Главная | Обратная связь

Разработка методики обоснования параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства

Методика обоснования параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства предусматривает: формирование банка данных технологий отработки мощных крутых угольных пластов; формирование банка данных технологии отработки угольных пластов с закладкой; учет специфики горно-геологических (колебание мощности, изменение угла падения, количество нарушений, содержание породных прослоев, содержание твердых включений, устойчивость пород кровли и почвы) условий; учет специфики производственно-технических условий; аналитические исследования подсистем сформированных технологий отработ-ки крутых угольных пластов с закладкой; обоснование (геомеханическое и технологическое) параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства.

Формирование банка данных технологий отработки мощных крутых угольных пластов и формирование банка данных технологии отработки угольных пластов с закладкой осуществлен на базе обзора представленного в первой главе диссертации. В банк данных включены следующие технологии: щитовая с обрушением боковых пород (ЩО), комбинированная с гибким перекрытием (КГП), подэтажная гидроотбойка с обрушением боковых пород (ПГО), подэтажные штреки с обрушением боковых пород (ПШО), длинные столбы по простиранию с обрушением боковых пород (ДСО) и системы разработки с закладкой выработанного пространства, в т. ч. короткие полосы по простиранию с гидравлической закладкой выработанного пространства (КПГЗ), наклонные слои с гидрозакладкой (НСГЗ) и поперечно-наклонные слои с гидрозакладкой выработанного пространства (ПНСГЗ).

Учет специфики горно-геологических (колебание мощности, изменение угла падения, количество нарушений, содержание породных прослоев, содержание твердых включений, устойчивость пород кровли и почвы) условий и учет специфики производственно-технических условий осуществлялся на основании материалов представленных в параграфе 2.1 второй главы диссертации. Под основными горно-геологическими условиями отработки мощных крутых угольных пластов в данной работе подразумеваются глубина разработки, мощность пласта, прочностные и деформационные свойства горного массива, а также коэффициент бокового распора. К горнотехническим факторам относятся пролет выработанного пространства и высота этажа, компрессионные свойства и структура закладочного массива.

Остановимся кратко на формах проявлений горного давления при отработке мощных крутых угольных пластовс закладкой выработанного пространства.

Прежде всего это развитие больших смещений вмещающих пород почвы и кровли. При определенном уровне развития смещений вмещающих пород происходят вывалы в кровле и пучение почвы, разрушение других горных выработок вследствие надработки или подработки, а также разрушение поверхностных зданий и различных коммуникаций. Таким образом, развитие больших, нежелательных смещений вмещаю­щих пород приводит к потере устойчивости подземных и поверхностных сооружений, конструкций и т.д.

К другим формам проявлений горного давления относятся разруше­ние и потеря устойчивости разрабатываемого уголь­ного пласта со стороны при-забойного пространства. Потеря устойчивости разрабатываемого пласта со стороны призабойного пространства происходит в виде отдельного или же непрерывного куполообразования и вывалов, стреляния, горного удара, и внезапного выброса угля и газа.

При управлении горным давлением полной закладкой выработанного пространства потеря устойчивости вмещающих пород и разрабатываемого уголь­ного пласта также происходит в описанных выше формах. Применение же закладки выработанного пространства позволяет сохра­нить в необходимой степени и в необходимых местах устойчивость горного массива. Как это сделать, и сделать рациональнее и экономичнее, одна из основных задач механики закладочных массивов.

Применение закладки выработанного пространства, с другой стороны, приводит к возникновению новых форм проявлений горного давления, связанных с потерей устойчивости закладочного массива и находящихся внем выработок. Потеря устойчивости закладочного массива происходит в виде обрушения его части или сползания закладочного материала.

Таким образом, проявления горного давления сводятся к потере устойчивости вмещающих пород, полезного ископаемого и закладочного массива, а также имеющихся в них сооружений.

Рассмотрим примеры проявлений горного давления при разработке мощных крутых пластов Кузбасса по восстанию с закладкой.

Основным проявлением горного давления, сопровождающим разработку мощных крутых пластов по восстанию с закладкой, является разрушение нависающего угольного массива, переходящее в непрерывное отслаивание потолочины и куполообразование. При отработке выемочных полей с зак­ладкой крупнокусковыми коренными породами Кузнецкой свиты и высоте этажа 100 м выемочные поля полностью не отрабатываются. У вен­тиляционного горизонта оставляется 20 – 30 метровый угольный целик, что существенно увеличивает эксплуатационные потери угля.

Наиболее активно разрушение нависающего угольного массива с обра­зованием куполов происходит в момент отработки первого слоя при слое­вой выемке, при выемке последней трети этажа и при наличии отработан­ного выемочного поля на верхнем горизонте. Однако, если вышележащий этаж не отработан, потеря устойчивости угольного массива также происхо­дит. Наличие же выработанного пространства в вышележащем этаже уси­ливает проявление горного давления и может изменить его характер.

Следует заметить, что разрушение нависающего угольного массива может происходить уже при выемке первых полос или поперечно-наклон­ных слоев. Такие разрушения имеют форму отдельного куполообразования. Основной причиной, вызывающей такое обрушение угля, является наличие участков в пласте с низкими прочностными свойствами. Отдель­ное куполообразование не является причиной прекращения очистных работ на выемочном поле и в худшем случае приводит к оставлению угольных целиков в выработанном пространстве.

Форма и степень проявлений горного давления определяются началь­ным напряженным состоянием горного массива в окрестности будущей выработки и формированием в процессе очистной выемки нового напря­женно-деформи-рованного состояния горного и закладочного массивов, за­висящего от их структуры, а также деформационных и прочностных свойств.

Вмещающие породы имеют сложную, обычно слоистую структуру. Породы почвы не теряют своей сплошности. Породы кровли сохраняют сплошность до определенного уровня развития их смещений. С увеличе­нием смещений кровли происходит расслоение пород, разуплотнение их на контактах и обрушение в выработанное пространство. Следует отме­тить, что основные смещения пород кровли и почвы происходят нормаль­но к выработанному пространству и мало зависят от угла падения пласта или рудного тела. При сохранении сплошности вмещающие породы ведут себя как линейно-упругие тела, обладающие в большей или меньшей степени свойствами линейно-наследственной ползучести. Вообще говоря, вмещающие породы являются неоднородными и анизотропными, хотя во многих случаях их можно считать ортотропными.

Поведение пластов при разработке зависит от их места расположения относительно выработанного пространства. Если часть руд­ного тела или пласта располагается над или под выработанным пространством, что бывает при слоевой разработке, то они ведут себя как породы кровли или почвы с соответствующими деформационными и прочностны­ми параметрами. Участки рудных тел или пластов, граничащие с вырабо­танным пространством по его периметру, находятся в зоне опорного дав­ления. Сопоставление распределения опорного давления с распределением нормальных к плоскости выработанного пространства смещений пород в зоне опорного давления показывает, что угольных пластов в этой зоне деформируются в соответствии с полной диаграммой сжатия угля. Таким образом, в зонах опорного давления угольные пласты наряду с упругими деформациями испытывают и запредельные деформации. Реология запредельного деформирования не является в настоящее время достаточно изученной и количественно не описана. То же самое можно сказать о реологии обрушенных пород кровли.

Важным является вопрос о взаимодействии слоев вмещающих пород между собой и пластом по общим контактам. В зави­симости от величины и знака нормальных контактных напряжений вза­имодействие слоев может происходить со сцеплением, со скольжением и с полным проскальзыванием. Детального описания взаимодействия слоев по контактам в настоящее время не имеется. Обычно считается, что слои пород в почве взаимодействуют со сцеплением, а в кровле с полным прос­кальзыванием.

В своей основной части закладочный массив находится в состоянии компрессионного сжатия. Вид компрессионной диаграммы зависит от того, является ли закладочный материал сыпучим или упрочненным. Количественное влияние компрессионных свойств закладочного материа­ла на напряженно-деформированное состояние горного массива и проявле­ния горного давления изучены недостаточно.

Геомеханическое обоснование параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства производилось на основе результатов экспериментальных исследовании представленных в работе.

Анализ ре­зультатов инструментальных наблюдений работы показал, что величины смещения потолочины с пролетом 4¸6 м по сравнению с пролетом потолочины 9¸10 м ниже в 7¸10 раз, при этом максимальные смещения в первом случае не превышали 7¸8 мм.

При пролете обнажения 9¸10 м во II слое максимальные смещения составили 31,2 мм. Интенсивность смешений при подходе линии забоя к реперной станции незначительна, затем при переходе ее линией за­боя на 2-5 м за период 4¸8 суток она резко возросла. В период с 8 до 15 суток (расстояние 5-7 м) интенсивность смещений упала, а в период с 15 до 62 суток стабилизировалась.

Постоянно осуществлялись визуальные наблюдения за полнотой заполнения выработанного пространства твердеющей смесью, расслоением закладочного массива, растекаемостью смеси и др.

Закладочная смесь заполняет все пустоты и трещины и растекается по полосе на расстояние 100 м без видимого расслоения. Не полное заполнение выработанного пространства полос в районе верхних пере­мычек происходит из-за расположения конца закладочного трубопровода над перемычкой ниже верхней точки отработанной полосы на 1,0 - 1,5м.

В работе было выполнено: определение прочностных свойств экспресс-методом (прочностнометр П-1); выбуривание из массива кернов с последующим определением прочности на одноосное сжатие; взятие из ортов, пройденных в закладочном массиве, образцов неправильной формы с последующей их обработкой и испытанием на одноосное сжатие; определение прочности образцов-кубиков, отбираемых во время подачи закладочной смеси на комплексе КУЗ-120; определение величины сцепления (адгезии) между контактирующими слоями закладочного массива; визуальные наблюдения по расслоению массива, полноты заполнения выработанного пространства полос; определение смещений искусственной потолочины полос.

Всего за период опытно-промышленной проверки бесцементной твердеющей закладки было произведено более 1200 испытаний экспресс – методом, выбурено кернов и взято образцов не­правильной формы более 200, испытано более 400 кубиков.

Результаты испытаний прочности закладочного массива на основе нефелинового шлама Ачинского глиноземного комбината сведены в табл. 4.1.

Таблица 6.9.