Обоснование параметров короткозабойных технологий отработки околоствольных целиков с закладкой выработанных пространств
На правах рукописи
Голодов Максим Александрович
Обоснование параметров короткозабойных
технологий отработки околоствольных целиков
с закладкой выработанных пространств
Специальность 25.00.22
«Геотехнология (подземная, открытая, строительная)»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск – 2009
Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Страданченко Сергей Георгиевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Сарычев Владимир Иванович
кандидат технических наук
Сыркин Сергей Петрович
Ведущая организация – ОАО «Ростовшахтострой»
Защита диссертации состоится «26» февраля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.304.07 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской области, ул. Просвещения, 132, корпус горного факультета, ауд. 107.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Автореферат разослан «23» января 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Колесниченко Е.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Значительную долю в общей структуре потерь угля в период строительства и последующей эксплуатации угольной шахты составляют потери в околоствольных целиках. Так, например, при вскрытии и подготовке только одного угольного пласта мощностью 2 м на глубине около 1000 м такие потери могут достигать 1,5 млн. т. Исключение работ по их извлечению на стадии строительства шахты ведет к значительному прямому экономическому ущербу, заключающемуся в увеличении затрат на 1 т извлекаемых запасов за счет роста непроизводительных затрат на геолого-разведочные работы, проектирование и строительство шахты, проведение и поддержание горных выработок перед пуском лав первой очереди.
Так как запасы в околоствольных целиках классифицируются как ограниченные, их отработка может производиться только с применением технологий, базирующихся на системах разработки короткими забоями. Значимыми факторами, характеризующими степень адаптации конкретных технологических схем, являются геометрические размеры и конфигурация участков отработки, пространственная ориентация и размеры целиков и выработанных пространств, схемы околоствольных дворов, номенклатура технической базы. Однако применение данных технологий представляет определенные трудности, связанные с необходимостью соответствия требованиям, при которых развивающиеся деформации в массиве не должны превышать допустимых для шахтных стволов. Одним из вариантов решения данной проблемы является применение закладки выработанных пространств.
Существующие методы исследований и расчетные модели не позволяют адекватно отразить влияние как геомеханических, так и геотехнологических параметров отработки околоствольных целиков на полноценность деформированного состояния массива вмещающих пород и его влияния на подрабатываемые шахтные стволы, в особенности при увязке технологических процессов ведения очистных и закладочных работ в коротких забоях. Все это указывает на то, что решение задач обоснования параметров короткозабойных технологий при отработке околоствольных целиков является актуальной и в научном, и в практическом отношении.
Диссертационная работа выполнялась в рамках темы по единому заказ-наряду Федерального агентства по образованию № 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияния этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность» и госбюджетной НИР ГР 0120105855 по теме П53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечение безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».
Целью работы является геомеханическое и геотехнологическое обоснование параметров короткозабойных технологий, позволяющих производить эффективную и безопасную отработку околоствольных целиков с закладкой выработанных пространств на этапе строительства горного предприятия.
Идея работы заключается в том, что для отработки околоствольных целиков применяются короткозабойные технологии с закладкой выработанных пространств, адаптация которых к условиям безопасной подработки шахтных стволов и временным ограничениям календарного плана строительства шахты обеспечивается на основе геомеханической оценки ситуаций и многовариантного моделирования технологических процессов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
параметры короткозабойных технологий с закладкой выработанных пространств (размеры камер, заходок, целиков, выемочных участков, темпы ведения очистных работ) при отработке околоствольных целиков устанавливаются на основе предельно допустимых деформаций подрабатываемых шахтных стволов и интервала времени, регламентированного сроком подготовки очистного фронта перед пуском шахты в эксплуатацию;
расчетные деформации сжатия-растяжения, наклоны и кривизна подрабатываемых стволов зависят от коэффициента извлечения полезного ископаемого, эффективной мощности, глубины залегания и угла падения угольного пласта, размеров околоствольных и неизвлекаемых предохранительных целиков, параметров мульды сдвижения, конфигурации и размеров околоствольных дворов и определяются путем дифференцирования типовых функций оседаний и горизонтальных сдвижений;
изменение относительных типовых значений оседаний и горизонтальных сдвижений в пределах мульды сдвижения для условий Российского Донбасса в зависимости от коэффициента подработанности и угла падения пласта описывается интегральными эмпирическими функциями экспоненциально-полиномиального вида;
организационно-технологические показатели ведения очистных и закладочных работ при камерных и камерно-столбовых системах разработки в пределах выемочных участков (трудоемкость, темпы подвигания очистного фронта и возведения закладочного массива) определяются на основе имитационного моделирования технологических процессов в одиночной выработке – условной камере.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан метод расчета и установлены закономерности искривлений подрабатываемых вертикальных шахтных стволов, позволяющие осуществлять количественную оценку относительных вертикальных и горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны стволов в зависимости от размеров выработанных пространств, околоствольных и неизвлекаемых предохранительных целиков, от технологических характеристик и свойств закладочных и вмещающих массивов, от глубины залегания и угла падения угольных пластов, а также от геометрических характеристик околоствольных дворов;
разработана обобщенная расчетная модель организационно-технологических показателей ведения очистных работ в коротких забоях с учетом трудоемкости закладочных работ, обеспечивающая обоснование рациональных темпов отработки угольных пластов при варьировании номенклатуры добычного оборудования, параметров камер и выработанных пространств в условиях устойчивых и слабых вмещающих пород;
разработан метод расчета, обеспечивающий обоснование темпов подвигания очистного фронта, объемов извлечения угля, размеров камер, заходок и целиков в пределах выемочных участков на базе камерных и камерно-столбовых систем разработки при отработке околоствольных целиков с закладкой выработанных пространств с учетом требований категорий охраны капитальных горных выработок и календарного плана строительства горного предприятия.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ короткозабойных технологий и анализ существующих технологий отработки околоствольных целиков; обобщение экспериментально-аналитических методов расчета для обоснования отработки целиков; графо-аналитический метод; методы математического моделирования состояний и процессов при очистной выемке; методы математической статистики, корреляционного анализа и дифференциального исчисления.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задач и формирования расчетных схем; использованием базовых положений методов расчета, рекомендованных нормативными документами при решении задач горной геомеханики и организационно-технологического обоснования технологических схем ведения очистных и подготовительных работ; удовлетворительным совпадением результатов корреляционного анализа (корреляционное отношение не менее 0,901).
Работа соответствует шифру специальности 25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная), ее формуле, а также пунктам «создание и научное обоснование технологии разработки природных и техногенных месторождений полезных ископаемых» и «разработка технологических способов управления качеством продукции горного предприятия и методов повышения полноты извлечения запасов недр» области исследования.
Научное значение работы заключается в разработке методов расчета для обоснования прогрессивных технологических решений по отработке околоствольных целиков на базе камерных и камерно-столбовых систем разработки с закладкой выработанных пространств, построенных на принципах имитационного моделирования технологических процессов и регламентированных условиями безопасной подработки шахтных стволов и временными рамками в пределах календарного плана строительства горного предприятия.
Практическое значение работы состоит: в разработке методических основ многовариантной оценки организационно-технологических схем ведения очистных работ в коротких забоях с закладкой выработанных пространств; в формировании структурированных технологических схем отработки околоствольных целиков на основе комбинации вариантов камерных и камерно-столбовых систем разработки, ориентированных на изменение горно-геологических и геотехнологических условий; в разработке алгоритмов и методики обоснования параметров короткозабойных технологий при отработке околоствольных целиков с учетом требований безопасности подработки шахтных стволов и ограничения во времени.
Реализация работы. Основные результаты исследований использованы в Рекомендациях по безопасной отработке околоствольных целиков, переданных в ОАО «Ростовшахтострой», а также в методическом обеспечении комплекса учебных дисциплин кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2003-2007 гг.) и Тульского государственного университета (г. Тула, 2005-2007 гг.), Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва, 2007 г.), Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2005-06 гг.), Всероссийском инновационном форуме «ИННОВ-2005 (г. Новочеркасск, 2005 г.), научных семинарах кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» ШИ ЮРГТУ (НПИ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 226 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 12 таблиц, список использованной литературы из 90 наименований и 3 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Наибольший эффект при извлечении угля из околоствольных целиков на этапе строительства шахты достигается только при частичной их отработке, к которой в максимальной степени адаптированы системы разработки короткими забоями. Значительный вклад в решение многих задач в данной области исследований внесли К.А. Ардашев, А.А. Борисов, А.С. Бурчаков, Н.С. Булычев, М.А. Иофис, Г.А. Катков, В.Н. Каретников, А.М. Козел, В.Н. Корнилков, И.С. Крашкин, Ю.Н. Кузнецов, Г.Г. Литвинский, Э.Э. Нильва, В.А. Потапенко, И.И. Савин, К.Ф. Сапицкий, А.П. Судоплатов, А.В. Стариков, К.Н. Трубецкой, Р.А. Фрумкин, Н.Н.Фотиева, Л.Д. Шевяков, Г.Г. Штумпф, В.Д. Ялевский и многие другие. В совокупности решение данной проблемы вызывает существенные затруднения, так как возможность применения короткозабойных технологий должна быть обоснована с точки зрения организации работ в очистных забоях при заданном ограничении во времени отработки околоствольных целиков на этапе строительства шахты.
В комплексе такие исследования начали реализовываться в работах проф. С.Г. Страданченко и В.И. Сарычева, в которых была обоснована возможность отработки околоствольных целиков короткозабойными технологиями с пневматической закладкой выработанных пространств. При этом на базе камерных и камерно-столбовых систем разработки был разработан ряд принципиальных схем ведения очистных работ, заложены основы определения параметров подготовки выемочных участков в пределах околоствольных целиков, учитывающие габариты и конфигурацию околоствольных дворов и размеры охранных целиков с учетом ряда технологических и физико-механических свойств углепородного и закладочного массивов.
Однако за рамками данных исследований остались вопросы геомеханической оценки состояния шахтных стволов в пределах мульды сдвижения, размеры и интенсивность влияния которой зависят от параметров проектируемых очистных выработок, расположения и размеров околоствольных и неизвлекаемых предохранительных целиков, характеристики закладочных массивов, мощности, угла падения и глубины разрабатываемых пластов, физико-механических и технологических свойств горных пород, конфигурации околоствольных дворов. Нерешенными являются и вопросы обоснования организационно-технологических схем ведения очистных работ в коротких забоях с учетом трудоемкости закладочных работ.
Исходя из вышесказанного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:
разработать метод оценки деформированного состояния подрабатываемых массивов горных пород, земной поверхности и шахтных стволов при отработке околоствольных целиков;
установить закономерности влияния параметров систем разработки короткими забоями с закладкой выработанных пространств на состояние подрабатываемых шахтных стволов;
разработать обобщенную модель обоснования параметров организационно-технологических схем ведения очистных и закладочных работ для различных вариантов систем разработки короткими забоями;
на основе исследования процессов очистной выемки и пневматической закладки получить зависимости изменения производственных показателей ведения горных работ в коротких забоях от параметров очистных выработок и горнотехнических характеристик применяемого оборудования;
обосновать темпы отработки выемочных участков в пределах околоствольных целиков.
В нормативных документах при использовании значений типовых функций относительных оседаний 
и горизонтальных сдвижений 
земной поверхности, адаптированных к вертикальной оси шахтных стволов, предложен графический метод определения деформационных характеристик стволов. Однако его применение является не совсем корректным ввиду значительных линейных размеров участков при дискретизации глубины ствола, для которых формируются разностные выражения определения относительных вертикальных деформаций 
, наклонов 
и кривизны 
. Исходя из этого, для нахождения расчетных деформаций стволов с учетом отработки околоствольных целиков короткими забоями с закладкой выработанных пространств были получены следующие дифференциальные выражения:
; (1)
; (2)
. (3)
где 
и 
- относительное максимальное оседание и горизонтальное сдвижение при полной подработке; 
- эффективная вынимаемая мощность пласта (
- вынимаемая мощность пласта, 
- коэффициент неполноты закладки выработанных пространств; 
- коэффициент уплотнения закладочного массива; 
- коэффициент извлечения угля); 
- коэффициент влияния угла падения 
; 
– коэффициент подработанности; 
и 
- размер участка целика, планируемого к отработке, и средняя глубина разработки, принимающие значения в зависимости от расположения участка отработки относительно ствола (со стороны восстания, падения и простирания); 
; 
; 
; 
, 
и 
- глубина ствола до пересечения с пластом со стороны падения, восстания и простирания от участка отработки;
и 
- размер неизвлекаемого предохранительного целика для охраны выработок околоствольного двора со стороны восстания и падения от ствола).
Для условий Российского Донбасса было установлено, что функции 
и 
могут быть выражены следующими экспоненциальными уравнениями (корреляционное отношение не менее 0,901):
; (4)
, (5)
Здесь коэффициенты регрессии зависят от условия подработанности и аппроксимируются квадратными полиномами:
;
;
.
В уравнении (6) показатель 1,998 - средняя величина максимальных типовых значений функции 
для всех N при 
. В формулах (1)-(3) коэффициент N принимает абсолютные значения, при расчете коэффициентов регрессии он изменяется в диапазоне от 0,7 до 1,0, т.е. 
при всех 
и 
при всех 
.
Применительно к расчету деформаций подрабатываемых стволов правомерность использования полученных дифференциальных выражений основывается на соответствии текущих координат полумульды и сечений по оси ствола: 
, где 
- расстояние от точки максимального оседания до рассматриваемой точки соответственно в полумульдах по падению, восстанию и простиранию от участка отработки на поверхности и на горизонте полной подработки; 
, 
- длина участка искривления ствола при его подработке со стороны восстания, падения и простирания. Так при условии неполной подработки ствола со стороны восстания от него:
, (6)
где 
- длина полумульды по падению, один из членов множества длин полумульды 
; 
- граничный угол; 
- угол максимального оседания. Аналогичные выражения получены для условий полной и неполной подработки шахтных стволов с любой из сторон в главных сечениях полумульды.
Определение 
производится исходя из условий влияния подработки на шахтные стволы с учетом границ мульды сдвижения, четырех вариантов расположения стволов относительно отрабатываемых участков, технологических и прочностных свойств вмещающих пород, размеров неизвлекаемых предохранительных целиков для охраны выработок околоствольных дворов и выработок главных направлений, когда учитываются: 
, 
и 
- расстояния от ствола до крайней выработки околоствольного двора; 
и 
- коэффициенты, учитывающие обрушаемость основной кровли (легкообрушающаяся - 
; среднеобрушающаяся - 
; труднообрушающаяся - 
) и крепление выработок; 
- ширина предохранительного целика для охраны выработок (зависит от глубины и прочности вмещающих пород); 
и 
- граничный угол со стороны восстания и по простиранию для участка отработки; 
, 
и 
- размер неизвлекаемого целика.
На примере Российского Донбасса для семи типов околоствольных дворов (диагонального кругового, челнокового, кругового с параллельным и с перпендикулярным расположением ветвей, тупикового, кругового для секционных поездов и двора с конвейерным транспортом) условия подработки при креплении капитальных выработок жесткой крепью (
) представлены в виде номограммы (рисунок 1).
Рисунок 1 – Номограмма для определения условий подработки шахтных стволов
В первой четверти номограммы даны полуэмпирические зависимости изменения ширины неизвлекаемых целиков от глубины залегания угольных пластов; во второй отражено влияние коэффициента обрушаемости основной кровли; третья характеризует увеличение целиков за счет максимальных габаритов околоствольных дворов (нумерация соответствует удалениям стволов от крайних выработок двора по разным направлениям); четвертая отражает влияние угла падения пласта ( 
и 
- параметры, идентифицирующие семейство прямых при условии подработки стволов со стороны восстания и падения соответственно).
Применение номограммы раскрывается на следующем примере: при глубине залегания угольного пласта 650 м, прочности пород 50 МПа, коэффициенте обрушаемости 1,2 и угле падения пласта 15 для кругового околоствольного двора с перпендикулярным расположением ветвей ширина неизвлекаемого со стороны восстания от ствола 
= 196 м. Общая ширина околоствольного целика 
= 302 м. Ширина участка, который может быть принят к отработке 
= 302 - 196 = 106 м. Длина участка искривления ствола составляет 
= 228 м. Подработка есть. Выполняется и условие подработки для участка целика, расположенного слева от ствола по простиранию: 
= 90 м; 
= 174 м; 
= 84 м; 
= 314 м. Для участка, находящегося справа от ствола по простиранию, размеры 
и 
равны 174 м – условие подработки не выполняется.
В процессе подработки стволы могут находиться: только в зоне полной подработки; в зоне полной и неполной подработки; только в зоне неполной подработки. Определение данных условий основывается на системе неравенств, которые, например, для частного случая подработки стволов со стороны восстания выглядят следующим образом:
; (7)
, (8)
где 
и 
- углы полных сдвижений на разрезе вкрест простирания.
Выражение (7) характеризует условие полной подработки ствола; при его невыполнении вступает в силу неравенство (8), которое будет верным только при условии неполной подработки. В противном случае ствол подвержен влиянию как полной, так и неполной подработке. Определяется интервал участка искривления ствола до горизонта полной подработки (
), который по аналогии с общими условиями подработки находится из разности между левой и правой частями неравенства (8). Рассчитывается интервал участка искривления и при подработке стволов со стороны падения и с любой из сторон по простиранию. Тогда деформации ствола при 
определяются как при условии полной, так и неполной подработки; до отметки 
деформации находятся при условии полной подработки; выше отметки 
- к деформациям в данном сечении, полученным при условии полной подработки, добавляется разность между деформациями в текущих сечениях и деформацией в сечении с отметкой 
при условии неполной подработки.
Для определения деформаций сжатия-растяжения, наклонов и кривизны по длине стволов необходимо продифференцировать выражения (1)-(3) по соответствующей координате множества 
, которое может быть выполнено после замены относительной координаты 
на 
и при использовании соответствия между 
и координатой множества 
. Для условий Российского Донбасса были получены зависимости деформированного состояния подрабатываемых стволов от угла падения пласта при изменении размеров неизвлекаемых предохранительных целиков. В качестве примера на рисунке 2 приведено изменение относительных горизонтальных сдвижений и наклонов по длине участка искривления подрабатываемого со стороны восстания ствола глубиной 500 м при углах падения от 5 до 25. На рис. 2: h – длина участка искривления ствола.
Рисунок 2 – Графики изменения расчетных значений горизонтальных сдвижений и
наклонов по длине участка искривления
Штриховые линии, полученные из отношения 
, характеризуют предельно возможные наклоны при отработке пластов на полную мощность (1,0 и 2,0 м). Из рисунка видно, что расчетные значения наклонов при всех ситуациях превышают допустимые величины: необходимо применение нетрадиционных систем разработки - на основе коротких забоев с закладкой выработанных пространств. При анализе таких систем было выявлено, что главным элементом в них является протяженная горная выработка – условная очистная камера – с фиксированными граничными параметрами, определяемыми рациональным применением горношахтного оборудования, геометрическими размерами выемочных участков и геомеханическими критериями.
Было предложено в качестве базового использовать следующее оборудование: проходческие комбайны избирательного действия, оснащенные ленточными перегружателями; короткие скребковые конвейеры (перегружатели); ленточный телескопический конвейер; самоходные вагоны; подвесную монорельсовую дорогу типа ДМК. Крепление камер осуществляется либо анкерной крепью, либо прямоугольной (деревянной или смешанной) крепью.
Формирование технологических схем позволило скорректировать основные положения известных методов расчета применительно к коротким забоям и разработать блок-схему и программное обеспечение в виде программного модуля «Камера», которые обеспечили проведение многовариантных исследований, направленных на установление закономерностей изменения организационно-технологических показателей ведения очистных работ в камерах и заходках от ряда горно-геологических и геотехнологических факторов. В результате исследований устанавливается отношение времени к единичному подвиганию забоя. Тогда все операции очистного цикла разделяются на следующие: работа комбайна – tк; продолжительность крепления - tкр (
и 
- продолжительность крепления анкерами и рамными крепями); 
- продолжительность транспортирования горной массы; при поточной технологии - не учитывается, а при цикличной технологии – входит в структуру объема работ, дополняя продолжительность общего цикла временем грузовой откатки и перегона (
) и разгрузки (
) полезного ископаемого (откатка самоходными вагонами).
Получены зависимости изменения продолжительности работы комбайнов от площади сечения выработки – диапазон изменения tк от 7-13 до 26-50 мин/м при увеличении сечения от 5 до 20 м2; зависимости изменения продолжительности анкерного и рамного крепления при различной плотности установки крепи от сечения (при плотности от 1 до 3 рядов на 1 м длины с 3-мя анкерами в ряду - 
от 8-17 до 15-32 мин/м; при плотности от 1 до 3 р/м – 
от 6-18 до 10-32 мин/м); номограмма для определения продолжительности времени 
исходя из дальности транспортирования, технических характеристик самоходных вагонов (принято 5 типов вагонов) и сечения выработки, а также зависимости времени разгрузки горной массы от сечения выработки - 
изменяется в пределах от 0,2-0,7 до 2,3-10,5 мин/м.
Результаты моделирования, интерпретированные в графической форме, позволяют определять продолжительность цикла на 1 м подвигания забоя. При этом суммарная продолжительность операций для поточной технологии составит 
, а для цикличной - 
.
Для оценки организационно-технологических показателей ведения закладочных работ в коротких забоях, базирующихся на использовании пневмозакладочных машин типа ДЗМ, ПЗБ или «Титан», входящих в состав комплексов ПЗК и ПЗП, а также «Титан-1», «Титан-1м» и «Титан-1м-01», были сформированы четыре принципиальные технологические схемы возведения закладочного массива в камерах. Первые две схемы ориентированы на закладку камер, очистные работы в которых производятся с одной установки комбайна, вторые - обеспечивают ведение закладочных работ в расширяющейся части камеры. В последнем случае закладочные работы входят в состав общего цикла горных работ.
Тогда структура закладочного цикла включает в себя следующую совокупность операций: работа закладочной машины или закладочного комплекса (нагнетание закладки), трудоемкость - 
; маневрирование закладочным трубопроводом или отклоняющим патрубком, характеризуется коэффициентом 
= 0,9; сооружение временного (или постоянного) ограждения вдоль камеры, трудоемкость - 
; возведение закладочных перемычек (охранных перегородок), трудоемкость - 
; сокращение (наращивание) закладочного трубопровода и/или его перенос, трудоемкость - 
= 7,8 чел.-мин./м; перенос распределительного патрубка, трудоемкость - 
= 7,8 чел.-мин./м; подготовительно-заключительные операции и профилактические мероприятия 
= 1 чел.-мин./м3. В итоге было получено следующее уравнение для определения продолжительности цикла закладочных работ:
, (9)
где 
= 1,15 – коэффициент, учитывающий продолжительность регламентированных перерывов; 
- численность звена рабочих на закладочных работах, чел.; 
= 0,05; 
- техническая производительность пневмозакладочных комплексов; 
- средняя плотность угля; 
- расход закладочного материала, отнесенный к 1 т добычи (0,6-0,85 м3/т в зависимости от закладочного материала); 
- поперечная относительно выработки площадь закладываемого выработанного пространства; 
- площадь ограждения; для поперечной перемычки – 
- площадь перемычки; 
и 
- ширина и шаг закладки соответственно (параметры закладочного блока), при формировании камеры без расширения ширина закладки 
равна пролету камеры 
; 
- длина камеры.
В качестве типовых элементов структурированных схем отработки околоствольных целиков предлагаются следующие технологии: отработка системой протяженных регулярно расположенных камер в направлении восстания, падения или простирания с включением процессов и операций очистного и закладочного цикла; отработка парными камерами с аналогичными вариантами структур технологического цикла; отработка одиночными камерами с расширением; отработка камерно-столбовыми системами с выемкой заходками заданного направления. На рисунке 3 в качестве примера приведена структурированная технологическая схема, включающая модули камерных и камерно-столбовых систем разработки по комбайновой технологии.
Рисунок 3 – Вариант технологической схемы с закладкой выработанного пространства: 1 и 2 - система разработки парными и регулярными камерами; 3 и 4 – камерно-столбовая система разработки с двухсторонними косыми заходками и с подготовкой выемочных столбов парными камерами; 5 - неизвлекаемый целик угля для охраны выработок кругового околоствольного двора с перпендикулярным расположением ветвей; I и II – скиповой и клетевой стволы
Время отработки, темпы подвигания и коэффициент извлечения для каждого из участков с учетом совмещения процессов очистной выемки и закладки, а также совмещения очистной выемки камерами и заходками для такой схемы находится из следующих выражений:
; 
; 
; (10)
; 
; 
; (11)
; 
;
; (12)
; 
;
, (13)
где 
- размер околоствольного целика по простиранию; 
и 
- размеры участков отработки по восстанию-падению слева и справа от стволов; 
и 
- ширина междукамерного и участкового целика; 
, 
и 
- число, ширина и длина заходок; 
и 
- число и ширина сбоек между камерами. Подобные выражения получены и для других комбинаций систем разработки при изменении схем околоствольных дворов.
По результатам исследований была разработана методика обоснования параметров короткозабойных технологий отработки целиков по критериям «безопасная подработка шахтных стволов» и «ограничение по времени». Основу методики представляет следующий алгоритм: из массива относительных деформаций сжатия-растяжения 
, наклонов 
и кривизны 
ствола на участке искривления выбираются максимальные значения 
, 
и
; из соотношений 
, 
и 
(допустимые: 
- вертикальные деформации сжатия-растяжения; 
- среднего наклона; 
- максимальной кривизны; 
; 
; 
- коэффициенты перегрузки)
устанавливается вероятное нарушение крепи и армировки ствола; определяется условная («требуемая») вынимаемая мощность пласта, обеспечивающая безопасную подработку стволов (
; 
; 
); данная мощность регламентирует эффективную вынимаемую мощность (
или 
, или 
); при исходных характеристиках закладочного массива определяется требуемый коэффициент извлечения 
, выбирается его наименьшее значение; при варьировании пролетов камер и заходок определяется соответствующий ряд размеров междукамерных целиков, целиков между заходками и число заходок; исходя из ограничения времени отработки околоствольного целика 
и максимального размера участка отработки со стороны восстания 
определяются регламентированные темпы подвигания очистного фронта - 
; для выбранного варианта системы разработки устанавливается взаимосвязь между регламентированными темпами подвигания и временем очистного цикла - 
(
и 
- ширина и длина выемочного участка); на основании этого равенства при известном соотношении между пролетами камер (заходок) и шириной целиков, установленным по критерию безопасности и при варьировании технических и организационных показателей, находится размер камеры (заходки).
Основные результаты исследований использованы в Рекомендациях по безопасной отработке околоствольных целиков, переданных в ОАО «Ростовшахтострой», а также в методическом обеспечении комплекса учебных дисциплин кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой в результате установленных автором закономерностей деформирования породного массива и моделирования технологических схем ведения горных работ дано новое решение актуальной задачи обоснования параметров короткозабойных технологий при отработке околоствольных целиков короткими забоями с закладкой выработанных пространств, обеспечивающих безопасную подработку вертикальных шахтных стволов и позволяющих повысить эффективность ведения горных работ на стадии строительства горного предприятия для подземной добычи полезных ископаемых.
Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем.
1. Сформированы условия подработки шахтных стволов в зависимости от размеров околоствольных и неизвлекаемых предохранительных целиков, габаритов околоствольных дворов, технологических и физико-механических свойств вмещающих массивов, глубины залегания и угла падения угольного пласта. Получены формулы для расчета участка искривления ствола. Применительно к месторождениям Российского Донбасса разработана номограмма для определения размеров принимаемых к отработке участков околоствольных целиков и длины участка искривления ствола.
2. В дифференциальной форме получены универсальные уравнения для определения расчетных вертикальных деформаций сжатия-растяжения, наклонов и кривизны по длине ствола с учетом коэффициента подработанности, угла падения и вынимаемой мощности пласта, максимальных относительных оседаний и горизонтальных сдвижений.
3. Для условий Российского Донбасса при удовлетворительной степени связи (корреляционное отношение составляет 0,911 и 0,902) получены интегральные эмпирические зависимости экспоненциально-полиномиального вида, позволяющие определять вертикальные и горизонтальные сдвижения в относительных единицах в главных сечениях мульды с учетом коэффициента подработанности и угла падения пласта.
4. Установлена функциональная связь между текущими координатами сечений по длине ствола и точек полумульды, которая основывается на взаимоувязке параметров мульды, размеров участков отработки и неизвлекаемых целиков, глубины разработки, угла падения пласта и длины участка искривления ствола.
5. Разработаны блок-схема и программный модуль «Камера», позволяющие моделировать технологические схемы для различных горно-геологических условий при широком парке горношахтного оборудования с оценкой данных схем на основе организационно-технологических показателей ведения горных работ в «условной» очистной выработке, получены графики для определения продолжительности цикла применительно к горно-геологическим условиям Российского Донбасса, которые являются базовыми зависимостями для графического метода определения организационно-технологических показателей очистной выемки как при камерной, так и при камерно-столбовой системе разработки.
6. Разработан метод расчета организационно-технологических показателей ведения закладочных работ в зависимости от размеров выработанных пространств, номенклатуры применяемого оборудования, направления и шага закладки, свойств закладочного материала и численности звена рабочих на операциях по закладке. Применительно к условиям Российского Донбасса получены графические зависимости для определения продолжительности ведения работ по отдельным операциям закладочного цикла.
7. Разработан метод расчета организационно-технологических показателей ведения очистных работ при различных вариантах камерных и камерно-столбовых систем разработки с закладкой выработанных пространств, совокупность которых характеризуется размерами по падению (восстанию) и по простиранию, временем отработки, коэффициентом извлечения полезного ископаемого, эффективной вынимаемой мощностью и темпами подвигания очистного фронта.
8. Разработаны основные принципы формирования структурированных технологических схем отработки околоствольных целиков и предложены варианты таких схем, построенные на комбинации камерных и камерно-столбовых систем разработки с закладкой выработанных пространств.
9. Разработана методика обоснования параметров короткозабойных технологий (размеров камер, целиков, заходок), включающая порядок подготовки исходных данных, алгоритмы и расчетные формулы и отвечающая критерию безопасной подработки вертикальных шахтных стволов и критерию ограничения времени отработки околоствольных целиков.
10. Основные результаты исследований использованы в Рекомендациях по безопасной отработке околоствольных целиков, переданных в ОАО «Ростовшахтострой», а также в методическом обеспечении комплекса учебных дисциплин кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Страданченко С.Г., Голодов М.А. Анализ причин нарушения крепи и армировки вертикальных шахтных стволов и возможные методы их предотвращения// Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. – С. 164-168.
2. Голодов М.А. Экспериментально-аналитическая оценка работоспособности крепи подрабатываемых вертикальных шахтных стволов// Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2003. – Приложение № 3. – С. 56-60.
3. Страданченко С.Г., Голодов М.А. Моделирование геомеханических процессов при влиянии очистных работ на шахтные стволы// Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. – С. 55-62.
4. Страданченко С.Г., Голодов М.А. Проблемы расконсервации запасов полезного ископаемого из предохранительных околоствольных целиков и выбор наиболее эффективного способа их отработки// Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. – С. 57-61.
5. Голодов М.А. К вопросу моделирования вариантов технологий отработки околоствольных целиков// Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2006. – Приложение № 9. – С. 60-62.
6. Страданченко С.Г., Голодов М.А. Методические основы организационно-технологической оценки параметров очистной выемки в коротких забоях в условиях устойчивых боковых пород// Перспективы развития Восточного Донбасса: Сборник научных трудов. Часть 1/ ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск. - 2008. - С. 56-64.
7. Голодов М.А. Структура закладочных работ при отработке околоствольных целиков короткими забоями// Перспективы развития Восточного Донбасса: Сборник научных трудов. Часть 1// ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск. - 2008. - С. 64-73.
8. Коновалов О.В., Богомазов А.А., Голодов М.А. Блок-схема и программное обеспечение расчета организационно- технологических показателей ведения очистных работ// Перспективы развития Восточного Донбасса: Сборник научных трудов. Часть 1// ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск. - 2008. - С. 73-83.
