книги / Процессы очистных работ

Трудозатраты (чел.см.) на крепление лавы при молотковой выемке

τкр = nусnу.оTкр . Tсм

При буровзрывном способе выемки в лаве работы ведутся последовательными участками. Крепление призабойного пространства на участке производится после взрывных работ и осуществляется, как правило, деревянной стоечной крепью. Первый ряд крепи устанавливается около забоя участка. Время крепления одного уча-

где lу – длина взрываемого участка, м;

nуч – количество рабочих очистного забоя, занятых на креплении одного участка.

Полное время крепления лавы (мин)

Tкр = nуTу,

где nу – количество участков, на которое разделена лавадля взрывных работ.

Трудозатраты на крепление лавы (чел.см.) при буровзрывной выемке

τ = nучTкр . кр Tсм

Независимо от способа выемки полезного ископаемого в лаве для каждой лавы составляется и утверждается паспорт крепления и управления кровлей, в который составной частью входит паспорт крепления призабойного пространства. Ниже излагается методика расчета паспорта крепления лавы стоечной крепью.

101

Расчет паспорта крепления призабойного пространства стоечной крепью

Нормативные документы определяют, что при выборе стоечной крепи следует ориентироваться в первую очередь на применение металлической крепи. Деревянную стоечную крепь применяют в тех случаях, когда невозможно применение металлической крепи. Основным препятствием к применению металлической крепи призабойного пространства является угол падения пласта. В частности, применение металлических стоек исключено на крутом и крутонаклонном падении.

При креплении призабойного пространства металлическими стойками расчет паспорта крепления предусматривает выбор типа и типоразмера металлической стойки и определение параметров установки стоек в призабойном пространстве. При деревянной крепи подлежат определению диаметр стоек крепи и параметры установки стоек.

Выбор типа и типоразмера металлических стоек крепи призабойного пространства заключается в сопоставлении условий конкретной лавы с техническими характеристиками стоек [1], [2] и проверкой возможных стоек по высоте. Металлическая стойка удовлетворяет условиям конкретной лавы по высоте, если выпол-

няются неравенства

Hmax ≥ H нmax и Hmin ≤ H нmin,

где Hmax и Hmin – высота стойки соответственно максимальная и минимальная по технической характеристике, м [1], [2];

H нmax и H нmin – высота стойки соответственно максимальная и минимальная, необходимые по условиям конкретной лавы, м.

Высота стойки (м) максимальная и минимальная, необходимые по условиям конкретной лавы, определяются выражениями

H нmax = m – kсмhв – δml1,

H нmin = m – kсмhв – δm[l1 + a(nдо – 1) + lш] – hи,

где m – вынимаемая мощность пласта в лаве, м;

102

kсм – коэффициент, учитывающий смятие верхняка. При металлических верхняках kcм = 1. При деревянных верхняках при рас-

чете H нmax kсм = 0,5, при расчете H нmin kсм = 0,75;

hв – высота верхняка, м. При металлических верхняках высота верхняка определяется по [1], [2]. При деревянных верхняках высота верхняка 8–10 см;

δ – коэффициент, зависящий от обрушаемости пород основной кровли. Для легкообрушаемых пород основной кровли δ = 0,04, при средней обрушаемости пород основной кровли δ = 0,025, для труднообрушаемых – δ = 0,015;

l1 – расстояние от забоя лавы до оси первого (от забоя) ряда крепи, м. При установке первого ряда крепи за конвейером это расстояние определяется шириной корпуса комбайна или шириной струговой установки [1], [2]. При установке первого ряда крепи около забоя лавы указанное расстояние составляет 0,20–0,25 м;

a – расстояние между осями рядов крепи в лаве, м, его определение будет рассмотрено ниже;

nдо – количество рядов стоек в лаве до посадки кровли (т.е. при максимальной ширине призабойного пространства), м;

lш – шаг посадки кровли, м, его определение будет рассмотрено в гл. 6;

hи – запас высоты, необходимый для извлечения стойки, м, его значение принимается равным 4–6 см.

При деревянной крепи призабойного пространства диаметр стойки (м) может быть рассчитан по выражению

d =0,11 m.

Рассчитанное значение диаметра стойки округляется в большую сторону с точностью до 0,01 м.

Как при металлической, так и при деревянной стоечной крепи призабойного пространства параметрами установки крепи, подлежащими определению, являются:

a – расстояние между осями рядов крепи в лаве, м; b – расстояние между осями стоек в ряду, м.

103

В основу определения указанных параметров установки крепи положена гипотеза о том, что на каждую отдельную стойку давит призма пород непосредственной кровли, площадь поперечного сечения которой равна ab, а высота равна мощности пород непосредственной кровли. Очевидно, что эта нагрузка на стойку не может превышать рабочее сопротивление стойки, т.е. ее несущую способность.

Несущая способность (кН) металлических стоек определяется по их технической характеристике [1], [2], деревянных – рассчитывается поформуле

Pн = σсжF,

где σсж – предел прочности дерева на сжатие вдоль волокон, кН/м2. В расчетах его значение можно принимать равным 15 000 кН/м2;

F – площадь поперечного сечения стойки, м2.

Параметры установки стоечной крепи призабойного пространства находятся из выражения

где b – расстояние между осями стоек крепи в ряду, м; а – расстояние между осями рядов стоек в лаве, м;

γн – средняя плотность (объемный вес) пород непосредственной кровли, т/м3;

hн – мощность пород непосредственной кровли, м. Поскольку в приведенное выше выражение входят обе рассчи-

тываемые величины (a и b), одной из них необходимо задаться. Естественно, что проще задаться расстоянием между осями рядов в лаве (a), так как ее можно увязать с подвиганием забоя лавы за цикл, т.е. принять расстояние между осями рядов крепи в лаве кратным подвиганию лавы за цикл. В зависимости от подвигания забоя лавы за цикл коэффициент кратности может принимать значения 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5. При этом правила безопасности требуют, чтобы между рядами стоек крепи был свободный проход ши-

104

риной не менее 0,7 м, т.е. должно выполняться неравенство aм > 0,7, где aм – расстояние между рядами крепи в лаве, aм = a – d (d для стоек круглого сечения – диаметр стойки; для стоек прямоугольного сечения – ширина стойки). Кроме того, не рекомендуется принимать значение aм более 1,5 м, так как появляется опасность выпадения кусков породы из кровли.

Рассчитанное по приведенному выше выражению расстояние между осями стоек в ряду также должно обеспечивать расстояние между стойками в ряду (bм = b – d) не менее 0,7 м. Не рекомендуется также принимать значение bм более 1,5 м.

Заметим еще, что при слабых кровлях, а особенно при сильно трещиноватых кровлях, в паспорте крепления призабойного пространства должна предусматриваться затяжка кровли досками.

105

6.УПРАВЛЕНИЕ КРОВЛЕЙ

ВДЛИННЫХ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ

Вусловиях естественного залегания пласта полезного ископаемого и вмещающих пород, т.е. в условиях отсутствия подготовительных и очистных выработок, нагрузки на пласт, а следовательно, и напряжения впласте определяются весомпород, покрывающих пласт.

При отработке пласта на отработанных площадях часть покрывающих пласт пород теряют опору, и вес этих подработанных пород ложится на краевые части пласта, примыкающие к выработанному пространству, и на выработанное пространство. В результате нагрузки на краевые части пласта, примыкающие к выработанному пространству, увеличиваются по сравнению с первоначальными нагрузками, имевшими место до начала горных работ. Дополнительные (относительно первоначальных) нагрузки, вызванные перераспределением веса пород подработанной толщи, называются опорным, или горным, давлением.

Горное давление, как и любое другое давление, увидеть невозможно, но можно видеть последствия его действия. Эти последствия проявляются в образовании трещин, в вывалах кусков пород из кровли, в обрушениях пород, в поломках крепи и т.п. Такие последствия горного давления значительно осложняют ведение горных работ, повышают опасность работ, поэтому в задачу инженер- но-технических работников предприятий входят разработка и осуществление мероприятий, уменьшающих интенсивность горного давления и вредные последствия его воздействия. Применение этих мероприятий называется управлением горным давлением. При разработке пластовых месторождений термин «управление горным давлением» используется очень редко. Вместо него используют термин «управление кровлей», что объясняется тем, что при разработке пластовых месторождений горное давление проявляется, как правило, со стороны кровли.

106

В настоящее время в длинных очистных забоях применяют следующие способы управления кровлей (рис. 6.1):

− Полное обрушение кровли (см. рис. 6.1, а), которое заключается в периодическом обрушении пород непосредственной и основной кровли. Подробно этот способ управления кровлей будет рассмотрен ниже.

Рис. 6.1 Способы управления кровлей в длинных очистных забоях

−Полная закладка выработанного пространства (см. рис. 6.1, б).

Вэтом случае выработанное пространство заполняется закладочным материалом, который воспринимает вес подработанной толщи пород кровли. Этотспособ такжебудетрассмотрен ниже более подробно.

−Частичное обрушение кровли. При этом способе управления кровлей в выработанном пространстве лавы параллельно под-

107

готовительным выработкам, обслуживающим лаву, выкладываются бутовые (породные) полосы (см. рис. 6.1, в). Для получения породы для бутовых полос в выработанном пространстве лавы проходят бутовые штреки. Расстояние между бутовыми полосами принимается таким, чтобы между ними обрушались только породы непосредственной кровли, а основная кровля не обрушалась, а удерживалась на краевых частях пласта, примыкающих к лаве, на бутовых полосах и на обрушенных породах непосредственной кровли. Этот способ управления кровлей весьма трудоемок (проходка бутовых штреков, выкладка бутовых полос – работы ручные), травмоопасен (работы в выработанном пространстве). В связи с этим данный способ применяется чрезвычайно редко.

−Частичная закладка выработанного пространства. По исполнению этот способ управления кровлей (см. рис. 6.1, г) аналогичен предыдущему, но расстояние между бутовыми полосами уменьшается с таким расчетом, чтобы не происходило обрушение как непосредственной, так и основной кровли. Как и предыдущий, этот способ управления кровлей применяется очень редко.

−Плавное опускание кровли. Этот способ управления кровлей (см. рис. 6.1, д) требует, чтобы породы кровли были способны изгибаться без образования трещин и без разрушения. Успешному применению этого метода способствуют также породы почвы пласта, склонные к пучению. В выработанном пространстве лавы параллельно подготовительным выработкам, обслуживающим лаву, устанавливаются ряды «мертвых» (т.е. неразборных, непереносных) костров, которые, сминаясь, способствуют более плавному опусканию кровли. Поскольку этот способ управления кровлей требует пород кровли с определенными свойствами, это значительно ограничивает его применение.

Из перечисленных выше способов управления кровлей в длинных очистных забоях в практике горных работ получил распространение способ полного обрушения, который при достаточной эффективности не требует больших затрат.

108

6.1.Управление кровлей полным обрушением

Вначальный период развития очистных работ, когда лава только отходит от разрезной печи, подработанные породы кровли представляют собой плиту, опирающуюся на краевые части пласта. По мере подвигания лавы площадь этой плиты (т.е. площадь подработанной кровли) увеличивается. Естественно, что с увеличением площади обнажения кровли увеличиваются и нагрузки на краевые части пласта. Когда площадь обнажения кровли достигнет предельных величин, определяемых свойствами пород кровли, происходит разрушение пород кровли, называемое первичным обрушением кровли.

Врезультате первичного обрушения подработанные породы кровли над краевыми частями пласта, над призабойным и выработанным пространствами представляют собой консоль, которая под собственным весом и под весом вышележащих пород пригружает краевые части пласта и крепь призабойного пространства. По мере подвигания лавы длина зависающей консоли увеличивается, соответственно, увеличиваются вес консоли и нагрузки на краевые части пласта и крепь призабойного пространства. Но этот процесс не бесконечен. Когда длина консоли достигнет предельных величин, определяемых свойствами пород кровли, происходит обрушение консоли (вторичное обрушение кровли), при котором длина консоли уменьшается, уменьшаются вес пород консоли и нагрузки на краевые части пласта и крепь призабойного пространства. После этого при дальнейшем подвигании лавы снова происходит увеличение длины консоли со всеми вытекающими последствиями, заканчивающееся новым вторичным обрушением кровли, и т.д.

Описанные выше естественные обрушения пород кровли включают обрушения пород как непосредственной, так и основной кровли пласта. И именно этот принцип – постепенное увеличение нагрузок на краевые части пласта и призабойное пространство по мере подвигания забоя лавы и уменьшение этих нагрузок при обрушении пород кровли – положен в основу управления кровлей

109

полным обрушением пород кровли. Но в отличие от естественного обрушения пород кровли управление кровлей полным обрушением подразумевает обрушение пород в нужном месте и в нужное время с тем, чтобы нагрузки от зависающей кровли не достигли величин, при которых может произойти самообрушение пород в призабойном пространстве

Расстояние между двумя обрушениями пород кровли называется шагом обрушения. Шаг обрушения пород непосредственной кровли зависит от устойчивости пород и, как правило, находится в пределах 4–8 м. На действующих шахтах шаг обрушения пород непосредственной кровли определяется опытным путем. Поскольку породы основной кровли значительно превосходят породы непосредственной кровли по прочностным характеристикам, то и шаг обрушения основной кровли значительно больше шага обрушения непосредственной кровли.

При управлении кровлей полным обрушением реально управлять можно только обрушением непосредственной кровли, так как она является кровлей призабойного пространства. Что касается основной кровли, то управлять ее обрушением невозможно, поскольку основная кровля отделена от разрабатываемого пласта породами непосредственной кровли. Таким образом, обрушение основной кровли носит естественный, неуправляемый характер. В то же время следует иметь в виду, что обрушение основной кровли происходит на больших площадях, обрушаются достаточно мощные слои прочных пород, что сопровождается звуковыми эффектами, динамическими явлениями, значительным пылеобразованием.

В общем случае можно привести две схемы обрушения основной кровли. Первая схема характеризуется тем, что породы основной кровли хорошо подбучиваются обрушенными породами непосредственной кровли, т.е. обрушенные породы непосредственной кровли заполняют все выработанное пространство от почвы отрабатываемого пласта до основной кровли. В этом случае обрушение основной кровли происходит сравнительно спокойно, хотя звук ломающихся слоев крепких пород имеет место, но обрушенные по-

110