со стороны кровли, 2638 м (84,6%) – с деформациями крепи со стороны боковых пород, а остальные 0,6% – с равномерным деформированием пород по периметру крепи. Следует также особо отметить, что 11246 м (25,3%) подготовительных выработок деформированы по причине интенсивного пучения пород почвы. Согласно обследованиям состояния крепи в подготовительных выработках шахты, в первую очередь осматривались выработки с рамно–анкерной крепью. Они пройдены по пласту С6, мощностью m = 0,7–1,0 м, крепостью f=3,5, с двухсторонней подрывкой пород, представленных аргиллитами (прочность на сжатие 15–22 МПа). Породы почвы склонны к пучению и размоканию. Закреплены выработки крепью КШПУ–15,0 с шагом установки – 0,7 м (ширина – 3,85 м, высота – 5,68 м) и анкерами с плотностью 1,5 анк./м2. Отработка выемочного участка ведется стругами. Длина столбов порядка 2500 м по восстанию. Глубина ведения работ – около 500 м. Было установлено, что в период между проведением выработок и до подхода лавы в кровле наблюдались деформации крепи и пород, связанные с их интенсивным складкообразованием (рис. 1).

Рис. 1 – Образование складок в кровле выработки

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

219

При этом существенно увеличивался «нахлест» крепежных элементов в замках (рис. 2).

Рис. 2 – Увеличение «нахлеста» в замках крепи

Этот процесс постепенно охватывал и бока выработок, приводя к разрушениям пород в стенках, со стороны противоположной лаве (рис. 3).

Рис. 3 – Деформации крепи со стороны боков выработки

Происходили разрушающие деформации стоек крепи. На участках под лавой, где для усиления крепи в кровлю устанавливались канатные анкера, состояние шайб анкеров (недеформированные) указывало, что деформации массива происходили за пределами глубины укрепления. Наблюдались случаи «обыгрывания» анкеров, установленных между рамами породами в результате их разрушения и высыпания со стороны, противоположной лаве. На участках под лавой, для усиления крепи, в зоне опорного давления устанавливались по рамы деревянные стойки крепи усиления. Их состояние в зависимости от расстояния до лавы (доля в % поломанных стоек) показано на рис. 4.

220

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 4 – Состояние деревянных стоек крепи усиления в зависимости от расстояния до лавы (доля в % поломанных стоек)

Замеры высоты выработок в свету показали, что конвергенция пород под лавой достигает 2,3 м, а за пределами зоны опорного давления в среднем составляет 1,0–1,3 м. Среди причин, приведших к деформированию крепи, необходимо, безусловно, назвать: • большое сечение выработки; • значительные размеры несущих крепежных элементов, делающие крепь менее устойчивой; • недостаточную длину анкеров (2,4 м), применяемых в выработке, как при проведении, так и при усилении крепи; • несовершенство и недостаточную технологичность применяемой крепи усиления под лавой; • потеря породами почвы устойчивости и т.д. Анализ результатов натурных наблюдений, проведенных в этих же выработках автором работы [1], представленных на рис. 5 и рис. 6 показывает, что интенсивное расслоение пород кровли начинается при удалении от забоя лавы от 5 м до 15 м. После прохода лавы, интенсивность смещений растет и стабилизируется при удалении от нее на 300 м и более. Несмотря на установку в местах заложения замерных станций канатных анкеров, смещения массива происходили в пределах всей укрепленной толщи и за ее пределами, что говорит о малой эффективности данного мероприятия при принятых параметрах технологии укрепления (очевидно, что глубину анкерования необходимо увеличить с 6 м до 10–12 м).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

221

Рис. 5 – Смещения глубинных реперов в кровле выработки в зависимости от расстояния до лавы

Рис. 6 – Смещения фиксированных точек, установленных на различном удалении от контура в кровле выработки (сверху – вниз соответственно 0,5;1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 м) Подводя итог, следует отметить: проведенные исследования позволили установить особенности деформирования пород, вмещающих подготовительные выработки на шахте «Степная» и наметить мероприятия, направленные на повышение их устойчивости.

222

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Мартовицкий, А. В. Геомеханические процессы при отработке угольных пластов струговыми комплексами в условиях шахт Западного Донбасса. Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук по специальности 05.15.09. – Днепропетровск. – 2012. – 392 с. 2. Анкерная крепь: справочник / Широков А. П., Лидер В. А., Дзау-ров М. А., Рыжевский М. Е., Петров А. И. – М. : Недра, 1990. – 205 с. 3. Булат, А. Ф. Опорно–анкерное крепление горных выработок угольных шахт / А. Ф. Булат, В. В. Виноградов. – Днепропетровск. : Вильпо, 2002. – 372 с. 4. Виноградов, В. В. Геомеханика, мониторинг и основы технологии опорного крепления горных выработок / В. В. Виноградов / Уголь Украины. – 2000.– №9.– С.7–12. 5. Бабиюк, Г. В. Способ создания армо-породных грузонесущих конструкций в кровле подготовительных выработок / Г. В. Бабиюк, A. A. Леонов // Строительство шахт, механика и разрушение горных пород : сб. науч. тр., Донбасский горно-металлургический институт. – Алчевск : ДГМИ, 1996. – С. 136–144. 6. Клюев, А. П. Перспективные способы управления состоянием разрушенного массива вокруг выработки на больших глубинах / А. П. Клюев, H. H. Касьян, Ю. А. Петренко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1998. – №2. – С. 21–25. 7. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 8. Новиков, А. О. Метод расчета параметров анкерных породо-армирующих систем для крепления горных выработок / А. О. Новиков // Научнотехнический сборник «Разработка рудных месторождений» / Криворожский технический университет. – Кривой Рог, 2010. – №93. – С. 260–264. 9. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко// Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 10. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 11. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

223

праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є.О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115. 12. Новиков, А. О. Исследование механизма взаимодействия анкерной крепи с вмещающим массивом для обоснования методики расчета ее параметров / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О.Новиков // Известия Тульского государственного университета / Тульский государственный университет. – Тула : Гриф и К, 2009. – Вып. 4: Естественные науки. Серия "Науки о Земле". – С. 104–109. 13. Новиков, А. О. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку, закрепленную анкерной крепью / А.О. Новиков, И.Г. Сахно // Известия Донецкого горного института / Донецкий национальный технический университет. – Донецк, 2007. – №1. – С. 82–88.

224

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 621.88.087:622.28.044

КОНТРОЛЬ И ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ КРОВЛИ МОНТАЖНЫХ КАМЕР, ЗАКРЕПЛЕННЫХ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем структурирования шахтных инструментальных наблюдений в монтажном ходке четвертой северной лавы шахты «Добропольская», целью которых являлось установление особенностей деформирования пород кровли в монтажных печах (камерах) с анкерным креплением. На сегодняшний день подземным способом добывается порядка 80% угля, примерно в 570 механизированных очистных забоях. Причем 40% всех работающих механизированных комплексов постоянно монтируются–демонти-руются. Трудоемкость и продолжительность монтажа оборудования во многом зависит от обеспечения необходимых размеров рабочего пространства и устойчивого состояния монтажных камер, а также их своевременное проведение. Решение данной проблемы невозможно без широкого внедрения передового опыта эффективного ведения монтажно–демонтажных работ с использованием рациональных технологических схем и нового оборудования, а также внедрения новых технологий проведения и поддержания монтажных камер, в том числе с использованием анкерного крепления. С целью установления особенностей деформирования пород кровли в монтажных печах с анкерным креплением были проведены шахтные инструментальные наблюдения в монтажном ходке четвертой северной лавы уклона пласта m40 горизонта 200 м шахты «Добропольская». Выработка, длиной 126 м, проводилась комбайном, в направлении сверху–вниз, с нижней подрывкой пород. На участке выработки, длиной 90 м, при ее проведении, были оборудованы контурные замерные станции. Они представляли собой замерные сечения, установленные через каждый метр длины выработки с пятью фиксированными замерными точками в кровле (хвостовики установленных в кровлю анкеров) и контурным репером в почве. Первые 30 м выработки были закреплены металлической рамной крепью, а остальная часть выработки – анкерами. Плотность установки анкеров в кровлю – 1 анк./м2. Анкера, длиной 2,4 м, устанавливались под металлический

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

225

подхват, длиной 4,0 м. Расстояние между рядами анкеров – 1 м. Бурение шпуров для установки анкеров в кровлю производилось при помощи буровой колонки, расположенной на комбайне. Закрепление стального анкера в шпуре производилось химическим способом. По мере проведения выработки (с периодичностью от 2 до 6 суток), в ней проводилась теодолитная и нивелирная съемки с фиксацией координат хвостовика каждого из установленных анкеров в пределах наблюдаемого участка. Обработка результатов производилась путем построения изолиний смещений пород кровли в выработку во времени, поверхностей смещающейся кровли выработки во времени, изолиний скоростей смещений пород кровли ходка. Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы: 1. Деформации пород кровли в первые 9 суток наблюдений носят не равномерный характер, как во времени, так и в пространстве. Если на первые сутки наблюдений практически по всей поверхности кровли ходка скорость смещений составляла до 3 мм в сутки. Исключение составили участки: 12-14 м, 23-24 м, 27-28 м, 43-45 м, 47-48 м, 52-53 м, 67-68 м и 74-75 м, в пределах которых скорость смещений составила 5-8 мм в сутки. На третьи сутки наблюдений расположение участков с повышенной скоростью деформаций в кровле ходка несколько изменилось. На участках: 23-24 м, 37-38 м, 43-45 м, 47-48 м, 52-53 м, 59-60 м, 74-75 м скорость смещений пород кровли на контуре ходка составила от 4 до 10 мм в сутки, а на остальной поверхности кровли ходка не превышала 3 мм в сутки. На седьмые сутки наблюдений увеличивается количество участков с повышенной скоростью деформаций в кровле ходка. В пределах участков: 10-11 м, 17-18 м, 19-24 м, 37-38 м, 52-53 м, 60-61 м, 68-69 м, 74-75 м и 86-87 м скорость смещений пород кровли на контуре ходка составила от 4 до 8 мм в сутки, а на остальной поверхности кровли ходка не превышала 2-3 мм в сутки. 2. На 15 сутки наблюдений деформации кровли (в пределах наблю-даемого участка монтажного ходка с анкерным креплением) выравниваются. При этом в пределах участка 0-37 м среднее их значение составляет 20 мм, а в остальной части – около 30 мм. Выделяются две области с максимальными значениями деформаций, приуроченные к участкам 10-12 м и 41-42 м. Максимальное значение деформаций зафиксировано в пределах участка 10-12 м и составляет 60 мм. 3. На первые сутки наблюдений практически по всей поверхности кровли ходка скорость смещений составляла до 3 мм в сутки. Исключение составили участки: 12-14 м, 23-24 м, 27-28 м, 43-45 м, 47-48 м, 52-53 м, 67-68 м и 74-75 м, в пределах которых скорость смещений составила 5-8 мм в сутки. На третьи сутки наблюдений расположение участков с повышенной скоростью деформаций в кровле ходка несколько изменилось. На участках: 23-24

226

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

м, 37-38 м, 43-45 м, 47-48 м, 52-53 м, 59-60 м, 74-75 м скорость смещений пород кровли на контуре ходка составила от 4 до 10 мм в сутки, а на остальной поверхности кровли ходка не превышала 3 мм в сутки. На седьмые сутки наблюдений увеличивается количество участков с повышенной скоростью деформаций в кровле ходка. В пределах участков: 10-11 м, 17-18 м, 19-24 м, 37-38 м, 52-53 м, 60-61 м, 68-69 м, 74-75 м и 86-87 м скорость смещений пород кровли на контуре ходка составила от 4 до 8 мм в сутки, а на остальной поверхности кровли ходка не превышала 23 мм в сутки. На девятые сутки наблюдений количество участков с повышенной скоростью деформаций в кровле ходка начинает сокращаться. В пределах участков: 10-12 м, 20-24 м, 38-42 м, 52-53 м, 60-61 м, 74-75 м и 86-87 м скорость смещений пород кровли на контуре ходка составила от 4 до 6 мм в сутки, а на остальной поверхности кровли ходка не превышала 1-2 мм в сутки. Интенсификация смещений кровли в ходке произошла на 3-7 сутки наблюдений и связана с развивающимися деформациями в боках ходка, проявляющимися в виде разрушения и выдавливания пласта, а также пород непосредственной почвы. Установлено, что величина смещений боков ходка на 3-и сутки наблюдений составляла до 25-30 мм, при этом глубина распространения деформаций достигала 3 м. 4. На пятнадцатые сутки наблюдений происходит дальнейшая стабилизация скорости смещений пород кровли ходка. Уменьшается протяженность участков с повышенной скоростью деформаций пород кровли. Теперь только в пределах участков: 7-8 м, 22-24 м, 38-39 м, 52-53 м, 59-60 м, 68 м и 74-75 м скорость смещений пород кровли на контуре ходка составила от 3 до 7 мм в сутки, а на остальной поверхности кровли ходка не превышает 2-3 мм в сутки. До 70% от конечной величины смещений кровли в ходке за период наблюдений произошли за первые 15 суток. Площадь областей с повышенной интенсивностью смещений кровли в ходке в период наблюдений составляла от 18 до 10%. Следует также отметить, что до 80% площади участков с повышенной скоростью деформаций пород кровли расположено со стороны забоя монтируемой лавы и приходится на первый ряд установленных анкеров. 5. За последующие 15 суток наблюдений характер распределения деформаций в кровле ходка не изменился. К моменту окончания наблюдений на 90% площади обнажения кровли смещения выровнялись и стабилизирова-лись, при этом среднее опускание кровли составило 35 мм, а максимальное (в пределах участка 10-12 м) – 70 мм, средняя скорость опускания кровли составляла около 1,5 мм в сутки, а максимальная (в пределах участка 22-24 м) – 2,5 мм в сутки. Учитывая имеющийся опыт поддержания выработок с анкерным креплением, фактическое состояние крепи в монтажной камере и рекомендации нормативных документов по его проектированию (согласно которым при деформациях контура на величину 1–2 % от глубины анкерования), обнажение

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

227

считается устойчивым. Можно считать положительным опыт применения анкерного крепления в монтажном ходке четвертой северной лавы уклона пласта m 04 горизонта 200 м.

Библиографический список 1. Виноградов, В. В. Геомеханика, мониторинг и основы технологии опорного крепления горных выработок / В. В. Виноградов / Уголь Украины. – 2000. – №9. – С. 7–12. 2. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 3. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 4. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115.

228

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.28:622.012.2

ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, КОТОРЫЕ НАПРАВЛЕНЫ НА ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ КРЕПИ В ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Выполнен анализ известных отечественных и зарубежных технических решений, направленных на повышение устойчивости рамного крепления в подготовительных выработках и путей их совершенствования. Результаты обследований состояния подготовительных выработок, проведенных независимыми организациями, показали, что среди основных причин потери устойчивости выработок, поддерживаемых вне зон влияния очистных работ, являются: o несоответствие параметров применяемых крепей горно-геологическим и техническим условиям поддержания; o отсутствие контакта крепи с породным массивом после ее возведения, а также последующие нарушения устанавливающегося в массиве равновесного состояния горными работами. Анализ технической литературы, посвященной повышению устойчивости выработок, свидетельствует о наличии большого количества разно направленных векторов, характеризующих предлагаемые пути решения этой сложной проблемы. Так, в ряде научных работ авторы утверждают, что более благоприятные условия поддержания обеспечиваются в выработках, проводимых комбайнами. Однако, по утверждениям авторов, имеющих другую точку зрения, влияние способа проведения на устойчивость выработки зафиксировано лишь в течение 8–12 месяцев после ее проведения. В то же время, производственный опыт показывает, что область применения большей части проходческих комбайнов ограничена прочностью вмещающих пород до 40 МПа. При использовании буровзрывного способа проведения выработок, устойчивость приконтурного массива повышают путем применения контурного взрывания. Этот способ значительно снижает интенсивность трещинообразования во вмещающих породах, по сравнению с обычным взрыванием (доказано, что при контурном взрывании по песчанику, глубина трещинообразования в 7–8 раз, а по сланцу в 3–4 раза меньше). При этом обеспечивается более *

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

229

точное оконтуривание поперечного сечения, уменьшается амплитуда неравномерностей породных обнажений, а, следовательно, и концентрация действующих напряжений. В настоящее время совершенствование контурного взрывания идет по пути разработки технологий, предусматривающих выполнение на стенках шпуров профильных надрезов, ориентированных по направлению отбойки. Вместе с тем, широкому применению контурного взрывания в отрасли препятствует то, что существующее бурильное оборудование не позволяет бурить оконтуривающие шпуры вплотную к проектному контуру, параллельно оси выработки. К другим направлениям повышения устойчивости металлических арочных крепей в выработках являются многочисленные попытки создать систему «крепь-массив» с учетом вектора преобладающих смещений в породной толще («подогнать» крепь под массив) и времени возникновения плотного контакта между крепью и массивом. Для этого отечественными и зарубежными разработчиками крепей предложено большое количество конструкций, призванных решить эти проблемы. Например, в ДПИ была разработана крепь АПК–4, которая состоит из четырех взаимозаменяемых элементов, соединенных тремя замками, которые перемещаются вместе со звеньями при работе крепи в режиме податливости. Конструкция хорошо зарекомендовала себя в условиях интенсивных боковых нагрузок. В Кузбассе была разработана и применяется подковообразная арочная трехзвенная крепь, хорошо сопротивляющаяся боковым смещениям и нагрузкам. В ИГД им. А. А. Скочинского предложена крепь МПК–А4, верхний сегмент которой состоит из двух отрезков профиля СВП, соединяемых между собой податливым кулачковым узлом. Наличие податливого узла в своде арки обеспечивает боковую податливость. В Санкт-Петербургском горном институте создана складная металлическая крепь. Каждая рама крепи состоит из двух криволинейных стоек и верхняка, соединяемых специальными замками, выполняющими одновременно функции узлов податливости и шарниров. В зависимости от величины и направления прогнозируемых смещений элементы крепи могут быть соединены по трем различным схемам. Для условий всестороннего горного давления разработаны также конструкции кольцевых податливых крепей Ш1–К4, КПК, КПК–ПЛ. В Германии разработана многозвенная крепь увеличенной податливости, обеспечивающая плотный контакт крепи с боковыми породами. Она состоит из однотипных звеньев, которые в зоне податливости скрепляются соединительными накладками.

230

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Во всех разработанных в последние годы крепях, кроме изменения конфигурации, конструкции и расположения по периметру элементов податливости совершенствовались также и они сами, а также профили, используемые для изготовления крепей. Рассмотренные выше конструкции рамных крепей в настоящее время имеют весьма ограниченное применение из-за сложности изготовления, наличия конструктивных недоработок и разного рода организационных причин. Для улучшения условий работы крепи в выработках с длительным сроком службы применяется тампонаж закрепного пространства. Вместе с тем, ряд ученых неоднозначно оценивает влияние жесткости материала создаваемой тампонажной оболочки на работу податливой крепи. Кроме того, для ведения работ необходимо не только специальное оборудование, но и предварительное выполнение работ по изоляции выработки, что делает данный способ трудо- и материалоемким. Для тяжелых горно-геологических условий были разработаны комбинированные конструкции крепи, нашедшие в последние годы широкое распространение (объем применения до 5%): анкер–металлическая, АНТ (арка, набрызг, тампонаж), ШСНГ (штанга, сетка, набрызг, тампонаж) и другие, в которых поддерживающие элементы тем или иным способом связываются для обеспечения совместной работы с приконтурным массивом. Вместе с тем, эти конструкции имеют ряд технологических недоработок, а механизм их работы, с точки зрения геомеханики, до сих пор недостаточно изучен. Поскольку преобладающим видом крепи в настоящее время остается арочная податливая, то в целом ряде работ для повышения ее устойчивости предлагается применять различные способы усиления крепи, увеличения ее жесткости в направлении преобладающих смещений без существенных конструктивных изменений. Так, например, предлагается использовать напрягающую стяжку на уровне замков податливости, устанавливаемую при помощи винтовых домкратов. Это, по замыслу авторов, создает в верхняке крепи крутящий момент, направленный в противоположную сторону моменту от внешней косонаправленной нагрузки. В ряде работ авторами установлена взаимосвязь между качеством, а также свойствами забутовки закрепного пространства с последующей устойчивостью выработки. В работах авторами предлагается заполнять пустоты за крепью измельченной породой с помощью специальных забутовочных машин, укладывать за крепь тканевые рукава с твердеющими смесями, заполнять закрепное пространство пенопластом. Все вышеназванные способы на шахтах практически не используются, поскольку для их реализации требуется дополнительное оборудование, разместить которое весьма сложно в стесненных условиях проходческого забоя. Кроме того, забутовку закрепного пространства практически невозможно совместить с другими технологическими процессами в забое, что снижает темпы проходческих работ.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

231

За последние 20 лет в ДонНТУ были разработаны способы охраны, направленные на сглаживание технических огрехов (устранение переборов пород) в технологии выемки породы при проведении выработок. Они основаны на использовании идеи взрывной забутовки закрепного пространства путем взрывания зарядов рыхления, одновременно выполняющих функцию локальной разгрузки пород от повышенных напряжений. Из-за необходимости точно соблюдать технологию и параметры работ при общей высокой культуре производства, способы широкого применения на шахтах не нашли. Большое количество теоретических и экспериментальных работ посвящено использованию в выработках способа инъекционного упрочнения пород, направленного на обеспечение совместной работы крепи и приконтурного массива для улучшения состояния крепи. Опыт применения способа показывает, что инъекция скрепляющих растворов в массив на глубину до 3,0 м под давлением до 3,0 МПа – более эффективное средство влияния на устойчивость крепи, чем тампонаж закрепного пространства. Необходимым условием применения инъекционного упрочнения является наличие вокруг выработки трещиноватой зоны. Для реализации способа необходимо специальное оборудование и большой объем работ по бурению и подготовке инъекционных скважин. Большим количеством исследователей доказано, что быстрому вводу податливой крепи в работу способствует ее предварительный распор. Для этого при установке крепи она принудительно вдавливается в породное обнажение, при этом за счет смятия и уплотнения пород обеспечивается их лучший контакт с крепью. С целью снижения напряжений во вмещающих выработку породах, а также сохранения природной прочности пород и вовлечения их в совместную работу с крепью для охраны выработок, в ДонУГИ и ДПИ был предложен ряд способов охраны на основе локальной разгрузки. Это способы скважинной разгрузки и взрыво-щелевой разгрузки. Несмотря на свою простоту и получаемый положительный эффект, способы не нашли на шахтах широкого применения по следующим причинам. Бурение скважин необходимо производить вне зон опорного давления и его невозможно совмещать с процессами проходческого цикла. Кроме того, применение способов на 10–15% увеличивают смещения пород со стороны кровли, возникают сложности с поддержанием сопряжений «лава–штрек». Способ взрыво-щелевой разгрузки малоэффективен в условиях слабо–метаморфизованных и обводненных пород. На основе способов локальной разгрузки и укрепления, в КГМИ и ДПИ были разработаны способы охраны АРПУ и взрыво-укрепления. Сущность первого заключается в перераспределении напряжений вокруг выработки путем их разгрузки, с отделением части пород от массива и последующим использованием их в качестве естественного строительного материала для создания в почве выработки грузонесущего обратного свода из укрепленных пород.

232

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Разгрузка осуществляется взрыванием в шпурах камуфлетных зарядов ВВ. Затем бурят тампонажные шпуры, в которые нагнетают скрепляющий раствор. Образованная В почве разгруженная зона меняет соотношение высоты и ширины выработки. Она приобретает эллиптическую форму, благодаря чему концентрация напряжений в массиве уменьшается, что увеличивает устойчивость выработки в целом. Способ взрыво-укрепления предусматривает одновременное выполнение работ по разгрузке породного массива и его укреплению. Сущность его состоит в бурении шпуров в приконтурный массив с размещением ампул со скрепляющим составом и зарядов ВВ. При взрывании происходит рыхление пород по длине шпура, разрушение оболочек ампул и проникновение скрепляющего раствора (пенополиуретана, эпоксидной смолы с отвердителем) в образовавшиеся трещины. К недостаткам данных способов следует отнести высокую их трудоемкость и материалоемкость, а также необходимость наличия дополнительного оборудования. В конце 80-х годов прошлого века в ДПИ был разработан способ поддержания выработок «крепь-охрана», который реализует идею совмещения разгрузки вмещающего массива от повышенных напряжений с процессом крепления. Сущность способа состоит в образовании на заданном удалении от контура выработки зоны разрушенных пород, что достигается путем взрывного раскрепления трубчатых анкеров, устанавливаемых по периметру выработки в радиально пробуренных шпурах. Приконтурный целик пород, усиленный анкерами, призван выполнять роль крепи. Проведенный анализ технических решений, направленных на повышение устойчивости рамного крепления в выработках показывает, что наиболее перспективным направлением является разработка комбинированных способов охраны, позволяющих, с одной стороны, изменять направление преобладающих смещений пород в выработку, обеспечивая паспортные условия работы крепи, а также ее плотный контакт с вмещающим массивом, а с другой стороны – максимально вовлекать приконтурный массив в совместную работу с крепью и использовать при этом природную прочность вмещающих пород. Кроме того, предлагаемые способы должны быть составной частью технологии проведения и крепления выработки.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

233

А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 3. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 4. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 5. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115.

234

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 621.88.082.4/6:622.28

КОНТРОЛЬ И ИЗУЧЕНИЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПОРОДНОГО КОНТУРА МОНТАЖНЫХ ХОДКОВ, ЗАКРЕПЛЕННЫХ КОМБИНИРОВАННОЙ КРЕПЬЮ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем структурирования шахтных инструментальных наблюдений в монтажном ходке четвертой северной лавы шахты «Добропольская», целью которых являлось изучение особенностей деформирования пород в монтажных ходках, поддерживаемых комбинированной крепью. На сегодняшний день подземным способом добывается порядка 80% угля, примерно в 520 механизированных очистных забоях. Причем 40% всех работающих механизированных комплексов постоянно монтируются-демонтируются. Трудоемкость и продолжительность монтажа оборудования во многом зависит от обеспечения необходимых размеров рабочего пространства и устойчивого состояния монтажных камер, а также их своевременное проведение. Решение данной проблемы невозможно без широкого внедрения передового опыта эффективного ведения монтажно-демонтажных работ с использованием рациональных технологических схем и нового оборудования, а также внедрения новых технологий проведения и поддержания монтажных камер, в том числе с использованием комбинированных крепей на основе анкерного крепления. Несмотря на имеющийся положительны й опыт в использовании таких конструкций для крепления монтажных ходков, на шахтах широкого внедрения он не нашел. В научно-технической литературе представлено большое количество работ, посвященных изучению характера взаимодействия различных конструкций крепи с массивом. В них глубоко исследованы механизм формирования нагрузки на рамные крепи, особенности и закономерности деформирования вмещающего выработки массива. Для выработок же с комбинированным креплением они недостаточно полно изучены. Учитывая перспективы использования комбинированных крепей и анкерных систем для поддержания выработок на шахтах Донбасса, как одного из приоритетных направлений интенсификации производства, изучение и обобщение опыта их применения на шахтах, несомненно, является актуальной задачей.

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

235

Задача исследования – изучение особенностей деформирования пород в монтажных ходках, поддерживаемых комбинированной крепью. Исследования проводились в монтажных ходках шахты «Добропольская» ГП «Добропольеуголь». Так, монтажный ходок четвертой северной лавы уклона пласта m40 был закреплен связной анкерной крепью с плотностью установки 1 анк/м2. Сталеполимерные анкера длиной 2,4 м устанавливались под металлический подхват длиной 4 м. Расстояние между рядами анкеров – 1 м. Бурение шпуров для установки анкерных штанг в кровлю производилось при помощи буровой колонки расположенной на комбайне. С целью оценки эффективности крепления были проведены шахтные наблюдения на контурных замерных станциях. К моменту окончания наблюдений среднее опускание кровли составило 35 мм, а максимальное (в пределах участка 10–12 м) – 70 мм, средняя скорость опускания кровли составляла около 1,5 мм в сутки, а максимальная (в пределах участка 22–24 м) – 2,5 мм в сутки. Монтажный ходок пятой северной лавы уклона пласта m40 был проведен комбайном, в направлении снизу–вверх, с нижней подрывкой пород. Крепление выработки производилось комбинированной анкерно-рамной крепью. Плотность установки анкеров в кровлю – 1 анк/м2. Анкера длиной 2,4 м устанавливались под металлическую полосу длиной 3,5 м, между рамами крепи из СВП–22. Расстояние между рядами анкеров – 1 м. Эффективность крепления оценивалась по результатам наблюдений на глубинных замерных станциях [2]. Через две недели наблюдений смещения боков составляли 99 и 46 мм соответственно справа и слева (46 и 27% от конечной величины смещений). Размер зоны неупругих деформаций (ЗНД) в боках составил более 2,5 м. Интенсивные разрушения пород в стенках выработки отразились на деформировании кровли. Разрушения в кровле начались на 49 сутки на расстоянии 2,8–3,2 м от контура, а к 56 суткам наблюдений разрушились породы на удалении 1,5–1,8 м от контура. На 60 сутки наблюдений смещения контура посередине пролета выработки составили 133 мм. Дальнейшие наблюдения показали, что разрушения пород от контура вглубь массива происходят волнообразно, с изменяющейся во времени и пространстве интенсивностью. Выполненные наблюдения показали, что разрушения пород кровли в выработках с анкерным и анкерно-рамным креплением происходят в глубине массива, за пределами скрепленной анкерами области, которая практически не разрушается. Наибольшие смещения породного обнажения в кровле выработки наблюдаются посередине пролета (происходит плавный прогиб), а вблизи стенок – образуются пластические шарниры. В боках выработки разрушения пласта и пород происходят на глубину более 2,5 м и проявляются в виде выдавливания верхней пачки угля и пород непосредственной почвы пласта, что связано с наличием в боках выработки слабых вмещающих пород. Деформирование носит пластический характер.

236

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Для повышения устойчивости пород кровли монтажного ходка седьмой северной лавы пласта m51в было применено укрепление боков выработки стеклопластиковыми анкерами. Выработка пройдена комбайном в направлении снизу-вверх и крепилась комбинированной анкерно-рамной крепью. Паспорт проведения и крепления показан на рис. 1.

Рис. 1 – Паспорт проведения и крепления выработки

Плотность установки анкеров в кровлю – 1 анк/м2. Анкера длиной 2,4 м устанавливались под металлическую полосу длиной 3,5 м, между рамами крепи из СВП–22. Расстояние между рядами анкеров – 1 м. В бока устанавливались по 3 стеклопластиковых анкера длиной 1,8 м. Расстояние между рядами анкеров 0,5 м. На удалении 70 м от сопряжения монтажного ходка с конвейерным штреком, в забое выработки была оборудована комплексная замерная станция. Наблюдения за смещениями пород проводились более двух месяцев. Результаты обрабатывались в виде графиков смещений глубинных реперов и изменения коэффициента разрыхления между ними (рис. 2, 3). Как видно из графиков смещений глубинных реперов, установленных в кровле монтажного ходка, на 11 сутки наблюдений контур выработки сместился на 108 мм, что составляет более 54% от конечной величины смещений за весь период наблюдений.

237

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1,1

1,08

150

Смещения реперов, мм

200

100

1,06

1,04

1,02

0 0,0

0,5

1,0

1,5

3,0

5,0

0,0

7,0

0,5

1,0

5 сут

11 сут

15 сут

19 сут

23 сут

26 сут

30 сут

38 сут

53 сут

1,5

3,0

5,0

7,0

Расстояние от контура, м

Расстояние от контура, м 5 сут

67 сут

11 сут

15 сут

19 сут

23 сут

26 сут

30 сут

38 сут

53 сут

67 сут

Рис. 2 – Графики смещений глубинных реперов в скважине, пробуренной в кровле выработки и изменения коэффициента разрыхления между реперами во времени 60

1,035 1,03 1,025

Кр, ед

Смещения, мм

1,02 1,015 1,01 1,005 1

0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,0

0,5

1,0

11 суток

15 суток

19 суток

23 сут

26 сут

30 сут

38 сут

53 сут

67 сут

1,5

2,0

3,0

Расстояние от контура, м

Расстояние от контура, м 5 суток

5 сут

11 сут

15 сут

19 сут

23 сут

26 сут

30 сут

38 сут

53 сут

67 сут

Рис. 3 – Графики смещений глубинных реперов в скважине, пробуренной в боку выработки и изменения коэффициента разрыхления между реперами во времени

Разрушения пород произошли на 11 сутки наблюдений на участке 1,7– 4,6 м от контура. Размер ЗНД составил 7 м. В пределах скрепленной анкерами толщи пород расслоение не наблюдалось. Дальнейшие наблюдения показали, что характер деформирования массива не меняется. Расслоения пород со временем происходят в глубине массива, за пределами укрепленного анкерами участка. На 67 сутки наблюдений смещения контура в кровле выработки составили 198 мм. Анализ графиков смещений глубинных реперов в боковых скважинах (рис. 3) показывает, что через 11 суток смещения боков 40 мм (70% от конечной величины смещений). В глубине массива, разрушения произошли за пределами укрепленной области (на участке скважины 1,8-3,0 м). Размер ЗНД составил более 3,0 м. К моменту окончания наблюдений (67 суток) смещения боков составили 57 мм. Выдавливания пласта и его непосредственной почвы не наблюдалось (рис. 4, а), состояние крепи и вмещающих пород на контуре устойчивое (рис. 4, б).

238

а)

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

б)

Рис. 4 – Состояние пласта и непосредственной почвы в боку выработки (а), состояние выработки к моменту окончания ее проведения (б)

В заключении следует отметить следующее: установленные особенности деформирования пород намечено использовать при разработке методики расчета параметров комбинированных крепей для монтажных ходков.

Библиографический список 1. Новиков, А. О. О деформировании кровли в монтажных печах с анкерным креплением / Новиков А. О., Касьян Н. Н., Гладкий С. Ю. // Горный информационно-аналитический бюллетень // Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №5. – С. 78–84. 2. Новиков, А. О. Наблюдения за деформированием контура в монтажном ходке с анкерной крепью./ Новиков А. О, Гладкий С. Ю., Шестопалов И. Н.// Збірник наукових праць НГУ. – Д.: Національний гірничий університет, 2010.– №34, т.2. – С. 96–100.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

239

УДК 622.28.044:539.38

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СХЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АНКЕРОВ В ЗОНЕ НЕУПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Изучены влияния различных схем анкерования выработки, при наличии вокруг нее зоны разрушенных пород, на характер деформирования ее контура. Выполнены лабораторные исследования на структурно-имитационных моделях. Признание анкерной крепи как одной из самых эффективных на сегодня систем крепления горных выработок угольных шахт, широкое распространение и внедрение анкерования вызвало бурное исследование процессов, связанных с деформированием вмещающего массива при анкерном креплении. Процессы деформирования вмещающего массива в выработке с анкерным креплением для случая, когда она устанавливалась в забое выработки при ее проведении, до настоящего времени исследовались аналитическими, лабораторными, шахтными методами. Вместе с тем, характер деформаций массива при установке анкерной крепи в выработке, вокруг которой уже образовалось к моменту установки зона разрушения пород, не изучены. С целью изучения влияния различных схем анкерования выработки, при наличии вокруг нее зоны разрушенных пород, на характер деформирования ее контура были проведены лабораторные исследования на структурно-имитационных моделях. В моделях первоначально изучался характер деформирования массива вокруг выработки с момента образования вокруг нее зоны разрушенных пород с размером от 1 до 4 м. Моделирование производилось в масштабе 1:50. Вмещающие породы моделировались деревянными блоками с размерами от 5 до 150 мм. Стенд для моделирования представлял собой плоскую раму с размерами 500 х 500 мм, и толщиной 30 мм. «Нагружение» модели производилось со стороны боков и кровли с помощью резиновых баллонов, заполненных жидкостью, на которые создавалось давление механическим домкратом. Для изучения характера сдвижений пород, в модели устанавливались репера, перемещение которых фиксировалось относительно неподвижных точек на раме модели.

Научный руководитель – д.т.н., проф. Новиков А.О.

240

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Обработка результатов производилась с помощью программ «Adobe Phoposhop CS3» и «CorelDRAW X4» путем наложения изображений соответствующих какому-то этапу отработки модели на первоначальное изображение по базовым неподвижным точкам. Результаты обрабатывались путем построения векторов смещений фиксированных точек в модели и графиков смещений по задаваемым направлениям В модели №5 в качестве мероприятия, направленного на уменьшение смещений пород, было смоделировано крепление кровли выработки, состоящие из восьми радиально расположенных анкеров. Это позволило уменьшить смещения пород по периметру выработки и повысить ее устойчивость по сравнениию с моделью без мероприятий: в кровле – в 2,2 раза, в боках – в 1,5–2 раза, в почве – в 1,1 раз, а также снизить величины деформаций внутри зоны разрушеных пород при последующем нагружении модели: в кровле – в 2 раза и в боках – в 1,5 раза. В модели №6 в качестве мероприятия, направленного на уменьшение смещений пород на контуре выработки, было смоделировано крепление боков и кровли выработки анкерными розетками. Это позволило уменьшить смещения пород по периметру выработки и повысить ее устойчивость в сравнении с моделью без мероприятий: в кровле – в 2,5 раза, в боках – в 2,5 раза, в почве – в 1,3 раза, а также уменьшить величины сдвижений внутри зоны разрушенных пород при последующем нагружении модели: в кровле – в 2,5 раза и боках – в 4 раза. В модели №7 в качестве мероприятия, направленного на уменьшение смещений пород на контуре выработки, моделировалось крепление боков выработки анкерными розетками, а крепление кровли – с применением комбинированного анкерования анкерными розетками и анкерами глубокого заложения. Это позволило уменьшить смещения пород по периметру выработки и повысить ее устойчивость по сравнению с моделью без мероприятий: в кровле – в 3 раза, в боках – в 2,8 раза, в почве – в 2,5 раза, а также уменьшить величины смещений внутри зоны разрушенных пород при последующем нагружении модели: в кровле – в 3 раза и в боках – в 4,5 раза. В модели №8 в качестве мероприятий направленных на уменьшение смещений пород, было применено крепление кровли выработки, состоящее из пяти стандартных анкеров и четырех анкеров глубокого заложения. Это позволило уменьшить смещение пород по периметру выработки и повысить ее устойчивость по сравнении с моделью без мероприятий: в кровле – в 2,5 раза, в боках – в 2,2 раза, в почве – в 1,2 раза, а также уменьшить величины деформаций внутри зоны разрушенных пород при последующем нагружении модели: в кровле – в 2,5 раз и в боках – в 2 раза. На основании проведенных исследований было установлено, что наиболее эффективной с точки зрения повышения устойчивости контура выработок, вокруг которых к моменту возведения анкерной крепи образовалась зона

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

241

разрушенных пород, является схема анкерования кровли анкерными розетками на глубину 2 метра в кровлю и бока выработки в сочетании с использованием анкеров глубокого заложения (длиной 5 метров) в кровлю за приделы области разрушенных пород. Это позволяет уменьшить смещения породного контура в выработке: в кровле – в 3 раза, в боках – в 2,8 раза, в почве – в 2,5 раза, по сравнению с классической радиальной схемой расположения анкеров, а также уменьшить величины сдвижений внутри зоны разрушенных пород: в кровле – в 3 раза, а в боках – в 4,5 раза.

Библиографический список 1. Новиков, А. О. Развитие научных основ управления устойчивостью выработок с использованием анкерных систем. [Текст] : дис. ... докт. техн. наук: 05.15.02 : защищена 07.07.2011 / Новиков А. О. – Донецк, 2011. – 479 с. 2. Касьян, Н. Н. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок / Н. Н. Касьян, А. П. Клюев, В. И. Лысенко // Известия Донецкого горного института. – Донецк, 1996. – №1(3). – С. 57–60. 3. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С.15–18. 4. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37. 5. Касьян, Н. Н. О перспективах применения анкерной крепи на угольных шахтах Донбасса / Н. Н. Касьян, Ю. А. Петренко, А. О. Новиков // Наукові праці Донецького національного технічного університету : серія «Гірничо-геологічна» : редкол.: Башков Є. О. (голова) та інші. – Донецьк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2009. – випуск 10(151). – С. 109–115.

242

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.28.044:622.261.2(477.62)

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ УГЛА ЗАЛЕГАНИЯ ПОРОД И ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ АНКЕРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ШАХТ ДОНБАССА Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Исследование оценки влияния угла залегания пород при схеме анкерования «сшивка» на устойчивость выработок с анкерным креплением и установление характера влияния глубины анкерования на особенности деформирования пород в кровле выработки. Одним из условий эффективной и безопасной работы при поддержании выработок на шахтах Донбасса является обеспечение их устойчивости при минимальном расходе крепящих материалов. В этой связи, исследования закономерностей деформирования породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением для обоснования его рациональных параметров, являются актуальной задачей. Существующие способы и методы определения параметров анкерного крепления не позволяют однозначно определить область ее использования, рассчитать рациональные параметры крепи, обеспечивающие устойчивость выработок в течение срока службы при минимальных затратах, сдерживают ее широкое промышленное внедрение на шахтах Донбасса. В настоящее время, расчет параметров анкерной крепи производится в соответствии с требованиями нормативных документов, в основу которых положены представления об анкерной крепи как о несущей конструкции, работающей по схемам «Подшивка» и «Сшивка». Расчет параметров анкерной крепи, как правило, основывается на необходимости соотнести ее «несущую способность» с величиной «нагрузки на крепь», которая формируется в результате разрушения вмещающего выработку массива и реализующихся в ее полость смещений пород. При этом не учитывается влияние угла залегания пород и глубины анкерования. Такие представления о механизме взаимодействия анкерной крепи и массива приводят к ограничению области ее применения, как самостоятельной конструкции, второй категорией устойчивости выработок (смещения контура не превышают 200 мм) и завышению значений плотности установки анкеров, делая применение анкерной крепи экономически не целесообразным. Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопа-лов И.Н. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

243

Проведение шахтных экспериментов по изучению особенностей деформирования породного массива в выработках с анкерным креплением весьма трудоемко и затруднительно, связано с необходимостью учета влияния на искомые величины множества факторов. Поэтому, для проведения исследований был выбран лабораторный метод. Задачами исследований являлось: 1. Оценить влияние угла залегания пород при схеме анкерования «сшивка» на устойчивость выработок с анкерным креплением. 2. Установить характер влияния глубины анкерования на особенности деформирования пород в кровле выработки. Для решения поставленных задач использовался метод моделирования с помощью эквивалентных материалов. Моделировались вмещающие выработку породы с прочностью на одноосное сжатие 40 МПа и глубина заложения выработки до 800 м. В качестве эквивалентного материала был принят кварцевый песок с гипсовым связующим. Моделирование проводилось в масштабе 1:100. Глубина анкерования изменялась от 1,0 до 3,0 м, а угол залегания пород от 0 до 300. Для сокращения количества экспериментов использовалась методика его рационального планирования. Смещения вмещающих выработку пород в модели определялись с помощью метода фотофиксации. Анкера из круглого дерева, диаметром 1 мм, устанавливались в кровлю выработки, после ее проведения с помощью клея ПВА. Для определения влияния глубины анкерования и угла залегания пород на особенности деформирования массива вокруг выработки, строились графики смещений игольчатых реперов в кровле и диаграммы изменения коэффициента разрыхления между реперами, в модели, вокруг выработки. Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. С увеличением глубины анкерования кровли (при постоянном угле залегания пород) снижается степень нарушенности приконтурного участка массива (между контурным репером и репером на удалении 1,0 м в кровлю). 2. При глубине анкерования 2 метра и более, независимо от угла залегания, заанкерованный участок массива в кровле выработки, перемещается одним блоком без существенного расслоения, при этом максимальное значение коэффициента разрыхления составляет не более 1,018, что свидетельствует об отсутствии процессов разрушения в его пределах. 3. Разрушение пород в пределах заанкерованного участка в кровле установлено только при длине анкера – 1 м. 4. Разрушение пород в пределах формирующейся в кровли выработки зоны не упругих деформации наиболее интенсивно происходит за пределами заанкерованной зоны, причем степень нарушенности пород в ней уменьшается по мере увеличения глубины анкерования. 5. При увеличении глубины анкерования с 1 до 3 метров, максималь-ные смещения на контуре выработки в кровле снижаются в 1,6 раза.

244

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

6. Наибольший размер зоны неупругих деформаций (ЗНД), форми-рующийся в кровле выработки с анкерным креплением, зафиксирован в модели с углом залегания 00 градусов. Он составил 5 метров при смещениях на контуре со стороны кровли 185 мм. 7. По мере увеличения угла залегания пород (от 0 до 300), размер зоны неупругих деформаций, формирующийся в кровле выработки с анкерным креплением, снижается с 5 до 3 метров. Уменьшается так же величина смещений пород на контуре со стороны кровли выработки с 185 мм до 117 мм. 8. Коэффициент разрыхления пород за пределами заанкерованной области в кровле, по мере удаления от нее вглубь массива, убывает при увеличении угла залегания пород (так например, для участка удаленного от контура в кровлю 2–3 м при α= 00 от 1,109, до 1,086 при α=300). 9. В пределах участка ЗНД в кровлю, на удалении 3–4 м от контура, коэффициент разрыхления пород при увеличении угла залегания от 0 до 300 снижается от 1,05 до 1. 10. При увеличении глубины анкерования с 1 до 3 метров (при постоянной плотности анкерования 1 анкер/м2) смещение контура выработки в кровле уменьшается в 1,6 раза, что хорошо согласуется с результатами исследований [3]. 11. Увеличение угла залегания пород от 0 до 300 (при постоянной плотности анкерования 1 анкер/м2 и длине анкеров lа=2 м) приводит к уменьшению смещений на контуре выработки со стороны кровли в 1,5 раза. 12. Разрушение пород на удалении до 1 м от контура выработки в кровлю, зафиксировано при глубине анкерования 1 м (относительные деформации составляют 5,5%), что свидетельствует о ее недостаточности при анкеровании выработки пройденной в породах с прочностью 40 МПа на глубине 800 метров.

Библиографический список 1. Новиков, А. О. Развитие научных основ управления устойчивостью выработок с использованием анкерных систем. [Текст] : дис. ... докт. техн. наук: 05.15.02 : защищена 07.07.2011 / Новиков А. О. – Донецк, 2011. – 479 с. 2. Новиков, А. О. Лабораторные исследования влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок / А. О. Новиков, Ю. А. Петренко // Горный информационно-аналитический бюллетень / Московский государственный горный университет. – Москва, 2009. – №7. – С. 15–18. 3. Новиков, А. О. Оценка предельного состояния породного массива, вмещающего выработки с анкерным креплением / А. О. Новиков // Проблеми гірничої технології : матеріали регіональної науково-практичної конференції / Красноармійський індустріальний інститут. – ДонНТУ, 28 листопада. – 2008. – С. 33–37.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

245

УДК 622.324.5

ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАНА ИЗ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ЕГО ПОСЛЕДУЮЩЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Составлена путем компиляции научных исследований, целью которых являлось исследование по установлению характера добычи метана из угольных пластов на шахтах Донбасса, а также стран ближнего и дальнего зарубежья. На сегодняшний день в странах дальнего зарубежья, в частности – на западе, разработана и уже внедрена технология извлечения из угольных пластов до 80% содержащегося в них метана. Достигается это с помощью пневмои гидродинамических (с помощью воды, пульпы или специальных растворов) воздействий на пласты, стимулирующих повышенную газоотдачу углей. Мировым научным сообществом доказано, что запасы метана в угольных плаcтах превышают запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн. куб. м. Наиболее значительные ресурсы сосредоточены в России, Китае, США, Австралии, ЮАР, Индии, Польше, Германии, Великобритании и Донецкой Народной Республике. Масштабный проект добычи метана уже реализован в США, где сформирована и задействована целая отрасль по добыче газа из угольных пластов. В ней работает уже порядка 200 американских фирм. В последние годы также начались интенсивные работы по извлечению метана в Австралии, Китае, Канаде, Польше, Германии и Великобритании. Технология добычи метана следующая: ведется она горизонтальными скважинами, пробуренными по пласту на расстояние до 1500 м, газ поступает на очистительную фабрику, где в соответствии с техническими требованиями обезвоживается, фильтруется, сжимается и далее по газопроводу высокого давления поступает в ряд населенных пунктов. В Канаде несколько лет тому начались экспериментальные работы по извлечению метана на участке Паллисер в провинции Альберта. Канадский газовый комитет прогнозирует, что метан угольных пластов, ресурсы которого составляют около 8 трлн. куб. м (тогда как ресурсы традиционного газа в

Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопа-лов И.Н. *

246

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

стране – 5 трлн. куб. м), в будущем станет основным видом добываемого газа в ряде районов Канады. В Великобритании известная компания Coalgas Ltd ведет добычу метана из двух заброшенных шахт - «Макхрам», расположенной недалеко от г. Мансфилд, и «Ститлей». Компания разработала альтернативный метод извлечения метана посредством его откачки через вентиляционные стволы шахт, куда он поступает из неотработанных угольных пластов. Таким образом, необходимость, возможность и экономическая целесообразность крупномасштабной добычи метана из угольных пластов подтверждаются опытом ряда стран дальнего зарубежья. По мнению западных экспертов, это направление будет неуклонно развиваться, и к 2020 г. мировая добыча метана из угольных пластов достигнет 100–150 млрд куб. м/год, а в перспективе промышленная добыча шахтного метана в мире может достигнуть до 470–600 млрд куб. м/год, что составит 15– 20% мировой добычи природного газа. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют по различным источникам 100–120 млрд. куб. м/год с учетом восточных и северовосточных бассейнов. Сегодня газообильность выработок составляет около 30–40 куб. м метана на тонну добываемого угля. Несмотря на очевидную перспективность, практика использования шахтного метана как энергетического топлива в России находится на уровне 5–10% от общего объема дегазации, хотя ежегодно в странах СНГ дегазационными установками из угольных шахт извлекается и выбрасывается в атмосферу около 3 млрд куб. м метана. Целевым назначением широкомасштабной добычи метана из угольных пластов является полное обеспечение потребностей шахтерских регионов собственным местным газом, который является наиболее доступным, наиболее дешевым и наиболее экологически чистым резервом из известных газов, альтернативных природному газу. В частности, метанодобыча может обеспечить энергетическую и экономическую безопасность Донецкой Народной Республики. Высокая теплотворная способность позволяет использовать шахтный газ для отопления жилых помещений, для производства электроэнергии и как топливо для автотранспорта предприятий.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

247

3. Комплексное освоение подземного пространства [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnoe-osvoenie-podzemnogo-prostranstvabolshih-gorodov. – Загл. с экрана. 4. Опыт использования подземного пространства [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://stroy-spravka.ru/article/opyt-ispolzovaniya-podzemnogo-prostranstva-vgorodakh. – Загл. с экрана. 5. Основные виды рисков в подземном строительстве [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://www.kharkovmetroproject.com/index.php?option=com_k2&view=%20item &id=78:osnovnye-vidy-riskov-v-podzemnomstroitelstve&Itemid=%20295&lang=ru.– Загл. с экрана.

248

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.274:622.14(477.62)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ ЦЕНТРАЛЬНОГО РАЙОНА ДОНБАССА, ОТРАБАТЫВАЮЩИХ КРУТОПАДАЮЩИЕ ПЛАСТЫ Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Приведены научные исследования в области рационального использования подземного пространства. Рассмотрены и оценены возможности, а также основные функции использования с максимальным эффектом ресурсного потенциала недр Донбасса. На сегодняшний день разрабатываемые в большинстве своем проекты закрытия неперспективных шахт центрального района Донбасса, как правило, не предусматривают использования поддерживаемых горных выработок, которые составляют от 50 до 70% стоимости основных фондов. В ряде научных работ ученых Московского государственного горного университета сформулировано предложение о размещении в подземном пространстве ликвидируемых шахт продуктов термического обезвреживания твердых бытовых (ТБО) и нетоксичных промышленных отходов (ТПО) в виде мелкофракционных шлаков (МФШ). Выполнено эколого-экономическое обоснование данного технического решения и показана его безусловная перспективность. Разработаны технологические решения по рациональному использованию горных выработок шахт, отрабатывавших крутопадающие пласты. Анализ опыта использования подземного пространства закрытых горных предприятий для размещения нетоксичных твердых отходов, накопленного в Германии и других странах, позволил выделить основные направления размещения отходов в горных выработках ликвидируемых угольных шахт. Прежде всего, отходы должны быть обезврежены. Наиболее распространенным и экологически чистым из современных способов утилизации отходов является термическое или пиролизное обезвреживание, после которого образуется 25–30% твердого нетоксичного и непатогенного остатка в виде МФШ.

Научные руководители – д.т.н., проф. Новиков А.О., к.т.н., доц. Шестопа-лов И.Н. *

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

249

Обезвреживание ТБО при соблюдении определенных технологических условий является экономически выгодным процессом. В силу целого ряда специфических особенностей шахт, разрабатывающих крутые угольные пласты, необходимо проведение дополнительных исследований. Анализ объемов горных выработок шахт Донбасса показал, что для обеспечения длительной работы предприятия по размещению в подземном пространстве МФШ необходимо организовать работу по созданию дополнительных полостей в целиках угля. Установлено, что даже при 40% – ном погашении целиков, объем пригодного для размещения МФШ подземного пространства увеличится более чем в 2 раза, при этом МСУ будут обеспечены собственным углем. Важнейшим условием повышения эффективности работы перепрофилированного предприятия является степень извлечения и реализации вторичных ресурсов. Современные средства механизации позволяют отделять из общей массы ТБО синтетические пленки, стекло, черные и цветные металлы, а также рекуперировать большую часть тепловой и электрической энергии. Расчеты показывают, что экономическая эффективность деятельности подобных предприятий растет с увеличением производственной мощности по гиперболической зависимости и ограничивается объемом производимых отходов. В заключении следует отметить следующее: вышеуказанные решения могут быть более эффективными при совмещении работ по добыче угля и обезвреживанию размещению ТБО в подземном пространстве действующей шахты. Это позволит снизить общешахтные расходы, за счет закладки выработанного пространства повысить степень извлечения запасов угля и снизить негативные проявления при сдвижении горных пород, использовать возможности действующего предприятия по поддержанию горных выработок и функционировании объектов поверхности.

Библиографический список 1. Комплексное освоение подземного пространства [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/kompleksnoe-osvoenie-podzemnogo-prostranstvabolshih-gorodov. – Загл. с экрана. 2. Опыт использования подземного пространства [Электронный ресурс] : информ. ресурс. - Электрон. дан. - [Б. м.], 2017. - Режим доступа: http://stroy-spravka.ru/article/opyt-ispolzovaniya-podzemnogo-prostranstva-vgorodakh. – Загл. с экрана.

250

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.831

ОСОБЕННОСТИ ПОДДЕРЖАНИЯ КОНВЕЙЕРНЫХ ШТРЕКОВ ПРИ СПЛОШНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ «КОММУНАРСКАЯ» Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Представлены результаты проверки эффективности применения комбинированного способа обеспечения устойчивости конвейерного штрека за счет использования жесткой опорной полосы на бровке лавы из породных полублоков в сочетании с продольно–балочной связью комплектов овоидной крепи с симметричными относительно напластования пород замковыми соединениями. Поддержание конвейерных штреков при сплошной системе разработки существенным образом осложняется воздействием знакопеременного нагружения крепи штрека в зоне опорного давления, на сопряжении с лавой и в зоне выработанного пространства. До момента набора несущей способности опорных конструкций, возводимых на бровке лавы, крепь выработки испытывает асимметричную нагрузку по своему контуру из-за проседания толщи пород кровли над лавой. Поэтому выбор рационального способа обеспечения устойчивости конвейерного штрека является важной технологической задачей, существенно влияющей на эффективность работы добычного участка, оснащенного высокопроизводительной очистной техникой [1–3]. Конвейерный штрек 11–й восточной лавы пласта k3 проводился проходческим комбайном КСП–32 с опережение лавы не менее чем на 30,0 м (рис. 1). В конвейерном штреке в качестве основной крепи выработки применялась металлическая овоидная крепь КМП–А5КМ–12,8 с комбинированным шагом установки рам крепи: три рамы устанавливались с расстоянием между ними по 0,5 м, а расстояние между 3–й и 4–й рамами равнялось 0,8 м. Применение такого способа установки рам основной крепи позволило оформлять запасные выходы из лавы и обеспечивало плотность установки рам по простиранию пласта равную 1,74 рам/м (рис. 1). Сечение конвейерного штрека в проходке составляло 27,8 м2. Сечение в свету до осадки – 21,4 м2, а после осадки – 12,8 м2. Затяжка кровли конвейерного штрека осуществлялась бетонной затяжкой, а боков выработки – металлической сетчатой и деревянной (распил из стоек диаметром 0,12 м) затяжкой.

Научные руководители – к.т.н., доц. Соловьев Г.И.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

251

Рис. 1 – Схема сопряжения транспортного штрека с 11-й восточной лавой пласта k3

Охрана конвейерного штрека осуществлялась за счет возведения жесткой опорной полосы из породных полублоков с шириной полосы по падению пласта 2,0 м. На бровке лавы устанавливались два ряда деревянной крепи под деревянный распил длиной 4,0 м. Промежуток между затяжкой крепи и полосой из полублоков закладывался рядовой породой от подрывки почвы конвейерного штрека. Усиливающая крепь в виде одной продольной балки из спецпрофиля СВП–27 подвешивалась к каждому верхняку основной крепи по центру выработки на двух металлических крючьях диаметром 0,024 м с помощью планки и двух гаек. Отставание крепи усиления от проходческого забоя не превышало 4,0 м (рис. 1). Общее состояние конвейерного штрека представлено на рис. 2.

Рис. 2 – Состояние конвейерного штрека 11-й восточной лавы пласта k3 при использовании продольно-балочной крепи усиления

252

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Дополнительная усиливающая продольная балка устанавливалась в конвейерном штреке на участке длиной 24 м: на расстоянии 4,0 м перед лавой и до 20,0 м вслед за лавой в зоне интенсивных смещений пород непосредственной кровли, обусловленных посадкой основной кровли и постепенным набором несущей способности опорными полосами, сооружаемыми на бровке лавы. При наличии зазора между продольными балками и верхняками основной крепи для обеспечения жесткого контакта между ними вставлялись отрезки деревянных шпал. Для установления особенностей механизма деформирования боковых пород на контуре конвейерного штрека при использовании продольно-балочной связи комплектов основной крепи были выполнены инструментальные наблюдения за смещениями вмещающих пород по контурным замерным станциям конвейерного штрека [4]. На контрольном участке были установлены контурные реперы и применялся традиционный способ крепления выработки арочной податливой крепью КМП–А5 с асимметричным расположением замков основной крепи относительно напластования и установкой перед и вслед за лавой металлических индивидуальных стоек крепи усиления из двух отрезков специального профиля СВП–27. На первом экспериментальном участках конвейерного штрека 11–й восточной лавы пласта k3 комплекты арочной податливой крепи КМП-А5 были связаны соответственно одинарной продольно–балочной крепью усиления (ПБКУ), которая устанавливалась в проходческом забое с отставанием от него до 4 м. На втором и третьем экспериментальных участках конвейерный штрек крепился овоидной (эллиптической) металлической крепью КМП–А5КМ–12,8 при связи ее комплектов по длине выработки соответственно одинарной и двойной ПБКУ (рис. 3). Продольная балка из спецпрофиля СВП–27 подвешивалась по центру выработки к верхнякам каждой рамы крепи с помощью двух длинных металлических крючьев с диаметром поперечного сечения 0,024 м, одной металлической планки и двух гаек (рис. 3). Отрезки балки длиной по 4,0 м соединялись между собой внахлест на 0,2 м двумя стандартными хомутами. Для установления особенностей механизма деформирования боковых пород на контуре конвейерного штрека при поддержании его в различных зонах проявления горного давления были проведены визуальные наблюдения за деформированием основной крепи конвейерного штрека и выполнены инструментальные замеры смещений пород кровли–почвы и боков выработки. Визуальные наблюдения за смещениями кровли, почвы и боков конвейерного штрека позволили установить, особенности деформирования боковых пород на контуре конвейерного штрека для двух способов проведения конвейерного штрека – с опережением забоем конвейерного штрека лавы на 40,0 м

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

253

(традиционно применяемый способ при отработке 11–й восточной лавы пласта k3) и с проведением конвейерного штрека вслед за лавой с отставанием от него на 6–8 м. Второй способ в основном был следствием военной ситуации в Донбассе, когда из-за нехватки лесоматериалов, взрывчатых веществ и детонаторов проходческие забои в основном простаивали, а лавы постепенно «выбрали» опережения своих конвейерных штреков.

Рис. 3 – Схема расположения контурной замерной станции в конвейерном штреке 11-й восточной лавы пласта k3 в разрезе (а) и в плане (б) выработки при расположении двух балок из СВП-27 по периметру овоидной крепи: 1 – верхняк крепи; 2, 3 – соответственно вертикальная и наклонная стойки овоидной крепи; 4 – замки крепи; 5 – продольная балка крепи усиления; 6, 7 – соответственно верхний и нижний контурные реперы; 8 – боковые реперы; 9 – жесткая опорная полоса из породных полублоков на бровке лавы

1. При наличии опережения конвейерного штрека в общем деформационном процессе боковых пород на контуре выработки можно выделить основные характерные особенности. На участке 15–20 м перед лавой начались первые проявления опорного давлении я в виде выдавливания почвы выработки на величину до 0,2–0,3 м и раздавливания в некоторых местах деревянной затяжки по кровле выработки. При этом не наблюдалось резких смещений замков крепи. Затем на участке длиной 8–10 м от окна лавы до места начала сооружения опорной полосы на бровке лавы выработка теряла 0,6–0,8 м и здесь преимущественно смещались породы кровли. На расстоянии 15–20 м вслед за лавой, на котором происходил набор несущей способности жесткой опорной конструкции и до расстояния 40–60 м вслед за лавой было реализовано 70–80% вертикальных и горизонтальных смещений, причем наибольшие смещения происходили на участке от окна лавы до расстояния 40 м за очистным забоем. При этом на данном этапе преобла-

254

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

дали смещения пород почвы и их величина достигла 1,2 м, что привело к необходимости выполнения подрывки почвы на отдельных участках конвейерного штрека на величину Δhподр = 1,0–1,2 м. На расстоянии 80–90 м вслед за лавой вертикальные смещения пород кровли конвейерного штрека 11–й восточной лавы пласта k3 стабилизировались и их дальнейший рост практически прекратился. 2. При проведении конвейерного штрека вслед за лавой наблюдалось существенное изменение механизма проявлений горного давления на контуре выработки. При данном способе проведения и поддержания конвейерного штрека можно выделить следующие характерные особенности деформирования вмещающих пород. На участке выработки от окна лавы до расстояния 15–20 м вслед за ней (участок набора несущей способности жесткой опорной конструкции) происходило интенсивное разуплотнение пород кровли и беспрепятственный рост зоны неупругих деформаций преимущественно в кровле выработки. Данный этап характерен еще тем, что здесь наблюдалось преимущественное смещение кровли и незначительное смещение почвы выработки (соответственно 0,25 м и 0,16 м на расстоянии 20 м вслед за лавой). На расстоянии от 20 м до 60 м вслед за лавой наблюдались интенсивные смещения вмещающих пород и было реализовано около 80% вертикальных и горизонтальных смещений. Следует отметить, что при проведении конвейерного штрека вслед за очистным забоем смещения пород кровли составили 0,82 м и превысили аналогичные смещения в штреке (0,75 м) при проведении его с опережением лавы (рис. 4). При этом на данном этапе смещения пород почвы и боков выработки были меньшими по сравнению со смещениями при проведении штрека с опережением лавы. Это можно объяснить положительным влиянием фактора проведения и поддержания конвейерного штрека по частично разгруженному массиву пород и отсутствием вредного воздействия на выработку временного опорного давления перед лавой. На расстоянии 80–90 м вслед за лавой, как и в первом случае, вертикальные и горизонтальные смещения боковых пород конвейерного штрека 11–й восточной лавы пласта k3 стабилизировались и их дальнейший рост практически прекратился. Таким образом, выполненные наблюдения за смещениями пород кровли на контуре конвейерного штрека позволили установить, что применяемый на шахте комбинированный способ поддержания и охраны конвейерного штрека при использовании двойной продольно-балочной связи комплектов основной крепи КМП–А5КМ–12,8 и возведении жесткой опорной полосы из породных полублоков обеспечивает устойчивое состояние конвейерного штрека весь срок службы выработки. При этом общие вертикальные смещения пород кровли и почвы при проведении штрека с опережением лавы и с отставанием от нее на контрольном

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

255

участке составили соответственно 2,0 и 1,8 м, а при использовании одинарной ПБКУ с асимметричными и симметричными замками соответствен-но – 1,2 и 0,75 м, 0,75 и 0,68 м. При двойной ПБКУ смещения кровли составили 0,5 и 0,36 м, что в 4,0–5,0 раза ниже, по сравнению с традиционно ранее применяемыми на шахте способом охраны выработок бутовыми полосами.

Рис. 4 – Графики зависимости вертикальных смещений пород кровли на контуре конвейерного штрека: (1 и 1*) на контрольном участке; (2 и 2*) при однобалочной крепи усиления с ассиметрично расположенными замками крепи; (3 и 3*) и (4 и 4*) смещения при использовании соответственно одинарной и двухбалочной крепи усиления с симметричными замками относительно напластования пород

Это позволяет сделать вывод о том, что данный комбинированный способ обеспечения устойчивости конвейерного штрека является наиболее целесообразным и эффективным для применения в рассматриваемых условиях.

Библиографический список 1. Черняк, И. Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: «Недра», 1993. – 256 с.

256

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

2. Каретников, В. Н. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник / Каретников В. Н., Клейменов В. Б., Нуждихин А. Г. // – М.: Недра, 1989. – 571 с. 3. Литвинский, Г. Г. Стальные рамные крепи горных выработок / Г. Г. Литвинский, Г. И. Гайко, М. И. Кулдыркаев // К.: Техніка, 1999. – 216 с. 4. Соловьёв, Г. И. Особенности поддержания конвейерных штреков при сплошной системе разработки / Г. И. Соловьёв, П. П. Голембиевский, Р. С. Муляр // Проблемы горного давления. – Донецк, 2016. – №2(29) – С. 17– 29.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

257

УДК 658.51:622.8

УПРАВЛЕНИЕ ВНЕДРЕНИЕМ НОВОГО СПОСОБА ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДИКИ SWIM LANE Муляр Р.С., студент гр. РПМ-12а, Агарков А.В., студент гр. РПМ-12а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Рассмотрены возможности и функции методики Swim lane. Представлены требования к схемам моделей бизнес-процессов. Изложены принципы обеспечения производственных операций на примере угольного предприятия. Обоснована предпочтительность использования методики «плавательных дорожек» руководством шахты. ШАХТА, ОХРАНА ВЫЕМОЧНОЙ ВЫРАБОТКИ, УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, ОРГАНИЗАЦИЯ НОВОВВЕДЕНИЯ, МЕТОДИКА SWIM LANE. Внедрение новых более эффективных технологических процессов на шахте всегда сталкивается с такой проблемой, как сопротивление переменам, которая значительно сдерживает начало использования нововведения. Существуют методики, которые позволяют улучшить организацию внедрения новшеств, однако по ряду причин существующих в горной отрасли они до настоящего времени еще используются довольно редко в практической деятельности управленческих структур шахт. Это главным образом объясняется тем, что не существует еще удачных и показательных примеров применения таких методик в горной отрасли, которые были бы убедительной рекламой быстрого внедрения нововведений и способствовали бы их повсеместному распространению. Такая проблема с внедрением характерна для весьма важной задачи подземной разработки месторождений полезных ископаемых, такой как обеспечение устойчивого состояния породного массива в окрестностях горных выработок, с целью создания условий для надёжного выполнения ими основных функций, которые позволяют производить выемку угля в очистном забое. Таким образом, одновременное внедрение в практику горного производства методики, ускоряющей организацию внедрения нововведения и способа охраны выемочной выработки, позволит комплексно решить в кратчайшие сроки актуальную задачу повышения устойчивости выемочной выработки в зоне влияния очистных работ для 11-й восточной лавы пласта k3 шахты «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс». *

Научные руководители – к.т.н., доц. Костюк И.С.

258

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

В настоящее время в ДонНТУ на кафедре РМПИ разработан и опробован на практике способ поддержания выемочных выработок в зоне сопряжения с очистным забоем за счет продольно-балочного усиления комплектов основной крепи [1], который позволяет обеспечить устойчивость выработки в момент самого интенсивного проявления опорного давления. Продольно–поперечная консолидация комплектов арочной крепи, за счет их связи продольными балками по всей длине выработки, позволяет изменить механизм взаимодействия породных отдельностей зоны неупругих деформаций за счет образования и сохранения устойчивых грузонесущих сводов на контуре боковых пород. Продольные балки за счет своей жесткости предотвращают проседания или искривления рам крепи или их элементов в продольно–поперечном направлении выработки.

Рис. 1 - Состояние штрека при использовании продольно-балочной крепи усиления

Длинная балка из отрезков прямолинейного спецпрофиля, длиной по 4 м, соединенных на каждом стыке внахлест на 0,5 м двумя хомутами. Балка подвешивается на 2–х специальных крючьях с планками и гайками по центру каждого верхняка крепи. Применяется однобалочная, двухбалочная симметричная и двухбалочная ассиметричная крепи продольно–жесткого усиления. Это позволяет при минимальных затратах сил и средств и без создания технологических помех основному процессу – ведению очистных работ в лаве снизить вертикальные и горизонтальные смещения и боковых пород на контуре выработки. Применение двухбалочной усиливающей крепи позволяет повысить эффективность работы арочной крепи за счет пространственной консолидации ее комплектов и создания жесткой каркасной конструкции и перераспределить повышенную и неравномерную нагрузку между перегруженными и недогруженными комплектами арочной крепи по длине выработки. Данный способ после испытаний нуждается в серийном использовании на практике. Вместе с тем, современный уровень управления производственными процессами базируется на использовании концепции «архитектуры предприятия», которая была представлена в 1987 г. и после этого была одной из наиболее эффективных управленческих инноваций [2].

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

259

Возможности этой концепции позволяют показать последовательность операций, их взаимосвязь, продолжительность их выполнения, их расположение и др., выбирают соответствующие методики [3], к примеру: план размещения, диаграмма состояний, блок-схема, картирование потока создания ценности, диаграмма спагетти, диаграмма «плавательные дорожки», диаграмма Ганта и многие др. Из приведенного перечня, на наш взгляд, наиболее эффективной и действенной для выполнения поставленных задач является методика Swim lane (плавательная дорожка) [4–5]. Таким образом, выше изложенные доводы свидетельствует об актуальности решения проблемы обеспечения устойчивости подземных горных выработок для снижения уровня травматизма и повышения эффективности добычи угля. Особенно важным является решение этой проблемы для 11-й восточной лавы пласта k3 шахты «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс» в зоне влияния очистных работ, потому что для выемочного участка актуален вопрос обеспечения удовлетворительного состояния сопряжения конвейерного штрека с лавой, поскольку применяемый до настоящего времени способ значительно сдерживает темпы ведения очистных работ [6]. Целью статьи является обоснование возможности методики Swim lane (плавательная дорожка) для ускорения, упрощения и рациональной организации внедрения способа продольно-балочного усиления комплектов основной крепи для охраны сопряжения конвейерного штрека с лавой 11-й восточной лавы пласта k3 шахты «Коммунарская» ПАО «Шахтоуправление «Донбасс». Устойчивость горной выработки — способность ее функционировать с заданными параметрами поперечного сечения и контура выработки в определенных условиях в течение требуемого отрезка времени. Она зависит от прочностных свойств системы горных пород и крепи выработки, которые могут противостоять проявлению нарастающего горного давления. До настоящего времени для обеспечения устойчивости конвейерных штреков в зоне влияния очистных работ наиболее часто используются такие способы, как оставление угольных целиков, сооружение бутовых полос, возведение деревянных обыкновенных или накатных костров, сооружение литых полос или полос из жестких бетонных плит, или полублоков. Расчётные методы выбора крепи для очистных и подготовительных выработок постоянно совершенствуются. Разрабатываются новые виды крепи, реализуются мероприятия по обеспечению устойчивости углевмещающих породных массивов в окрестности горных выработок. Технические службы шахт разрабатывают паспорта и проекты ведения горных работ в соответствии с отраслевыми нормативными документами, согласовывают их с вышестоящими инстанциями и выполняют все необходимые расчёты, в том числе по выбору крепи и мероприятий по поддержанию горных выработок. Несмотря на это несчастные случаи по причине обрушения пород происходят в два раза чаще, чем травмирование людей машинами и механизмами.

260

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Роль «плавательных дорожек» состоит в непосредственном наглядном описании всех производственных процессов и их общая взаимоувязка. Плавательные дорожки – это алгоритм выполнения процесса, поделенный на линии, полосы, «дорожки», в каждой из которых собираются действия, выполняемые одним из участников. Предположим, в каком-то производственном процессе участвуют несколько человек: руководитель в смене, руководитель по участку, его помощники, звеньевой и непосредственные исполнители. Каждому из них на диаграмме выделяется своя «дорожка». Элементы процесса располагаются на дорожках в соответствии с тем, кто выполняет и что именно. Диаграмма позволяет не только видеть последовательность действий, но и моменты, когда ответственность за процесс переходит от одного участника процесса к другому. Чаще всего, в неотлаженных процессах, именно в этих точках и возникает вид потерь под названием «ожидание»: например, документы или информация накапливается перед тем, как ее передадут другому участку. Чтобы оптимизировать процесс с помощью диаграммы «плавательные дорожки», нужно свести к минимуму количество передач процесса между участниками. В идеале, каждый должен участвовать в процессе один раз на всем его протяжении, как в эстафете: пробежал свой этап, передал заказ — эстафетную палочку следующему по процедуре участнику, и все, больше не возвращайся к этому заказу. Для каждого момента передачи эстафетной палочки должен быть составлен полный набор информации, которая должна передаваться. Если чего-либо не хватает, это будет означать, что процесс остановится, и все участники будут ждать, пока не появится необходимая информация. Также рекомендуется дополнять «плавательные дорожки» шкалой времени, которая отражает длительность отдельных операций, тогда получится комбинированная функционально–временная диаграмма процесса. Что касается технологических аспектов, то альтернативным, наиболее современным и эффективным способом охраны является применение продольно–балочной связи комплектов основной крепи для обеспечения устойчивости вентиляционного штрека в зоне влияния очистных работ на примере организации которого представлен метод «плавательных дорожек». Применение продольно-балочной усиливающей крепи позволяет повысить эффективность работы арочной крепи за счет создания жесткой каркасной конструкции и перераспределить повышенную и неравномерную нагрузку между перегруженными и недогруженными комплектами арочной крепи по всей длине выработки, что в свою очередь позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость продукции и травматизм рабочих, а также повысить эффективность добычи угля. Каждый день в одну из смен добычной участок планово посещает начальник участка, который знакомится с фактическим состоянием дел в

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

261

очист-ном и подготовительных забоях, а также в подготовительных выработках вблизи лавы. Каждый день в 2–3 смены, одна из которых ремонтно-подготовительная, участок посещают заместитель и помощники начальника участка, которые знакомятся с фактическим состоянием дел в очистном и подготовительных забоях, а также в подготовительных выработках вблизи лавы. В течение каждой смены горный мастер осуществляет руководство выполнением рабочих процессов технологического цикла, контролирует качество выполнения работ, соблюдение требований правил безопасности и норм технологического проектирования. По мере необходимости горный мастер связывается по телефону с руководством участка и диспетчером шахты для решения неотложных технологических вопросов. В конце каждой смены за 1 час до ее завершения (до начала технологического совещания («наряда») инженерно-технических работников последующей смены) горный мастер должен доложить помощнику начальника участка детальную информацию о состоянии дел в очистном и проходческом забое добычного участка, об объеме выполненных работ, о состоянии технологического оборудования участка, о необходимости подготовки и выполнения дополнительных работ, не предусмотренных технологическим паспортом работы участка, о наличии достаточного или необходимого оборудования и материалов на участке. Таблица 1 — Планограмма выполнения технологических операций Технологические процессы и (их кадровое обеспечение)

Время начала и окончания выполнения процессов, часы и последовательность их реализации 8-мь 9-ть 10-ть 11-ть 12-ть 13-ть

Возведение временной и постоянной крепи (4 чел., проходчики) Возведение жесткой полосы из породных полублоков (2 чел., ГРОЗ) Заполнение закрепного пространства мелкодробленой породой (2 чел., ГРОЗ) Возведение ремонтин (2 чел, ГРОЗ) Сооружение продольно-балочной крепи (3 чел, проходчики) Доставка материалов (2 чел., ГРП)

На сегодняшний день планограмма не отвечает современным требованиям к управлению таким сложным предприятием, как угольная шахта. Она имеет ряд недостатков по сравнению с наиболее современным подходом к менеджменту производственных процессов. Применение методики Swim lane позволяет максимально на данный момент повысить эффективность работы по внедрению и управлению производственными процессами, и является весьма перспективной ветвью развития

262

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

способов оптимизации подходов по рациональному использованию рабочего времени и трудозатрат.

Рис. 2 – Описание бизнес-процесса с применением методики Swim lane

Подводя итог, можно сделать следующие выводы: метод упорядочивания операций производственного процесса является одним из путей к повышению эффективности производства. Для этого рекомендуется применять методику «плавательные дорожки». В зависимости от того, какой преследуется конечный результат, а именно последовательность операций, их взаимосвязь, продолжительность их выполнения, их расположение и др., выбирают соответствующие показатели. Методика Swim lane дает возможность наилучшим способом визуализировать функциональное назначение операций производственных процессов и их взаимосвязь с последующими операциями, и позволяет наглядно представить их в удобной и понятной форме для каждого субъекта и объекта управления шахты.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

263

Библиографический список 1. Муляр, Р. С. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок продольно-балочным усилением комплектов основной крепи на шахте «Южнодонбасская №3» / Р. С. Муляр, Г. И. Соловьев // Инновационные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: сб. науч. труд. Редкол.: Н. Н. Касьян [и др.]. Вып. 2. – Донецк, 2016. – С. 179–182. 2. Кочнев, А. Архитектура бизнес-процессов [Электронный ресурс] / А. Кочнев. Режим доступа: https://iteam.ru/publications/processes/process_ control_system/design/business_lesson_6 3. Казарин, В. Визуализируйте вашу систему — Обзор используемых в производстве диаграмм [Электронный ресурс] Режим доступа: http://wkazarin.ru/2015/10/29/visualize-your-system-overview-of-diagrams-inmanufacturing/ 4. Бизнес-процессы: форма или содержание? [Электронный ресурс] Режим доступа: http://system-quality.com/businessprocess2.html 5. Костюк, И. С. Методика Swim lane как инструмент управления производственными процессами на шахте / И. С. Костюк // Стратегическое управление организациями: технологии управления: Сб. науч. тр. научной и учебнопракт. конф. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. — С. 225–236. 6. Соловьев Г. И. Методика определения параметров продольно-балочной крепи усиления / 2-й международный научный форум Донецкой Народной Республики / 2-я международная научно-практическая конференция "Инновационные перспективы Донбасса" / Том 1. Проблемы и перспективы в горном деле и строительстве. - г. Донецк, 2016 - С. 163-168.

264

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.268.6.001.57

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ НАРАБОТКА РАЗРУШЕНИЯ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ ГОРНОГО МАССИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Нескреба Д.А., аспирант, Поляков П.И., докт. физ.-мат. наук, профессор (ГУ «ИФГП» г. Донецк). Природные материалы имеют существенную изменчивость своих физико–механических свойств [1]. Особенно затрудняет положение тот факт, что практически невозможно работать с ненарушенным материалом в лабораторных условиях, т.е. добытый материал в любом случае будет иметь различного вида дефекты, такие как трещиноватость, расслоение и т.д. Один из методов избежать данной проблемы – это подбор эквивалентного материала со схожими физико–механическими свойствами. Также следует учесть, что послойная структура, сформированная энергией трения в горном массиве, формировалась длительное время, причем как таковое образование каждого из слоев, происходило при относительно невысоких нагрузках. Чаще всего природный материал в лабораторных условиях подвергают различным механическим испытаниям. Учитывая вышеизложенное, можно сделать предварительный вывод о том, что получаемые результаты имеют некоторую погрешность, в которую входят: 1) погрешность самой испытательной машины; 2) невозможность оценки нарушенности испытуемого образца. В данном случае целесообразно подобрать эквивалентный материал. Для этого нами был взят искусственный материал, в качестве заготовок – силикатный кирпич, из которого были сделаны образцы с гранями 55 х 55 мм. Предварительный эксперимент показал следующее: 1) На все образцы прилагали одноосную нагрузку, результаты по усилию оказались примерно в два раза меньше, что не совсем соответствует требованиям подобия, если проводить аналогии с образцами песчаника. 2) Делая сравнительный анализ полученных графиков (рис. 1) можно отметить, что разрушение в искусственном материале происходит без ступенчатого разрушения. Если учесть, что природный материал на натурных условиях находится в постоянном напряженном состоянии, то эквивалентный материал более наглядно будет показывать тенденцию к развитию нарушенности. Детально процессы разрушения можно рассмотреть на графике, представленном ниже (рис. 1).

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

265

Рис. 1 – График разрушения кубических образцов: 1 – песчаник, 2 – эквивалентный материал

В настоящий момент современная механика горных пород базируется за счет двух основных направлений: теории упругости и теории предельного состояния [2]. И чтобы было возможно корректно использовать описанные теории в механике разрушения природных материалов, необходимы достоверные данные, полученные методом экспериментального исследования, учитывая опыт большого количества наработок. Выводы Представленные зависимости (рис. 1) показывают сходства развития нарушенности природного материала и эквивалентного, одним из отличий является то, что в эквивалентном материале нарушенность протекает практически без ступенчатого разрушения, а так же усилия разрушения, если сравнивать с песчаником в 2 раза ниже. Использование эквивалентного материала становится корректным, если учесть следующие моменты: при добыче образцов невозможно влиять на развитие нарушенности в них, также немаловажным является то, что нагрузка с природного материала сначала снимается, после чего в лабораторных условиях снова прилагается, из-за чего появляется погрешность, оценить которую не представляется возможным.

Библиографический список 1. Охрана капитальных выработок от влияния очистных работ. Издательство «Техніка», 1983 г. 2. Техногенні катастрофи: моделі, прогноз, запобігання. Дніпропетровськ, НГУ, 2013 р.

266

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.831

ОСОБЕННОСТИ ПОДДЕРЖАНИЯ КОНВЕЙЕРНЫХ ШТРЕКОВ ПРИ СПЛОШНОЙ СИСТЕМЕ РАЗРАБОТКИ НА ШАХТЕ ИМ. А. А. СКОЧИНСКОГО Панин Ф.В., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк) * Приведен анализ способов обеспечения устойчивости конвейерных штреков при отработке пласта h61 «Смоляниновский» шахты им. А. А. Скочинского, проводимых с опережением очистного забоя и охраняемых бутокострами. Показано, что применение продольно–балочной связи комплектов крепи по длине конвейерного штрека в сочетании с жесткой опорой на бровке лавы позволит снизить величину вертикальных смещений. Обеспечение устойчивости подготовительных выработок глубоких шахт, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ, остается одной из основных проблем подземной угледобычи. За последние годы был предложен целый ряд технологических решений по обеспечению устойчивости выемочных выработок глубоких шахт. Однако применение большинства из предложенных способов осложнялось отсутствием учета особенностей механизма совместной работы вмещающих пород с основной и усиливающей крепями выемочных выработок при использовании сплошных и комбинированных (на базе сплошных) систем разработки [1,2]. На шахте им. А. А. Скочинского отработка 2-й и 3-й западных лав осуществлялась по комбинированной системе разработки. Конвейерный штрек проводился вслед за лавой с подрывкой пород кровли на 0,4 м и крепился комплектами деревянной трапециевидной крепи (рис. 1). На расстоянии 15–20 м вслед за лавой штрек расширялся до проектного сечения. Конвейерный штрек охранялся: - одним рядом бутокостpов, размером 2х2 м, с шагом установки 2,4 м, которые закладывались породой, извлекаемой из выработанного пространства с помощью крючьев-граблей через "окно-лаз"; - чураковой стенкой, шириной 1 м, над запасным выходом; - крепью сопряжения; - установкой усиливающей крепи из деревянных стоек Ø18-20см (металлических составных стоек из СВП-27) под верхняк каждой рамы крепи от забоя опережения до забоя перекрепления за лавой.

Научные руководители – к.т.н., доц. Соловьев Г.И.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

267

Несмотря на принятый способ охраны, в штреках наблюдаются интенсивные вертикальные и боковые смещения пород кровли, а также пучение почвы. Причинами такого характера деформации являются: - применяемые ранее бутовые полосы возводились не механизировано как по паспорту, а вручную и зачастую меньшей шириной, что увеличивало коэффициент её усадки и негативно сказывалось на перераспределении нагрузки от обрушаемых пород основной кровли вынимаемого пласта; - отсутствие жёстких искусственных опор возле охраняемых штреков; - некачественная забутовка закрепного пространства; - отсутствие мероприятий по борьбе с пучением. Для установления особенностей механизма деформирования боковых пород на контуре конвейерного штрека на различном расстоянии от очистного забоя были проведены визуальные наблюдения за деформированием основной крепи конвейерного штрека и выполнены инструментальные замеры смещений пород кровли-почвы и боков выработки в различных зонах ее поддержания. Для проведения наблюдений за смещениями боковых пород в конвейерном штреке были сооружены контурные наблюдательные станции из 4-х попарно соосных реперов – в кровле–почве и в боках выработки. Верхний и боковые контурные реперы устанавливались в средней части верхняка и на боковых стойках на высоте 1,6 м от почвы выработки. Эти реперы представляли собой «маркшейдерские точки» и были выполнены из стальной проволоки диаметром 0,002 м в виде крючков, которые завальцовывались в пропилы на боковых гранях арочного профиля. Нижний репер устанавливался по почве в середине выработки соосно с верхним репером. Он представлял собой металлический штырь длиной 0,15 м, который забивался в почву таким образом, чтобы его верхний конец был на 6–8 см ниже контура почвы. Визуальные наблюдения позволили установить, что характер смещений кровли и почвы на контуре конвейерного штрека 2–й западной лавы пласта h61 существенно отличен и их выдавливание в полость выработки происходит в противофазном режиме (рис. 3). В кровле выработки на расстоянии 60–70 м вслед за лавой наблюдается интенсивное давление на верхняк крепи со стороны выработанного пространства, что приводит к выполаживанию верхняка, разрыву хомутов в замках арочной крепи со стороны лавы (около 60–75% общего числа) и проскальзыванию элементов крепи в замке со стороны массива. В прочной почве пласта на расстоянии 40–50 м вслед за лавой наблюдается выдавливание прочного контура в сторону выработанного пространства с образованием продольной складки, гребень которой расположен на расстоянии 0,8–1,0 м от стойки крепи с завальной стороны. При этом породный гребень на расстоянии 110–120 м вслед за лавой разламывается с образованием

268

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

щели, ось которой наклонена в сторону выработанного пространства под углом 55–600.

Рис. 1 – Сопряжение 2-й западной лавы с конвейерным штреком

Рис. 3 – Характер смещений породного контура конвейерного штрека 2-й западной лавы пласта h61: I – на сопряжении с лавой, II и III – соответственно на расстоянии 60 и 120 м за очистным забоем

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

269

Результаты наблюдений за смещениями боковых пород на контуре конвейерного штрека 2–й западной лавы пласта h61 шахты им. А.А.Скочинского представлены на рис. 4. Из представленных графиков смещений видно, что на расстоянии 120 м за лавой при величине общих вертикальной конвергенции 3,5 м, смещения почвы составляет 2,0 м, а смещения кровли – 1,5 м.

Рис. 4 – Графики зависимости общих вертикальных (1) и горизонтальных (2) смещений кровли (11) и боковые смещения выработки со стороны лавы (21) от расстояния до очистного забоя 3-й западной лавы; 3 – общие вертикальные смещения боковых пород в конвейерном штреке 2-й восточной лавы при использовании одинарной продольно-балочной крепи усиления

Величина боковых смещений со стороны лавы и со стороны массива угля на расстоянии 120 за очистным забоем соответственно составляет 1,0 и 0,75 м. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что прочные породы обнаженной почвы пласта h61 и слабые породы кровли и боков выработки, закрепленные арочной крепью, синхронно выдавливаются в полость выработки и существенная интенсификация их смещений наблюдается на расстоянии 20–60 м вслед за лавой.

270

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Относительная стабилизация смещений происходит на расстоянии 140160 вслед за лавой. Следует отметить, что применение одинарной продольно-балочной крепи в условиях конвейерного штрека 2–й восточной лавы пласта h61 позволило обеспечить величину общих вертикальных смещений на контуре штрека на расстоянии 160 вслед за лавой равную 1,6 м (рис. 4) [3], что в 2,2 раза ниже, чем смещения в конвейерном штреке 3–й западной лаве при традиционном способе его поддержания. Поэтому, в данных условиях целесообразным является применение комбинированного способа поддержания конвейерного штрека с использованием продольно–балочной и упорно–лежневой крепей усиления в сочетании с возведением жесткой опорной полосы из породных полублоков по бровке лавы. Опыт применения жестких полос из породных полублоков в сочетании с продольно–балочной крепью усиления в конвейерных и вентиляционных штреках очистных забоев «ПАО шахтоуправления «Донбасс» показал высокую их эффективность [3,4].

Библиографический список 1. Черняк, И. Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: «Недра», 1993. – 256 с. 2. Каретников, В. Н. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник / Каретников В. Н., Клейменов В. Б., Нуждихин А. Г. // – М.: Недра, 1989. – 571 с. 3. Соловьев, Г. И. О сохранении устойчивости конвейерного штрека продольно-балочной крепью усиления на шахте им. А. А.Скочинского / Г. И. Соловьев, А. Р. Коваль, С. И. Литовченко // Сб. научн. тр. II Международной научно-практической конференции. Донецк: ДонНТУ, 2–3 октября 2007 г. С. 14–18. 4. Соловьёв, Г. И. Особенности поддержания конвейерных штреков при сплошной системе разработки / Г. И. Соловьёв, П. П. Голембиевский, Р. С. Муляр // Проблемы горного давления. – Донецк, 2016. – №2(29) – С. 17– 29.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

271

УДК 622.83+622.268.5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЛОКАЛИЗАЦИЯ ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА СОСТОЯНИЕ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК, ОХРАНЯЕМЫХ УГОЛЬНЫМИ ЦЕЛИКАМИ Посохов Е.В., ведущий горный инженер по горным работам «ВТС Ровенькиантрацит» (г. Ровеньки, ЛНР) Проанализированы способы охраны выемочных выработок глубокого заложения антрацитовых шахт Донбасса угольными целиками различных форм. Рассмотрены геомеханические процессы, происходящие во вмещающих породах, влияющих на конвергенцию. Определено влияние разгрузочных полостей на конвергенцию пород в выемочных выработках. Ключевые слова: выработка, конвергенция, охранные элементы, целик, податливость, реологические свойства пород, разгрузочные полости. Цель: определение и локализация вредных факторов, влияющих на состояние выемочных выработок, охраняемых угольными целиками для повторного использования в условиях глубоких антрацитовых шахт. Задачи: анализ охранных элементов, используемых на шахтах, определение факторов, влияющих на потери сечения выемочных выработок, определение влияния разгрузочных полостей на конвергенцию массива в окрестности выемочной выработки. Постановка проблемы. Поддержание выемочных выработок глубокого заложения является актуальной задачей современности. Повышенное вертикальное давление со стороны пород кровли обусловлено существенной вышележащей толщей пород, которая составляет 1000 и более метров; породы почвы склонны к поднятию (выдавливанию, пучению), увеличение трещиноватости и раздавливание тонких слоёв слабых пород мощными слоями крепких пород, повышением температуры вмещающих пород. Перечисленные факторы существенно влияют на конвергенцию пород в выемочных выработках, а также обеспечение горных работ. В настоящее время многие угольные предприятия испытывают ограничения снабжения по экономическим факторам. Увеличиваются сроки доставки материалов по предприятиям. В результате чего производственные участки вовремя не обеспечиваются необходимым количеством материалов. Инженерам приходится решать задачи в условиях неполного или отсутствия (дефицита) крепёжных, компонентных, лесо- и других материалов. В некоторых случаях, формирование охранной полосы для поддержания выемочных выработок из быстротвердеющих материалов (литые полосы), лесоматериалов (накатные костры) является весьма затруднительным и дорогостоящим.

272

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Материалы и результаты исследований. Охрана выемочных выработок ленточными целиками, широко используемых на антрацитовых шахтах Донбасса, не позволяет длительное время поддерживать выработки в удовлетворительном состоянии [1–3]. Распространёнными способами охраны выемочных выработок являются бутовые полосы (выкладка вручную), различные виды костров (накатные, кустокостры, бутокостры, костры), органная крепь, целики, литые полосы. Податливость до начала работы или создания сопротивления отпора происходит при усадке от 30 до 50% искусственных элементов, кроме литых полос, у которых первоначальная податливость составляет 5–10% [4–6]. Угольные целики являются жёстким охранным элементом на первоначальной стадии работы и активно противодействуют смещениям в опорной зоне. При смещениях основной кровли и почвы целики частично разрушаются [7]. В результате, податливость целиков увеличивается и приравнивается к бутовой полосе, то есть 30–50% [8]. Достаточно большая величина, если мощность вынимаемого пласта составляет 1,2 м. В итоге получится минимальное смещение пород на уровне 0,6 м, что больше максимальной податливости, наиболее распространённой крепи горных выработок – арочной из профиля СВП на 0,2 м. Литые полосы после полного затвердевания являются не податливыми, при крепости намного превышающей вмещающие породы, выполняют функцию обрезной крепи. Разрушенные таким образом породы почвы активнее влияют на потерю сечения выемочных выработок, чем кровли, так как не имеют отпора со стороны рамы крепи (арочный свод поддерживает породы кровли). Аналогичным образом работает угольный целик в начальной стадии сдвижения массива. Необходимо использовать механизмы взаимной работы охранного элемента рамы крепи и сдвижения, учитывая реологические свойства массива. Существующие способы не могут в полной мере обеспечить сохранность выработок до окончания отработки выемочного поля. На шахтах «1–2 Ровеньковская», «Красный партизан», «Должанская-Капитальная» использовали угольные целики трапециевидной и треугольной формы, а на шахте имени Космонавтов – прямоугольные. Лавы №393, 395, 397 на шахте «1–2 Ровеньковская» были оборудованы струговой установкой УСТ2М, посадочной крепью ОКУ, призабойной – стойками трения ТУ. Среднесуточная добыча по лаве № 393 составляла 700 т/сут, месячное подвигание линии очистного забоя – 60–65 м (табл. 1). Охрана конвейерных выработок осуществлялась комбинированным способом: треугольными целиками размером 5 х 5 м, выкладкой бутовой полосы со стороны выработанного пространства и органным рядом (рис. 1). Нижняя приводная станция забойного конвейера вынесена на конвейерную выработку. Конвейерные выработки проводились способом БВР и закреплены рамами КМП–А3/11,2 из СВП–22 с шагом установки 1,0 м. Вентиляционные выработки проводились вслед за лавой вприсечку с оставлением ленточного целика шириной 5 м к вышележащей выработке. Форма поперечного сечения арочная из СВП–22, сечением вчерне 9,2 м2, шаг

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

273

установки крепи – 1,0 м. Охрана вентиляционных выработок осуществлялась кострами и органным рядом. Вентиляционные выработки и конвейерные выработки погашались после отработки выемочного поля лавы. Вентиляционные выработки использовались для доставки материалов и проветривания выемочного участка, конвейерные выработки как запасные выхода. Конвейерная выработка при отработке 1–й лавы поддерживалась в хорошем состоянии до 300 м после прохода лавы, после чего со стороны кровли конвергенция массива увеличивалась, состояние выработки оценивалось как удовлетворительное до конца отработки выемочного поля. При отработке выемочного поля второй лавой конвейерные выработки на протяжении всего срока отработки не перекреплялись, потеря сечения составляла 45–65%. Потеря сечения вентиляционных штреков составляла 10–18%. Распределение потери сечения конвейерных штреков составили: 45% кровля, 35% почва и 20% бока. Выдавливание почвы было равномерным без крупных разрывов и перепадов. Слои плавно поднимались от боков выработки к высшей точке – центру. Потери сечения из боков происходили при раздавливании краевых частей пласта и нижнего слоя кровли, мощностью 0,5–0,8 м. Раздавленные слои вытеснялись в сечение выработки, деформируя межрамные перекрытия и рамы крепи. Давление пород кровли косонаправленое со стороны выработанного пространства. Этот процесс связан с оседанием пород основной кровли в выработанном пространстве и разрушением их над охранными элементами. Скорость прохождения (выемки угля) лавами значительно не повлияла на состояние выемочных выработок. При отработке выемочного поля лавой №395 скорость отработки была в 2 раза выше, чем лав №393 и №397. Состояние выемочных выработок лавы №395 до 70 м было лучше на 7–12 %, но после смещения увеличивались и были приблизительно равны как и в выемочных полях лав №393 и №395. При увеличении глубины разработки увеличилась конвергенция массива на 2–5% на каждые 100 м. На шахте имени Космонавтов использовали для охраны выемочных выработок прямоугольные целики. Горная масса из лавы №2 транспортировалась по промежуточному штреку №1 (табл. 1). Промежуточный штрек №1 проведен за лавой №1 с подрывкой пород кровли, использовался как вентиляционная выработка. Выработка закреплена стандартным комплектом крепи КПМ– А3/11,2 из СВП–22 и дополнительной ножки из СВП–22, длиной 0,8 м со стороны лавы №1, соединённой замковым соединением (рис. 2). Подошва выработки сформирована горной массой из забоя при проведении выработки. Со стороны лавы №1 пром. штрек №1 охранялся бутовой полосой, шириной 10 м. Длина пром. штрека №1 составляла 1850 м. Конвергенция почвы за время отработки выемочных полей 2-х лав не превышала 10–15%. Это объясняется сформированной ручным способом подошвы и бутовой полосы, которые уплотнялись при смещениях слоёв почвы. Конвергенция кровли составляла 70–75% от общей по выработке. Повышенное давление на угольные целик

274

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

«провоцировало» выдавливание в сторону пром. штрека №1, деформацию боковой стойки и разрывы замковых соединений. Просек лавы №2, проводимый с опережением лавы на 50–100 м перекрепляли 2–3 раза с заменой деревянных рам на крепь КПС–3,0, затем полная замена рам КПС–3,0 с выпуском пород, частичной поддиркой почвы. Целик как жёсткая опора воспринимал основную нагрузку пород кровли, в результате чего, непосредственная кровля разрушалась и создавала давление на рамы крепи. Аналогичные деформации происходили с породами почвы, но без существенных разрывов слоёв. Вентиляционный ходок №7 проводился во восстанию за лавой №7 с подрывкой пород кровли (рис. 3). Разгрузочная полость – берма, формировалась с верхней нишей лавы №7 шириной 1,0–1,5 м, высотой равной мощности пласта и крепилась деревянными рамами (две деревянные стойки диаметром 0,15– 0,18 м под распил). Со стороны лавы №7 выкладывалась бутовая полоса шириной 15 м. Выработка использовалась для подачи в лаву свежей струи воздуха, доставки материалов как запасной выход. Состояние вентиляционного ходка №7 после прохождения лавы №7 оценивалось как хорошее, потери сечения составляли 10–15%. При отработке смежного поля лавы №8 в вентиляционном ходке №7 провели работы по анкерованию кровли канатными анкерами длиной 6 м, а также металлическими анкерами длиной 2,5 м, установленные веерообразно в кровлю со стороны лавы №8. Охранный элемент со стороны лавы №8: деревянные костры и 2 ряда органной крепи. Некоторое время после прохода лавы №8 вентиляционный ходок поддерживался для доставки. На 50% сечения выработки со стороны лавы №8 выкладывались деревянные костры на всю высоту выработки, по центру устанавливали деревянную крепь усиления – ремонтины.

Рис. 3 – Комбинация охранных элементов при повторном использовании вентиляционного ходка №7

Произведенные мероприятия не принесли положительного эффекта, так как конвергенция выработки была значительная. Повысилась трещиноватость непосредственной кровли, появилось незначительное поднятие почвы в опорной зоне. Трещиноватая кровля отслаивалась между анкерами, происходили обрушения кровли на сопряжении лавы №8 и вентиляционного ходка №7

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

275

мощностью до 2 м. Формирование жёсткого анкерного свода вокруг выработки и высокоподатливого охранного элемента способствовало повышенному напряжению в опорной зоне. В результате замковые соединения, элементы крепи разрушались впереди лавы на расстоянии 35–40 м, увеличивая влияние опорной зоны с 20 до 40 м. Практическим путём найден способ, позволяющий поддерживать вентиляционный ходок №7 в эксплуатационном состоянии при отработке выемочного поля лавы №8. Канатный и металлические анкера перестали использовать, со стороны лавы №8 формируют целики размером 4х2 с выкладкой деревянных костров со стороны выработанного пространства, крепление бермы остаётся без изменений. Жёсткий угольный целик выполняется «обрезную» функцию, после прохода лавы и посадки основной кровли опорное давление снижается. После прохода лавы вентиляционный ходок №7 погашается. Изучение практики поддержания выемочных выработок глубокого заложения на антрацитовых шахтах позволяет проанализировать реологические свойства массива пород в конкретных условиях со сходными способами охраны и поддержания. Угольный целик в начальной стадии является жёстким охранным элементом, разделяя выработанное пространство и выемочную выработку на две отдельные зоны разгрузки пород. Породы почвы выдавливаются в выработанное пространство и сечение выработки после прохода первой лавы, начиная с опорной зоны. До опорной зоны поднятия верхних слоёв почвы незначительны или отсутствуют. Поднятие верхних слоёв почвы происходит при высвобождении от вышележащей толщи пород, когда массив находился в уравновешенном состоянии в результате упругих свойств горных пород. Величины поднятия почвы, опускания кровли зависят от крепости, трещиноватости, мощности слоёв. Менее крепкие породы склонны к протеканиям в них быстрых упругих реакций, которые часто переходят к неупругим деформациям слоёв. Над и под целиком формируются зоны разрушений слоёв, повышенной трещиноватости. Краевые части целика разрушаются и вытесняются в сторону выработанного пространства и сечения выработки (рис. 4). Податливость целика не превышает 10%. В результате оседания основной кровли в целике возрастают напряжения и неупругие деформации. Такие зоны встречаются на расстоянии 80–200 м после прохода лавы. При длительном влиянии основной кровли трещиноватость многократно возрастает, целик работает в податливом режиме, который сравним с бутовой полосой. Общая конвергенция массива на этом участке достигает 40–50% от мощности пласта. Такие зоны встречаются на расстоянии 200 и более метров после прохода лавы.

276

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 4 – Распределение напряжений в окрестностях выемочной выработки глубокого заложения антрацитовых шахт

Разгрузочные полости, применяемые на шахтах, различаются типами и размещением в выработке относительно лавы (со стороны массива или со стороны лавы). Щелевые разгрузки с применением взрывчатых материалов применяются для предотвращения интенсивного поднятия пород почвы, обрушения краевых по отношению к выработке нижних слоёв основной кровли [9]. Бермы чаще формируются при комбинированной системе разработки вместе с нишей по пласту угля. Размещаются бермы со стороны массива размерами 1– 1,5 мощности пласта [2]. Крепь – деревянные рамы, устанавливаемые с шагом равным шагу основной крепи выработки. Бермы увеличивают общий периметр обнажения пород в выемочной выработке. При интенсивных поднятиях пород почвы за счёт увеличения ширины выработки напряжения распределяются равномерно в сечении выработки. Разломы верхних слоёв почвы происходят в сечении бермы, из-за сопротивления целика напряжениям поднятия пород. Опускания пород кровли интенсивнее протекают в берме, чем в выемочной выработке из-за меньшего сопротивления крепи. Разрушение и выдавливание пород происходит в полость бермы, разгружая боковую зону массива в краевой части. Охрана выработок ленточными или квадратными целиками подразумевает проведение просека параллельно выемочной выработке, транспортировкой горной массы скребковыми конвейерами по цепочке «печка-просек». По просеку длина конвейера составляет 30–100 м, по печке или ходку на 2–3 м больше ширины целика. Таким образом, формируются участковые транспортные выработки. Для снижения напряжений на целик проводят вентиляционные печи через 5–10 м шириной 2–3 м, высотой равной мощности пласта. В

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

277

таком формате целики являются концентраторами напряжений, а вентиляционные печи разгрузочными полостями. Научными исследованиями доказано, что такое расположение охранных элементов снижает интенсивность поднятия пород почвы выемочных выработок [10]. Практикой поддержания выемочных выработок глубокого заложения угольными целиками различных комбинаций, в том числе с компенсационными и разгрузочными полостями для повторного использования доказана практическая состоятельность, использование в условиях средне- и труднообрушаемых пород кровли, различной устойчивости почв. Комбинации разгрузочных полостей частично нивелируют первоначальную жёсткость угольных целиков в начальный период работы при конвергенции слоёв непосредственной кровли и почвы. Период до осадки основной кровли характеризуется небольшими смещениями. После осадки основной кровли от 300 м после прохождения лавы происходит разрушение целика и увеличение конвергенции массива. На расстоянии 300–600 м смещения достигают до 30–40% мощности пласта. В этот период необходимо обеспечить в выработках податливость рам крепи, чтобы избежать разрушения профиля. Выводы Для повторного использования выемочных выработок в условиях глубоких антрацитовых шахт охраняемых угольными целиками различных форм необходимо поэтапно локализовать влияние вредных факторов в процессе отработки выемочного поля. Поднятия пород почвы снижаются при уменьшении жёсткости целиков в начальный период, смещение (раздавливание) слабых пород в бортах выработки в период после прохода лавы, увеличения вертикальных смещений при оседании пород основной кровли. Комбинации угольных целиков трапециевидной, треугольной форм и разгрузочных полостей способствуют перераспределению напряжений в краевых частях вмещающих пород, в зоне охранных элементов, что в конечном итоге снижает смещения в сечение выработки, повышает эффективность противодействия арочной крепи вертикальным смещениям, повышает безремонтынй срок эксплуатации выработки.

Библиографический список 1. Посохов, Е. В. Влияние целиков переменной ширины на устойчивость подготовительных выработок / Е.В. Посохов // Уголь Украины. – 2016. – №6-7. – С. 10–14. 2. Борзых, А. Ф. Влияние разгрузочной бермы на устойчивость присечной выработки / А. Ф. Борзых, А. В. Тоцкий, В. И. Радченко // Уголь Украины. – 2000. - №6. – С.14–16.

278

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

3. Титов, Н. В. Пути повышения эффективности разработки тонких и средней мощности пологих антрацитовых пластов: монография / ШИ ЮРГТУ. – Ростов н/д: Из-во журн. «Изв. Вузов Сев.-Кавк. регион». 2006. – 196 с. 4. Соловьёв, Г. И. Анализ способов обеспечения устойчивости выемочных выработок глубоких шахт / Г. И. Соловьёв, А. Л. Касьяненко, Я. О. Шуляк и др. // Сборник материалов региональных научно-практичной конференции «Геотехнологии и охрана труда в горной промышленности» КП ДонНТУ / Красноармейск – 2009. – С. 77–85. 5. Казанин, О. И. Использование охранных сооружений для поддержания выемочных выработок угольных шахтах / О. И. Казанин, Ю. Н. Долоткин, И. В. Скрыльников // Горно-информ. бюл. – 2011. - №1. – С. 34–39. 6. Ильяшов, М. А. К вопросу актуальности охраны подготовительных выработок литыми полосами / М. А. Ильяшов // Горно-информ. бюл. – 2008. №1. – С. 35–39. 7. Титов, Н. В. Эффективность охраны выемочных выработок податливыми целиками на антрацитовых шахтах / Н. В. Титов, Ю. В. Турук // Горноинформ. бюл. – 2011. - №2. – С. 65–68. 8. Борзых, А. Ф. Совмещённая опорно-податливая связь крепи с ограждением – резерв повышения устойчивости выработок / А. Ф. Борзых, К. Е. Скрыпник, Е. В. Посохов // Уголь Украины. – 2014. - №7. – С.6–9. 9. Соловьёв, Г. И. О способах предотвращения выдавливания пород почвы выемочных выработок глубоких шахт / Г. И. Соловьёв, С. Г. Негрей, А. Л. Касьяненко, В. Н. Мокриенко, О. Б. Белогуб // Сборник материалов региональных научно-практичной конференции «Геотехнологии и охрана труда в горной промышленности» КП ДонНТУ / Красноармейск – 2009. – С. 85–92. 10. Мокриенко, В. Н. Обоснование параметров способа охраны выработок жёсткими сооружениями с компенсационными полостями [Текст]: автореф. дис. канд. тех. наук. 05.15.02 / Мокриенко Владимир Николаевич. – ДНВЗ «ДонНТУ», 2013. – 21 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

279

Таблица 1 – Характеристика горно-геологических и горнотехнических условий исследуемых выемочных участков Показатели Лава:

длина, м скорость подвигания, м/мес, секции крепи

Пласт:

- мощность, м, -угол падения, град, -глубина разработки

Категория устойчивости боковых пород:

- основной кровли -непосредственной кровли -основной почвы

Наименование выработки

Тип крепи Шаг установки Высота всвету Ширина всвету Подпывка боковых пород

1-2 Ровеньковская

Красный партизан

Потери сечения Средняя Максимальная

Ремонтные работы

им. Космонавтов

395

397

359

79-бис

106

250

300

280

200

290

270

120 ОКУ-2

65 ОКУ-2

1МКД90

65 2МКД90

110 2МКД90

130 2МКД90

90 2МКД90

70 2МКД90

h7 0,9 8 970

h7 0,9 8 1050

k5 1,15 7 1250

k6 1,2 10 1000

l6 1,1 9 880

l6 1,45 4 990

h8 1,2 12 920

h8 1,3 7 1050

А2, Б3-4, П3

А2 Б3-4 П3

А2 Б2-3 П3

А2 Б2 П2

А3 Б3 П3

А2 Б2 П3

А2-3 Б4 П3

А2-3 Б3-4 П3

КМПА3/11,2 0,8 3,13 4,18 верхняя

КМПА3/11,2

КМПА3/11, 2 0,8 3,13 4,18 верхняя

КМПА3/9,2 0,8 3,13 4,18 верхняя

Прямоугольные 4х6

Трапециевидные 4х4

Трапециевидные 2,5х3

0,8 3,13 4,18 верхняя

Форма целика Длина Ширина

Должанская-Капитальная

Прямоугольные 10х50; Трапециевидные 8х5

Треугольные 5х5

Прямоугольные 4х2

35-40% 73%

37-43% 71%

24-28% 28-32% 20-25% 31-36% 35-43% 29-34% 52% 74% 59% 63% 77% 62%

Замена межрамных перекрытий, замковых соединений

Перекрепление с полным выпуском породы

- (погашение выработки за лавой)

Перекрепление с частичной заменой крепи, поддирка почвы.

- (погашение выработки за лавой)

Прямоугольные 4х2

Перекрепление с полным выпуском породы

280

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

а) Рис. 1 – . . .

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

б)

281

Рис. 1 – Комбинация охранных элементов при отработке выемочных полей лав №393 и № 395 а) при отработке лавы 393; б) при отработке лавы 395

282

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 2 – Комбинация охранных элементов при повторном использовании промежуточного штрека №1: а) первоначальный вариант после проведения выработок; б) после перекрепления просека

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

283

УДК 622.257.12

ЛИКВИДАЦИЯ ПРОРЫВА ГРУНТОВОЙ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩ Рыжикова О.А., ст. преп. кафедры «Горное дело» (АФГТ ГОУ ВПО ЛНР «ЛНУ им. В. Даля», ЛНР), Должикова Л.П., ст. преп. кафедры «Строительные конструкции» (ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», ЛНР) Рассмотрена ликвидация прорыва грунтовой дамбы хвостохранилища с помощью тампонажных работ глиноцементным раствором. Ключевые слова: прорыв, глиноцементный раствор, скважина, технологическая схема, хвостохранилище, процесс структурирования, гидронакопитель. Одним из основных видов нарушения физико-технического состояния грунтовых дамб является прорыв загрязненных вод по каналу большого раскрытия в зоне основания дамбы. При этом наиболее эффективной технологией ликвидации прорывов грунтовых дамб горных гидронакопителей является комплексный метод тампонажа глиноцементными растворами [1]. Следует отметить, что ликвидация аварийной ситуации достигается за счет интенсификации процесса структурирования тампонажного раствора и обеспечения режима гидрозакладки фильтрационного канала [2,3]. Данная технология эффективно была применена при ликвидации прорыва грунтовой дамбы хвостохранилищ ЦОФ «Нагольчанская» (2014 год). Хвостохранилище обогатительной фабрики расположено в балке югозападнее от шахты «Комсомольская». Грунтовая дамба длиной 250 м имеет неправильную трапецевидную форму с малым основанием 9,5 м. Высота дамбы составляет 8 м. В зависимости от уровня заполнения площадь водного зеркала хвостохранилища составляет 98–100 тыс. м2, а объем гидронакопления достигает 500 м3. Дамба сложена четвертичными аллювиальными суглинками, уплотненными с укреплением бетонными плитами в верхней части. Срок эксплуатации дамбы – более 30 лет (рис. 1). Весной в момент предельного заполнения хвостохранилища на контакте дамбы и основания произошло высачивание, а затем прорыв неосветленных вод. Форма фильтрационного канала была неправильной и со временем увеличивалась. Все попытки грунтовой засыпки аварийного канала результатов не дали. По примерным оценкам расход фильтрационного канала составляет около 300 м3/час. Поэтому было принято решение о тампонировании канала прорыва глиноцементным раствором через скважины, пробуренные с гребня дамбы (рис. 2).

284

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 1 – Схема и размеры хвостохранилища ЦОФ «Нагольчанская»

Рис. 2 – Схема ликвидации прорыва дамбы: 1– дамба; 2 – хвостохранилище; 3 – закладочная скважина; 4 – тампонажный раствор в канале прорыва; 5 – опрессовочные скважины

Для этого было выполнено бурение закладочной и опрессовочных скважин. Бурение выполнялось диаметром 112 мм установкой УРБ-2А2. Закладочная скважина была обсажена трубами Ø 108 мм на глубину 7 м, после этого был вскрыт канал прорыва. Технологическое оборудование для тампонажа было расположено в стороне от дамбы, а длина трубопровода Ø 42 мм составила 115 м.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

285

Приготовление глиноцементного раствора осуществлялось порционно в промежуточной емкости 2 м3. С помощью смесителя СМН-20 и насоса АНБ32 приготавливается тампонажный раствор с постепенным добавлением цемента до 400 кг/м3, концентрация жидкого стекла составляла 20 кг/м3. Скорость течения тампонажного раствора составляет 0,25 м/с, через 8–10 минут раствор поступал в фильтрационный канал и осаждался в донной части. Порционное нагнетание тампонажного раствора позволили постепен-но приостановить, а затем ликвидировать канал прорыва. Общий объем закладочного раствора составил 14,5 м3. На заключительной стадии закладки остаточное давление на насосе составило 0,3 МПа. После этого были пробурены две наклонные опрессовочные скважины Ø 112 мм и глубиной 10 м. Закачка глиноцементного раствора (глинистый раствор плотностью 1,2 г/см3, цемента 100 кг/м3, жидкого стекла 10 кг/м3) по технологической схеме «через устье» выполнялась под давлением 2,5– 3 МПа, что позволило выполнить уплотнение деконсолидированных зон и стабилизировать противофильтрационное состояние дамбы. Общий объем закачанного тампонажного раствора через опрессовочные скважины составил 9 м3 (табл. 1). Таблица 1 – Показатели тампонажных работ при ликвидации прорыва грунтовой дамбы Единица № п/п Наименование видов работ Объемы измерения 1

Бурение закладочной скважины

Нагнеание закладочного тампонажного раствора

Бурение опрессовочных скважин (2 шт.)

Нагнетание тампонажного раствора (2 скв.)

п. м.

8,0

м3

14,7

п. м.

м3

9,0

Таким образом, в результате проведения работ по ликвидации прорыва грунтовой дамбы была доказана правильность методики проектирования технологических параметров тампонажа крупных фильтрационных каналов в режиме гидрозакладки, получила развитие технологическая схема тампонажных работ, доказана высокая эффективность применения глиноцементных растворов с повышенным содержанием вяжущего и структурообразователя при ликвидации аварий в грунтовых дамбах. Разработанная технология с успехом может применяться и на других аварийных шахтных гидронакопителях.

286

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Библиографический список 1. Пронский, Д. В. Причины аварийности дамб из грунтовых материалов и перспективные способы их ремонта: Сб. научн. тр. / Д. В. Пронский, О. А. Рыжикова // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. – Донецк: Світ книги, 2012. – вып. 18. – С. 112–114. 2. Должиков, П. Н. Исследование процесса ликвидации прорыва грунтовой дамбы. Сб. научн. тр. ДонГТУ / Должиков П. Н., Рыжикова О. А., Кипко А. Э. – Алчевск, 2012. – № 38. – С. 217–223. 3. Кипко, Э. Я. Проектирование глиноцементных тампонажных растворов. Монография. // Э. Я. Кипко и др. – Дн-ск: НГУ, 2009. – 181 с.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

287

УДК 622.28.044

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СПОСОБА ЗАКРЕПЛЕНИЯ АНКЕРА МЕТОДОМ ПРЕССОВОЙ ПОСАДКИ Степаненко Д.Ю., студент гр. РПМ-13б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* В статьях студентов Лиманского А.В. «Лабораторные испытания ресурсосборегающего способа закрепления анкера» и Лежавы Д.И. «Исследование способа закрепления анкера» приведено описание лабораторных экспериментов нового способа закрепления анкера [1]. В машиностроении данный способ соединения труб разного диаметра получил название «метод прессовой посадки». Проводя аналогию с этим методом, можно сказать, что в новом методе закрепления анкера также используется метод прессовой посадки. Исследование усилия закрепления анкера в статическом режиме проводили в лабораторных условиях методом структурного моделирования. Оценку эффективности механических систем удобно проводить через величину работы совершенной системой. В данном случае работа впрессовки и выдергивания будет равна площади под соответствующей кривой (рис. 1 в статье студента Лиманского А.В.). Общая работа на вдавливание на 17% больше, чем работа на выдергивание. На разных этапах нагрузки это соотношение разное. Так на участке отверстия 0–50% от его длины разница работ 51%, а на участке 50–100% длины – всего 2%. Основная разница работ на вдавливание и вытягивание наблюдается в устьевой части отверстия. Что объясняется максимальным истиранием отверстия в устьевой части, через которую движется весь стержень. Анализ кривых нагрузка–деформация впрессовывания и их сравнение для разного соотношения диаметра отверстия и стержня проведем через модуль деформации впрессовывания, который определим как тангенс угла наклона кривых на графиках рис. 1 и характеризует сопротивление материала вдавливанию. Соответственно α1 =820, α 2 =740, α 3 =420. Построим зависимость модуля деформации впрессовывания от отношения диаметров отверстия и стержня (рис. 2).

Научный руководитель – ст. преп. Дрипан П.С.

288

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Рис. 1 – Изменение давления впрессовки анкера от глубины впрессовки при превышении диаметра анкера над диаметром шпура соответственно: 1 – на 3,8%; 2 – на 2,5%; 3 – на 1,3%

Рис. 2 – Зависимость модуля впрессовывания анкера от величины превышения диаметра анкера над диаметром отверстия: 1 – данные лабораторных испытаний; 2 – теоретическая кривая

Полученная в лабораторных условиях кривая достаточно хорошо аппроксимируется параболической зависимостью вида Евпрес = 0,465d 2 + 0,219d , с коэффициентом корреляции 0,99.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

289

Выводы В результате проведенных исследований установили, что при статическом режиме работа вдавливания и выдергивания анкера отличается на разных этапах нагружения. Также проведенные исследования позволили определить зависимость изменения усилия вдавливания от разности диаметров шпура и отверстия, что позволяет рассчитывать параметры предлагаемого способа установки анкеров.

Библиографический список 1. Патент на корисну модель №55763 Україна. МКИ Е21D 20/00. Спосіб встановлення анкера / Касьян М. М., Новіков О. О., Петренко Ю. А., Дрипан П. С., Шестопалов І. М., Гладкий С. Ю., Виговський Д. Д. – Заявл. 04.06.2010 ; опубл. 27.12.2010; бюл. № 24. – 6 с.

290

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.817:622.411.33

ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩИХ КОМПОНЕНТОВ В УГЛЕ В УСЛОВИЯХ ИМПУЛЬСНОГО НАГРУЖЕНИЯ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ РАЗГРУЗКИ Хащеватская Н.В., аспирант, Шатохин С.В., инженер, Вишняков А.В., м.н.с., Ожегова Л.Д., ученый секретарь, Вишняк Ю.Ю., м.н.с. (ГУ «ИФГП», г. Донецк) В результате проведенных исследований установлено, что механизм диффузии водородосодержащих компонент из угля имеет весьма сложный характер, однако несомненно то, что он определяется физическими процессами, которые приводят к возбуждению сверхбыстрых реакций разложения водородосодержащих компонент, в том числе и химически связанной воды, путем перехода механической энергии непосредственно в химическую, что приводит к инициирующему самоускорению и критическим явлениям ГДЯ. Выделение водородосодержащих компонент из угля имеет многостадийный характер, связанный с наличием различных механизмов диффузии через весьма неоднородную структуру угольного вещества. Время десорбции газа из элементов иерархической структуры угля определяется, в первую очередь, степенью его деструкции. Установление количественных значений энергетических параметров дифузных переходов является главным вопросом исследования и заключается в том, достаточно ли количество водородосодержащих компонент выделяется из угля при импульсном воздействии на него (давление в 600 МПа считается минимальным при взрыве) и последующей высокоскоростной разгрузки, чтобы играть заметную роль в развитии диффузионных процессов системы «уголь-газ» При описании диффузионных процессов в высокомолекулярных средах, в том числе и в молекулярной структуре угля, в общем случае, коэффициент диффузии определяется температурой и энергией, необходимой для молекулярных перегруппировок – энергией активации. Причем, можно принять, что в большинстве случаев коэффициент диффузии в твердых телах увеличивается с ростом температуры по закону, имеющему вид уравнения Аррениуса [1]:  E  D = D0 exp − a  (1)  RT  где D0 – частотный множитель (фактор), величина которого зависит от свойств как поглощаемого вещества (газа), так и поглотителя (угля). В данном случае его значения находятся в пределах 10-9 – 10-14 м2/с;

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

291

Еа – энергия активации, кДж/моль; R – универсальная газовая постоянная, имеет значение 8,314 -1 Дж·К ·моль-1; Т – температура, К. Для внутримолекулярного процесса диффузии водородосодержащих компонент в угольном веществе, энергия активации Еа, входящая в соотношение (1), соответствует высотам барьеров диффузионных переходов Еа. Следует также учитывать, что диффузионные переходы при внешнем воздействии не могут осуществляться совершенно свободно вследствие межмолекулярного взаимодействия в структуре вещества за счет физических связей различного типа – ван-дер-ваальсовых, водородных, взаимодействий между полярными группами и др. Поэтому диффузия происходит с преодолением потенциального барьера Еа. Высота этого барьера изменяется от тысячных долей до десятков и сотен кДж/моль. Существование потенциальных барьеров Еа между устойчивыми конформациями делает переходы между ними заторможенными. В случае Еа>>RТ эти переходы будут иметь скачкообразный характер благодаря флуктуациям тепловой энергии (рис. 1). Еа кДж/моль

24.25 24.04

22.77 20

9.58 9.19 7.91 6.617.07

7.57

7.18 4.9

2.57

7.88 4.47

2.04

1.4

3.9

1.27

0 70

120

160

200

образец неподв ергшийся предв арит ельному нагружению

300

400

t , OС

образец под дав лением 600 МПа образец под дав лением 1500 МПа

Рис. 1 – Сравнение энергия активации десорбции водородосодержащих компонент угольного вещества в образцах угля марки К пл. h6I ш. Скочинского без нагрузки и подвергшихся предварительному нагружению 600 и 1500 МПа, в зависимости от температуры

Методика исследований основана на динамическом термогравиметрическом анализе (исследовании изменения массы угольного образца без нагрузки и подвергшиеся предварительному нагружению 600 МПА и 1500 МПа, при различных температурах его нагрева) с последующим исследованием линий поглощения спектра на автодинном спектрометре ЯМР Н1 угля содержащего флюид.

292

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

потеря массы % 12.000

10.31

10.000

8.000 7.04 6.000

4.83 4.85

4.000

3.4 2.19 1.54

2.000

1.49

1.67

1.53

3.319

2.7

1.904

1.89

1.98

2.379

2.205

0.000 0

100

150

200

250

300

350

образец угля не подвергшийся давлению

400

450 0 t, С

образец угля подвергающийся давлению 600 МПа образец угля подвергшийся давлению 1500 МПа

Рис. 2 – Термическое разложение образцов угля марки К пл. h6I ш. Скочинского без нагрузки и подвергшиеся предварительному нагружению 600 и 1500 МПа

Как известно, водород в угольном веществе находится в различных химических образованиях (соединениях) с разной степенью подвижности в них. Разрешающая способность автодинного спектрометра не достаточна для регистраций отдельных спектральных линий водорода во всех возможных формах его существования в угле – это задача для спектроскопии высокого разрешения. Нами в эксперименте регистрируется спектральная линия ЯМР большой ширины (несколько эрстед), являющаяся суперпозицией вкладов от отдельных водородсодержащих групп. В случае ископаемого угля полный разрешаемый спектр состоит из двух главных компонент – широкой и узкой. В широкую компоненту вносит вклад водород, сосредоточенный в органике угля, отличающийся малой подвижностью, а в узкую – менее связанный, подвижный водород из жидких и газообразных компонент, прежде всего собственно водорода, метана, других летучих углеводородов и воды, сосредоточенных в порах и трещинах исследуемого образца угля, сорбированных на всех поверхностях, а также внедрившихся в структуру угольного вещества по типу твердого раствора, но химически не связанные с ней. Разделить вклады в узкую линию от влаги и метана при исследовании естественного увлажненного угольного вещества без применения специальных методов (например, вымораживание) практически невозможно. Это отдельная важная задача, которая должна решаться с использованием специального оборудования [2].

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

293

На записях спектров узкой линии с ростом давления на фоне водородосодержащей линии начинает прописываться ее умеренная компонента при большом соотношении сигнал/шум. Исходя из полученных графиков зависимостей потери массы угольной пробы (а так же площади широких линий) от температуры, использовался метод взаимозамещения исследуемых данных, т.к. уменьшение площади узкой и широкой линии спектра ЯМР Н1 пропорционально потере массы угольной пробы. Значения интенсивностей спектров ЯМР Н1 для площадей широких и узких линий угля представлены на рисунках 3 и 4. Sу

2 1.8285

1.8 1.6 1.47

1.4

1.31

1.2

1.214

1.133 1.039

1 0.814

0.8 0.6217

0.6

0.629

1.165

1.042 0.949

1.064

1.046

0.823

0.827

0.704 0.596 0.518

0.5048

0.412

0.4 0.2 0 0

100

150

200

250

300

350

400

450 0 С

образец не подвергавшийся предварительному нагружению образец после давления в 600 МПа образец после давления в 1500 МПа

Рис. 3 – Зависимость площади узкой линии спектра ЯМР Н1 от температуры

Как следует из графика 3, при термическом разложении угольного вещества на первой стадии процесса по площади узкой линии спектра ЯМР Н 1 наблюдается период постоянной скорости удаления водородосодержащих компонент (область удаления свободной влаги) при температурах 27…120°С.

294

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Sш

12.057

11.418

11.002

11.265

10.258

11.35 9.871

8.998 8.3725

8.935

8.322

7.288 6.909

6.81 6

5.713

5.5533

5.4282

100

150

5.982 5.82 5.339

5.676

0 0

200

250

300

350

400

450 0 С

Рис. 4 – Зависимость площади широкой линии спектра ЯМР Н1 от температуры

С повышением температуры уменьшается число межмолекулярных связей, несущих нагрузку при данной частоте приложения деформирующей силы. Увеличение деформирующей нагрузки приводит к тому, что уменьшается число межмолекулярных связей, разрушающихся за время действия силы и, следовательно, не участвующих в распределении нагрузки по объему образца. Возрастание значений деформирующих нагрузок должно приводить к уменьшению времени существования таких связей [3]. Зависимость площади широкой линии спектра ЯМР Н1 от температуры изображенная на графике 4 характеризует второй период термообработки (200-400 0С). Он соответствует твёрдотельной диффузии, поток водородосодержащих газов возрастает с температурой. Причём этот рост или чувствительность к температуре зависят от многих факторов: плотности твёрдого тела (угля), его «рыхлости», подвижности и амплитуды тепловых колебаний молекул, составляющих уголь, длины и формы цепочек органических молекул и др. Характерная особенность твердотельной диффузии: при нагреве угля она возрастает в десятки и сотни раз. И чем жёстче структура угля, тем сильнее зависимость диффузионного потока от температуры. Здесь наиболее значительный экзотермический эффект вызван окислением органических веществ и усилен выделением водородосодержащих компонент за счет наложения эндотермического эффекта дегидратации.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

295

Выводы Проведенные термодинамические расчеты и экспериментальные измерения энергии активации однозначно указывают на то, что при осуществлении процесса термообработки, энергия активации отображается в виде параболы на графике, что в свою очередь позволяет предположить медленное установление десорбционного равновесия на поверхности раздела фаз. Спектральные линии исследуемых образцов угля показывают уменьшение площади широкой линии спектра ЯМР Н1 под воздействием импульсной нагрузки и последующей высоскоростной разгрузки, при этом в образцах угля, подвергшимся предварительному нагружению в 600 МПа и 1500 МПа, потеря массы увеличились соответственно на 40-50% и 100-120%, с незначительным увеличением (в пределах 5%) энергии активации. Отсюда следует, что в угольном веществе высокоскоростная разгрузка в пределах нескольких сотен МПа/с приводит к возбуждению сверхбыстрых реакций разложения водородосодержащих компонент, в том числе и химически связанной воды, путем перехода механической энергии непосредственно в химическую, что приводит к инициирующему самоускорению и критическим явлениям ГДЯ.

Библиографический список 1. Эттингер, И. Л. Растворы метана в угольных пластах// Химия твердого топлива - №4 – 1984. – С. 28–35 2. Гуль, В. Ё. Структура и прочность полимеров — 3-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1978. —328 с. 3. Алексеев, А. Д., Василенко, Т. А., Кириллов, А. К., Молчанов, А. Н., Троицкий, Г. А., Дончук, А. В. Изменение динамических параметров воды в объеме пор ископаемых углей в зависимости от температуры // Физика и техника высоких давлений. – том 20 - №2 – 2010 – С. 143–151

296

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.822.5

ЗНАЧЕНИЕ СВОЕВРЕМЕННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА В ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫБОТКАХ Шаповал В.А., студент гр. РПМ-14а (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Для успешной и безопасной борьбы с пожарами решающее значение имеет сокращение до возможного предела промежутка времени от момента возникновения до начала тушения пожара. Это, в свою очередь, обусловливается сокращением времени, потребного на следующие действия: а) обнаружение пожара; б) приведение в действие первичных огнегасительных средств; в) оповещение о пожаре должностных лиц и учреждений, отвечающих за ввод в действие всего комплекса мероприятий по борьбе с пожаром и его последствиями; г) введение этими лицами в действие оперативной части плана ликвидации аварии, сообразуясь с действительной обстановкой, создаваемой пожаром. Время, необходимое на обнаружение пожара, зависит от характера пожара. Так, экзогенные пожары, происходящие, как правило, в действующих выработках, в которых находятся люди, обычно обнаруживаются ими немедленно после возникновения по таким признакам, как огонь, дым, запах продуктов горения и высокая температура. Своевременно обнаружить пожары от самовозгорания значительно труднее, так как эти пожары обычно возникают в малодоступных местах. Для обнаружения эндогенных пожаров в ранней стадии их развития используют косвенные признаки и специальные методы. Немедленное введение в действие первичных средств пожаротушения обеспечивается тем, что эти средства размещаются вблизи мест, где наиболее вероятно загорание, а также тем, что в каждой смене, на каждом участке и в каждом ответственном узле шахты находятся хорошо проинструктированные люди, которые могут тушить пожар со стороны свежей струи воздуха. На шахтах, в которых имеются подземные горноспасательные пункты, эта задача облегчается тем, что дежурный горноспасатель, вооруженный респиратором, может применять первичные средства пожаротушения из любого места выработки независимо от направления вентиляционной струи. Пожары, которые не удается потушить в начальный период первичными средствами, при несвоевременном введении в действие всего комплекса мероприятий, предусмотренных планом ликвидации аварий, часто развиваются до *

Научный руководитель – ст. преп. Дрипан П.С.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

297

размеров стихийного бедствия и не редко сопровождаются человеческими жертвами. Поэтому полагаться только на действие первичных средств пожаротушения недопустимо. На лиц, обнаруживших пожар или получивших сообщение о нем, возлагается обязанность одновременно с принятием непосредственных мер по тушению немедленно оповещать о пожаре. Оповещение должно производиться в порядке, предусмотренном планом ликвидации аварий. При этом в первую очередь необходимо вызывать подразделение ВГСЧ. Сокращение времени, затрачиваемого на оповещение, обеспечивается наличием надежно действующей телефонной связи объектов шахты с горноспасательной частью и должностными лицами, ответственными за введение в действие всех мер борьбы с пожаром.

298

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

УДК 622.822.222

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ САМОВОЗГОРАНИЯ УГЛЯ С ПОМОЩЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ АНТИПИРОГЕНОВ Якубовский С.С., студент гр. РПМ-13б (ГОУ ВПО «ДонНТУ», г. Донецк)* Технология применения водных растворов (суспензий) антипирогенов Водные растворы (суспензии) антипирогенов используют для обработки целиков угля у горных выработок, в местах разрезки и остановки очистных забоев, целиков, вынужденно оставляемых в местах геологических нарушений, а также для обработки пачек и прослоек угля. В качестве антиокислителей угля используют водные растворы бишофита (3–10%–е), хлористого кальция (5–20%–е), карбамида (5–15%–е) с добавками 1–5% поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве суспензий используют жидкое стекло с ПАВ и хлористым кальцием, гашеную известь с ПАВ, жидкое стекло с наполнителями в виде доломитовой пыли или шамотного порошка. Обработка целиков водными растворами (суспензиями) антипирогенов осуществляется путем нагнетания их насосом через герметизаторы в предварительно пробуренные шпуры. Глубина шпуров зависит от размеров целика и в среднем равна 23 м. При простом строении пласта и мощности не более 2 м применимо рядное расположение шпуров. При наличии породных прослоек шпуры бурят по прослойкам в ряд или в шахматном порядке по пачкам угля (рис. 1). Рекомендуется применять не менее 2–3 кг антипирогена на 1000 кг угля. Технология применения пленкообразующих антипирогенов Пленкообразующие антипирогены – это вещества, формирующие на поверхности угля сплошную пленку, обладающую достаточной твердостью, прочностью, эластичностью, хорошей адгезией, устойчивую к воздействиям влаги. Расход антипирогенов пленочного типа равен 0,3–0,6 кг на 1 м2 поверхности угля. Для изоляции угля от кислорода могут быть использованы твердеющие пены на основе карбамидно-формальдегидной смолы КФ–Б или КФ– МТ, поверхностно–активного вещества и кислотного отвердителя (ортофосфорной кислоты).

Научный руководитель – ст. преп. Дрипан П.С.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

299

Рис. 1 – Расположение шпуров для нагнетания антипирогенов при мощности пласта до 2 м и простом строении пласта (а), при одном прослойке (б), при двух прослойках (в) и при мощности пласта 2-3 м (г)

Технология применения антипирогенов в виде аэрозолей Сущность данной технологии заключается в подаче в выработанное пространство сонаправленно с утечками воздуха антипирогенов в виде аэрозолей, создаваемых диспергаторами. В качестве антипирогена используется водный раствор хлористого кальция с антикоррозийными присадками (реагент ХКФ, бикарбонат кальция). Расход раствора антипирогена должен быть не менее 20 л на 1 м3горной массы. Технология применения порошкообразных антипирогенов Порошкообразные антипирогены используются для обработки целиков угля над монтажными камерами щитовых агрегатов на крутопадающих пластах. Обработка осуществляется путем бурения скважин (шпуров) в целике и заполнения их под давлением порошкообразным антипирогеном. В качестве антипирогена рекомендуется смесь карбамида и диаммоний фосфата, в которой вес карбамида составляет 70–90 %, диаммоний фосфата 10–30 %. Техника безопасности при нагнетании антипирогенов Необходимо соблюдать следующие меры предосторожности: – при нагнетании антипирогена пользоваться защитными очками; – каждую насосную установку снабжать предохранительным клапаном, манометром и расходомером;

300

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

– использовать высоконапорные трубопроводы, отвечающие требованиям руководства по эксплуатации высоконапорной установки; – не эксплуатировать нагнетательный трубопровод с нарушенной герметичностью; – не ремонтировать нагнетательные трубопроводы, находящиеся под давлением; – при обнаружении неисправностей в насосной установке, гидрозатворе и напорной арматуре работы по нагнетанию антипирогенов немедленно прекращать; – при нагнетании антипирогена не находиться напротив шпуров и скважин; – не устанавливать гидрозатвор в шпур или скважину и не извлекать его под давлением; – при извлечении гидрозатвора из шпура или скважины не находиться напротив их устья; – на наклонных и крутых пластах не находиться ниже шпура, в которой нагнетается раствор.

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

301

Оглавление Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Обоснование технологии перекрепления горных выработок с исключением излишнего выпуска породы ................................................................................................ 4 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Основные направления и перспективы применения анкерных крепей для обеспечения устойчивости выработок глубоких шахт .................................................. 11 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Общий анализ состояния и технологических схем ремонта горных выработок шахт ГП «ДУЭК» ............................................................................................................... 20 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Об изучении деформирования массива горных пород в подготовительных выработках с применением анкерного крепления .......................................................... 25 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Основные особенности деформирования породного контура подготовительных выработок с анкерным креплением.................................................................................. 28 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Обоснование своевременности применения эффективных способов охраны горных выработок .............................................................................................................. 30 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Состояние и перспективы развития применения рамных конструкций для крепления подготовительных выработок угольных шахт ............................................. 35 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Новиков А.О.) Обоснование области применения анкерной крепи в подготовительных выработках глубоких шахт Донецко-Макеевского района............................................ 42 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Установление характера деформирования породного массива и аспекты применения пространственно-анкерных систем............................................................. 45 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Современные технологии ремонта горных выработок глубоких шахт и перспективы развития данного направления .................................................................. 48

302

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Агарков А.В., Муляр Р.С. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Комбинированные геотехнологии как перспективный метод комплексного освоения недр ..................................................................................................................... 56 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Возможность комплексного освоения подземного пространства и использования подземных выработок во вторичных целях .................................................................... 59 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научные руководители – Соловьев Г.И., Касьяненко А.Л., Нефедов В.Е.) О полевой подготовке конвейерного штрека в условиях шахты им. Е. Т. Абакумова .................................................................................................................. 62 Агарков А.В., Муляр Р.С. (научный руководитель – Костюк И.С.) Роль управления производственными процессами при выборе способа охраны горных выработок угольных шахт ................................................................................... 67 Бабак Б.Н. (научный руководитель – Костюк И.С.) Изучение и обобщение основных понятий процесса ресурсообеспечения горных предприятий и выявление взаимосвязи между ними ........................................ 73 Белоусов В.А. (научные руководители – Выговский Д.Д., Выговская Д.Д.) Исходная информация к проектированию угольных шахт ........................................... 81 Гаврилов Д.И. (научный руководитель – Соловьев Г.И.) Комбинированный способ охраны конвейерного штрека в условиях ПАО «Шахтоуправление «Покровское».......................................................................... 85 Гармаш А.В., Шмырко Е.О. (АФГТ ГОУ ВПО ЛНР «ЛНУ им. В. Даля») Эффективные методы экономии электроэнергии на угольных шахтах ....................... 95 Геков А.Ю., Краснов Д.С. (научный руководитель – Стрельников В.И.) Экономико-математическое моделирование технологии разработки выемочной ступени .......................................................................................................... 101 Гнидаш М.Е. (научный руководитель – Соловьев Г.И.) О продольно-жестком усилении основной крепи подготовительных выработок глубоких шахт .................................................................................................................. 113 Гончар М.Ю., Мошнин Д.Н. (научные руководители – Выговская Д.Д., Выговский Д.Д.) Подходы к выбору рациональной технологии ведения очистных работ ................... 119 Донских В.В. (научный руководитель – Касьяненко А.Л.) Анализ состава пород почвы горных выработок на шахтах Донецкого бассейна .... 124

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

303

Дрох В.В., Марюшенков А.В. (научные руководители – Ворхлик И.Г., Выговский Д.Д.) Меры по уменьшению величин смещения боковых пород в участковых подготовительных выработках ....................................................................................... 130 Елистратов В.А. (научный руководитель – Гомаль И.И.) Опыт использования шахтных вод................................................................................. 137 Золотухин Д.Е. (научный руководитель – Гомаль И.И.) Способы утилизации шахтного метана ......................................................................... 147 Иващенко Д.С. (научные руководители – Соловьев Г.И., Голембиевский П.П., Нефедов В.Е.) Особенности охраны подготовительных выработок глубоких шахт породными полосами ........................................................................................................................... 160 Капуста В.И. (научные руководители – Костюк И.С., Фомичев В.И.) Совершенствование технологии крепления вентиляционной и углеспускной печей при выемке угля щитовыми агрегатами ............................................................. 167 Капуста В.И. (научный руководитель – Фомичев В.И.) Локальные способы предотвращения выбросов угля и газа ...................................... 175 Квич А.В. (научный руководитель – Фомичев В.И.) Опыт применения щитовых агрегатов на шахтах центрального района Донбасса .. 180 Лежава Д.И. (научный руководитель – Дрипан П.С.) Исследование способа закрепления анкера ................................................................... 185 Лиманский А.В. (научный руководитель – Дрипан П.С.) Лабораторные испытания ресурсособерегаюшенго способа закрепления анкера .... 187 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Исследование влияния излишнего выпуска породы при ремонте выработки на ее последующую устойчивость ...................................................................................... 190 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Повышение устойчивости пород почвы горных выработок глубоких шахт на примере шахты имени В.М. Бажанова ГП «Макеевуголь» ......................................... 199 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Механизм потери устойчивости горных выработок ...................................................... 202

304

С борник трудов кафедры «Разработк а месторождений полезны х ископаемы х» ДонН Т У (г. Донецк), 2017

Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Способы управления состоянием массива горных пород, вмещающих выработки шахт Донбасса................................................................................................................... 207 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Комплекс эффективных мероприятий по повышению устойчивости подготовительных выработок и особенности их деформирования на шахте «Степная» ПАО «ДТЭК «Павлоградуголь» ................................................................... 217 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Контроль и изучение деформационных процессов кровли монтажных камер, закрепленных анкерной крепью ..................................................................................... 224 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Исследование существующих технологических решений, которые направлены на повышение устойчивости крепи в подготовительных выработках угольных шахт ... 228 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Контроль и изучение деформирования породного контура монтажных ходков, закрепленных комбинированной крепью ...................................................................... 234 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Новиков А.О.) Определение схемы позиционирования анкеров в зоне неупругих деформаций ..... 239 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Особенности влияния угла залегания пород и глубины заложения анкеров на устойчивость горных выработок шахт Донбасса.......................................................... 242 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Перспективы внедрения технологий извлечения метана из угольных пластов и его последующее использование................................................................................. 245 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научные руководители – Новиков А.О., Шестопалов И.Н.) Повышение эффективности альтернативного использования подземного пространства закрываемых шахт центрального района Донбасса, отрабатывающих крутопадающие пласты..................................................................... 248 Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Соловьев Г.И.) Особенности поддержания конвейерных штреков при сплошной системе разработки в условиях шахты «Коммунарская» ........................................................... 250

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

305

Муляр Р.С., Агарков А.В. (научный руководитель – Костюк И.С.) Управление внедрением нового способа охраны горных выработок угольных шахт с помощью методики Swim lane ........................................................................... 257 Нескреба Д.А., Поляков П.И. (ГУ «ИФГП» г. Донецк) Экспериментальная наработка разрушения слоистой структуры горного массива с использованием эквивалентных материалов ............................................... 264 Панин Ф.В. (научный руководитель – Соловьев Г.И.) Особенности поддержания конвейерных штреков при сплошной системе разработки на шахте им А. А. Скочинского .................................................................. 266 Посохов Е.В. («ВТС Ровенькиантрацит» г. Ровеньки, ЛНР) Определение и локализация вредных факторов, влияющих на состояние выемочных выработок, охраняемых угольными целиками ......................................... 271 Рыжикова О.А. (АФГТ ГОУ ВПО ЛНР «ЛНУ им. В. Даля»), Должикова Л.П. (ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ») Ликвидация прорыва грунтовой дамбы хвостохранилищ ........................................... 283 Степаненко Д.Ю. (научный руководитель – Дрипан П.С.) Исследование результатов лабораторных исследований способа закрепления анкера методом прессовой посадки ............................................................................... 287 Хащеватская Н.В., Шатохин С.В., Вишняков А.В., Ожегова Л.Д., Вишняк Ю.Ю. (ГУ «ИФГП», г. Донецк) Диффузионные процессы водородосодержащих компонентов в угле в условиях импульсного нагружения и высокоскоростной разгрузки ........................................... 290 Шаповал В.А. (научный руководитель – Дрипан П.С.) Значение своевременного обнаружения пожара в подземных горных выботках .... 296 Якубовский С.С. (научный руководитель – Дрипан П.С.) Предупреждение самовозгорания угля с помощью применения антипирогенов ..... 298

Сборник научных трудов кафедры разработки месторождений полезных ископаемых

«Инновационные технологии разработки месторождений полезных ископаемых»

№ 3 (2017) (Электронное издание)

Статьи в сборнике представлены в редакции авторов

http://gf.donntu.ru/krpm/