Целью статьи является ознакомление с горно-геологическими условиями Таймылырского каменноугольного месторождения РС(Я) и возможностью использования новых способов управления кровлей при подземной разработке месторождения с одновременным дистанционным контролем за смещением пород кровли.

Таймылырское каменноугольное месторождение расположено на северо-западе Республики Саха (Якутия), в 270 км от п. Тикси, административного центра Булунского улуса. По состоянию на 01.01.2011 г. балансовые запасы угля составляют по категориям А+В+С₁ 162956 тыс. т, по категории С₂ в количестве 160100 тыс. т. Угли месторождения характеризуются малой зольностью, незначительным содержанием серы, высокой теплотворной способностью. Угли каменные, марки Д. Таймылырское месторождение отличается тем, что угольный пласт мощностью от 1 м до 4 м залегает полого с углами падения до 5°, кровля пласта представлена серым песчаником, почва состоит из песчано-глинистого сланца. Контакты угольного пласта, как с кровлей, так и почвой довольно резкие. Температура вмещающих пород составляет -5 ° -8 °С. Расстояние от пласта до поверхности составляет от 0 до 200 м.

При освоении указанного месторождения подземным способом ведения горных работ необходимо будет решать целый ряд сложных вопросов, касающихся:

• регулирования температурного и влажностного режимов в подземных горных выработках;
• противопожарной защиты горных выработок и подавления угольной пыли;
• применения труднозамерзающих жидкостей в гидравлике механизированных крепей;
• управления труднообрушаемой и трудноуправляемой кровлей в очистных забоях.

При разработке проекта освоения Таймылырского месторождения проектным организациям следует учесть опыт ведения подземных горных работ на других шахтах, работавших или работающих в условиях криолитозоны. Наиболее близкие горно-геологические условия представлены на шахте «Джебарики-Хая». На данной шахте в проект был заложен комплекс мер по созданию благоприятных микроклиматических условий и безопасному ведению горных работ. Проектом решались также вопросы регулирования теплового режима шахты (применение теплоаккумулирующих выработок), противопожарной защиты и пылеподавления. Достаточно полно опыт шахты «Джебарики-Хая» изложен в работе [1]. Вопросы теплового режима рассмотрены в монографии [2].

Что касается вопросов управления труднообрушаемой и трудноуправляемой кровлей, то необходимо отметить следующее.

В механизированных очистных забоях к наиболее аварийным относятся трудноуправляемые, труднообрушаемые кровли, при которых проявления первых и последующих осадок в выработанном пространстве связаны с разрушением зависающих на значительных площадях и больших размеров прочных слоев кровли. Первичные посадки кровли, создающие, кроме того, воздушный удар, особенно опасны для работающих, а большие динамические нагрузки способны привести к поломкам механизированных комплексов. В работе [1] дана классификация кровель угольного пласта (табл.1).

Как следует из данной классификации, к труднообрушаемым и к весьма труднообрушаемым относятся породы (аргиллиты, песчаники, алевролиты), имеющие значительные расстояния между плоскостями ослабления по напластованию и трещинами.

Однако, в условиях многолетней мерзлоты, в частности, при подземной разработке Таймылырского каменноугольного месторождения в Республике Саха (Якутия), любые типы пород относятся к труднообрушаемым, поскольку они сцементированы льдом и представляют единый смерзшийся монолит. Поэтому предъявляются совершенно другие требования к способам управления кровлями в условиях криолитозоны, основанные на понимании процессов, происходящих в подработанном массиве горных пород.

Таблица 1

Классификация кровель угольного пласта

Тип породы по обрушаемости	Литологический состав пород	Расстояние, м		Предел прочности на сжатие, МПа	Шаг обрушения, м		Коэффициент разрыхления пород при обрушении	Категория пород по устойчивости
		Между плоскостями ослабления по напластованию	Между трещинами		первый	последующий
Весьма легкообрушающиеся	Пески Глины Аргиллиты	- - 0,01-0,20	- - 0,05-0,30	- До 5 До 20	До 5	До 1	1,35-1,40	Неустойчивые
Легкообрушающиеся	Аргиллиты Алевролиты	0,03-0,3 0,05-0,3	0,10-0,50 0,20-0,50	10-40	5-10	1-5	1,25-1,35	Средней устойчивости
Среднеобрушающиеся	Аргиллиты Алевролиты Песчаники Известняки	0,20-0,70 0,10-0,50 0,10-0,30 0,05-0,30	0,20-0,60 0,20-0,60 0,20-0,80 0,30-1,00	25-55	10-30	5-10	1,15-1,25	Устойчивые
Труднообрушающиеся	Аргиллиты Алевролиты Песчаники Известняки	0,50-2,70 0,30-0,80 0,20-0,80 0,20-0,70	0,50-2,70 0,30-1,20 0,30-1,50 0,30-1,50	50-85	30-60	10-30	1,10-1,15	Устойчивые
Весьма труднообрушающиеся	Аргиллиты Алевролиты Песчаники Известняки	2,00-5,00 0,70-2,00 0,80-2,00 0,70-1,30	2,00-10,00 1,00-3,00 1,00-3,50 1,30-2,00	70-270	Более 60	Более 30	1,08-1,10	Устойчивые

В монографии [1] приведена классификация способов первичных посадок труднообрушаемых кровель, применимая для разработки месторождений, расположенных в условиях многолетней и островной мерзлоты (рис.1).

Рис.1. Классификация способов первичных посадок труднообрушаемых кровель

Так, на шахте «Сангарская» с успехом применялся способ первичной посадки с применением разрушающихся целиков угля, а на действующей шахте «Джебарики-Хая» способы с использованием геологических нарушений и с применением взрывчатых веществ. Основные недостатки указанных способов: при использовании разрушающихся целиков угля (шахта «Сангарская») отработку запасов от границы столба ведут сначала с использованием индивидуальной крепи, а механизированный комплекс монтируют за разрушающимся целиком, что значительно усложняет технологию очистных работ. Способ с использованием геологического нарушения (шахта «Джебарики-Хая») имеет ограниченное применение, так как не везде такие нарушения присутствуют.

В ИГДС СО РАН разработаны эффективные способы первичной посадки кровли и контроля за смещением пород кровли, в частности, новая технология первичной посадки кровли [3], заключающаяся в следующем (рис. 2).

Рис. 2. Подготовка пород кровли к первичной посадке

1 - выемочный столб; 2 - конвейерный штрек; 3 - вентиляционный штрек; 4 - монтажная камера; 5 - механизированный комплекс; 6 - обнаженное пространство; 7 - многолетнемерзлые породы; 8 - полезное ископаемое; 9 - органная крепь; 10 - вибраторная установка

После оконтуривания выемочного столба конвейерным и вентиляционным штреками в монтажной камере устанавливают механизированный комплекс и начинают очистную выемку столба. При этом обнаженное пространство постоянно увеличивается. Поскольку многолетнемерзлые породы криолитозоны, смерзшиеся в монолитный массив, являются труднообрушаемыми, то обнаженное пространство может достичь значительной величины (2500-3000 и более м²). В таком случае обрушение пород кровли происходит внезапно, кровля смещается практически мгновенно. Происходит деформация установленной крепи, воздушные удары, завалы лав.

Чтобы не допустить подобных явлений при достижении обнаженного пространства примерно 2/3 от ожидаемых критических значений, установленных практикой, выемку полезного ископаемого прекращают. Вдоль комплекса со стороны обнаженного пространства устанавливают органную крепь, а нагрузки на секции крепи комплекса снимают. К этому времени на поверхности над выработанным пространством размещают вибраторную установку со смещением ее от центра выработанного пространства в сторону падения пласта на величину L согласно выражению

,

где Н - расстояние от поверхности до центра выработанного пространства;

α - угол падения пласта.

После выполнения указанных работ вибраторную установку включают в работу. При этом упругие волны, возбуждаемые установкой, разрушают многолетнемерзлый массив, и происходит первичное обрушение пород кровли.

Для контроля за смещением пород кровли при работе вибраторной установки предложен способ [4,5], заключающийся в том, что в месте установки вибратора бурят скважину до непосредственной кровли пласта или используют одну из имеющихся геологических скважин (рис. 3), сохранившихся в многолетнемерзлых породах.

Один конец проволоки опускают в скважину и закрепляют его в непосредственной кровле. Другой конец проволоки на поверхности пропускают через блок и крепят к элементу натяжения проволоки, например, подвешивают груз определенного веса. К указанному концу проволоки крепят измерительное устройство, оборудованное автоматически включаемой аварийной сигнализацией, которая срабатывает при начавшемся смещении пород кровли. В процессе работы вибраторной установки начинается смещение кровли до начала первичного обрушения. Смещение до обрушения труднообрушаемых кровель составляет 100-150 мм. При начавшемся смещении кровли закрепленный к породам конец проволоки опускается, и это смещение передается измерительному устройству. Измерительное устройство фиксирует график на бумаге лентопротяжного механизма, а после определенного смещения срабатывает аварийная сигнализация. Работающие люди выводятся в безопасные места.

Рис. 3. Измерение смещений пород кровли в условиях криолитозоны

1 - полезное ископаемое; 2 - выемочный столб; 3 - конвейерный штрек; 4 - вентиляционный штрек; 5 - механизированный комплекс; 6 - скважина; 7 - мерзлые породы; 8 - стальная проволока; 9 - блок; 10 - измерительное устройство

Преимуществами предлагаемых способов являются:

- надежность и безопасность ведения горных работ;

- приборы и оборудование могут быть выполнены в стандартном исполнении.

Рецензенты:

Хохолов Ю.А., д.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории теплофизики ИГДС СО РАН, г. Якутск.

Заровняев Б.Н., д.т.н., профессор, декан горного факультета ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова», г. Якутск.