способ предупреждения горных ударов на пологих удароопасных пластах

Формула изобретения

Способ предупреждения горных ударов на пологих удароопасных пластах, заключающийся в том, что изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающих и разрабатываемый удароопасный пласт, отличающийся тем, что определяют пространственную ориентацию эндогенных трещин в кровле защищаемого пласта, а технологическую схему его выемки и направление подвигания очистного забоя выбирают таким образом, чтобы эндогенные трещины в породах кровли падали в сторону выработанного пространства и угол встречи линии очистного забоя и линии простирания этой системы трещин составлял 20-40°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для предупреждения горных ударов при подземной разработке пологих пластов с труднообрушающимися кровлями.

Известен способ борьбы с горными ударами (А.с. СССР №1578364, МКИ E21F 5/00, опубл. 15.07.90, бюл. 26), заключающийся в том, что из ярусных штреков, которые при ведении очистных работ впоследствии окажутся в зоне опорного давления, в краевые части выемочного столба и околоштрекового целика бурят специальные разгрузочные скважины диаметром 150-390 мм, длиной 5-15 м и расстоянием между ними 1,5-5,0 м.

Недостатками данного способа являются:

- необходимость бурения большого объема скважин впереди очистного забоя (до 5000-10000 м один забой);

- значительные затраты на его осуществление, увеличивающие себестоимость добычи 1 т угля на 20-30%;

- низкая эффективность способа (по данным Калинин С.И. Геомеханическое обеспечение эффективной выемки мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами. / С.И.Калинин, В.М.Колмогоров. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2002. - 113 с.): из 20 горных ударов на пласте 7-7а шахты "Распадская", 12 произошли в выработках, где он применялся).

Наиболее близким к изобретению является способ предупреждения горных ударов (А.с. СССР №1295005, МКИ E21F 5/00, опубл. 07.03.87, бюл.9), заключающийся в том, что изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, определяют нижележащий неудароопасный защитный пласт, который подлежит первоочередной отработке (расстояние между защитным и защищаемым пластами должно быть не менее трех вынимаемых мощностей последнего и не более 40-80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья); выбирают технологическую схему опережающей отработки защитного пласта, обеспечивающую ударобезопасное ведение горных работ на защищаемом пласте.

Недостатками этого способа являются:

- обязательное наличие неудароопасного защитного пласта, расположенного ниже защищаемого на расстоянии не менее трех вынимаемых мощностей защитного пласта и не более 40-80 м в зависимости от физико-механических свойств и состава пород междупластья;

- обязательное опережение горных работ на защитном пласте (не менее чем на 1,5 выемочных столба по падению), что в современных условиях и при длинных выемочных столбах может привести к отставанию во времени развития очистных работ на защищаемом (возможно более производительном) пласте на 1-2 года;

- увеличение в 1,3-1,5 раза себестоимости добычи угля, т.к. защитный пласт может быть низкокачественным и залегать в сложных горно-геологических условиях;

- низкая надежность способа из-за высокой изменчивости горно-геологических условий (мощности пластов и междупластий, физико-механических свойств и состава горного массива и др.).

Задачей изобретения является повышение безопасности и эффективности отработки удароопасных пологих пластов.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе предупреждения горных ударов на пологих пластах с труднообрушаемыми кровлями, заключающемся в том, что изучают стратиграфический разрез и геологическое строение свиты пластов и вмещающих пород, включающие и разрабатываемый удароопасный пласт, согласно изобретению определяют пространственную ориентацию эндогенных трещин в кровле защищаемого пласта, а технологическую схему выемки пласта и направление подвигания очистного забоя выбирают таким образом, чтобы эндогенные трещины основной системы в породах кровли падали в сторону выработанного пространства и угол встречи линии очистного забоя и линии простирания этой системы трещин составлял 20-40°.

Изобретение поясняется чертежами, где показано формирование блоков пород труднообрушаемой кровли при падении трещин основной системы "на забой" (фиг.1) и "на выработанное пространство" (фиг.2); на фиг.3 приведена выкопировка из плана горных работ по пласту 6-6а шахты "Распадская".

Способ осуществляется следующим образом. В том случае, когда трещины падают "на забой", формирование блоков происходит по традиционной схеме, т.е. в процессе выемки пласта 1 и подвигания очистного забоя на расстоянии, кратном ширине захвата комбайна, в породах кровли образуются трещины горного давления 2, которые по мере накопления энергии все больше и больше прорастают в слое труднообрушаемой породы. Однако накопленной энергии ни одной из них не хватает, чтобы достичь послойной трещины 3 (ослабленного механического контакта). При выемке последующих стружек угля в очистном забое очередная трещина горного давления 2, совпав с эндогенной (прирожденной) трещиной 4, которая также является ослабленным контактом, быстро прорастает до послойной трещины 3, завершая процесс формирования обрушающегося блока. Потеряв связи и с массивом пород, расположенным впереди очистного забоя по простиранию, и с массивом, который располагается выше него, блок приходит в движение, формируя высокие уровни статической и динамической нагрузки на краевые части выемочного столба, целиков и крепь очистного забоя (фиг.1). Это и является причиной проявления горного удара при наличии других сопутствующих факторов.

При падении эндогенных трещин 4 "на выработанное пространство" механизм разрушения пород кровли совершенно иной. Формирование очередного блока начинается также с периодически образующихся и прорастающих по мере накопления энергии трещин горного давления 2 (линия АС на фиг.2). Однако, когда одна из этих трещин достигнет эндогенной трещины 4 (точка С на фиг.2), дальнейшее оконтуривание будущего блока меняет свое направление и продолжается уже по линии ослабленного эндогенной трещиной массива (линия СВ на фиг.2). В результате этого формируется блок сложной конфигурации ACBB'C'A' с шарнирами в точках С и С'. Порода, заключенная в треугольнике АСД, после разрушения в процессе разворота блока обеспечивает частичное подбучивание его передней консоли. Наличие опоры и связей у формирующегося блока по линиям СВ и А'С' и в шарнирах в точках С и С' обеспечивает плавный разворот и опускание блоков на почву или на обрушенные породы нижних слоев кровли, не создавая при этом опасных уровней концентрации и величины нагрузки на краевые части выемочного столба и прилегающих целиков.

Кроме указанного выше необходимо отметить, что отработка выемочных столбов в направлении против падения эндогенных трещин 4 (трещины падают "на выработанное пространство") в 1,4-1,8 раза эффективней, а аварийность очистного оборудования в 1,4-1,8 раза меньше, чем при работе их в противоположном направлении (Набоков А.И. Совершенствование раскройки и порядка отработки шахтных полей. // Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2004. №1, - с.38-39.).

В приведенных выше описаниях механизмов формирования обрушающихся блоков осадочных (трещиноватых) пород изложены новые принципы (гипотеза) разрушения труднообрушаемой кровли с учетом дислокации ее трещинами горного давления, эндогенными трещинами и послойными ослабленными механическими контактами.

Предложенный способ предупреждения горных ударов при разработке пластов с труднообрушаемой кровлей имеет следующие преимущества:

- обеспечение более высоких уровней ударобезопасности и эффективности горных работ за счет перераспределения и снижения нагрузки на краевые части выемочного столба, прилегающие целики и выработки;

- отсутствие значительных дополнительных затрат на приведение горного массива в неудароопасное состояние за счет отсутствия необходимости выполнения специальных работ (мероприятий) для этой цели;

- снижение аварийности и повышение производительности очистного оборудования за счет снижения нагрузки на крепь очистного забоя в 2,5-3,5 раза.

В таблице приведены результаты анализа 32 случаев проявления горных ударов по четырем пластам, а на фиг.3 приведена выкопировка из фактического плана горных работ по пласту 6-6а шахты "Распадская", где показаны направления подвигания очистных забоев 5, линия простирания 6 и направление падения 7 основной системы эндогенных трещин.

Как видно из таблицы и фиг.3, все 32 горных удара, зафиксированных на пластах 6-6а, 7-7а, 9-10, и 9, произошли в лавах с нечетными номерами, т.е. там, где падение эндогенных трещин было "на забой".

Следует отметить, что ориентация подвигания очистных забоев в пространстве по отношению к элементам залегания основной системы эндогенной трещиноватости и на других пластах, где зафиксированы горные удары, аналогичны рассмотренным выше. Об этом свидетельствуют нечетные номера лав по всем пластам (см. табл.). Из этого следует, что все горные удары и другие тяжелые формы проявления горного давления происходили лишь в тех случаях, когда трещины падали "на забой".

Следовательно, для предупреждения горных ударов при отработке пластов с труднообрушаемыми кровлями очистные забои необходимо ориентировать так, чтобы трещины основной системы падали "на выработанное пространство".

Данный факт объясняется различным механизмом разрушения и характером обрушения пород кровли при разных направлениях движения очистных забоев относительно направления падения эндогенных трещин.