СПОСОБ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Заявляемое техническое решение относится к горному делу, а именно к подэтажной разработке мощных крутых угольных пластов с разупрочнением межслоевой толщи угля (вибросейсмовоздействием, гидроразрывом, буровзрывным способом и др.) под защитой комплекса подэтажной выемки (КПВ).

Известены способы выемки угля из мощных крутых пластов (патенты РФ №2261329, Е21С 41/18, 2005 г. и №2304218, Е21С 41/18, 2007 г.), включающие подготовку выемочного поля путем нарезки этажей, для чего проходят откаточные и вентиляционные штреки, ограничивающие высоту этажа, проходят подэтажные штреки, разделяющие этажи на подэтажи, разделяют по простиранию этажи на блоки посредством проходки углеспускных и вентиляционных печей, при этом на почве подэтажного штрека на днище каждого блока монтируют питатели для выпуска угля и конвейер для его транспортирования, а над подэтажными штреками проходят компенсационные штреки, отработку блоков производят путем обуривания из компенсационных штреков и взрывания угля в блоке с оставлением целиков, последующего обуривания целика из подэтажного штрека и взрывания угля в целике, и осуществление выпуска угля из блока на конвейер, при этом подэтажные штреки выполняют в виде канав, которые накрывают щитами, в бортах канав проводят ниши в шахматном порядке через два-три метра, в которых размещают питатели. Все эти устройства вновь возводят в каждом подэтаже.

Недостатком таких способов отработки является отсутствие учета физико-механических и горнотехнических характеристик выемочных участков, что при кровлях пласта с коэффициентом крепости по М.М.Протодьяконову f>6 приведет к самопроизвольному (бесконтрольному) обрушению пород кровли крупными блоками с деформированием и разрушением ограждающих крепей, вследствие превышения допустимого пролета обнажения кровли. Кроме того, в приведенных способах в каждом подэтаже необходимо возводить и оставлять в выработанном пространстве оградительные крепи над скребковыми конвейерами.

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ отработки пластов с выпуском угля (Исследования процесса выпуска угля при отработке мощных пологих и крутых угольных пластов / Клишин В.И., Клишин С.В. - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №2 (март-апрель) 2010, с. 69-81.), включающий рассечение крутого пласта по простиранию на всю длину отрабатываемого блока подэтажными штреками, соединенными между собой и конвейерным штреком печами; между подэтажными штреками так же по простиранию проходят промежуточные компенсационные штреки, из которых производят операции по разупрочнению угольного массива, расположенного между подэтажными штреками, компенсационный штрек соединяют с подэтажным штреком вентиляционными сбойками, что позволяет обеспечить вентиляцию тупиковых выработок, выпускают отбитый уголь.

Для реализации указанного способа предложен принципиально новый комплекс оборудования, обеспечивающий механизированный управляемый выпуск угля из разрушенного межэтажного целика на подэтажный штрек - комплекс подэтажной выемки (КПВ).

Недостатком указанного способа является то, что в работе представлены схемы движения угля и обрушенных пород, справедливые только для круто-наклонных пластов с углом падения менее 50-55°. В случае разработки крутых пластов (угол падения больше 55°) расположение линии очистного забоя по линии, перпендикулярной к линии простирания пласта, является нерациональным, так как при обнажении кровли пласта выше допустимого пролета обнажения она обрушается, а формирование обрушенных пород в выработанном пространстве заканчивается под углом 41-51° (на 3-7° больше угла естественного обрушения). В этом случае целик угля будет препятствовать формированию массива по линии простирания нижележащего подэтажного штрека. Аналогичная картина будет и при перепуске обрушенных пород с вышележащих подэтажей для управления кровлей. В результате при разрушении угольного целика и выпуске его на конвейер обрушенные породы будут уходить вместе с углем, пока угол их движения не достигнет 41-45°.

Допустимый пролет обнажения кровли может быть определен из формулы (Условия сохранения массива кровли при разработке мощных крутых пластов наклонными слоями с закладкой / Хан В.В., Бедарев Н.Т. - Совершенствование технологии подземной добычи угля и сланца (научные сообщения, вып.160). - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1978, с.73-75)

где k - коэффициент, учитывающий отношение длин сторон обнаженной кровли;

σ_p - предел прочности кровли на растяжение, тс/м²;

µ - коэффициент Пуассона;

h - толщина слоя кровли, м;

q - масса непосредственной кровли, тс/м².

Недостатком вышеуказанной формулы является недостоверность результатов при подэтажной разработке мощных крутых угольных пластов, т.к. для нижележащего подэтажа не учитывается несущая способность закладочного массива, сформированного перепущенными с верхнего подэтажа породами.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение эффективности добычи угля для мощных крутых угольных пластов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе отработки мощных крутых угольных пластов, включающем рассечение мощного крутого пласта по простиранию на всю длину выемочного участка подэтажными штреками, соединенными между собой и конвейерным штреком печами, разделяющими выемочный участок на блоки, проведение между подэтажными штреками так же по простиранию промежуточных компенсационных штреков, из которых производят операции по разупрочнению угольного целика, расположенного между подэтажными штреками, соединение компенсационного штрека с подэтажным штреком вентиляционными сбойками, выпуск отбитого угля под защитой комплекса подэтажной выемки, согласно заявляемому техническому решению, печи между подэтажами и компенсационными штреками, разделяющими подэтажи на выемочные блоки, проходят с наклоном параллельно углу формирования обрушенных пород в выработанном пространстве относительно линии простирания пласта.

Указанный технический результат достигается также тем, что вентиляционный штрек для проветривания нижележащего подэтажа проводят после отработки и принудительного обрушения кровли в вышележащем подэтаже, при этом над вентиляционным штреком оставляют предохранительный целик, временно удерживающий обрушенные породы.

Указанный технический результат достигается также тем, что в нижележащем подэтаже управление кровлей осуществляют поэтапным перепуском обрушенных пород с вышележащего подэтажа в призабойное пространство нижележащего подэтажа, обнаженное на допустимый пролет, при этом допустимый пролет обнажения кровли в призабойном пространстве нижележащего подэтажа l_пр, м, и соответствующее увеличенное расстояние между блоками по сравнению с вышележащим подэтажом определяют по формуле

l_пр=C·l_р,

где l_p - расчетное значение допустимого пролета обнажения кровли, определенное по известным формулам, м;

С - поправочный коэффициент, учитывающий несущую способность закладочного массива, сформированного перепущенными с вышележащего подэтажа породами, причем С всегда больше 1,0.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема по линии простирания пласта, на фиг.2 - вкрест простирания (разрез I-I), на фиг.3 - вкрест простирания (разрез II-II); на фиг.4 представлена схема заполнения призабойного пространства в верхнем подэтаже после выемки первой заходки на допустимый пролет обнажения по линии простирания пласта перед обрушением, на фиг.5 - вкрест простирания перед обрушением (а), на фиг.6 - вкрест простирания после гидроразрыва (б); на фиг.7 приведена схема отработки нижнего подэтажа с управлением кровлей перепуском обрушенных пород по линии простирания пласта, на фиг.8 - вкрест простирания (разрез I-I), на фиг.9 - вкрест простирания (разрез II-II).

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Он включает (фиг.1, 2, 3) проведение ската 1, откаточного 2, конвейерного 3 и вентиляционных 4 штреков, рассечение мощного крутого пласта по простиранию на всю длину отрабатываемого крыла подэтажными штреками 5, соединенными между собой и конвейерным штреком 3 печами 6, разделяющими выемочный участок на блоки, проведение между подэтажными штреками так же по простиранию промежуточных компенсационных штреков 7, из которых производят операции по разупрочнению угольного целика, расположенного между подэтажными штреками, соединение компенсационного штрека с подэтажным штреком вентиляционными сбойками 8, выпуск отбитого угля под защитой комплекса подэтажной выемки, включающего гидрофицированную крепь 9, перегружатель 10, конвейер 11. На чертежах фиг.1-5, фиг.7 также обозначены межгоризонтальный 12 и межучастковый 13 целики; фиг.1, 3-4, 6-8 - предохранительный целик 14; фиг.4-5 шпуры для гидроразрыва (камуфлетных зарядов) 15.

При наличии у пласта труднообрушаемой кровли в верхнем подэтаже управление кровлей осуществляют полным обрушением, поэтапно принудительно разупрочняя ее с учетом первичного и последующих допустимых пролетов обнажения, при этом пролеты обнажения кровли определяют по известным расчетным формулам.

Согласно предлагаемому техническому решению печи 6 между подэтажами и компенсационными штреками 7, разделяющими подэтажи на выемочные блоки, проходят с наклоном параллельно углу формирования обрушенных пород в выработанном пространстве относительно линии простирания пласта (на фиг.1, 6, 7 вышеописанный угол обозначен θ).

Также согласно предлагаемому техническому решению вентиляционный штрек 4 для проветривания нижележащего подэтажа (на фиг.1-6 показан пунктиром) проводят после отработки и принудительного обрушения кровли в вышележащем подэтаже (на фиг.7-9 вентиляционный штрек 4 показан пройденным), при этом над штреком оставляют предохранительный целик 14, временно удерживающий обрушенные породы.

Также согласно предлагаемому техническому решению в нижележащем подэтаже управление кровлей осуществляют поэтапным перепуском обрушенных пород с вышележащего подэтажа в призабойное пространство нижележащего подэтажа, обнаженное на допустимый пролет (фиг.7-9). Допустимый пролет обнажения кровли в призабойном пространстве нижележащего подэтажа l_пр, м, и соответствующее увеличенное расстояние между блоками по сравнению с вышележащим подэтажом определяют по формуле

l_пр=C·l_р,

где l_p - расчетное значение допустимого пролета обнажения кровли, определенное по известным формулам, м;

С - поправочный коэффициент, учитывающий несущую способность закладочного массива, сформированного перепущенными с вышележащего подэтажа породами, причем С всегда больше 1,0.

Пример конкретного осуществления способа. Экспериментально исследовалась возможность реализации предлагаемого способа при глубине ведения работ 250 м, мощности пласта 10 м и угле падения пласта 60°.

Основной эффект, достигаемый при применении предлагаемого способа, обеспечивается за счет гравитационного влияния на процесс перепуска пород, которое повышается с увеличением угла падения угольного пласта и достигает определенного оптимума именно в случае отработки крутых пластов.

На верхнем подэтаже кровля работает как балка, защемленная в опорах. Без учета формирования шагов обрушения пород кровли могут произойти ее катастрофические обрушения. При оценке безопасного провисания кровли с помощью реперов в середине пролета была получена величина 0,52 м.

Предотвращение аварийных обрушений пород кровли за счет управления горным давлением обеспечивается перепуском обрушенных пород с верхнего этажа на нижний, эффективно используется для поддержания кровли несущая способность закладочного массива. Кровля работает как плита, защемленная по контуру. При оценке провисания кровли нижнего подэтажа в этом случае с помощью реперов получена величина 0,208 м.

Следовательно, вполне безопасным можно считать в рассматриваемом случае коэффициент С=2,5.

Для предотвращения самопроизвольного перепуска обрушенных пород с верхнего подэтажа на нижний за счет прочности предохранительного целика, а также предотвращения утечек воздуха в выработанное пространство за счет его жесткости, величина предохранительного целика должна быть не менее 3 м. При необходимости величина предохранительного целика может достигать 15 м.

Технический результат заявляемого способа обеспечивается:

1) учетом физико-механических и горнотехнических характеристик мощных крутых угольных пластов проходкой печей между подэтажами и компенсационными штреками, разделяющих подэтажи на выемочные блоки, с наклоном параллельно углу формирования обрушенных пород в выработанном пространстве относительно линии простирания пласта; благодаря этому снижаются потери при выпуске отбитого угля и эффективно используется для поддержания кровли несущая способность закладочного массива;

2) предотвращением проникновения воздуха в выработанное пространство, а следовательно, снижением опасности самовозгорания, оставлением предохранительного целика, прочности и жесткости которого достаточно для временного удерживания обрушенных пород; проведением в этом целике вентиляционного штрека для проветривания нижележащего подэтажа только после отработки и принудительного обрушения кровли в вышележащем подэтаже;

3) рациональным управлением кровлей за счет поэтапного перепуска обрушенных пород с вышележащего подэтажа в призабойное пространство нижележащего подэтажа, обнаженное на допустимый пролет;

4) рациональным определением увеличения допустимого пролета обнажения кровли, учитывающим несущую способность закладочного массива, сформированного перепущенными с вышележащего подэтажа породами.