СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КРОВЛЕЙ ОБРУШЕНИЕМ БЛОКАМИ НА ПОДАТЛИВОЙ ОПОРЕ (БУТОКОСТРАХ И ДЕРЕВЯННЫХ НАКАТНЫХ КОСТРАХ) Российский патент 1999 года по МПК E21D11/00 E21C41/18 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для управления кровлей при разработке угольных пластов.

Известен способ управления кровлей - авторское свидетельство N 996731, выданное по заявке N 2865175/22-03 от 07.01.80.

Способ управления кровлей, включающий возведение в выработанном пространстве лавы параллельно выемочным штрекам бутокостровых рядов, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности управления кровлей за счет предотвращения вторичных осадок кровли бутокостровые ряды выкладываются на расстоянии друг от друга, равном 1,10 - 1,25 длины шага первичной осадки основной кровли.

Принцип действия этого способа представлялся следующим.

Мощные слои песчаников или крепких песчанистых сланцев, составляющие основную кровлю пласта, выдвигаясь за посадочный ряд крепи лавы, не зависали над выработанным пространством, а накладывались на бутокостровые ряды, разрушались, не вызывая вторичных осадок кровли в лаве. Выше процесс обрушения и оседания подработанной толщи пород происходил в обычном порядке - полном обрушением.

В объединении "Ростовуголь" количество лав с таким способом управления кровлей достигло 40 единиц. За это время была выявлена зависимость расстояния между бутокостровыми рядами от положения кливажных трещин пород кровли относительно линии забоя. Практика использования принятого расстояния между бутокостровыми рядами 1,10-1,25 длины шага первичной осадки кровли потребовала его дифференциации по горным условиям и увеличения ранее принятого интервала в пределах 0,80-1,30. Разработана соответствующая вспомогательная таблица.

Однако с развитием выемочной техники и ростом рабочего сопротивления механизированных гидравлических крепей на 1 м² поддерживаемой кровли пласта с 300 кН до 550-620 кН такого сопротивления крепи оказалось достаточно для предотвращения влияния вторичных осадок кровли на рабочее пространство забоя. Применение этого способа управления кровлей прекратилось.

В процессе использования указанного способа был замечен ряд весьма полезных его проявлений.

Оседание дневной поверхности происходит в пределах 15-20 см независимо от вынимаемой мощности угольного пласта.

В зоне рабочего пространства очистного забоя не наблюдаются признаки горного давления, нет отжима краевой части угольного пласта, что свидетельствует об отсутствии опорного давления.

В зоне расположения выемочного штрека, непосредственно прилегающего к очистным работам со стороны нетронутого массива, также отсутствуют признаки горного давления.

На газоносных пластах не происходит внезапных выбросов угля и газа в очистных забоях и выравнивается динамика газовыделения.

Все перечисленные проявления этого способа (кроме выбросов угля и газа) периодически в разных местах наблюдаются и при управлении кровлей способом "полное обрушение", что, естественно, является влиянием определенных горно-геологических условий разработки. Такие же объяснения давались и наблюдаемым проявлением этого способа управлений кровлей, считая их случайными.

В настоящее время можно уверенно утверждать, что принцип действия предлагаемого способа управления кровлей достаточно полно изучен и все наблюдаемые проявления являются реальным, стабильным результатом его использования, обеспечивающим высокий уровень безопасности работ и экономики.

Задачей изобретения являются сдерживание, а затем и остановка оседания подработанной толщи пород, покрывающей угольный пласт, из-за чего рабочее пространство очистного забоя и действующий выемочный штрек, прилегающий к очистным работам со стороны нетронутого угольного массива, не испытывают горного давления, а окружающий очистную выработку угольный массив не испытывает опорного давления, что, в свою очередь, исключает необходимость использования дорогостоящей высокопрочной с большим рабочим сопротивлением крепи в очистных забоях и подготовительных выработках.

Для решения поставленной задачи в способе управления кровлей, включающем возведение в выработанном пространстве лавы параллельно выемочным штрекам податливых опорных рядов, состоящих из бутокостров, деревянных накатных костров различной степени наполнения, податливые опорные ряды выкладываются на расстоянии друг от друга в пределах интервала 0,8 - 1,3 длины шага первичной осадки основной кровли в зависимости от положения кливажных трещин пород кровли относительно линии забоя.

На фиг. 1 показана принципиальная схема механизма действия способа управления кровлей обрушением блоками на податливой опоре, разрез по падению пласта, на фиг. 2 - вид сверху выработанного пространства и лавы, на фиг. 3 - разрез пласта по простиранию.

Способ управления кровлей осуществляют следующим образом.

В выработанном пространстве лавы параллельно выемочным штрекам возводят податливые опорные ряды, состоящие из бутокостров, деревянных накатных костров различной степени наполнения. Податливые опорные ряды выкладывают на расстоянии друг от друга в пределах интервала 0,8 - 1,3 длины шага первичной осадки основной кровли в зависимости от положения кливажных трещин пород кровли относительно линии забоя.

Интенсивность обрушений зависит от положения кливажных трещин относительно опорного ряда. Если они параллельны и расстояние между опорами равно шагу (или более) первичной осадки кровли, обрушение протекает настолько интенсивно, что возможно образование заколов кровли в рабочем пространстве лавы. В таких случаях необходимо расстояние между опорами уменьшать до 0,8 шага первичной осадки кровли, интенсивность обрушений снижается.

Если кливажные трещины находятся под прямым углом к опорным рядам, обрушение замедляется, первые бутокостры длительное время не получают нагрузки, а в забое лавы появляется отжим угля. Расстояние между опорными рядами увеличивается до 1,3 шага первичной осадки, интенсивность обрушений повышается.

На фиг. 1 видно, что нижний вал загружен с одной стороны. Образовавшаяся плоскость сдвижения пород со стороны восстания пласта под влиянием всех трех клиновидных частей оседающего массива оказалась разделительной плоскостью между оседающим и нетронутым массивами. Она, естественно, достигает дневной поверхности. Таким образом, нижний конический вал, кроме основного назначения, является опорным элементом, передающим мощный послойный распор на нетронутый массив. Вся зона, занятая нижним коническим валом, включая зону, окружающую штрек, остается свободной от горного давления, а нижележащее выемочное поле - свободным от опорного давления.

1. Взаимодействие основных элементов способа
Лава бутокостровыми рядами разделяется на несколько одинаковых самостоятельно обрушивающих блоков. В процессе подвигания лавы между рядами на почве пласта - формируются неподвижные породные конические валы высотою до 100 м с определенными углами наклона граней. Между коническими валами остаются клиновидные части пород оседающего массива, опирающиеся на бутокостровые ряды и наклонные грани конических валов.

Так, со сдвигом на величину мощностей пласта фиксируются две взаимозависимые части подрабатываемого массива.

В процессе подвигания забоя, под влиянием общего оседания подрабатываемого массива, его клиновидные части опускаются между неподвижными коническими валами и, оседая на 15-20 см, расклиниваются.

Таким образом, на почве пласта образуется мощная зона высотой до 100 м колоссального послойного распора, не допускающая никаких дальнейших уплотнений.

Оседание всего подработанного массива прекращается.

2. Формирование основных элементов процесса
Лава бутокостровыми рядами по определенной схеме разделяется на самостоятельно обрушающиеся участки (блоки). Длина участка составляет 40-60 м.

В процессе движения очистного забоя на почве пласта (включая и бутокостровые ряды) накапливается разрыхленная горная масса. С нарастанием высоты обрушения бутокостровые ряды, получив необходимую нагрузку, оседают, опирающиеся на них части разрыхленной горной массы (будущие клиновидные части оседающего массива) тоже оседают.

Перемещаясь относительно неподвижной массы, составляющей будущие конические валы, образуется плоскость естественного откоса, отделяющая от неподвижного конического вала подвижную клиновидную часть оседающего массива.

По лобовой стенке каждого конического вала перемещается (на величину мощности пласта) весь объем породы, составляющий этот же вал - лобовая стенка вала принимает наклон под углом естественного откоса. Углы наклона таких плоскостей зависят от геологической структуры обрушающегося массива, они согласуются с углами откоса, какие используются для построения охранных целиков.

При подвигании лавы на каждом блоке высота обрушений нарастает, образуя свой самостоятельный породный вал, лежащий на почве пласта. В начальный период обрушение очередного слоя происходит в режиме предварительного провисания слоя, что обеспечивается их опорой на податливые бутокостровые ряды. В процессе обрушения слои распадаются на отдельные части (оконтуренные кливажными трещинами) и, укладываясь на нижний слой, кливажные отдельности между собой раздвигаются, увеличивают общую длину обрушающегося слоя, создавая предварительный распор между клиновидными частями.

Между коническими валами остаются клиновидные части подрабатываемого массива, опирающиеся на бутокостровые ряды. Таким образом фиксируется разделение всего оседающего массива на две части, раздвинутые на величину мощности пласта: первая - конические валы, лежащие непосредственно на почве пласта, и вторая - клиновидные части являются продолжением всего вышеизложенного оседающего массива, находящиеся в непосредственном контакте с коническими валами.

Взаимодействие двух четко разделенных частей подрабатываемого массива является приводом для всех последующих операций в процессе управления кровлей.

3. Действие способа
Лобовые наклонные стенки конических валов являются опорой консольных выступов пород кровли пласта, зависающих над рабочим пространством очистного забоя. Наращиваются валы обрушением тех же выступов, опирающихся на их лобовые стенки.

При длине шага подвигания конического вала 1,6-2,6 м обрушение пород кровли между бутокостровыми рядами под влиянием собственного веса происходит только в нижней части валов, далее вступает в действие основной привод способа.

Чередуются два процесса:
- первый - обрушение пород кровли для формирования конических валов;
- второй - перемещение клиновидных частей оседающего массива по наклонным граням конусов. Первый процесс на каком-то интервале освобождает от опоры клиновидные части оседающего массива, что создает условия для частичного перемещения клиновидных частей по граням конусов и для отделения оседающих клиновидных частей массива от нетронутого массива, выступающего над рабочим пространством забоя, начиная от бутокостров.

Отделяется оседающий массив от нетронутого в самом слабом месте на уровне подвижного контакта, образовавшегося между лобовыми стенками конических валов и выступами пород кровли над рабочим пространством очистного забоя.

Второй процесс - наращивая формирование плоскостей естественного скольжения (они же являются гранями конических валов), увеличивая опорное давление на грани будущего конуса, стимулирует его обрушение. Кроме того, обрушение каждого шага вала инициирует обрушение предыдущего шага.

Таким образом по всей длине очистного забоя образуется единый подвижной контакт, отделяющий рабочее пространство очистного забоя от влияния оседающего подработанного массива. Наклон подвижного контакта в сторону выработанного пространства и плотно подбученные выступы пород кровли надежно обеспечивают содержание рабочего пространства очистного забоя без горного давления.

Оседание подработанного массива над выработанным пространством лавы происходит со смещением процесса на половину блока в сторону отработанного смежного поля.

В действующей лаве первый конический вал, непосредственно прилегающий к смежному очередному выемочному полю, остается задействованным только одной гранью, прилегающей к клиновидной части оседающего массива. Такой контакт закономерно становится трещиной, отделяющей оседающий массив от смежного нетронутого выемочного поля. Таким образом транспортный штрек действующей лавы, параллельно какому возведен конический вал, оказывается вне зоны влияния оседающего массива действующей лавы и сохраняется без признаков разрушений.

Для возведения конического вала, прилегающего к отработанному полю, непосредственно около бывшего транспортного штрека выкладывается второй бутокостровый ряд. Клиновидная часть оседающего массива, образованная первым валом отработанной лавы и последним действующей лавы, опирается на два бутокостровых ряда. Разные условия скольжения сторон клиновидной части по граням конических валов создают перекос в слоевой структуре клиновидной части и бутокостры, охраняющие штрек, оседают не одновременно, что нарушает монолитность пород кровли над штреком и обуславливает их содержание с сохранением крепи с последующим демонтажем.

Судя по нарастанию усадки бутокостров в лаве от первого до шестого (дальше усадка не наблюдается), процесс смещения подработанного массива развивается на 5-6 шагах конических валов.

Обрушение пород для формирования конических валов происходит последовательно на 5-6 шагах. Следовательно, можно предположить наличие в массиве нарастающих ступенек на 5-6 шагах, где активно подбучиваются выступы пород кровли, опирающиеся на лобовые стенки конических валов, обеспечивающие высокий уровень безопасности работ в лаве.

Наращивание высоты конических валов заканчивается при сближении обоих граней вала на расстояние, не допускающее дальнейшего обрушения пород кровли.

В зависимости от геологической структуры оседающего массива и расстояния между бутокостровыми рядами высота конических валов колеблется от 60 до 100 м (вычисленное).

Процесс скольжения оседающей части подработанного массива по наклонным плоскостям конических валов заканчивается при выходе его за пределы конических валов.

После отработки выемочного поля осевшая масса горных пород состоит из двух по-разному разрушенных частей.

Нижняя часть массива на высоту действия конических породных валов (60-100 м) сложена из самостоятельно осевших блоков, наклоненных в сторону выработанного пространства. Длина осевшего блока по простиранию пласта равна шагу наращивания конических валов, по падению пласта - всей длине лавы.

Весь вышележащий массив не имеет никаких разрывов сплошности слоев. При полной осадке дневной поверхности до 20 см и зоне распространения осадки около 20 м по направлению движения лавы на один погонный метр оседающей поверхности приходится один сантиметр.

Такие перегибы в массиве толщиною 400-700 м для многих слоев оседающей толщи могут оказаться в пределах упругих деформаций, или они могут быть погашены за счет микросмещенний отдельных блоков по кливажным трещинам и ослабленным контактам между слоями.

Необходимость соблюдения строгой последовательности изложения описания действия способа обусловила выделение объяснения причин внезапных выбросов угля и газа в отдельную часть.

На газоносных пластах причинами внезапных выбросов угля и газа является опорное давление на краевую часть вынимаемого пласта, вызванное консольно зависающими блоками пород кровли над выработанным пространством очистного забоя.

Естественно, длина и высота консольно нависающих блоков над выработанным пространством находится в прямой зависимости от геологического строения обрушающегося массива. Как правило, зависания мощных песчаников являются причинами, вызывающими повышенное опорное давление в глубине угольного массива и образования трещин в угольном пласте, естественно параллельно угольному забою. Трещины заполняются газом до уровня внутрипластового давления и при вскрытии трещин уступом, магазином, просеком, нишей и т.п. происходит внезапный выброс угля и газа. Нет опорного давления, нет выбросов.

Многолетнее использование этого способа на шахтах ОАО "Ростовуголь" позволило установить основные условия его применения.

1. Вынимаемая мощность пласта для пологих и наклонных пластов 0,8-2,0 м, для крутых - с 0,60 м.

2. Угол падения пласта - 0-60^o.

3. Расстояние между рядами устанавливается по фактическому шагу первичной осадки кровли при полном ее обрушении в зависимости от положения кливажных трещин пород кровли относительно линии забоя:
угол между кливажными трещинами и линией забоя - 0-15^o; 15-30^o; 30-45^o; 45-60^o; 60-75^o; 75-90^o;
расстояние между рядами, в шагах первичной осадки кровли - 1,30; 1,20; 1,10; 1,00; 0,90; 0,80.

4. В составе пород кровли не должно быть слоев, которые не обрушаются в пределах зоны формирования породного вала. Песчаники мощностью до 7,0 с крепостью f = 16 при расстоянии между рядами 60-65 м в нижней четверти вала обрушаются без зависания.

5. Размер и технологии выкладки бутокостров согласно с Ленинградским ВНИМИ и ГМ. Внутренняя полость костра имеет только квадратную форму. Размер стороны квадрата равен вынимаемой мощности пласта, но не менее одного метра. Костер заполняется пустой породой по мере выкладки венцов. Последняя пара стоек располагается по направлению простирания пласта и закладывается при полностью забученном и "подбитом" костре. Для выкладки костра используются только сосновые стойки диаметром 18-26 см.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для управления кровлей. Оно направлено на повышение эффективности управления кровлей за счет предотвращения вторичных осадок кровли. Способ управления кровлей включает возведение в выработанном пространстве лавы параллельно выемочным штреках податливых опорных рядов, состоящих из бутокостров, деревянных накатных костров различной степени наполнения. Податливые опорные ряды выкладываются на расстоянии друг от друга в пределах интервала 0,8 - 1,3 длины шага первичной осадки основной кровли в зависимости от положения кливажных трещин пород кровли относительно линии забоя. 3 ил.

Способ управления кровлей, включающий возведение в выработанном пространстве лавы параллельно выемочным штрекам податливых опорных рядов, состоящих из бутокостров, деревянных накатных костров различной степени наполнения, отличающийся тем, что податливые опорные ряды выкладываются на расстоянии друг от друга в пределах интервала 0,8 - 1,3 длины шага первичной осадки основной кровли в зависимости от положения кливажных трещин пород кровли относительно линии забоя.