СПОСОБ ОХРАНЫ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПО СБЛИЖЕННЫМ ПЛАСТАМ УГЛЯ Российский патент 2001 года по МПК E21D11/00 E21C41/18 

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано для охраны выработок по сближенным пластам угля и в породах между ними, отрабатываемым в нисходящем порядке, от влияния остаточного опорного давления, возникающего в целиках, которые оставляют при отработке вышележащего пласта над охраняемыми выработками по нижележащему сближенному пласту. Способ предназначен для охраны бремсбергов, уклонов, штреков, скатов, печей, квершлагов и других выработок по нижележащему пласту и породной толще, расположенных параллельно линии очистного забоя по вышележащему сближенному пласту, над которыми при отработке последнего оставляют предохранительный целик угля для охраны их от влияния очистных работ по вышележащему пласту.

Подавляющее большинство пластов отечественных и зарубежных угольных месторождений являются сближенными и поэтому они отрабатываются в нисходящем порядке. Так, в Кузнецком бассейне около 70% всех пластов угля залегает на расстоянии друг от друга от 6 до 30 м. Указанные выше виды горных выработок по нижележащему сближенному пласту проводятся чаще всего до отработки вышележащего пласта (что обусловлено в основном необходимостью своевременной подготовки соседних сближенных пластов и технологией их отработки) и охраняются от влияния очистных работ по нему целиками угля, оставляемыми над ними. На шахтах Кузбасса и других бассейнов над охраняемыми выработками оставляют целики угля шириной от 30 до 80 м на глубине разработки от 200 до 800 м при одностороннем влиянии на них очистных работ, и от 60 до 170 м при двустороннем влиянии очистных работ.

Несмотря на оставление над выработками целиков таких размеров на них с углублением горных работ сильно возрастает опорное давление за счет зависания подработанных пород. Под действием остаточного опорного давления на целики происходят опасные деформации в охраняемых под ними выработках по сближенному пласту (пластам) и породным толщам и их приходится ремонтировать, перекреплять, часть проводить заново. Наиболее часто и опасно деформируются и требуют перекрепки надрабатываемые бремсберги, уклоны и квершлаги. Согласно действующей терминологии в горном деле из двух сближенных взаимовлияющих пластов вышележащий пласт называется надрабатывающим, нижележащий - надрабатываемым, выработки по ним - соответственно надрабатывающие и надрабатываемые (Горная Энциклопедия. Т. 3, с. 425. - М.: Изд-во Советская Энциклопедия, 1987 г.).

Оставление целиков (шириной от 30 до 170 м и более) над надрабатываемыми выработками по надрабатывающим пластам, при которых исключается вредное влияние на них опорного давления надработки, связано с очень большими потерями угля и средствами, вложенными на подготовку поля шахты, части его к отработке. Кроме того, целики, как концентраторы повышенных напряжений, зачастую являются очагами горных ударов, внезапных выбросов, подземных пожаров.

Известны способы снижения опорного давления на горные выработки, способы разгрузки горных выработок от опорного давления, охраняемых целиками угля и других полезных ископаемых по а.с. N 12319348, E 21 D 11/00, а.с. N 817253, E 21 C 37/00, а.с. N 1046523, E 21 D 11/00, а.с. N 875075, E 21 D 13/02, а. с. N 947425, E 21 C 41/04, а.с. N 983273, E 21 C 41/04, а.с. N 1165786, E 21 C 41/04, а.с. N 1254165, E 21 D 11/14, а.с. N 1467183, E 21 C 41/04, а.с. N 1195008, E 21 D 11/14.

Сущность способа разгрузки горной выработки от напряжений по а.с. N 12319348 заключается в том, что зону неупругих деформаций создают посредством проведения разрезной печи между охраняемой выработкой и очистным забоем и погашением разрезной печи вне зоны опорного давления. Разрезную печь проходят на расстоянии, равном сумме величины зон неупругих деформаций выработки и разрезной печи.

Недостатком способа является необходимость проведения разрезной печи, поддержания и погашения ее, что связано со значительными дополнительными затратами и средствами на эти работы. Кроме того, этот способ не базируется на выборе протяженности отрабатываемой части пласта исходя из падения основных прирожденных трещин относительно линии очистного забоя.

Недостатком способов охраны выработок по а.с. N 875075 и а.с. N 947425 является то, что они не обеспечивают предотвращения зависания пород основной кровли пласта, т.е. причины формирования и действия опорного давления в зоне влияния очистных работ. По физической сущности они не соответствуют характеру проявления горного давления при обрушении основной кровли разрабатываемых пластов.

Не достигается разгрузка горной выработки от опорного давления в зоне влияния очистных работ от зависания пород основной кровли по а.с. N 817253.

Способ разгрузки горной выработки от напряжений по а.с. N 1046523 предназначен для разгрузки выработок при отработке рудных тел, рудных месторождений с неравнокомпонентными полями напряжений путем бурения в окрестности их веерообразных скважин и взрывания зарядов путем проходки взрывных камер. Способ требует выполнения большого объема буровзрывных работ, что связано с дополнительными вредными динамическими воздействиями на выработки, поэтому он не пригоден для охраны и разгрузки выработок по угольным пластам.

Основной недостаток охраны пластовых выработок по а.с. N 1195008 состоит в том, что он не обеспечивает обрушение пород основной кровли пласта на момент отработки участка пласта и подхода очистного забоя к границе предохранительного целика угля у охраняемой выработки (вида бремсберга, уклона, ската и других, расположенных параллельно линии очистного забоя), так как протяженность отрабатываемой части пласта не взаимоувязана с кратностью расстояния между основными прирожденными трещинами основной кровли пласта. Поэтому на момент отработки участка пласта не происходит обычно обрушение пород основной кровли пласта, последняя нависает на целик угля у охраняемой выработки, вследствие чего целик и охраняемая им выработка испытывают повышенное опорное давление на протяжении всего срока службы выработки.

По способу а.с. N 983273 разгрузка выработки от опорного давления нависания пород основной кровли на краевую часть угольного массива и охрана ее достигаются путем принудительного обрушения их буровзрывным способом. Способ включает сооружение ниш в боках охраняемой выработки по всей ее длине, бурение скважин из ниш на всю мощность основной кровли пласта, т.е. зависающих пород и формирующих опасное опорное давление, причем бурение скважин осуществляют веером в вертикальной плоскости, расположенной вдоль оси выработки и на расстоянии от контура выработки, равном половине ее ширины. Данный способ очень трудоемкий, требует выполнения большого объема ниш и буровзрывных работ. Кроме того, способ приводит к неравномерному обрушению нависающих пород, к динамическим ударам от взрыва зарядов.

Аналогичными существенными недостатками способа по а.с. N 983273 обладает и способ охраны выработок по а.с. N 1165786. Он предназначен и применим для выработок, поддерживаемых позади очистных выработок на границе с выработанным пространством для повторного использования. Способ очень трудоемкий, так как требует выполнения большого объема присечных и буровзрывных работ.

По а. с. N 1254165 решен вопрос усиления обычной металлической арочной крепи выемочных выработок. Обеспечено упрощение конструкции крепи и снижение трудоемкости монтажа и демонтажа ее. Этим способом не обеспечиваются предотвращения зависания пород основной кровли пласта на целик угля у охраняемой выработки.

Сущность способа по а.с. N 1467183 заключается в том, что разгрузка охраняемой выработки от опорного давления достигается тем, что из разгружающей выработки, проводимой у предохранительного целика угля, дополнительно проводят щель в кровлю пласта по нормали к напластованию на высоту, обеспечивающую обрушение консольно зависающих пород на целик угля и полное подбучивание подработанных и вышележащих толщ пород и щель в почву пласта по нормали к нему на глубину, предотвращающую распространение опорного давления через почву пласта на охранный целик угля.

Формирование разгрузочной выработки и разгрузочных щелей завершают до приближения очистных работ к разгрузочной выработке и щелям на длины участка, отрабатываемого за время, за которое очистные работы продвинутся к разгрузочной выработке и щелям на величину, равную протяженности распространения опорного давления впереди очистного забоя, и за время, необходимое для перераспределения и стабилизации горного давления вокруг разгрузочной выработки и разгрузочных щелей после их проведения.

Основной недостаток способа состоит в том, что для предотвращения зависания пород основной кровли и формирования опасного опорного давления на предохранительный целик угля и охраняемую выработку, к которой всей длиной движется очистной забой, необходимо проводить разгрузочную выработку в краевой части целика и из нее разгрузочные щели в кровлю и почву пласта по нормали к напластованию пород.

Работы эти трудоемкие, так как требуют проведения разгрузочных выработок и щелей. Особенно трудоемки работы по устройству разгрузочных выработок и щелей в кровле и почве пласта.

Большим недостатком способа является также то, что протяженность отрабатываемой части пласта очистным забоем и место расположения разгрузочной выработки на границе целика угля и выработанного пространства принимают без учета прирожденной трещиноватости основной кровли пласта и ориентации падения прирожденных трещин относительно линии (фронта) очистного забоя.

Из известных способов охраны пластовых выработок от вредного влияния остаточного опорного давления на целик угля, оставляемый возле охраняемой выработки, наиболее близким является способ установки податливого анкера по патенту РФ N 2122116, E 21 C 41/18.

Сущность этого способа заключается в том, что выработку по разрабатываемому пласту охраняют целиком угля, подвигание очистного забоя всей линией (фронтом) параллельно расположению охраняемой выработки и протяженность отрабатываемой части пласта очистным забоем принимают равной кратному суммарному расстоянию между основными прирожденными трещинами основной кровли в направлении отработки пласта, причем пласт отрабатывают в направлении с падением основных прирожденных трещин основной кровли от линии очистного забоя в выработанное пространство.

Способ позволяет существенно снизить опорное давление на предохранительный целик угля возле охраняемой выработки, повысить устойчивость выработки и снизить затраты на ее крепление и поддержание. Однако он имеет значительные недостатки.

Основной недостаток способа состоит в том, что им не достигается полностью предотвращение зависания подработанных пород кровли на предохранительный целик угля возле охраняемой выработки на границе с выработанным пространством. Зависающие породы формируют в целике повышенные напряжения, которые обычно оказывают очень вредное влияние на надрабатываемые выработки, расположенные под целиком. Обрушение пород основной кровли по основным прирожденным трещинам на границе отработанного очистного пространства и предохранительного целика возле охраняемой не исключает зависания значительной части пород кровли выработанного пространства на предохранительный целик угля и формирования за счет их веса повышенного остаточного опорного давления, которое будет действовать на выработку под целиком по нижележащему сближенному пласту или породной толще с момента отработки надрабатывающего пласта и до погашения надрабатываемой выработки. Кроме того, в породах основной кровли угольных пластов зачастую плохо выражены основные прирожденные трещины и в этих условиях данный способ не применим.

Большим недостатком способа являются также большие потери угля в целиках и связанный с этим рост затрат на подготовку пластов угля к разработке. С увеличением глубины расположения выработок резко возрастают размеры (ширина) целиков, потери угля и затраты на воспроизводство запасов к отработке. Целики угля являются также очагами горных ударов, внезапных выбросов и подземных пожаров. Так, на шахтах Кузбасса около 40% всех горных ударов происходили в целиках, очагами примерно 50% всех подземных пожаров являлись целики угля.

Целью изобретения является повышение устойчивости и снижение затрат на крепление и поддержание выработок по сближенным пластам угля.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе охраны горных выработок по сближенным пластам угля, включающем проведение охраняемой выработки по надрабатываемому пласту с подвиганием очистного забоя по надрабатывающему пласту параллельно расположению охраняемой выработки, очистную выработку по надрабатывающему пласту всем фронтом проводят над охраняемой выработкой с подвиганием от нее на удалении не менее четырех шагов обрушения легко- и среднеобрушающейся основной кровли и не менее трех шагов обрушения труднообрушающейся основной кровли пласта, причем выработку крепят анкерами двух уровней по глубине заложения их в скважинах приконтурного массива, длину анкеров первого уровня, которые устанавливают при проведении выработки, задают из условия подвески неустойчивой части массива к устойчивой, которая формируется вокруг выработки до подхода к ней временного опорного давления очистной выработки надрабатывающего пласта, а длину анкеров второго уровня, которые устанавливают не позднее начала влияния временного опорного давления очистной выработки надрабатывающего пласта, задают из условия закрепления их за контур устойчивой части массива на 0,8 - 0,9 м, который формируется над выработкой в течение всего срока службы.

Предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с прототипом полную разгрузку охраняемой выработки от остаточного опорного давления путем отработки надрабатывающего пласта без оставления над ней целика. Целик является концентратором повышенных напряжений, которые распространяются под ним в глубь надрабатываемого массива и на расположенные в нем выработки до 50-60 м и больше. Концентрация напряжений в целике обусловлена весом пород, залегающих непосредственно на нем, и весом нависших пород основной кровли прилегающего выработанного очистного пространства. Весом этих пород формируется остаточное опорное давление на надрабатываемую выработку под целиком, которое оказывает влияние на нее на протяжении всего времени поддержания под целиком.

По данным шахтных инструментальных наблюдений и лабораторных исследований коэффициент концентрации напряжений в целике, оставляемом над надрабатываемой выработкой, составляет в основном 2-2,5 при легко- и среднеобрушающихся породах основной кровли и 3-4 при труднообрушающихся породах основной кровли надрабатывающего пласта.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом полностью исключает формирование остаточного опорного давления над охраняемой выработкой.

Временное опорное давление надрабатывающей очистной выработки распространяется впереди очистного забоя в основном не более 36-50 м (в зависимости от глубины разработки, обрушаемости пород кровли пласта, скорости подвигания забоя) и составляет лишь небольшую часть в сравнении с остаточным опорным давлением на целик. Длительность действия его на охраняемую выработку кратковременная, обычно не более 20-30 сут (в зависимости от скорости подвигания забоя), в то время как остаточное опорное давление оказывает влияние на охраняемую выработку с момента формирования его до погашения ее. Глубина распространения влияния остаточного опорного давления на целик в надрабатываемый массив и величина воздействия его на массив и расположенные в нем выработки по данным натурных и лабораторных исследований в 3-5 раз больше, чем временного опорного давления.

Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает исключение влияния на охраняемую выработку опорного давления при отработке соседнего участка (панели, столба) надрабатывающего столба, граничащего с отработанным участком, путем удаления надрабатывающей очистной выработки от охраняемой выработки на четыре шага обрушения легко- и среднеобрушающейся основной кровли и три шага - труднообрушающейся основной кровли надрабатывающего пласта. Удаление надрабатывающей очистной выработки от охраняемой выработки на такое расстояние полностью исключает влияние на нее опорного давления на краевую часть пласта соседнего участка и сдвижения пород в выработанном пространстве при его отработке.

В результате, по предлагаемому способу охраняемая выработка после отработки надрабатывающего пласта окажется в разгруженном массиве и поддерживается в нем до погашения. Горное давление в разгруженном массиве надработки по данным исследований составляет примерно 0,7-0,8 величины горного давления в массиве в естественных условиях залегания.

В заявленном способе крепление охраняемой выработки анкерами двух уровней по глубине заложения их в скважинах приконтурного массива, из которых анкеры первого уровня устанавливают при проходке выработки, анкеры второго уровня - до попадания в зону влияния надработки, обеспечивает повышение устойчивости выработки и снижение затрат на ее крепление и поддержание, что обусловлено возведением крепи во времени и выбором длины анкеров исходя из проявления механических процессов в породах под влиянием проходческих и очистных работ и формирования контура устойчивой части массива.

Выбор времени установки анкеров двух уровней и длины анкеров каждого уровня исходя из условий формирования контура устойчивой части пород массива под влиянием проходческих и очистных работ обеспечивает повышение надежности и устойчивости выработки и снижение расхода крепежных материалов и трудоемкости работ.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает также снижение потерь подготовленных запасов угля за счет отработки надрабатывающих пластов без оставления целиков над охраняемыми надрабатываемыми выработками.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

На фиг. 1 показан вертикальный продольный разрез надрабатываемой выработки, закрепленной анкерами первого уровня по надрабатываемому пласту и надрабатывающей очистной выработки по надрабатывающему пласту. На фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1. На фиг. 3 - вертикальный продольный разрез выработки с закрепленной анкерами второго уровня кровлей после полной надработки ее очистными работами по надрабатывающему пласту.

Способ осуществляют следующим образом.

По мере проведения горной выработки 1 по надрабатываемому пласту 2 кровлю закрепляют анкерами первого уровня 3 и бока анкерами 4. Анкеры в ряду первого уровня в кровле соединяют между собой подхватами 5. Контур устойчивой части пород кровли в период проходки и до начала влияния надработки на выработку 1 принимают по данным инструментальных наблюдений непосредственно в горных выработках, получаемым в подобных горно-геологических и горнотехнических условиях. Они могут быть получены, например, с помощью контурных реперов и глубинных реперов, закладываемых в кровлю на различном расстоянии от контура выработки.

Так, в условиях шахт Кузбасса устойчивый свод (часть) пород кровли надрабатываемых выработок до попадания их в зону влияния очистных работ надработки формируется по данным многочисленных инструментальных наблюдений в основном на расстоянии 1,3-1,5 м от контура выработки.

К моменту подхода надрабатывающей очистной выработки 6 по надрабатывающему пласту 7 к надрабатываемой выработке 1 на расстояние не менее протяженности зоны временного опорного давления l_оп, на которое оно распространяется впереди очистного забоя, кровлю выработки закрепляют анкерами второго уровня 8, которые устанавливают рядами в промежутке между анкерами первого уровня 3. Протяженность зоны временного опорного давления впереди забоя очистной выработки принимают по данным инструментальных наблюдений (с помощью маркшейдерских инструментов и контурных реперов), получаемым в сходных горно-геологических и горнотехнических условиях. Контур устойчивой части пород кровли, формирующийся с момента влияния очистных работ надработки на выработку и в течение всего времени до окончания срока службы, принимают по данным инструментальных наблюдений (например, контурными и глубинными реперами), получаемым в подобных горно-геологических и горнотехнических условиях. В частности, по данным наблюдений в условиях шахт Кузбасса в зависимости от мощности пород между сближенными пластами в полностью надрабатываемых выработках (без оставления целиков угля над ними) контур устойчивых пород кровли за срок их службы формируется обычно в пределах не более 2-2,5 м от контура выработки.

Надрабатывающую очистную выработку 6 всем фронтом проводят над охраняемой выработкой 1 с подвиганием от нее на расстоянии не менее четырех шагов обрушения легко- и среднеобрушающейся основной кровли и не менее трех шагов обрушения труднообрушающейся основной кровли надрабатывающего пласта. Шаг обрушения основной кровли в выработанном пространстве надрабатывающего пласта принимают по данным инструментальных наблюдений (например, по скоростям смещений пород кровли и почвы или величины нагрузки на крепь в очистной выработке), получаемым в аналогичных горно-геологических и горнотехнических условиях. Например, в условиях Кузнецкого бассейна шаг обрушения пород легкообрушающейся кровли угольных пластов находится в основном в пределах 7-9 м, среднеобрушающейся кровли - 10-15 м, труднообрушающейся кровли - 16-25 м.

Предлагаемый способ повышает устойчивость и эффективность крепления горных выработок по сближенным пластам угля, снижает затраты на крепление и охрану выработок, уменьшает потери угля путем полной надработки выработок без оставления над ними предохранительных целиков угля и поддержания их в полностью разгруженном от опорного давления массиве пород.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при креплении горных выработок по сближенным пластам угля, испытывающим влияние надработки. Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости горных выработок по сближенным пластам угля, испытывающим влияние надработки и снижение затрат на их крепление и поддержание. Очистную выработку по надрабатывающему пласту всем фронтом проводят над охраняемой выработкой с подвиганием от нее на удалении не менее четырех шагов обрушения легко- и среднеобрушающейся основной кровли и не менее трех шагов обрушения труднообрушающейся основной кровли пласта. Охраняемую выработку крепят анкерами двух уровней по глубине заложения их в скважинах приконтурного массива, длину анкеров первого уровня, которые устанавливают при проведении выработки, задают из условия подвески неустойчивой части массива к устойчивой, которая формируется вокруг выработки до подхода к ней временного опорного давления очистной выработки надрабатывающего пласта, а длину анкеров второго уровня, которые устанавливают не позднее начала влияния временного опорного давления очистной выработки надрабатывающего пласта, задают из условия закрепления их за контур устойчивой части массива на 0,8 - 0,9 м, который формируется над выработкой в течение всего срока службы. 3 ил.

Способ охраны горных выработок по сближенным пластам, включающий проведение охраняемой выработки по надрабатываемому пласту с подвиганием очистного забоя по надрабатывающему пласту параллельно расположению охраняемой выработки, отличающийся тем, что очистную выработку по надрабатывающему пласту всем фронтом проводят над охраняемой выработкой с подвиганием от нее на удалении не менее четырех шагов обрушения легко- и среднеобрушающейся основной кровли и не менее трех шагов труднообрушающихся основной кровли пласта, причем выработку крепят анкерами двух уровней по глубине заложения их в скважинах приконтурного массива, длину анкеров первого уровня, которые устанавливают при проведении выработки, задают из условия подвески неустойчивой части массива к устойчивой, которая формируется вокруг выработки до подхода к ней временного опорного давления очистной выработки надрабатывающего пласта, а длину анкеров второго уровня, которые устанавливают не позднее начала влияния временного опорного давления очистной выработки надрабатывающего пласта, задают из условия закрепления их за контур устойчивой части массива на 0,8 - 0,9 м, который формируется над выработкой в течение всего срока службы.