СПОСОБ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ ПЛАСТОВ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2002 года по МПК E21C41/16 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке мощных пластов полезных ископаемых для повышения эффективности управления горным давлением в лавах.

Известны способы разработки мощных пластов полезных ископаемых, включающие разделение пластов на слои, проведение участковых подготовительных выработок и монтажных камер, оконтуривающих в пределах слоев столбы полезного ископаемого, и одновременную отработку столбов в вышерасположенных (надрабатывающих) и надрабатываемых слоях длинными очистными забоями (В кн. А. С.Бурчакова, Н.К.Гринько, А.Б.Ковальчука. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1978, с. 118-122). При отработке слоев производится полное обрушение пород кровли в выработанном пространстве.

Недостатками данных способов являются динамические обрушения пород непосредственной и основной кровли в выработанном пространстве, приводящие к вывалам пород в призабойное пространство лав, повышенным нагрузкам на крепь, зажатию и деформированию секций крепи в лавах надрабатываемых слоев.

Известны способы разработки мощных пластов полезных ископаемых, включающие разделение пластов на слои, проведение участковых подготовительных выработок и монтажных камер, оконтуривающих в пределах слоев столбы полезного ископаемого, и последовательную отработку слоев в нисходящем порядке лавами с полным обрушением пород кровли в выработанном пространстве (В кн. Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей. Издатель: Слуцкая типография Республика Беларусь, 1995 г., с. 125-127, авт. св. СССР 492661).

Недостатками данных способов являются динамические повышенные нагрузки на крепь лав надработанных слоев, приводящие к зажатию секций крепи в лавах надрабатываемых слоев. Это связано с тем, что при отработке вышерасположенного слоя в породах непосредственной и основной кровли возникают трещины эксплуатационного происхождения, ориентированные под углом 0-3^o к линии очистного забоя. Поверхности этих трещин расположены под углом 50-80^o к горизонтальной плоскости. Расстояние между трещинами, образующимися в породах непосредственной кровли, обычно составляет 0,9-0,95 ширины охвата комбайна. Расстояние между трещинами, возникающими в вышерасположенных слоях пород непосредственной и основной кровли, возрастает по мере удаления от пласта. В породах основной кровли расстояние между трещинами достигает десятков метров.

Пригрузка на крепь лавы со стороны пород кровли зависит от устойчивости арочных систем, образующихся из породных блоков непосредственной и основной кровли, зависающих в выработанном пространстве. При нарушении устойчивости этих систем и их разрушении минимальная нагрузка на крепь будет определяться весом пород, находящихся над крепью. Наибольшие нагрузки на крепь наблюдаются при прохождении лавы надработанного слоя под трещинами, образовавшимися в основной кровле при отработке вышерасположенного слоя. В эти периоды времени в связи с увеличением интенсивности опускания породных блоков возможно снижение сил распора между ними и проскальзывание блоков пород основной кровли по разделяющим их трещинам, приводящее к разрушению шарнирных систем. При этом в движение приходит не только блок основной кровли, но и значительные массы более слабых пород, расположенных выше этого блока, что приводит к возникновению больших нагрузок на лавную крепь, противодействовать которым применяемые в настоящее время крепи практически не могут. Разрушения шарнирных систем, происходящие в небольшие промежутки времени, представляют наибольшую опасность для механизированных крепей очистных забоев и состояния кровли в призабойном пространстве лав. Как правило, обрушения пород кровли в призабойное пространство лав и зажатие крепей "нажестко" происходят именно в эти периоды времени. Следует также отметить, что прогнозирование мест протекания указанных случайных процессов практически невозможно.

Задачей заявляемого способа является повышение эффективности отработки мощных пластов полезных ископаемых при использовании слоевых систем разработки за счет исключения динамических нагрузок на крепь лав надрабатываемых слоев, приводящих к вывалам пород кровли в призабойное пространство лав и деформированию секций крепи.

Задача решается тем, что пласт разделяют на наклонные слои (наклонные слои - слои, параллельные плоскостям напластования пород), проводят участковые подготовительные выработки, оконтуривающие столбы полезного ископаемого, после чего производят последовательную отработку столбов полезного ископаемого в вышерасположенном и надработанном слоях лавами с опережением отработки столбов вышерасположенного слоя.

Заявляемый способ отличается от известных тем, что столбы полезного ископаемого в надрабатываемом слое отрабатывают под выработанным пространством лав вышерасположенного слоя после завершения процесса обрушения пород кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя, причем линии очистных забоев лав надрабатываемого слоя располагают под углом к трещинам, образовавшимся в породах кровли пласта при отработке столбов вышерасположенного слоя.

При отработке пластов, основная кровля которых представлена трудно обрушающимися породами, расстояние между лавами принимают больше четырех шагов обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя.

В период прохождения лав подрабатываемого слоя под трещинами, образовавшимися в породах основной кровли при отработке лав вышерасположенного слоя, величину угла между линиями очистных забоев лав надрабатываемого слоя и указанными трещинами принимают равным 5 - 15^o .

Сущность являемого способа поясняется схемами, представленными на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг. 1 и фиг.2 приведены принципиальные схемы образования трещин в породах основной и непосредственной кровли пласта и взаимодействия породных блоков в выработанном пространстве лав при отработке столбов, соответственно вышерасположенного и надрабатываемого слоев;
на фиг.3 приведена схема расположения лав надрабатываемого слоя относительно трещин, образовавшихся в породах основной кровли в период отработки столбов вышерасположенного слоя;
m_п - мощность пласта полезного ископаемого;
m_в - мощность вышерасположенного слоя;
m_н - мощность надрабатываемого слоя;
1 - трещины в породах непосредственной кровли, образующиеся при отработке лавы вышерасположенного слоя;
2 - трещины в породах основной кровли, образующиеся при отработке лавы вышерасположенного слоя;
ав - линия очистного забоя лавы надрабатываемого слоя;
L - расстояние между трещинами, возникающими в основной кровле при отработке лавы вышерасположенного слоя (шаг обрушения основной кровли);
β- величина угла между линией очистного забоя лавы надрабатываемого слоя и трещинами в породах кровли, образующимися при отработке лавы вышерасположенного слоя;
kd - наклонные поверхности трещин разлома, возникающих в породах основной кровли при отработке лавы вышерасположенного слоя.

Обоснование существенности отличительных признаков.

Отработка столбов полезного ископаемого подрабатываемого слоя под выработанным пространством лав вышерасположенного слоя после завершения процесса обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя позволяет исключить влияние динамических осадок основной кровли, связанных с отработкой лав вышерасположенного слоя, на крепь лав надрабатываемого слоя.

При отработке пластов, основная кровля которых представлена трудно обрушающимися породами, расстояние между лавами надрабатываемого и вышерасположенного слоев, перемещающимися в одном направлении, принимают больше четырех шагов обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя.

Это объясняется тем, что на расстоянии от лавы вышерасположенного слоя, меньшем четырех шагов обрушения основной кровли, шарнирные системы, образующиеся из блоков основной кровли в выработанном пространстве, теряют свою устойчивость и разрушаются, а процесс обрушения кровли, связанный с отработкой вышерасположенного столба, завершается.

При расположении линии очистного забоя лавы надрабатываемого слоя под углом β (фиг.3) к трещинам, образовавшимся в породах основной и непосредственной кровли пласта при отработке столбов вышерасположенного слоя, уменьшается нагрузка на крепь лавы, передаваемая со стороны пород кровли. Это связано с тем, что один из концов подрабатываемых породных блоков непосредственной кровли лежит на массиве полезного ископаемого впереди забоя лавы и защемлен впереди забоя лавы вышерасположенными породами. В результате чего значительная часть нагрузки, воспринимаемой этим блоком, и веса самого блока передаются на массив полезного ископаемого впереди забоя лавы. При расположении линии очистного забоя лавы надрабатываемого слоя под углом (фиг. 3) к трещинам, образовавшимся в породах основной кровли, подрабатываемый блок основной кровли АВСД опирается своим передним концом АВ на породы, лежащие на массиве полезного ископаемого впереди забоя лавы. Это исключает возможность проскальзывания блока пород основной кровля по трещине, приводящего к резкому увеличению нагрузок на крепь.

Максимальный эффект от использовании заявляемого способа в период прохождения лав надрабатываемого слоя под трещинами, образовавшимися в породах основной кровли, достигается при величинах угла β между линией очистного забоя ав (фиг.3) лавы надрабатываемого слоя и трещиной АВ, разделяющей блоки основной кровли, равных 5-15^o. При таких углах обеспечивается надежное защемление передних концов блоков основной кровли впереди забоя лавы, следствием чего является снижение пригрузки со стороны основной кровли на непосредственную кровлю и крепь лавы. При величинах угла β между линией очистного забоя ав (фиг. 3) лавы надрабатываемого слоя и трещиной АВ, разделяющей блоки основной кровли, меньших 5^o, эффективность способа снижается в связи с возрастанием вероятности проскальзывания подрабатываемого блока пород основной кровли по трещине. При величинах угла β между линией очистного забоя ав (фиг. 3) лавы надрабатываемого слоя и трещиной АВ, разделяющей блоки основной кровли, больших 15^o, эффективность способа снижается в связи с увеличением шага обрушения пород непосредственной кровли. Следует, однако, отметить, что по сравнению с известными способами положительный эффект при реализации заявляемого способа достигается во всем диапазоне изменения угла β - от 0 до 90^o.

Величину шага обрушения пород основной кровли, знание которой необходимо при реализации заявляемого способа, а также ориентацию трещин эксплуатационного происхождения, образующихся в породах кровли пласта при отработке столбов вышерасположенного слоя, определяют путем шахтных, лабораторных или аналитических исследований с учетом конкретных горно-геологических условий отработки пластов.

Область рационального использования данного способа связана с отработкой подземным способом соляных и угольных пластов мощностью более 3,5 м при применении систем разработки с разделением пластов на слои.

Данный способ позволяет исключить до 30-50% завалов лав и зажатии крепи лав "нажестко" от общего их числа, зафиксированного при отработке всего столба полезного ископаемого. Экономический эффект достигается за счет: снижения потерь добычи, связанных с простоями лав при ликвидации последствий обрушений кровли и заменой деформированной крепи, со снижением затрат на замену деформированной крепи очистных забоев. Кроме того, при использовании заявляемого способа повышается безопасность труда горнорабочих.

Пример конкретного использования заявляемого способа при отработке Третьего калийного пласта на Первом рудоуправлении ПО "Беларуськалий".

Третий калийный пласт мощностью 4,5 м отрабатывается на глубинах 600-800 м от поверхности. Угол падения - пласта 1-3^o.

Система отработки пласта - длинными столбами с разделением пласта на два слоя. Слои отрабатывают последовательно в нисходящем порядке: вначале отрабатывают вышерасположенный слой, затем надрабатываемый. Длина лав вышерасположенного слоя составляет 180-190 м, надрабатываемого -140-150 м. Между выемочными участками оставляют целики полезного ископаемого с размерами, при которых исключается раздавливание целиков горным давлением.

По данным статистических исследований, установившийся шаг обрушения пород основной кровли (L, фиг.3) в выработанном пространстве лав надрабатываемого слоя составляет 20-30 м.

Визуально наблюдаемые в призабойном пространстве лав вышерасположенного слоя трещины, по которым происходят сдвиги и опускания породных блоков, образующихся в породах кровли при отработке столбов вышерасположенного слоя, расположены под углом 0-3^o к линии очистного забоя.

При реализации заявляемого способа в рассматриваемых условиях столбы полезного ископаемого надрабатываемого слоя отрабатывают под выработанным пространством лав вышерасположенного слоя с опережением, превышающим 120 м после завершения процесса обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя.

Линии очистных забоев лав надрабатываемого слоя располагают под углом 10^o к трещинам, образующимся в породах кровли пласта при отработке столбов вышерасположенного слоя.

Использование предложенного способа в рассматриваемых условиях позволяет исключить динамические нагрузки на механизированную крепь лав надрабатываемого слоя с зажатием секций крепи "нажестко" и завалы призабойного пространства лав. Повышается безопасность труда горнорабочих.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной разработке пластов полезных ископаемых. Пласт разделяют на наклонные слои, проводят участковые подготовительные выработки, оконтуривающие столбы полезного ископаемого, после чего производят последовательную отработку столбов полезного ископаемого в вышерасположенном и надрабатываемом слоях лавами с опережением отработки столбов вышерасположенного слоя. Столбы полезного ископаемого надрабатываемого слоя отрабатывают под выработанным пространством лав вышерасположенного слоя после завершения процесса обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя, причем линии очистных забоев лав надрабатываемого слоя располагают под углом к трещинам, образовавшимся в породах кровли пласта при отработке столбов вышерасположенного слоя. При отработке пластов, основная кровля которых представлена трудно обрушающимися породами, расстояние между лавами надрабатываемого и вышерасположенного слоев, отрабатываемыми в одном направлении, принимают больше четырех шагов обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя. В период прохождения лав надрабатываемого слоя под трещинами, образовавшимися в породах основной кровли, величину угла между линиями очистных забоев лав надрабатываемого слоя и трещинами принимают равным 5-15^o. Задачей заявляемого способа является повышение эффективности отработки мощных пластов полезных ископаемых при применении столбовых систем разработки за счет исключения динамических нагрузок на крепь лав надрабатаваемых слоев, приводящих к вывалам пород и деформированию секций крепи. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ разработки мощных пластов полезных ископаемых, включающий разделение пласта на наклонные слои, проведение участковых подготовительных выработок, оконтуривающих столбы полезного ископаемого, и последовательную отработку столбов полезного ископаемого в вышерасположенном и надработанном слоях лавами с опережением отработки столбов в вышерасположенных слоях, отличающийся тем, что столбы полезного ископаемого надрабатываемого слоя отрабатывают под выработанным пространством лав вышерасположенного слоя после завершения процесса обрушения пород кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя, причем линии очистных забоев лав надрабатываемого слоя располагают под углом к трещинам, образовавшимся в породах кровли пласта при отработке столбов вышерасположенного слоя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отработке пластов, основная кровля которых представлена труднообрушающимися породами, расстояние между лавами надрабатываемого и вышерасположенного слоев, отрабатываемыми в одном направлении, принимают больше четырех шагов обрушения пород основной кровли в выработанном пространстве лав вышерасположенного слоя. 3. Способ по п. 1 и 2, отличающийся тем, что в период прохождения лав надрабатываемого слоя под трещинами, образовавшимися в породах основной кровли при отработке лав вышерасположенного слоя, величину угла между линиями очистных забоев лав надрабатываемого слоя и трещинами принимают равным 5-15^o.