Способ разработки пологих угольных пластов

Изобретение относится к горной промышленности, к способам разработки пологих угольных пластов длинными столбами. Способ включает подготовку выемочных столбов путем проведения и крепления конвейерных и вентиляционных выработок с оставлением целика угля между выработками отрабатываемого столба и подлежащего отработке. Вентиляционную выработку подлежащего отработке столба проводят одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе с опережением его очистного забоя не менее длины зоны опорного давления этого забоя. Позади очистного забоя отрабатываемого столба, на расстоянии от него, соответствующем длине участка повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, в пределах которого формируется зона повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве, осуществляется дополнительное крепление. После проведения вентиляционной выработки на длину, соответствующую длине участка повышенных напряжений, вновь определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород и повторяют цикл крепления. Изобретение направлено на повышение устойчивости пород в кровле вентиляционной выработки, улучшение условий ее поддержания и соответственно сохранения ее рабочего состояния в течение всего срока эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности, а более конкретно к способам разработки пологих угольных пластов системами длинных столбов при их подготовке спаренными выработками и может быть использовано при решении вопросов поддержания спаренной вентиляционной выработки подлежащего отработке столба позади очистного забоя отрабатываемого столба в условиях влияния выработанного пространства этого столба с целью сохранения ее эксплуатационного состояния в течение всего срока службы от проведения до погашения.

Известны из технической литературы способы разработки угольных пластов длинными столбами при бесцеликовой схеме отработки пластов и при отработке пластов с оставлением целика угля между спаренными выработками, используя при этом традиционную технологию охраны и поддержания горных выработок как выработок, сохраняемых для повторного использования, так и спаренных выработок в период воздействия на них горного давления. Эта технология основана на применении средств усиления основной крепи с целью снижения смещений пород кровли горных выработок в зоне влияния опорного давления впереди очистного забоя, а также в зоне активного сдвижения и обрушения кровли позади очистного забоя при бесцеликовой схеме отработки пластов, создавая тем самым условия поддержания кровли от обрушения в рабочее пространство выработок и соответственно сохраняя собственную несущую способность этих выработок. Порядок применения такой технологии регламентирован нормативным документом, а именно «Инструкцией по выбору рамных податливых крепей горных выработок», использование которой обязательно на всех угольных шахтах (см. источник 1, с.3, 15-23).

К таким способам охраны горных выработок при разработке угольных пластов длинными столбами относится, например, способ охраны спаренных выработок с целиком угля между ними, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ путем установки крепи усиления (например, деревянных стоек, гидростоек и т.д.) под каждую раму основной крепи в первой спаренной выработке при отработке пласта первым очистным забоем и впереди этого забоя и во второй спаренной выработке в зоне влияния первого очистного забоя, используемой при отработке нижележащего выемочного столба (см. источник 1, с.21-23).

Данное техническое решение повышает степень устойчивости пород кровли спаренных выработок впереди очистного забоя в зоне влияния опорного давления этого забоя, поскольку установка крепи усиления основной крепи снижает напряженно - деформированное состояние пород кровли этих выработок. Однако деформационные процессы в породах приконтурного массива второй спаренной выработки продолжаются позади очистного забоя вследствие воздействия горного давления. Особенно этот процесс интенсивно проявляется в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, в которой крепь усиления во второй спаренной выработке, используемой при отработке нижележащего выемочного столба, практически исчерпывает свою податливость, что приводит к снижению несущей способности основной крепи этой выработки. При этом деформационные процессы в породах приконтурного массива этой спаренной выработки проявляются также и в зоне стабилизации горного давления вследствие продолжающегося влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, увеличивая тем самым нагрузку на основную крепь и соответственно ухудшая эксплуатационное состояние выработки возможно вплоть до частичной или полной потери поперечного сечения.

Кроме того, из патентной литературы известен способ поддержания горной выработки, сохраняемой для повторного использования при бесцеликовой схеме отработки угольных пластов. Способ заключается в размещении вдоль транспортной (конвейерной) выработки под рамами постоянной арочной крепи усиления позади очистного забоя на границе с выработанным пространством в зоне активных смещений пород, состоящей из двух опорных элементов, например из двух стоек (трения или гидростоек), установленных на одном основании под разными углами наклона к горизонту, причем один из опорных элементов устанавливают вертикально, а отклонение другого от вертикали увеличивают вдоль выработки в сторону выработанного пространства от забоя до зоны стабилизации смещений горных пород по мере уплотнения обрушенных пород. Причем во время ведения очистных работ впереди очистного забоя в зоне влияния опорного давления этого забоя устанавливают крепь усиления, обеспечивая тем самым устойчивое состояние пород в кровле конвейерной выработки (2).

Недостатком известного способа является то, что хотя он и обеспечивает воздействие на проявление деформационных свойств пород кровли поддерживаемой за очистным забоем выработки в зоне активных смещений пород, однако такое воздействие носит пассивный характер. Объясняется это тем, что после выполнения каждого цикла по выемке угля производят переустановку каждой стойки в крепи усиления с изменением ее угла отклонения от вертикали в сторону выработанного пространства. А это, в свою очередь, приводит к потере несущей способности не только крепи усиления, но и основной крепи выработки. В результате чего процесс деформации пород кровли выработки продолжает развиваться в упомянутой зоне, поскольку из-за неоднократных переустановок стоек, крепь усиления не успевает набрать свою несущую способность, ухудшая тем самым условия поддержания кровли выработки.

Кроме того, данный способ не решает вопросов поддержания выработки за очистным забоем в зоне стабилизации смещений пород, поскольку в этой зоне крепь усиления снимается и переносится ближе к очистному забою, где она вновь устанавливается. Однако же процесс деформации пород в этой зоне хотя и носит затухающий характер, но этот процесс продолжается на всем протяжении выработки за очистным забоем вследствие влияния выработанного пространства отрабатываемого столба. Поэтому снятие крепи усиления и перенос ее ближе к очистному забою по мере его подвигания приводит к потере устойчивого состояния пород в кровле выработки, ухудшая тем самым ее эксплуатационное состояние, а это потребует дополнительных затрат на обеспечение условий ее поддержания.

Известен способ разработки мощных угольных пластов, включающий подготовку выемочных столбов путем проведения и крепления конвейерных и вентиляционных выработок с оставлением целика угля между конвейерной выработкой отрабатываемого столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба, проведение вентиляционных сбоек между конвейерной выработкой отрабатываемого столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба и выемку угля в столбах длинными очистными забоями, а также воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива упомянутых конвейерной и вентиляционной выработок путем установки в них крепи усиления под рамы основной крепи впереди очистного забоя отрабатываемого столба. Причем вентиляционную выработку подлежащего отработке столба проводят одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе с опережением его очистного забоя не менее длины зоны опорного давления этого забоя, в свою очередь конвейерную выработку погашают с отставанием от его очистного забоя, равным расстоянию между вентиляционными сбойками (3). Этот способ разработки принят в качестве прототипа заявляемого изобретения.

В описание известного способа (3) введен технологический прием - «а также воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива упомянутых конвейерной и вентиляционной выработок путем установки в них крепи усиления под рамы основной крепи впереди очистного забоя отрабатываемого столба», поскольку согласно Правилам безопасности в угольных шахтах, действовавшим на период разработки технического решения по известному способу (3), а также согласно ныне действующим Правилам безопасности обязательно выполнение технических мероприятий по поддержанию горных выработок при одновременном ведении очистных и подготовительных работ, чтобы исключить обвалы и обрушения пород кровли в рабочее пространство выработок. Причем упомянутые Правила регламентируют соблюдение требуемых эксплуатационных параметров сечения горных выработок (т.е. высоты от почвы до крепи и площади поперечного сечения) как при ведении очистных и подготовительных работ, так и при поддержании выработок на весь срок их эксплуатации (см. источник 4, п.2.2, с.3, 34-35). Достигается это с помощью средств усиления, обеспечивающих воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива спаренных выработок впереди очистного забоя. Из изложенного следует, что вышеописанный прием является неотъемлемым элементом известного способа (3), поскольку необходимо в комплексе решать вопросы разработки угольных пластов и поддержания спаренных выработок впереди очистного забоя, а поэтому он введен в описание этого способа, принятого за прототип.

Несмотря на то что данный способ разработки угольных пластов предусматривает повышение степени устойчивости пород в кровле спаренных выработок путем установки крепи усиления впереди очистного забоя в зоне влияния очистных работ, однако эти технические средства практически не оказывают влияния на стабилизацию деформационных процессов в породах приконтурного массива спаренной вентиляционной выработки за очистным забоем на участке повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, поскольку на указанном участке вследствие развития процессов сдвижения пород кровли в выработке и изменения их деформационных характеристик продолжается интенсивный процесс трещинообразования и расслоения пород приконтурного массива этой выработки. А это, в свою очередь, снижает устойчивость пород, ухудшая тем самым состояние основной крепи вентиляционной выработки подлежащего отработке столба и соответственно условия ее поддержания за очистным забоем отрабатываемого столба. Подтверждением тому, что вышеуказанный участок повышенных напряжений спаренной вентиляционной выработки подлежащего отработке столба находится в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, являются проведенные исследования геомеханических процессов на выемочных участках угольных пластов Воркутского месторождения.

Таким образом, исходя из анализа вышеуказанных технических решений (1, 2, 3), известные способы предусматривают повышение степени устойчивости пород кровли выработок в зоне влияния очистных работ впереди очистного забоя, однако известные способы (1 и 3) не решают вопросы поддержания спаренной вентиляционной выработки за очистным забоем в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, в которой формируется зона повышенной трещиноватости пород, а также в зоне стабилизации, в которой процессы деформации пород продолжаются вплоть до затухания. Это явилось причиной совершенствования известного способа (3).

Кроме того, известные исследователи в области подземной разработки пластовых месторождений (А.С.Бурчаков, Н.К.Гринько и др.) рассматривают вопросы поддержания горных выработок в тесном единстве с системами разработки угольных пластов, а поэтому авторы изобретения решают эти вопросы с учетом ведения очистных работ в выемочном столбе.

В основу изобретения поставлена задача создания способа разработки пологих угольных пластов длинными столбами, преимущественно при подготовке столбов спаренными выработками, который позволил бы обеспечить улучшенные условия поддержания спаренной вентиляционной выработки подлежащего отработке столба позади очистного забоя путем укрепления деформированных пород приконтурного массива упомянутой выработки.

Технический результат, достижение которого обеспечивает решение поставленной задачи, выражается в сохранении спаренной вентиляционной выработки в рабочем состоянии в течение всего срока ее эксплуатации, т.е. как на период ее проведения, так и на период отработки нижележащего выемочного столба.

Для достижения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в способе разработки пологих угольных пластов, включающем подготовку выемочных столбов путем проведения и крепления конвейерных и вентиляционных выработок с оставлением целика угля между конвейерной выработкой отрабатываемого столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба, проведение вентиляционных сбоек между конвейерной выработкой отрабатываемого столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба и выемку угля в столбах длинными очистными забоями, а также воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива упомянутых конвейерной и вентиляционной выработок путем установки в них крепи усиления под рамы основной крепи впереди очистного забоя отрабатываемого столба, причем вентиляционную выработку подлежащего отработке столба проводят одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе с опережением его очистного забоя не менее длины зоны опорного давления этого забоя, согласно заявляемому изобретению, для улучшения условий поддержания упомянутой вентиляционной выработки одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе обеспечивают дополнительное воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива проводимой вентиляционной выработки позади очистного забоя отрабатываемого столба на расстоянии от него, соответствующем длине участка повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, в пределах которого формируется зона повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве этой выработки, для чего вначале на длине упомянутого участка повышенных напряжений определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве вентиляционной выработки и принимают ее в обозначенной границе в качестве зоны укрепления, а затем в пределах границы упомянутой зоны производят укрепление пород приконтурного массива этой вентиляционной выработки путем бурения шпуров на длине участка повышенных напряжений этой выработки отдельными циклами, каждый из которых соответствует длине технологического отхода проводимой вентиляционной выработки и в каждом из них, начиная со стороны ранее укрепленной зоны, шпуры бурят в кровлю выработки до верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород с размещением в них полых анкеров, концы которых ориентируют ниже верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород и через которые нагнетают укрепляющий раствор в импульсном режиме в зону укрепления на длине технологического отхода выработки до полного насыщения этим раствором трещин в породах приконтурного массива вентиляционной выработки, далее по мере завершения всех циклов по укреплению пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине участка повышенных напряжений этой выработки и, как только вентиляционная выработка подлежащего отработке столба будет проведена на длину, соответствующую длине упомянутого участка повышенных напряжений, вновь определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород на длине следующего участка повышенных напряжений вентиляционной выработки, после чего повторяют описанный порядок воздействия на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине упомянутого участка повышенных напряжений этой выработки.

Причем для обеспечения более глубокого проникновения укрепляющего раствора в деформированные породы приконтурного массива вентиляционной выработки в зоне повышенной трещиноватости шпуры бурят под углом наклона к продольной оси этой выработки, равным 60-70°, с их ориентированием в направлении проведения этой выработки.

Кроме этого для придания прочностным свойствам отвердевшего раствора в зоне повышенной трещиноватости пород прочностных свойств, близких или соответствующих прочностным свойствам устойчивых горных пород, в качестве укрепляющего раствора используют одну из групп органических вяжущих веществ, имеющих повышенную проницаемость по сравнению с проницаемостью синтетических смол и способных после их отверждения обеспечить устойчивость укрепляемых пород приконтурного массива вентиляционной выработки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, изложенным в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности изобретения - «новизна».

Причинно-следственная связь между заявляемой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом следующая.

Признак - «для улучшения условий поддержания упомянутой вентиляционной выработки одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе обеспечивают дополнительное воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива проводимой вентиляционной выработки позади очистного забоя отрабатываемого столба на расстоянии от него, соответствующем длине участка повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, в пределах которого формируется зона повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве этой выработки» - является новым и позволяет повлиять на снижение интенсивности проявления деформационных процессов в породах кровли вентиляционной выработки и соответственно смещений пород в выработку позади очистного забоя на длине каждого участка повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба. При этом интенсивность проявления деформационных процессов обусловлена тем, что в пределах упомянутого участка трещины в породах кровли вентиляционной выработки, образовавшиеся в зоне опорного давления очистного забоя, как правило, по мере удаления от очистного забоя все более раскрываются вследствие зависания пород кровли разрабатываемого пласта над краевыми частями выработанного пространства отрабатываемого столба, образуя тем самым в указанных пределах зону повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве вентиляционной выработки.

А поскольку данный признак позволяет усилить воздействие на деформационные процессы в породах кровли выработки в упомянутой зоне повышенной трещиноватости, поэтому он имеет очевидную полезность, выражающуюся в создании наиболее благоприятных условий поддержания вентиляционной выработки позади очистного забоя.

Признак - «для чего вначале на длине упомянутого участка повышенных напряжений определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве вентиляционной выработки и принимают ее в обозначенной границе в качестве зоны укрепления» - необходим для выполнения изобретения, поскольку гарантированно упреждает возможность выполнения работ по укреплению пород кровли выработки в пределах границы зоны повышенной трещиноватости, предотвращая при этом их выполнение за границей указанной зоны, где породы кровли выработки имеют свойства устойчивых горных пород, поскольку находятся в естественном состоянии. То есть данный признак способствует решению поставленной заявителем задачи.

Признак - «а затем в пределах границы упомянутой зоны (зоны укрепления) производят укрепление пород приконтурного массива вентиляционной выработки путем бурения шпуров на длине участка повышенных напряжений этой выработки отдельными циклами, каждый из которых соответствует длине технологического отхода проводимой вентиляционной выработки и в каждом из них, начиная со стороны ранее укрепленной зоны, шпуры бурят в кровлю выработки до верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород с размещением в них полых анкеров, концы которых ориентируют ниже верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород и через которые нагнетают укрепляющий раствор в импульсном режиме в зону укрепления на длине технологического отхода выработки до полного насыщения этим раствором трещин в породах приконтурного массива вентиляционной выработки» - является основополагающим и главным техническим средством для выполнения работ по укреплению деформированных пород приконтурного массива вентиляционной выработки позади очистного забоя на длине каждого участка повышенных напряжений этой выработки.

Бурение шпуров на указанном участке отдельными циклами в границе зоны повышенной трещиноватости пород исключает возможность оставления неукрепленных участков породы в этой зоне, которые в противном случае могут привести к вывалообразованию и соответственно к ухудшению эксплуатационного состояния выработки на неукрепленном участке вследствие того, что процессы расслоения пород кровли выработки на этом участке будут продолжаться от влияния выработанного пространства отрабатываемого столба. То есть принятый порядок бурения шпуров является наиболее рациональным и обосновывает место и схему бурения шпуров с учетом границы зоны повышенной трещиноватости пород.

Причем ориентирование концов полых анкеров ниже верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород кровли выработки позволяет распространяться укрепляющему раствору по трещинам расслоений и скола во всех направлениях от боковой поверхности шпуров, заполняемых укрепляющим раствором через верхние концы полых анкеров. Это способствует образованию из укрепленных пород несущего свода выработки на каждом укрепленном участке и соответственно по всей ее длине за очистным забоем. В свою очередь, несущий свод представляет собой сплошную монолитную конструкцию из укрепленных пород, предотвращающую дальнейшее развитие деформационных процессов в породах кровли вентиляционной выработки, возникающих от влияния выработанного пространства отрабатываемого столба.

Из этого следует, что принятый порядок выполнения работ по укреплению деформированных пород позволяет обеспечить устойчивое состояние пород приконтурного массива вентиляционной выработки.

В то же время известны традиционные схемы укрепления пород в горном массиве, основанные на бурении шпуров в породы и нагнетании в них укрепляющего раствора. Однако такие технологии могут быть применены только для локального укрепления участка неустойчивых пород в горном массиве (например, в зонах влияния геологических нарушений, на сопряжении очистного забоя с выработкой, в зонах обводнения горного массива и т.д.) и не предназначены для укрепления деформированных пород всего свода выработки и на всем ее протяжении. Это в противном случае приведет к дополнительным материальным и трудовым затратам вследствие необходимости укрепления пород свода обрушения отдельными локальными участками, при котором возможно развитие деформационных процессов в породах кровли выработки на участках, подлежащих укреплению. Отсюда следует, что известные способы укрепления пород экономически нецелесообразны и малоэффективны при применении их для поддержания горных выработок в условиях повышенного горного давления.

Таким образом, достижение вышеотмеченного технического эффекта - обеспечение устойчивого состояния пород позволяет улучшить условия поддержания вентиляционной выработки позади очистного забоя, обеспечивая тем самым заблаговременно содержание выработки в работоспособном состоянии, которая необходима для целей вентиляции как при ведении очистных работ в отрабатываемом столбе, так и при отработке нижележащего выемочного столба. Отсюда следует, что реализация данного признака позволяет достигнуть поставленный заявителем технический результат - сохранить вентиляционную выработку в эксплуатационном состоянии на весь срок ее службы.

Вместе с тем заявитель, проведя дополнительный поиск известных решений в данной области техники, установил, что известен из уровня техники вышеописанный отличительный признак - укрепление массива горных пород при проведении и поддержании подготовительных выработок, но с другой совокупностью существенных признаков. Это авторское свидетельство СССР №998765 «Способ укрепления массива горных пород», кл. Е21D 20/00, 1981 г.(5).

В этом техническом решении в пробуренный шпур вставляют и герметизируют инъектор, через который нагнетают скрепляющий раствор, предварительно обработанный струей сжатого воздуха, и по достижении уменьшения расхода аэроэмульсии нагнетают через инъектор необработанный раствор до полного насыщения массива горных пород.

Несмотря на то что известный способ (5) предназначен для укрепления массива горных пород при проведении и поддержании подготовительных выработок, однако область его применения ограничена, а именно может быть использован только для укрепления боковых пород в стенках подготовительной выработки. Ограничение области применения обусловлено тем, что выработка подвержена меньшему воздействию повышенных напряжений в зонах влияния опорного давления впереди очистного забоя и выработанного пространства позади очистного забоя, поскольку породный массив по бокам выработки остается нетронутым при ее проведении, в нем отсутствуют полости обнажения и соответственно образуются только трещины расслоений без развития деформационных процессов в этих породах с образованием трещин скола. Поэтому при нагнетании скрепляющий раствор распределяется в боковых породах по трещинам расслоений, наиболее полно заполняя пришпуровую зону только в месте расположения инъектора.

В то же время, как известно из теории горной механики, породы кровли подготовительных выработок в зонах интенсивного влияния опорного давления очистного забоя и выработанного пространства подвержены активным смещениям, приводящим к образованию не только трещин расслоений, но и трещин скола.

Поэтому в случае применения известного способа (5) для укрепления пород кровли вентиляционной выработки позади очистного забоя скрепляющий раствор будет распределяться в укрепляемых породах кровли неравномерно из-за невозможности инъектора подать скрепляющий раствор на глубину образования трещин скола, поскольку инъектор размещен в устье шпура, заполняя при этом только трещины расслоений в месте его расположения, не обеспечивая тем самым воздействие на проявление деформационных процессов в кровле выработки в местах образования трещин скола и соответственно необходимую устойчивость пород для сохранения выработки в эксплуатационном состоянии, то есть эффект от применения известного способа (5) будет сведен к минимуму.

В свою очередь, в заявляемом способе происходит заполнение укрепляющим раствором не только трещин расслоений, но и трещин скола, то есть во всех направлениях от шпуров в пределах зоны повышенной трещиноватости с образованием из укрепленных пород несущего свода выработки при выполнении каждого цикла в зоне укрепления пород.

Поэтому реализация заявляемого способа позволит обеспечить устойчивое состояние деформированных пород кровли вентиляционной выработки по сравнению с известным способом (5) в случае его применения для укрепления пород кровли и соответственно согласно Правилам безопасности выполнить требование по соблюдению геометрических параметров сечения этой выработки.

Из изложенного следует, что укрепление массива горных пород при проведении и поддержании подготовительных выработок по известному (5) и заявляемому техническим решениям не подтверждает известность влияния рассматриваемого признака на указанный технический результат, выражающийся в сохранении эксплуатационного состояния выработки в течение установленного срока ее службы.

Признак - «далее по мере завершения всех циклов по укреплению пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине участка повышенных напряжений этой выработки и, как только вентиляционная выработка подлежащего отработке столба будет проведена на длину, соответствующую длине упомянутого участка повышенных напряжений, вновь определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород на длине следующего участка повышенных напряжений вентиляционной выработки, после чего повторяют описанный порядок воздействия на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине упомянутого участка повышенных напряжений этой выработки» - указывает, что прежде, чем возобновить описанный выше процесс укрепления пород кровли проводимой вентиляционной выработки на следующем участке повышенных напряжений этой выработки одновременно с подвиганием очистного забоя, но позади него, необходимо на этом участке определить границу зоны повышенной трещиноватости пород. Такая технологическая связь между процессами проведения вентиляционной выработкой на длину участка повышенных напряжений и определения после этого границы зоны повышенной трещиноватости пород на следующем участке повышенных напряжений вентиляционной выработки с последующим выполнением работ по укреплению пород характеризует непрерывность процесса укрепления деформированных пород приконтурного массива вентиляционной выработки, что существенно снижает интенсивность дальнейшего развития деформационных процессов в породах кровли этой выработки, поскольку одновременно выполняют работы по укреплению пород кровли и проведению выработки.

Кроме того, данный признак регламентирует длину, на которую необходимо пройти выработку, чтобы продолжить работы по укреплению пород кровли на следующем участке повышенных напряжений, исключая тем самым преждевременное начало этих работ в зоне влияния очистного забоя, т.е. впереди очистного забоя. Таким образом, данный признак необходим для завершения цикла воздействия на деформационные процессы в породах кровли вентиляционной выработки на участке повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства, одновременно объединяя при этом процессы проведения вентиляционной выработки и укрепления пород кровли упомянутой выработки, а также подвигание очистного забоя в единый технологический процесс, что в конечном итоге повышает эффективность процесса поддержания вентиляционной выработки в работоспособном состоянии при эксплуатации.

Признак (п.2 формулы) - «для обеспечения более глубокого проникновения укрепляющего раствора в деформированные породы приконтурного массива вентиляционной выработки в зоне повышенной трещиноватости шпуры бурят под углом наклона к продольной оси вентиляционной выработки, равным 60-70°, с ориентированием их в направлении проведения этой выработки» - характеризует оптимальный угол бурения шпуров, что позволяет укрепляющему раствору распространяться за пределы пришпуровой зоны по пересекаемым шпурами нарушенным слоям пород кровли, т.е. по трещинам расслоений и трещинам скола.

Признак - «для придания прочностным свойствам отвердевшего раствора в зоне повышенной трещиноватости пород прочностных свойств, близких или соответствующих прочностным свойствам устойчивых горных пород, в качестве укрепляющего раствора используют одну из групп органических вяжущих веществ, имеющих повышенную проницаемость по сравнению с проницаемостью синтетических смол и способных после их отверждения обеспечить устойчивость укрепляемых пород приконтурного массива вентиляционной выработки» - характеризует свойства, которыми должны обладать укрепляющие растворы, чтобы гарантированно упредить возможность придания укрепленным породам в несущем своде выработки свойство устойчивых горных пород в каждой зоне повышенной трещиноватости, что способствует приостановке развития деформационных процессов в породах кровли выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба.

Таким образом, совокупность существенных признаков, характеризующая сущность заявляемого изобретения, позволяет обеспечить устойчивость укрепляемых пород приконтурного массива вентиляционной выработки позади очистного забоя в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба.

Все перечисленные технические эффекты позволяют решить поставленную задачу - обеспечить улучшенные условия поддержания спаренной вентиляционной выработки позади очистного забоя и соответственно сохранить эксплуатационное состояние этой выработки на весь период ее службы.

Из изложенного следует, что существенные признаки заявляемого изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом и из уровня техники в данной области не очевидны явным образом для специалиста, что характеризует «изобретательский уровень» заявляемого изобретения.

Промышленная применимость заявляемого изобретения обосновывается ниже приведенным описанием изобретения и чертежами к нему.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где

- на фиг.1 показана схема отработки угольного пласта длинными столбами при их подготовке спаренными выработками, вид в плане;

- на фиг.2 - фрагмент участка вентиляционной выработки подлежащего отработке столба, расположенного позади очистного забоя отрабатываемого столба, в соответствии с фиг.1 (схема укрепления пород кровли этой выработки отдельными циклами в направлении ее проведения), продольный разрез;

- на фиг.3 - разрез по А-А фиг.2 (схема расположения шпуров в породах кровли вентиляционной выработки в пределах границы зоны повышенной трещиноватости), поперечный разрез;

- на фиг.4 - схема расположения шпуров в каждом цикле в зоне укрепления пород кровли вентиляционной выработки на длине участка повышенных напряжений этой выработки, где сплошной линией показаны шпуры в первом цикле в зоне укрепления со стороны ранее укрепленной зоны, а пунктирными линиями - шпуры в последующих циклах в зоне укрепления, вид сверху.

Пологий угольный пласт отрабатывают длинными столбами 1 и 2. Подготовку каждого столба 1 и 2 осуществляют путем проведения и крепления конвейерной 3 и вентиляционной 4 выработок. По мере подготовки столба 1 к выемке очистным забоем 5 приступают к проведению вентиляционной выработки 4 подлежащего отработке столба 2. Причем между конвейерной выработкой 3 отрабатываемого очистным забоем 5 столба 1 и проводимой вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба 2 оставляют целик угля 6. В целике угля 6 проводят вентиляционные сбойки 7 между конвейерной выработкой 3 отрабатываемого столба 1 и вентиляционной выработкой 4 подлежащего отработке столба 2. В свою очередь, вентиляционную выработку 4 подлежащего отработке столба 2 проводят одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе 1 с опережением его очистного забоя 5 не менее длины L₁ зоны опорного давления этого забоя 5. Конвейерную выработку 3 отрабатываемого столба 1 и проводимую вентиляционную выработку 4 подлежащего отработке столба 2 крепят анкерной либо арочной крепью 8.

Свежий воздух подают в очистной забой 5 по вентиляционной выработке 4 отрабатываемого столба 1, а исходящую струю из очистного забоя 5 после ее подсвежения по конвейерной выработке 3 отрабатываемого столба 1 отводят через ближайшую от очистного забоя 5 вентиляционную сбойку 7 и далее по вентиляционной выработке 4 подлежащего отработке столба 2 в исходящую струю выемочного участка.

При этом одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе 1 очистным забоем 5 и проведением вентиляционной выработки 4 подлежащего отработке столба 2 устанавливают крепь усиления 9 под рамы арочной крепи 8 спаренных конвейерной 3 и вентиляционной 4 выработок впереди очистного забоя 5 на расстоянии «ℓ» от него соответственно, т.е. расстояние «ℓ» по конвейерной выработке 3 соотносится с аналогичным расстоянием «ℓ» по проводимой вентиляционной выработке 4, как это предусмотрено нормативным документом «Инструкцией по выбору рамных податливых крепей горных выработок» (см. источник 1, с. 23). Причем по мере выемки угля очистным забоем 5 крепь усиления 9 переносят вперед в направлении подвигания этого забоя, соблюдая тем самым неснижаемое опережение крепи усиления 9 очистного забоя 5, т.е. соответствующее упомянутому расстоянию «ℓ». В результате такого силового воздействия крепи усиления 9 на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива спаренных выработок 3 и 4 в зоне влияния очистных работ снижается величина смещений пород кровли этих выработок 3 и 4, обеспечивая тем самым устойчивое состояние этих выработок и соответственно сохраняя их нормативно-эксплуатационные параметры при ведении горных работ.

Причем, кроме вышеупомянутого воздействия, одновременно с выемкой угля очистным забоем 5 в отрабатываемом столбе 1 и проведением вентиляционной выработки 4 подлежащего отработке столба 2 обеспечивают дополнительное воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива этой вентиляционной выработки 4 позади очистного забоя 5 на расстоянии от этого забоя 5, соответствующем длине L₂ участка повышенных напряжений этой выработки в зоне L_вп влияния выработанного пространства отрабатываемого столба 1, в пределах которого формируется зона 10 повышенной трещиноватости пород (фиг.1).

Выполнение указанного воздействия по заявляемому способу базируется на следующих физических предпосылках.

Как известно из теории горной механики, по мере удаления от очистного забоя 5 трещины расслоений, образовавшиеся в зоне влияния опорного давления, все более раскрываются вследствие интенсивного влияния зависших над краевыми частями выработанного пространства 11 пород основной кровли отрабатываемого пласта. Это приводит к образованию не только трещин расслоений, но и трещин скола и соответственно к формированию зоны 10 повышенной трещиноватости пород в кровле выработки 4 позади очистного забоя 5.

Поэтому для снижения интенсивности развития деформационных процессов в породах кровли вентиляционной выработки 4 позади очистного забоя 5 на длине участка L₂ повышенных напряжений этой выработки в зоне L_вп выработанного пространства отрабатываемого столба 1 производят укрепление пород в следующем порядке.

Предварительно по мере проведения вентиляционной выработки 4 позади очистного забоя 5 на длине L₂ очередного участка повышенных напряжений этой выработки определяют границу 12 зоны 10 повышенной трещиноватости пород приконтурного массива выработки 4. Определение границ 12 упомянутой зоны 10 осуществляют одним из известных традиционных способов определения состояния деформированных пород в горном массиве, например бурением контрольных шпуров, по характеру выхода штыба из которых судят о наличии трещин и границе их распространения. В результате зону 10 повышенной трещиноватости пород в обозначенной границе 12 принимают в качестве зоны укрепления, в пределах которой производят укрепление пород приконтурного массива вентиляционной выработки 4.

Рассмотрим процесс укрепления деформированных пород приконтурного массива вентиляционной выработки 4 позади очистного забоя 5 в ситуации, когда работы по укреплению пород этой выработки проведены в зоне укрепления «M₁», протяженность которой относительно длины выработки 4 соответствует длине L₂ участка повышенных напряжений этой выработки 4. Как показано на фиг.2, в процессе дальнейшей отработки столба 1 в направлении, указанном стрелкой «Б», позади очистного забоя 5 на длине L₂ очередного участка повышенных напряжений выработки 4, которой соответствует протяженность очередной зоны укрепления «М₂», в пределах границы 12 зоны 10 повышенной трещиноватости пород бурят шпуры 13 отдельными циклами, каждый из которых соответствует длине «ℓ₁» технологического отхода проводимой выработки 4. Причем первый цикл бурения шпуров 13 начинают со стороны ранее укрепленной зоны «M₁». При этом шпуры 13 бурят в кровлю выработки до верхней границы 12 упомянутой зоны 10 (фиг.3).

Затем в шпурах 13, пробуренных в первом цикле в зоне укрепления «М₂», размещают полые анкеры 14, концы которых ориентируют ниже верхней границы зоны 10. После герметизации шпуров 13 и подключения полых анкеров 14 к нагнетательной установке (условно не показана) производят нагнетание укрепляющего раствора в импульсном режиме через анкеры 14 и соответственно через шпуры 13 в зону 10 повышенной трещиноватости пород, т.е. в зону укрепления «М₂» на длине «ℓ₁» технологического отхода выработки 4. Нагнетание укрепляющего раствора производят до полного насыщения им трещин в породах приконтурного массива выработки 4, о котором судят по резкому скачкообразному повышению давления во время нагнетания укрепляющего раствора.

По мере выполнения работ по укреплению деформированных пород кровли выработки 4 в первом цикле в зоне укрепления «М₂» в аналогичном порядке выполняют второй и последующие циклы в зоне укрепления «М₂» вплоть до завершения всех циклов по укреплению пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине L₂ участка повышенных напряжений этой выработки (на фиг.2 и 4 стрелками показано направление проведения работ по укреплению пород в каждом цикле в зоне укрепления «М₂»).

Принятая схема расположения шпуров 13 позволяет укрепляющему раствору распространяться во всех направлениях от боковой поверхности шпуров 13, заполняемых этим раствором через верхние концы полых анкеров 14, т.е. по трещинам расслоений и скола. При этом происходит насыщение деформированных пород укрепляющим раствором в зоне укрепления «М₂».

В результате укрепления пород образуется несущий свод вентиляционной выработки 4 на длине очередного участка L₂ повышенных напряжений этой выработки, представляющий собой сплошную монолитную конструкцию из укрепленных пород, способствующую замедлению дальнейшего развития деформационных процессов в породах приконтурного массива вентиляционной выработки 4 в зоне влияния L_вп выработанного пространства 11 отрабатываемого столба 1.

Далее по завершению всех циклов по укреплению пород приконтурного массива выработки 4 на длине L₂ очередного участка повышенных напряжений и, как только вентиляционная выработка 4 подлежащего отработке столба 2 будет проведена на длину, соответствующую длине L₂ участка повышенных напряжений этой выработки, вновь определяют границу 12 зоны 10 повышенной трещиноватости пород на длине L₂ следующего участка повышенных напряжений вентиляционной выработки 4. Затем повторяют описанный порядок воздействия на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива вентиляционной выработки 4 в зоне «М₃», подлежащей укреплению, протяженность которой относительно длины выработки 4 соответствует длине L₂ участка повышенных напряжений этой выработки.

Таким образом, вследствие оперативного управления деформационным состоянием пород приконтурного массива вентиляционной выработки 4 позади очистного забоя 5 на каждом участке L₂ повышенных напряжений повышается устойчивость пород в кровле этой выработки, улучшаются условия ее поддержания и соответственно сохраняется ее рабочее состояние в течение всего срока ее эксплуатации, т.е. как при отработке столба 1, так и при отработке нижележащего столба 2.

Кроме того, целесообразно бурить шпуры 13 в кровле выработки 4 под углом наклона β к ее продольной оси, равным 60-70°, с их ориентированием в направлении проведения выработки 4. Это позволит усилить эффект применения данного способа за счет более глубокого проникновения укрепляющего раствора в породы приконтурного массива вентиляционной выработки 4, обусловленного распространением этого раствора за пределы пришпуровой зоны по пересекаемым шпурами нарушенным породам кровли. Кроме этого, дополнительно обеспечивается опережающее укрепление пород приконтурного массива выработки 4 в каждом цикле в зоне укрепления и соответственно создание «козырька» из укрепленных пород, под защитой которого производят следующий цикл укрепления пород, чем обеспечивается безопасные условия ведения работ по укреплению.

Причем, чтобы достигнуть прочностных свойств отвердевшего раствора в зоне повышенной трещиноватости пород приконтурного массива вентиляционной выработки 4, близких или соответствующих прочностным свойствам горных пород, в качестве укрепляющего раствора используют одну из групп органических вяжущих веществ, имеющих повышенную проницаемость по сравнению с проницаемостью синтетических смол и способных после их отверждения обеспечить устойчивость укрепляемых пород приконтурного массива вентиляционной выработки 4, гарантируя тем самым придание укрепленным породам свойств устойчивых горных пород и соответственно снижение интенсивности проявления деформационных процессов в породах кровли вентиляционной выработки, способствуя тем самым сохранению ее эксплуатационного состояния позади очистного забоя.

Таким образом, использование заявляемого способа за счет улучшения условий поддержания спаренной вентиляционной выработки подлежащего отработке столба позади очистного забоя, обусловленного проведением работ по укреплению деформированных пород приконтурного массива этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, позволит сохранить вентиляционную выработку в работоспособном состоянии при эксплуатации и соответственно эффективно и безопасно разрабатывать угольные пласты длинными столбами при их подготовке спаренными выработками.

Источники информации

1. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок: Утв. М-вом угольной промышленности СССР 30.04.91 г. - М.: ВНИМИ, 1991, - с.3, 15-23.

2. Авторское свидетельство СССР №1382965, кл. Е21Д 11/14, 1986 г.

3. Авторское свидетельство СССР №819339, кл. Е21С 41/04, 1979 г. (прототип).

4. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05. Выпуск 11. - М., Госгортехнадзор России, 2003, - с.34 - 35.

5. Авторское свидетельство СССР №998765, кл. Е21D 20/00, 1981 г.

1. Способ разработки пологих угольных пластов, включающий подготовку выемочных столбов путем проведения и крепления конвейерных и вентиляционных выработок с оставлением целика угля между конвейерной выработкой отрабатываемого столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба, проведение вентиляционных сбоек между конвейерной выработкой отрабатываемого столба и вентиляционной выработкой подлежащего отработке столба и выемку угля в столбах длинными очистными забоями, а также воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива упомянутых конвейерной и вентиляционной выработок путем установки в них крепи усиления под рамы основной крепи впереди очистного забоя отрабатываемого столба, причем вентиляционную выработку подлежащего отработке столба проводят одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе с опережением его очистного забоя не менее длины зоны опорного давления этого забоя, отличающийся тем, что для улучшения условий поддержания упомянутой вентиляционной выработки одновременно с выемкой угля в отрабатываемом столбе обеспечивают дополнительное воздействие на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива проводимой вентиляционной выработки позади очистного забоя отрабатываемого столба на расстоянии от него, соответствующем длине участка повышенных напряжений этой выработки в зоне влияния выработанного пространства отрабатываемого столба, в пределах которого формируется зона повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве этой выработки, для чего вначале на длине упомянутого участка повышенных напряжений определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород в приконтурном массиве вентиляционной выработки и принимают ее в обозначенной границе в качестве зоны укрепления, а затем в пределах границы упомянутой зоны производят укрепление пород приконтурного массива вентиляционной выработки путем бурения шпуров на длине участка повышенных этой выработки отдельными циклами, каждый из которых соответствует длине технологического отхода проводимой вентиляционной выработки и в каждом из них, со стороны ранее укрепленной зоны, шпуры бурят в кровлю выработки до верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород с размещением в них полых анкеров, концы которых ориентируют ниже верхней границы зоны повышенной трещиноватости пород и через которые нагнетают укрепляющий раствор в импульсном режиме в зону укрепления на длине технологического отхода выработки до полного насыщения этим раствором трещин в породах приконтурного массива вентиляционной выработки, далее по мере завершения всех циклов по укреплению пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине участка повышенных напряжений этой выработки и, как только вентиляционная выработка подлежащего отработке столба будет проведена на длину, соответствующую длине упомянутого участка повышенных напряжений, вновь определяют границу зоны повышенной трещиноватости пород на следующем участке повышенных напряжений вентиляционной выработки, после чего повторяют описанный порядок воздействия на проявление деформационных свойств пород приконтурного массива вентиляционной выработки на длине упомянутого участка повышенных напряжений этой выработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения более глубокого проникновения укрепляющего раствора в деформированные породы приконтурного массива вентиляционной выработки в зоне повышенной трещиноватости шпуры бурят под углом наклона к продольной оси вентиляционной выработки, равным 60-70°, с их ориентированием в направлении проведения этой выработки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для придания прочностным свойствам отвердевшего раствора в зоне повышенной трещиноватости пород прочностных свойств, близких или соответствующих прочностным свойствам устойчивых горных пород, в качестве укрепляющего раствора используют одну из групп органических вяжущих веществ, имеющих повышенную проницаемость по сравнению с проницаемостью синтетических смол и способных после их отверждения обеспечить устойчивость укрепляемых пород приконтурного массива вентиляционной выработки.