ТЕМА 9. СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ КРОВЛЕЙ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ.

Управление горным давлением – совокупность мероприятий по регулированию проявлений горного давления в рабочем пространстве очистного забоя в целях обеспечения безопасных и необходимых производственных условий эффективной и наиболее полной выемки полезного ископаемого.

Способы управления горным давлением разделяют на три основные группы:

- обрушение пород в выработанном пространстве;

- искусственное поддержание кровли в выработанном пространстве;

- естественное поддержание кровли в выработанном пространстве (за счет оставления опорных целиков прямоугольной или столбчатой формы).

В настоящее время основным и самым распространенным способом управления горным давлением при выемке угля является полное обрушение пород кровли (в целом по угольной промышленности около 97 %), перспективным – полная закладка выработанного пространства пустой породой, добываемой в шахте или поступающей с поверхности (около 1 %).

Полное обрушение заключается в периодическом по мере подвигания очистного забоя обрушении пород кровли за пределами призабойного пространства с целью уменьшения давления на крепь. При индивидуальной крепи обрушение пород производится путем удаления призабойной и специальной крепи в той части призабойного пространства, которое нет необходимости поддерживать для обеспечения нормальной работы людей и механизмов. При этом специальная крепь устанавливается по линии, по которой происходит обрушение пород в выработанное пространство. Расстояние, через которое производится обрушение пород, называется шагом посадки, который принимается кратным ширине захвата выемочной машины (ширина вынимаемой полосы угля). При механизированной крепи породы обрушаются самопроизвольно вслед за ее передвижением, шаг посадки зависит от конструкции крепи и свойств пород кровли.

При управлении кровлей полным обрушением различают первую и первичную посадку и вторичную осадку. Первая посадка производится после отхода очистного забоя от разрезной печи на расстояние, зависящее от свойств пород кровли, которое может в отдельных случаях достигать 50-80 м и сопровождаться динамическими эффектами и разрушением крепи в рабочем пространстве лавы и завалами лав. После первой посадки производят регулярное обрушение непосредственной кровли вслед за подвиганием лавы, которое называют первичной посадкой. Породы основной кровли часто зависают в виде консольных плит, размеры которых увеличиваются по мере перемещения очистного забоя. При достижении предельных размеров консоли она обрушается, что называют вторичной осадкой. Вторичные осадки также могут сопровождаться возрастанием нагрузки на крепь и зажатием стоек крепи исчерпавших свою податливость, разрушением крепи и завалам лав.

При обрушении пород непосредственной кровли их объем увеличивается и они могут полностью подбутить породы основной кровли. В этом случае облом консоли пород основной кровли будет происходить спокойно, без динамических явлений. Условие подбучивания пород основной кровли можно представить в виде

где h_нк – мощность пород непосредственной кровли, м; m – вынимаемая мощность пласта, м; к_р – коэффициент разрыхления, равный отношению объема обрушенной породы к ее объему в массиве.

Управление горным давлением плавным опусканием (прогибанием) применяют при породах кровли, способных плавно опускаться без значительных разрывных нарушений, и при почве, склонной к вспучиванию. Мощность пласта при этом не должна превышать 1 – 1,2 м. При плавном опускании в качестве специальной крепи применяют костры, устанавливаемые в один или два ряда в шахматном порядке. Костры переносят через каждые !,5 – 2 м.Если их два ряда, то переносят тот ряд, который находится дальше от забоя лавы. В результате некоторого смятия костров кровля плавно опускается и ложится на почву, которая к этому времени несколько вспучивается. Плавное опускание применяют при разработке весьма тонких пластов, когда породы кровли способны опускаться путем сдвигов большого числа блоков. В результате этого на расстоянии 20 – 30 м и более от забоя кровля опускается на почву.

При искусственном поддержании выработанного пространства создается искусственная опора под нависающими консолями пород кровли. Для этого выработанное пространство заполняется различными закладочными материалами, образующими закладочный массив. Под термином «закладка» подразумевается совокупность процессов, охватывающих приготовление, складирование, транспортирование и укладку в выработанное пространство закладочного материала, т.е. пустой породы, состав и свойства которой отвечают определенным требованиям. Применение полной закладки обеспечивает существенное снижение потерь полезного ископаемого в недрах, уменьшение пожароопасности при разработки пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, увеличению безопасности работ, исключает образование провалов на поверхности, особенно при разработке мощных крутых пластов, и значительные опускания поверхности. Таким образом, разработка месторождений с полной закладкой является одним из мероприятий по охране недр и окружающей среды. Однако возведение закладочного массива является весьма трудоемким дополнительным процессом в технологической схеме подземной добычи угля. В результате стоимость закладочных работ составляет 15-20 % стоимости работ по добыче угля. Поэтому закладку применяют лишь в тех случаях, когда другие, более простые и дешевые способы управления горным давлением в данных горно-геологических условиях не могут обеспечивать безопасную и эффективную добычу угля. Управление горным давлением полной закладкой рекомендуется применять:

- для охраны ответственных сооружений и водоемов на поверхности;

- при слабых, склонных к сползанию породах почвы или весьма слабых породах кровли и почвы на крутых пластах;

- под пожарными участками и участками, опасными по прорывам глины;

- при разработке мощных крутых месторождений с самовозгорающимися полезными ископаемыми;

- при разработке крутых пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

В настоящее время, в зависимости от способов транспортирования и укладки, находят применение гидравлическая, пневматическая, комбинированная (гидропневматическая), самотечная и механическая закладки, а также комбинированная (механопневматическая и гидропневматическая)

Закладочный материал может быть доставлен с поверхности или получен непосредственно в шахте. Добыча закладочных материалов (песок, гравий или коренные скальные породы) производятся на механизированных централизованных карьерах. Кроме того, в качестве закладочного материала используют шлак металлургических заводов, отходы обогатительных фабрик, тепловых электростанций, а также породу, получаемую от проведения подготовительных выработок или из шахтных отвалов.

Гидравлическая закладка основана на использовании энергии потока воды, движущегося по трубам под напором, перемешивающего закладочный материал с поверхности до места укладки и производящего укладку породы в выработанное пространство.

Пневматическая закладка основана на использовании энергии струи сжатого воздуха, при определенной скорости движения которого происходит перемещение закладочного материала по трубам и забрасывание его в выработанное пространство.

При разработке крутонаклонных и крутых пластов (залежей) применяется самотечная закладка, при которой закладочный материал транспортируется механическими средствами, а его укладка – за счет действия силы тяжести (движется в выработанном пространстве под действием собственного веса).

Механическая закладка – транспортирование материала осуществляется механическими средствами (конвейерами, рельсовым транспортом), а его укладка – метательными машинами или скреперами.

Сущность гидропневматической закладки заключается в доставке закладочного материала с поверхности шахты (рудника) до очистного забоя с применением гидравлического транспорта, а подачу его после обезвоживания в выработанное пространство осуществляют пневмотранспортом.

Закладка называется полной, если заполняется все выработанное пространство, и частичной, если закладочный материал укладывается только в определенных частях (в виде полос или слоев).

Максимально допустимый размер кусков закладочного материала при пневматической и гидравлической закладке 6 – 8 см, при самотечной и механической 20 – 25 см. Оптимальные размеры кусков закладочного материала при самотечной закладке до 10 см, при пневматической и механической 2 – 5 см, при гидравлической менее 2 см.

Существуют два вида твердеющей закладки: литая и жесткая. Литая закладка – смесь низко активного вяжущего заполнителя и воды с активными добавками. Готовится на комплексах твердеющей закладки и подается по трубопроводам самотеком в выработанное пространство, для обеспечения текучести имеет некоторый избыток воды. Жесткая закладка – смесь заполнителя, доставляемого различными способами до пневмозакладочной машины, а с ее помощью – в выработанное пространство, и вяжущего, которое вводится под давлением непосредственно перед местом возведения закладочного массива. Вода вводится в количествах, необходимых для обеспечения схватывания смеси.

Закладочный материал под влиянием горного давлением и собственного веса уменьшается в объеме, уплотняется и дает усадку, величина которой зависит как от свойств закладочного материала, так и от степени первоначальной плотности возводимой закладки. Наименьшую усадку дает гидравлическая (10 – 15 %) и пневматическая закладка (10 – 20 %). При механической закладке усадка составляет 25 – 30 %, при самотечной 20 – 25 % при мелкозернистой породе и 25 – 40% при крупнозернистой породе.

При выборе способа закладки необходимо учитывать комплекс факторов: усадку закладочного массива, возможность выполнения требований к качеству и составу закладочного материала, требуемую производительность возведения закладочного массива, степень ответственности подрабатываемых объектов, затраты на производство работ.

При разработке угольных (пластовых) месторождений наибольшее применение получила частичная закладка выработанного пространства и управление кровлей частичных обрушением.

Частичную закладку выработанного пространства применяют для того, чтобы при помощи бутовых полос удерживать породы непосредственной и основной кровли от обрушения. Для получения закладочного материала в выработанном пространстве проводят ряд специальных выработок – бутовых штреков. Полученную из бутовых штреков породу укладывают в выработанном пространстве на всю мощность пласта в виде породных (бутовых) полос. Бутовая полоса – закладочный массив, возводимый в виде полосы в выработанном пространстве. Породы непосредственной кровли в выработанном пространстве между бутовыми полосами обрушаются сами по себе, на некотором расстоянии позади забоя лавы. Расстояние между бутовыми полосами принимают от 6 до 12 м, ширину бутовых около 3 м, высоту подрывки пород кровли или почвы 1 – 1,2 м. Ширину бутовых полос принимают 6 – 7 м из расчета возможного в них всей взорванной породы. Отставание бутовых полос от забоя лавы равно ширине призабойного пространства (2 – 3 м). Частичная закладка применяется на пластах мощностью 0,5 – 1,2 м при слабой кровле или почве, при наличии в пласте породных прослойков значительной мощности.

Управление кровлей частичным обрушением применяют при легко обрушающихся породах непосредственной кровли, мощность которых не обеспечивает достаточного подбучивания вышележащих слоев основной кровли и не предотвращает периодических (вторичных) осадок их. Сущность этого способа сводится к следующему. По мере подвигания лавы в выработанном пространстве выкладывают бутовые полосы шириной 5 – 6 м. Расстояние между бутовыми полосами принимают 8 – 12 м с таким расчетом, чтобы породы основной кровли не обрушались. Непосредственная кровля между бутовыми полосами обрушается на специальную крепь. Для более качественного обрушения пород и ограждения бутовой полосы от разваливания на расстоянии 0,5 – 1 м от краев пород в сторону обрушенного пространства пробивают органный ряд.