ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРИ СЛОЕВОЙ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА

На настоящий момент в России полноценно функционируют 121 разрез и 85 шахт, ведущих отработку угольных пластов. Ведущим регионом в угольной промышленности является Сибирь, на территории которой расположен Кузнецкий угольный бассейн - один из крупнейших в мире угольных бассейнов. Общие геологические запасы угля по оценке составляют в 319 млрд. тонн. Сейчас Кузбасс обеспечивает добычу более 56% всего каменного угля, а также около 80% всех коксующихся углей России.

Добыча ведется как подземным, так и открытым способом. Мощность угольных пластов варьируется в пределах 1,5 – 4 метров. Средняя мощность разрабатываемых пластов составляет 2,1 метра.

Угленосная толща содержит около 260 угольных пластов различной мощности, неравномерно распределённых в кольчугинской и балахонской серии - 237, в тарбаганской - 19 и барзасской - 3 (максимальная суммарная мощность составляет 370 м). Преобладающая мощность пластов угля от 1,5 до 4 метра. Имеются пласты в 9-15 и даже в 20 м, а в местах раздувов до 30 м. По качеству угли разнообразны. Распределение запасов угля в мощных пологих и наклонных пластах представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Распределение балансовых запасов угля в пологих и наклонных пластах Кузбасса.

На сегодняшний день опыт ведения горных работ на мощных пластах, при благоприятных условиях залегания, позволяет использовать высокопроизводительные очистные комплексы и добиваться высоких показателей по добыче. Но данные комплексы возможно использовать лишь на пластах, мощностью не более 5,5 метров. Если мощность пластов превышает указанную величину, то необходимо применять системы разработки и технологические схемы, которые позволять свести к минимуму потери угля, оставляемого после выемки комбайна. Одним из лучших решений по отработке пластов повышенной мощности является применение системы разработки наклонными слоями. Несмотря на то, что уже имеется значительный опыт использования данной системы производительность используемого очистного оборудование намного ниже производительности на пластах, отрабатываемых без разделения на отдельные слои.

Был проведен анализ горно-геологических условий слоевой отработки мощных пологих пластов на основных шахтах Кузбасса, который показал, что эти условия могут быть охарактеризованы как сложные из-за опасности пластов по горным ударам и выбросам газа, склонности углей всех пластов к самовозгоранию, сложного строения пластов, наличие слабых пачек угля и высокой метаноносности. При этом при отработке нижележащих слоев возникают значительные проблемы с поддержанием подготовительных выработок в удовлетворительном состоянии, т.к. они подвержены влиянию горных работ, проводимых по вышележащему слою. Расположение выработок на  шахте «им. В.И. Ленина» представлено на рисунке 2.

1, 2 – конвейерные выработки; 3, 4 – вентиляционные выработки.

Рисунок 2 - Расположение слоевых подготовительных выработок

В результате анализа работ по применению слоевой отработки угольных пластов был сделан вывод, что одним из реальных путей существенного улучшения эксплуатационного состояния слоевых участковых выработок нижнего слоя, является их рациональное размещение выработок верхнего слоя и краевых частей массива и целиков угля, которые были сформированы отработкой выемочных столбов верхнего слоя и являющихся источником повышенного опорного давления.

В настоящее время по мере отработки запасов в благоприятных горно-геологических условиях происходит переход горных работ на большие глубины и, как следствие, повышается негативное влияние горного давления на поддержание выработок нижележащих слоев.

На уровень смещений пород на контурах сечения участковых  подготовительных выработок влияет большое количество факторов. Основными являются: прочность вмещающих пород, глубина расположения выработки, параметры и тип крепи, способ проходки и параметры горных выработок [2].

Были проведены расчеты смещений при поддержании выработок, проводимых в массиве угля одновременно с выработками 1-го слоя и погашаемых за очистным забоем, при отработке 2-го слоя при одновременной отработке слоев. Величины смещений пород кровли и почвы в выработках нижних слоев при их одновременной отработке были определены по следующей формуле [3]:

,      (1)

где: - смещение пород под влиянием выемки вышележащего слоя, мм;  - смещения пород (мм), под влиянием проведения выработки, принимаемой по номограмме (рисунок 3); - смещения пород (мм) в зоне временного опорного давления очистного забоя, определяемые по номограмме (рисунок 3);  - время поддержания выработки вне зоны влияния очистного забоя; - средняя скорость смещения пород (мм/мес), в выработках вне зоны влияния очистных работ, принимаемая по номограмме, приведенной на рисунке 3;- коэффициент, учитывающий способ проведения выработки;  - коэффициент, учитывающий влияние площади сечения выработки в свету [3].

Выполненные расчеты величин смещений пород на контуре подготовительных выработок нижнего слоя, проводимых одновременно и в створе с подготовительными выработками верхнего слоя и испытывающих отрицательное влияние надработки при отработке выемочных участков верхнего слоя, показывают, что к моменту погашения этих выработок лавой нижнего слоя вся крепь выработок будет практически разрушена, т.к. эти значения превышают критические величины податливости (рисунок 4).

Снижение смещений до уровней конструктивной податливости крепи за счет применения крепей усиления может быть реализовано при глубинах отработки не превышающих 500 метров. При отработке нижнего слоя на глубине более 500 м обеспечение эксплуатационного состояния выработок не может быть осуществлено без их перекрепления, что потребует дополнительных затрат и приведет к увеличению простоев и снижению производительности очистных комплексов.

Рисунок 3. Номограмма для определения величины смещений пород выработки при надработке [4]

Рисунок 4. Величина смещения пород на контуре выработок к моменту погашения надработанных выработок нижнего слоя.

Полученные результаты позволяют оценить уровень смещений на контуре выработок при переходе работ на большие глубины и подтверждают необходимость применения технологических схем, обеспечивающих возможность слоевой отработки [2]. Результаты расчетов показали, что для снижения издержек производства на поддержание выработок нижних слоев и снижение потерь полезного ископаемого, необходимо применение способов обеспечения эксплуатационного состояния слоевых выработок. Достижение такого результата возможно за счет изменения напряженно-деформированного состояния массива в местах их заложения, путем, например, уменьшения размеров зон повышенных горизонтальных напряжений. Это достижимо за счет применения разгрузочных щелей, которое позволит снизить требуемое смещения выработок относительно краевых частей массива по верхнему слою. Таким образом, возможно снизить потери полезного ископаемого в целиках и обеспечить поддержание выработок нижнего слоя в удовлетворительном состоянии что позволит избежать простоев в работе и повысить производительность очистных комплексов при слоевой отработке угольных пластов.

Список литературы:

1. Официальный сайт «СУЭК», [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:http://www.suek.ru/ (дата обращения 23.04.2016)
2. Сидоренко С.А. Обоснование способов повышения устойчивости участковых подготовительных выработок надрабатываемых слоев при отработке пологих угольных пластов Кузнецкого бассейна. Кандидатская диссертация.
3. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. - Л., ВНИМИ, 1986, 212 с.