WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

КАЗАНИН Олег Иванович

ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ многоштрековОЙ ПОДГОТОВКИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ

Специальность: 25.00.22

-

Геотехнология (подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

г. Санкт-Петербург

2009 г.

       Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

       Научный консультант:

       доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ,

       профессор Ю.В. Шувалов

       Официальные оппоненты:

       доктор технических наук, профессор В.М. Шик

       доктор технических наук, профессор Н.М. Качурин

       доктор технических наук В.В. Мельник

       Ведущее предприятие: ФГУП «Национальный научный центр горного производства – ИГД им. А.А. Скочинского»

Защита диссертации состоится  _________________ 2009 г. в ___ч ____мин на заседании диссертационного Совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) имени Г.В. Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, аудитория 1160.

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

       Автореферат разослан ___________________ 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного Совета

профессор, д.т.н.                                                  Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

       



Актуальность проблемы. Угольная промышленность России пройдя сложный период реструктуризации 1994-2007 гг. в настоящее время характеризуется устойчивым ростом объемов производства как на шахтах, так и на разрезах. По сравнению с 2000 г. прирост добычи в 2007 г. составил более 55 млн. тонн, в том числе подземной угледобычи - более 18 млн. тонн. Рост добычи на шахтах обеспечен введением новых производственных мощностей, а также ростом нагрузок на очистные забои. Очистные забои действующих шахт оснащаются современными надежными высокопроизводительными комплексами, способными обеспечивать суточные нагрузки 10000 и более тонн.

       Вместе с тем, высокая концентрация горных работ, рост производительности очистных забоев сопровождаются недопустимо высоким уровнем аварийности и травматизма, более чем на порядок превышающим соответствующие показатели шахт мирового и европейского уровня. За период с 2000 по 2006 годы в целом на шахтах России произошло 199 аварий, в том числе 52 взрыва метана, в которых пострадали 380 человек, в том числе 163 со смертельным исходом. В 2007 году на шахтах смертельно травмировано 242 человека, в том числе 160 человек – в результате взрывов метана. Аварийности способствуют как более сложные горно-геологические условия российских шахт, так и несоответствие применяемых способов управления газовыделением и управления состоянием массива тому уровню нагрузок на забои, который обеспечивают современные механизированные комплексы. Более половины от общего объема подземной угледобычи поступает из шахт III категории и сверхкатегорных и, как показывает анализ сырьевой базы действующих шахт, подобная ситуация сохранится в течение ближайших десятилетий. На шахтах России отрабатываются более 70 пластов, отнесенных к опасным или угрожаемым по газодинамическим явлениям. Глубина ведения горных работ увеличивается в среднем на 15-20 метров в год, что способствует обострению вопросов, связанных с управлением газовыделением и горным давлением в шахтах, на которых уже сейчас в большинстве случаев горно-геологические условия характеризуются как сложные.

Эффективность и безопасность горных работ, а также конкурентоспособность добываемого в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях угля могут быть обеспечены за счет использования новых технических и технологических решений по выемке угля. Определяющим в этом отношении является выбор рациональных способов подготовки выемочных столбов, управления состоянием массива и управления газовыделением на
выемочных участках, позволяющим полностью использовать технические возможности современной выемочной техники. Интенсификация очистной выемки также предъявляет особые требования к скорости проходки и качеству проводимых для воспроизводства фронта очистных работ подготовительных выработок.

Решению проблем эффективности, технологической и экологической безопасности подземной угледобычи посвящены работы А.Т. Айруни, Я.А. Бича, А.А. Борисова, А.С. Бурчакова, В.Н. Вылегжанина, И.Е. Долгого, В.С. Забурдяева, В.Е. Зайденварга, В.П. Зубова, В.Н. Каретникова, О.В. Ковалева, Г.И. Коршунова, В.С. Литвиненко, А.С. Малкина, Ю.Н. Малышева, В.И. Мурашева, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, Н.М. Проскурякова, Л.А. Пучкова, И.В. Сергеева, С.В. Сластунова, В.Н. Фрянова, А.Н. Шабарова, В.М. Шика, М.И. Устинова, Ю.В. Шувалова, С.А. Ярунина и многих других ученых.

       Вместе с тем, имеющиеся на сегодняшний день результаты исследований, отраслевые нормативные документы, регламентирующие решение вопросов управления газовыделением и управления состоянием массива, а также проектирования технологических схем интенсивной отработки выемочных участков в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях, морально устарели и нуждаются в серьезной доработке и корректировке.

Цель работы. Повышение экономической эффективности, технологической и экологической безопасности разработки угольных пластов в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях на основе комплекса инновационных решений по подготовке выемочных участков, управлению состоянием массива и газовыделением, обеспечивающих конкурентоспособность подземной угледобычи.

       Основная идея работы. В условиях высокой газоносности и больших глубин залегания угольных пластов для обеспечения эффективности и безопасности очистных работ при высоких нагрузках на забои следует переходить от бесцеликовой к многоштрековой целиковой подготовке выемочных участков с учетом газо- и геодинамических процессов в массиве и в выработанном пространстве.

       Задачи исследований:

  • Обобщить и проанализировать опыт отработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях и обосновать перспективные направления развития технологии подготовки и отработки выемочных участков;
  • Исследовать особенности управления геомеханическими и газодинамическими процессами в массиве при различных схемах подготовки выемочных участков;
  • Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) межштрековых ленточных целиков и его динамику в зависимости от пространственно-временных факторов при различных схемах подготовки выемочных участков;
  • Оценить уровень безопасности ведения горных работ применительно к различным вариантам технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горно-геологических условиях;
  • Разработать методологию и методику выбора рациональных параметров технологии эффективной и безопасной подготовки и отработки выемочных участков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах;
  • Произвести стоимостную оценку многоштрековых схем подготовки выемочных участков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах

       Научная новизна работы:

  • Разработаны горно-геомеханические модели, учитывающие пространственно-временную изменчивость НДС массива вокруг оконтуривающих выемочный участок выработок по мере развития выработанного пространства;
  • Установлены закономерности формирования удароопасности ленточных целиков относительно движущегося очистного забоя при переходе от двух- к трех- или четырехштрековым схемам подготовки выемочных участков;
  • Разработана методика критериальной оценки целесообразности и эффективности перехода от бесцеликовых к многоштрековым схемам подготовки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах.

Положения, выносимые на защиту:

  • Эффективное управление газогеодинамическими процессами на выемочных участках высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах обеспечивается при выборе рациональных схем подготовки выемочных участков с учетом пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств;
  • Комплексным критерием оценки эффективности технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горно-геологических условиях следует считать разность между стоимостью

запасов угля в выемочном столбе и затратами на его подготовку и интенсивную отработку с максимальным использованием технических возможностей оборудования при снятых ограничениях нагрузки на очистные забои по газовому фактору и обеспечении устойчивости целиков и выработок;

  • Наиболее предпочтительной на больших глубинах разработки с точки зрения обеспечения безопасности работ в сложных по газовому и геодинамическому факторам условиях следует считать подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними.

       Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов исследований, представительным объемом экспериментальных данных (наблюдения более чем на 30 выемочных участках), удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов автора и других исследователей, положительным опытом использования предлагаемых разработок на шахтах Печорского бассейна.

       Практическая ценность работы

  • Обоснованы области применения различных схем подготовки выемочных участков в зависимости от глубины ведения горных работ и абсолютной метанообильности выемочных участков;
  • Разработан алгоритм выбора рациональных технологий подготовки выемочных участков газоносных пластов на больших глубинах, учитывающий горно-геологические условия, технические возможности применяемого оборудования, возможности управления состоянием массива и газовыделением, а также экономическую целесообразность отработки выемочного участка;
  • Получены зависимости для оценки затрат на подготовку и отработку выемочных участков при различных значениях их длины, способов подготовки, применяемых средств механизации очистных работ и нагрузок на очистные забои;
  • Определены требования к параметрам крепления и поддержания выработок, оконтуривающих выемочные участки высокогазоносных пластов на больших глубинах при многоштрековой подготовке, разработаны технологические схемы их проведения и крепления.

Реализация работы в промышленности

       Схемы подготовки выемочных участков с применением спаренных выработок с податливым целиком между ними в настоящее время внедрены на всех шахтах ОАО «Воркутауголь» по всем рабочим пластам (9 из 13 выемочных участков в 2007 году). Рекомендации по составлению паспортов

выемочных участков переданы в ОАО «Воркутауголь» и институт Печорниипроект для использования на шахтах бассейна. Внедрены на шахтах ОАО «Воркутауголь» рекомендации по управлению газовым режимом выемочных участков пласта «Четвертый» при их подготовке спаренными выработками. В 2007 году завершены разработка, экспертиза промышленной безопасности и согласование в органах Ростехнадзора руководства по управлению газовыделением на шахтах ОАО «Воркутауголь» и альбома технологических схем проведения подготовительных выработок при многоштрековой подготовке выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь». Разработанные документы переданы для использования на шахтах.

Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации горных инженеров в филиале Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) в городе Воркуте.

Личный вклад автора диссертационной работы:

       Постановка цели и задач, обоснование и выбор методики исследований, организация и руководство исследованиями; участие в проведении и обобщение результатов аналитических и натурных исследований НДС массива при различных вариантах подготовки выемочных участков, разработка на основе результатов исследований алгоритма выбора параметров технологии эффективной и безопасной разработки пластов в сложных горно-геологических условиях, стоимостная оценка эффективности предлагаемых прикладных решений. 

Апробация работы

       Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), третьем международном симпозиуме «Горное дело в Арктике» (г. Санкт-Петербург, 1994 г.), международном симпозиуме «Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ» (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), международных научно-практических конференциях «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1996, 1997 и 1999 гг.), одиннадцатой и тринадцатой Коми Республиканских молодежных научных конференциях (г. Сыктывкар, 1991 и 1997 г.), международном симпозиуме по развитию регионов с холодным климатом ISCORD`97 (г. Анкоридж, Аляска, США), научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера. Проблемы и решения», «Человек на Севере в XXI веке. Горное дело, ТЭК, экология, народонаселение» (г. Воркута, 1998, 2001, 2003, 2005-2008 гг.), «Неделя

горняка» (г. Москва 2001 и 2002 гг.), а также на технических совещаниях ОАО «Воркутауголь» (1994-2007 гг.).

       Публикации

       Результаты исследований и основные положения диссертации опубликованы в 47 печатных работах, в числе которых 1 монография, 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 3 публикации в зарубежных изданиях, 6 патентов, 25 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научных симпозиумов и конференций.

       Автор выражает глубокую признательность и благодарность ректору СПГГИ (ТУ), профессору В.С. Литвиненко, профессорам Ю.В. Шувалову, О.В. Ковалеву, Г.И. Коршунову, В.П. Зубову, доктору технических наук В.Н. Бобровникову, ведущему научному сотруднику Л.М. Гусельникову за научные консультации, а также руководству и работникам шахт ОАО «Воркутауголь», института Печорниипроект, филиала СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт» за помощь в организации и проведении исследований, ценные советы и рекомендации.

       Объем и структура работы

       Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 256 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 119 наименований и приложение.

       В первой главе на основе обзора отечественных и зарубежных литературных источников выполнен анализ состояния и перспектив развития технологии подземной разработки угольных пластов. Отмечена ведущая роль лавной технологии в будущем в сочетании с многоштрековой подготовкой выемочных участков, обеспечивающей максимальную производительность горных работ, их концентрацию и возможность перехода к структуре «шахта-лава». Вместе с тем показано, что применяемые в ведущих угледобывающих странах технические решения, обеспечивающие высокую производительность и безопасность ведения горных работ в благоприятных горно-геологических условиях, как правило, не могут быть использованы при отработке пластов в условиях сложных по газовому и геодинамическому факторам. Сформулированы цель и задачи исследований.

       Во второй главе приведены результаты натурных исследований геомеханических процессов на выемочных участках угольных пластов Воркутского месторождения при использовании бесцеликовых схем подготовки выемочных участков и схем с использованием спаренных выработок с податливым целиком между ними.

В третьей главе представлены результаты экспериментально-аналитических исследований НДС массива при многоштрековой подготовке выемочных участков угольных пластов при большой глубине отработки. Произведена оценка удароопасности податливых межштрековых целиков на разных стадиях отработки выемочных столбов при подготовке выемочных участков спаренными, тремя и четырьмя выработками.

       В четвертой главе приведен анализ способов управления газовыделением на выемочных участках шахт ОАО «Воркутауголь» при бесцеликовой подготовке выемочных участков и подготовке спаренными выработками. По результатам исследований газового режима определены параметры управления газовыделением средствами вентиляции, дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси.

       В пятой главе дана сопоставительная оценка безопасности схем подготовки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах с точки зрения возможности формирования газодинамических явлений, надежности управления газовыделением, противопожарной безопасности и воздействия на окружающую среду.

       Шестая глава содержит теоретическое обобщение результатов исследований, методологические принципы выбора параметров технологии отработки высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах. Сформирован алгоритм выбора рациональных схем подготовки выемочных участков, определена область применения схем по факторам глубины и газообильности выемочных участков, проведена стоимостная оценка многоштрековых схем подготовки выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь».

       В заключении приведены основные теоретические и практические выводы по результатам исследований в соответствии с поставленными целью и задачами, а также рекомендации по применению разработанной технологии на пластах со сложными горно-геологическими условиями.

       В приложении приведены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния податливого целика в зависимости от пространственно-временных факторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

       Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1.  Эффективное управление газогеодинамическими процессами на выемочных участках высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах обеспечивается при выборе рациональных схем подготовки выемочных участков с учетом пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств.

С увеличением глубины ведения горных работ возрастает как природная газоносность пластов, так и вероятность проявления горных ударов. Для устранения негативного влияния указанных факторов применяются различные мероприятия. Так, при планировании и ведении горных работ в угрожаемых и опасных по горным ударам пластах соблюдаются следующие общие принципы:

  • раскройка шахтных полей и их отработка производятся с учетом обеспечения планомерного извлечения запасов без образования участков с большой концентрацией напряжений (целиков);
  • максимально возможное использование опережающей отработки защитных пластов;
  • исключение встречных и догоняющих фронтов очистных работ;
  • уменьшение количества горных выработок впереди фронта очистных работ в отрабатываемых удароопасных пластах.

Соблюдение данных принципов практически исключает возможность применения для отработки удароопасных пластов систем разработки короткими забоями. Самой распространенной системой разработки пологих и наклонных угрожаемых или опасных по горным ударам пластов на шахтах России до недавнего времени являлась система разработки длинными столбами по простиранию (падению) с бесцеликовыми схемами охраны выемочных выработок и управлением кровлей полным обрушением.

В настоящее время глубина ведения горных работ на шахтах Воркутского месторождения превысила 1000 м, а газовыделение на выемочных участках отрабатываемых пластов в ряде случаев превышает 80 м3/мин. На шахтах одновременно отрабатываются от 2 до 4 пластов, угрожаемых или опасных по горным ударам и внезапным выбросам. Широко применявшиеся до последнего времени бесцеликовые схемы отработки таких пластов исчерпали свой ресурс и не могут обеспечить требуемый с точки зрения эффективности уровень нагрузок на очистные забои. Современные механизированные комплексы дают возможность добывать более 3000 т/сут из очистных забоев по защитным пластам «Пятый» и «Четвертый» мощностью 0,9 м и 1,4 м соответственно, и более 10000 т/сут по продуктивным пластам «Тройной» и «Мощный» мощностью

2,7 и 3,9 м. Вместе с тем, даже при подаче на выемочные участки более 2500 м3/мин воздуха и коэффициенте эффективности дегазации 0,7 в настоящее время нагрузки на очистные забои по защитным пластам ограничены по газовому фактору на уровне 1300 т/сут, что является также сдерживающим фактором для развития горных работ на залегающих выше продуктивных пластах.

       Анализ аэрогазодинамических параметров наиболее газообильных выемочных участков по пласту «Четвертый» на шахтах ОАО «Воркутауголь» показал, что существующая вентиляционная сеть выработок на указанных шахтах обеспечивает подачу на выемочные участки в среднем не более 2500 м3/мин воздуха, из которого около половины поступает по вентиляционному штреку. Абсолютное газовыделение на участках при средней нагрузке на забой 1295 т/сут составляет 64,4 м3/мин, из которых 62 % каптируется дегазацией. В 60 % случаев концентрация метана на исходящей выемочных участков превышает 1 %. Коэффициент утечек воздуха на верхнем сопряжении лавы составляет 1,6, а вблизи нижнего сопряжения - 2,5, что свидетельствует об утечках по длине лавы через выработанное пространство, составляющих от 40 до 75 %.





Дополнительно следует отметить следующее. Контурные и фланговые схемы дегазации применяются в ОАО «Воркутауголь» в основном для дегазации подрабатываемой угленосной толщи, высота зоны разгрузки которой достигает 200-250 м. Вместе с тем длина дегазационных скважин составляет в среднем 60-120 м, а диаметр скважин не превышает 112 мм. Система дегазации при отработке пластов «Четвертый» и «Мощный», несмотря на высокую ее эффективность, достигающую в отдельных случаях 80-90 %, не обеспечивает эффективного каптажа метана на участке между очистным забоем и ближайшей от него дегазационной скважиной. Скважины бурят в 90 % случаях из поддерживаемой выработки в 60-150 м за очистным забоем, на участке разгрузки пластов-спутников, то есть в зоне, в которой обычно происходят аварии, связанные с загоранием и взрывами метана, и протяженность которой достигает 250 м от забоя. Бурение скважин в указанной зоне осуществляют в период, когда разгрузка пластов-спутников уже произошла, и часть метана перешла в свободное состояние и смешалась с вентиляционной струей. Нередко при бурении происходит заклинивание бурового снаряда.

       В случаях же, когда дегазационные скважины пробурены заблаговременно впереди лавы с тем, чтобы их подключать в работу сразу после прохода лавой забоев скважин, как показала практика, в большинстве случаев в скважинах очень быстро (в течение месяца) падает концентрация метана, вследствие чего их приходится отключать от сети. Причиной этого

является нарушение обсадной колонны, попавшей в зону сдвижения массива, и подсосы воздуха.

       Для условий ОАО «Воркутауголь», учитывая достаточно высокую газообильность угольных пластов, представляет практический интерес возможность реализации способа управления газовыделением из выработанного пространства, включающего использование, наряду с общешахтной депрессией, газоотсасывающего вентилятора, неподдерживаемых выработок с устройством по длине участка отвода утечек смесительной камеры, а также дополнительных элементов, например, скважин большого диаметра. Аналоги и прототипы способа широко применяются на шахтах Донбасса, Кузбасса и Караганды. Однако все они предусматривают ликвидацию местных скоплений метана на сопряжении очистных забоев с вентиляционным штреком при возвратноточных схемах проветривания. Часть способов основана на использовании трубопроводов и газоотсасывающих установок различных конструкций.

Для снятия ограничений по газовому фактору необходимо подавать на выемочные участки большее количество воздуха, увеличить коэффициент эффективности дегазации, а также обеспечить изолированный отвод метана, что практически недостижимо в рамках бесцеликовых схем подготовки выемочных участков. Решение указанных задач возможно при переходе от бесцеликовых к многоштрековым схемам подготовки выемочных участков, что предполагает оставление между выработками ленточных целиков. Многоштрековые схемы подготовки выемочных участков (две, три или четыре выработки с каждой стороны выемочного столба) широко применяются на шахтах ведущих угледобывающих стран (США, Австралия и др.) на пластах с благоприятными горно-геологическими условиями. Вместе с тем, в условиях больших глубин, склонности пластов к динамическим явлениям размеры целиков должны обеспечивать устойчивость выработок, но в то же время не создавать опасности горных ударов и не допускать формирование зон повышенного горного давления (ПГД) на сближенных пластах.

Проведение спаренных выработок для подготовки выемочных участков позволяет увеличить количество подаваемого на участок воздуха и улучшить условия поддержания выработок, но возникающие при этом целики
входят в противоречие с отмеченными выше основными принципами разработки удароопасных пластов. Отраслевыми нормативными документами
допускается оставление целиков на удароопасных пластах, если
ширина целика не превышает одной десятой от ширины
зоны опорного давления, однако это обстоятельство до недавнего

времени практически не использовалось в практике отработки таких пластов.

       В табл. 1 представлена характеристика возможных вариантов проветривания и изолированного отвода метановоздушной смеси (МВС) при подготовке выемочного участка спаренными выработками с податливым целиком между ними.

Как показывают расчеты, использование изолированного отвода МВС из выработанного пространства выемочного участка в исходящую вентиляционного участка позволяет в условиях современного состояния вентиляционной сети шахт увеличить нагрузку на забой при отработке пласта «Четвертый» до 2000 и более т/сут.

Применение спаренных выработок при подготовке выемочного столба и прямоточной с подсвежением схемы проветривания выемочного участка по сравнению с бесцеликовой схемой подготовки и ее разновидностей с использованием газодренажной выработки, формируемой вслед за подвиганием лавы с помощью органной и чураковой стенок, имеет ряд преимуществ. Так, оставляемый между спаренными выработками целик угля имеет несоизмеримо большую герметичность, чем искусственная изолирующая стенка. Это обстоятельство также уменьшает вероятность возникновения в вентиляционной выработке на исходящей участка слоевых скоплений. Наличие большего поперечного сечения спаренных выработок, одна из которых используется в качестве дренажной, позволяет также отводить большее количество метана, чем по дренажным каналам при бесцеликовой подготовке. Наличие второй выработки обеспечивает возможность бурения дегазационных скважин сразу за линией очистного забоя. При этом улучшаются условия работы восстающих скважин, что позволяет увеличить срок их работы, герметичность их устьев, концентрацию каптируемой смеси и метана.

Для проверки возможности использования многоштрековой подготовки выемочных участков высокогазоносных угрожаемых по горным ударам пластов был проведен эксперимент на выемочном участке 312-ю по пласту «Четвертый» в поле шахты «Комсомольская». Глубина ведения работ 1030 м. Подготовка выемочного столба осуществлена на длине 730 м спаренными выработками с оставлением целика между ними шириной 6 м, с последующим уменьшением на конечном участке до 2-3 м (рис. 1).

В соответствии с проектом отработки выемочного участка выше конвейерного штрека 312-ю сечением 12,8 м2 с опережением очистных работ пройден конвейерный штрек 312-ю «бис» сечением 10,3 м2. Конвейерный штрек 312-ю впоследствии служил в качестве вентиляционного штрека при отработке нижней лавы, поэтому стояла задача по  поддержанию его в  эксплуатационном  состоянии.  Штрек 312-ю

Таблица 1

Характеристика схем проветривания и изолированного отвода метановоздушной смеси

Схема

Характеристика

Достоинства

Недостатки

Прямоточная нисходящая с подсвежением схема проветривания с выдачей исходящей лавы и потока метановоздушной смеси (МВС) из выработанного пространства на конвейерный штрек, а затем по задней сбоечной печи через смесительную камеру на рельсовый штрек.

Отсутствие каких-либо работ в дренажной части штрека за лавой, то есть на участке, где образуются местные и слоевые скопления метана.

Неустойчивое состояние неподдерживаемой части дренажной выработки, частичные завалы этой выработки со стороны выработанного прост-ранства, что обусловли-вает неравномерное распределение МВС по длине дренажной части штрека. Весь метан, не каптируемый дегазацией, поступает в исходящую струю участка

Исходящая лавы и часть потока МВС, поступает по ближайшей от лавы задней сбоечной печи на рельсовый штрек в исходящую выемочного участка. Изолированный отвод остальной части МВС осуществляют за счет общешахтной депрессии по неподдерживаемой части дренажного штрека на одну из фланговых выработок, затем по скважине большого диаметра в выработки подрабатываемого пласта «Тройной» для разбавления до безопасной концентрации. Изолированный отвод  МВС

Возможность пос-тоянного изоли-рованного отвода МВС на всем протяжении вы-емочного столба при обеспечении необходимого по-перечного сече-ния дренажной части конвейер-ного штрека.

Количество отводимого метана по дренажному штреку ограничивается возможностями обще-шахтной депрессии, не превышая 20 % от газо-обильности выемочного участка. Такая схема изо-лированного отвода соот-ветствует условиям отра-ботки выемочного столба 312-ю пласта «Четвертый» шахты «Комсомольская».

Окончание табл. 1

осуществляется при обеспечении необходимого поперечного сечения дренажной выработки на всем протяжении отрабатываемого выемочного столба путем упорядоченного опускания на почву кровлю выработки, закрепленной вдоль границы с выработанным пространством заданным образом, при определенном соотношении ее ширины и высоты.

Часть потока МВС вместе с исходящей лавы отводят по ближайшей за лавой сбоечной печи на рельсовый штрек в исходящую выемочного участка, а другую его часть в виде изолированного отвода - в исходящую вентиляционного участка. МВС из дренажного штрека через выработанное пространство и погашаемой за лавой вентиляционной выработки направляют к вентиляционной скважине, соединенной с комплексом газоотсасывающего оборудования.

Применение вентилятора ВМЦГ-7 позволит снизить газообильность выемочного участка за счет изолированного отвода на 30-35 %.

Необходимость применения комплекса газоотсасывающего обо-рудования, включающего газоотводящий трубопровод, один конец которого соединен со скважиной, а другой с газоотсасывающим вен-тилятором ВМЦГ-7. Вентилятор устанавли-вают в устье газоотводящего трубо-провода.

«бис» служил для изолированного отвода метана из выработанного пространства. По мере подвигания очистного забоя он отгораживался решеткой и по нему был запрещен проход людей. Через каждые 50-60 м штреки сбивались сбоечными печами сечением 10,3 м2. Оба штрека и печи закреплены металлической рамной крепью КМП-А3  плотностью 1,5 рам/м.

Рис. 1. Схема подготовки и отработки экспериментального участка по пласту «Четвертый» (выемочный столб 312-ю, шахта «Комсомольская»)

Исследования, проводимые в шахтных условиях, имели целью определить качественные и количественные показатели, характеризующие изменения геомеханических процессов в массиве горных пород во времени и при различном расстоянии от очистного забоя в спаренных выработках, разделенных между собой целиком. Кроме того, предусматривалось определить геометрические и аэрогазодинамические параметры выемочного участка при отводе исходящей из очистного забоя по спаренным выработкам: среднюю площадь поперечного сечения и газообильность дренажной выработки, среднюю скорость протекания воздуха по ней и концентрацию метана на выходе из нее на фланговую выработку, количество воздуха на подсвежении метановоздушной смеси в районе смесительной камеры на фланговой выработке, депрессию выемочного участка.

Выемочный столб 312-ю начали отрабатывать в феврале 1997 г. Нагрузка на забой в течение 1997 г. не превышала 700 т/сут, а в 1998 г. она составляла 600-1000 т/сут. Схема проветривания выемочного участка 312-ю пласта «Четвертый» приведена на рис. 2. Исходящая из лавы струя воздуха направлена по двум выработкам: по конвейерному штреку 312-ю «бис», который южнее сбоечной печи № 1 является неподдерживаемым, дренажным, предназначенным для изолированного отвода метановоздушной смеси, и по рельсовому штреку 312-ю.

Для определения геометрических и аэрогазодинамических параметров на выемочном участке проводили газовоздушную съемку. Наличие спаренных выработок позволило применить изолированный отвод

МВС из выработанного пространства за пределы выемочного участка. Как показали результаты инструментальных наблюдений, с помощью вентиляции с выемочного участка удалялось от 2,8 до 7,8 м3/мин метана. Газообильность дренажного штрека зависела от величины нагрузки на забой и изменялась от 6,8 до 10,0 м3/мин. По конвейерному штреку 312-ю отводили 9-21 % выделяемого метана, остальную часть метана - по дренажной части штрека 312-ю «бис» через смесительную камеру на конвейерный и рельсовый уклоны № 4 (соответственно 64-77 и 12-17 %. Концентрация метана в конвейерном штреке 312-ю не превышала 0,1 %, а в дренажной части штрека 312-ю «бис» составляла 0,2-0,75 %. При этом в периоды осадок основной кровли концентрация метана повышалась до 1,5-2,0 %.

Рис.2. Схема проветривания выемочного участка 312-ю пласта

«Четвертый»: 1-15 – пункты инструментальных наблюдений,
А – смесительная камера, Б, В – вентиляционные шлюзы,
Г – решетчатая перегородка

В ходе эксперимента по управлению газовыделением на выемочном участке использовали дегазационные скважины, которые бурили из конвейерного штрека 312-ю со стороны выработанного пространства на подрабатываемые пласты-спутники. Дегазацию надрабатываемых пластов не производили в связи с отсутствием необходимости. В работе постоянно находилось от 7 до 10 скважин. Дебит метана по скважинам составлял 1,0-4,5 м3/мин, а продолжительность работы скважин до 5 мес. по сравнению 3-4 месяцами работы скважин при бесцеликовой подготовке.

Количество деформированных рам в конвейерном штреке 312-ю при охране целиками уменьшилась в 3 раза по сравнению с другими способами поддержания в аналогичных условиях, например, выкладкой полос по берме штрека. При этом высота штрека на этих участках после подрывки почвы составляла 2,3-2,4 м. Таким образом, при принятой технологии поддержания подрывка почвы на величину 0,8-0,9 м обеспечивает высоту выработки до 2,3-2,6 м на протяжении всего срока отработки первой лавы. В этих условиях сохраняется сечение выработки в пределах 70-80 % от начального.

Инструментальные наблюдения за изменением напряженно-деформированного состояния целиков, оценка их удароопасности и влияния на устойчивость поддерживаемых выработок показали, что при ширине
6-4 м целики являются неудароопасными, влияние изменения ширины целиков от 6 до 3 м не оказывает существенного влияния на устойчивость поддерживаемых выработок. Напряжения в целике впереди очистного забоя на расстоянии от 0,7 до 0,3 ( - ширина зоны опорного давления) не превышали 0,7γH или 18 МПа, а за лавой на расстоянии 0,7 не превышали 0,5-0,6γН или 13 МПа, что свидетельствует о том, что целики работали в податливом режиме.

Эксперимент по переходу с бесцеликовой на подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними показал возможность существенного увеличения эффективности управления газовыделением на выемочных участках (увеличение суточной нагрузки на очистной забой по условиям вентиляции на 50-70%) с обеспечением безопасности целиков по горным ударам. Этот вывод также был подтвержден в ходе эксперимента на выемочном участке 123-ю по пласту «Четвертый» в поле шахты «Северная» и при дальнейшем внедрении подготовки выемочных участков угольных пластов спаренными выработками с податливым целиком между ними на шахтах ОАО «Воркутауголь».

При использовании трех- или четырехштрековых схем подготовки выемочных участков возможности управления газовыделением при отработке высокогазоносных пластов еще более расширяются, однако в условиях больших глубин для принятия решения о применении этих схем необходима оценка удароопасности оставляемых целиков. Как показали экспериментально-аналитические исследования НДС целиков методом граничных элементов, по мере развития выработанного пространства состояние целиков, особенно при трех- или четырехштрековой схемах подготовки в зависимости от условий нагружения существенно изменяется и в определенных условиях становится удароопасным.

Таким образом, выбор рациональных схем подготовки выемочных участков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах позволяет комплексно решать вопросы управления газовыделением и управления состоянием массива при учете пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств.

2.  Комплексным критерием оценки эффективности технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горно-геологических условиях следует считать разность между стоимостью запасов угля в выемочном столбе и затратами на его подготовку и интенсивную отработку с максимальным использованием технических возможностей оборудования при снятых ограничениях нагрузки на очистные забои по газовому фактору и обеспечении устойчивости целиков и выработок.

Анализ опыта применения различных технологических схем на угольных шахтах, а также проведенные собственные исследования позволили выделить основные факторы, ограничивающие область применения схем: это газовый фактор и фактор геодинамической безопасности. Для численной оценки этих факторов при определении области применения технологических схем подготовки и отработки выемочных участков возможно использование таких показателей, как абсолютная газообильность выемочного участка и глубина ведения горных работ. Применение данных показателей не дает исчерпывающей оценки опасности по газу или динамическим явлениям, но вместе с тем, позволяет выделить вполне определенные для различных схем области применения. Так, на рис. 3. выделено 5 характерных зон в зависимости от абсолютной газообильности выемочного участка и глубины ведения горных работ.

Детальная характеристика зон и возможных технических решений по подготовке выемочных участков, управлению газовыделением и управлению состоянием массива при ведении горных работ в этих зонах представлена в табл. 2.

Как видно из табл. 2, предлагаемое разделение факторного пространства на зоны по таким признакам, как глубина разработки и газообильность выемочных участков, позволяет выделить области, где применение принятых к рассмотрению технологических схем наиболее целесообразно. Несмотря на то, что границы зон весьма условны, можно утверждать, что в зоне Е применение схем с использованием спаренных выработок с податливым целиком наиболее оправдано.

В качестве численных показателей эффективности способа подготовки выемочных участков можно использовать нагрузку на очистной забой, а также затраты на подготовку и отработку выемочного столба в

сравнении с рыночной ценой добытого угля. Подобный подход был предложен П. Маккинали для решения задач развития горных работ на шахтах, однако, по мнению автора, может быть использован и в рассматриваемом случае. По результатам ранее проведенных исследований был предложен соответствующий алгоритм. Ниже приведены результаты расчетов, выполненных для условий пласта «Четвертый» Воркутского месторождения.

Рис. 3. Ранжирование областей применения технологических схем
подготовки выемочных участков по газообильности и глубине разработки

Таблица 2

Показатель

Зона

А

В

С

D

E

Глубина

разработки, м

до 300-400

до 300-400

400-800

400-800

более 800

Газообиль-ность выемочного участка, м3/мин

до 60

более 60

до 60

более 60

любая

Окончание табл. 2

Показатель

Зона

А

В

С

D

E

Подготовка

выемочных

участков

бесцелико-вая, много-штрековая

много-штрековая

бесцелико-вая, много-штрековая

много-штрековая

бесцелико-вая, спарен-ными выра-ботками

Ширина

целиков

любая

любая

до 0,1l

до 0,1l

до 0,1l

Схемы про-ветривания

возвратно-точные, прямо-точные

прямо-точные

возвратно-точные, прямо-точные

прямо-точные

прямо-точные

Дегазация

необходима при газо-обильности более 25 м3/мин

необходима

необходима при газо-обильности более 25 м3/мин

необходима

необходима при газо-обильности более 25 м3/мин

Изолирован-ный отвод МВС

-

необходим

-

необходим

необходим при газо-обильности более 60 м3/мин

       Общая цена запасов угля в выемочном столбе зависит от мощности пласта, размеров выемочного столба, а также цены на конечную угольную продукцию, получаемую в результате переработки добытого угля. В настоящее время при плановой зольности горной массы шахт ОАО «Воркутауголь» от 38,2 % до 41,7 % после переработки на ЦОФ «Печорская» выход концентрата колеблется от 49,2 % до 53,0 % при плановом выходе промпродукта 5%. Расчет общей цены запасов угля выполнялся по формуле (1)

       С=0,5*Qст*Цк+0,05* Qст*Цп, руб.,        (1)

где        С        –        цена запасов угля в выемочном столбе, руб.;

       Qст        –        запасы угля в выемочном столбе, т;

       Цк        –        цена угольного концентрата, руб./т;

       Цп        –        цена промпродукта, руб./т.

       Затраты на отработку выемочного столба определялись по формуле (2):

       Зв.с. = Зпр.+ Змон.+ Зо.р.+ Здем.+ Здег.+ Зусм, руб.,        (2)

где        Зв.с.        –        затраты на подготовку и отработку выемочного столба, руб.;

       Зпр.        –        затраты на проведение выработок на выемочном участке, руб.;

       Змон.        – затраты на монтаж оборудования, руб.;

       Зо.р        –        затраты на очистные работы, руб.;

       Здем.        –        затраты на демонтаж оборудования, руб.;

       

Здег.        –        затраты на дегазацию (управление газовыделением), руб.;

       Зусм        –        затраты на управление состоянием массива (мероприятия), руб.

Критерий оценки эффективности варианта:

К = С – Зв.с.

Чем выше значение К, тем более экономически привлекательным является рассматриваемый вариант подготовки и отработки выемочного участка.

К рассмотрению принимались 4 технологические схемы: бесцеликовая; с использованием спаренных (двух) выработок; с использованием строенных выработок; с использованием четырех выработок с каждой стороны выемочного столба. При многоштрековой подготовке (две, три или четыре выработки с каждой стороны столба) между выработками предполагается оставление податливых целиков, т.е. целиков, не способных накапливать упругую энергию, не представляющих опасности по горным ударам и не создающих зоны повышенного горного давления (ПГД) на сближенных пластах. В данном случае ширина целиков принималась равной 0,1l (6 м), где l – ширина зоны опорного давления.

Затраты на проведение выработок включают в себя затраты на проходку выемочных выработок, а также проходку монтажной камеры. Причем при бесцеликовой схеме предполагается крепление выемочных выработок рамной металлической крепью КМП-А3, а при многоштрековых схемах – анкерной крепью. Затраты на проведение выработок, а также на монтаж-демонтаж оборудования при длине лавы 200 м приняты по фактическим данным ОАО «Воркутауголь» за 2005 год.

Затраты на очистные работы включают затраты на заработную плату персонала, амортизацию оборудования (при норме амортизации 20 %), а также электроэнергию и материалы. При этом, к рассмотрению принимались как отечественные, так и зарубежные очистные механизированные комплексы стоимостью от 100 млн. руб. до 1500 млн. руб. Затраты на управление газовыделением и управление состоянием массива приняты условно постоянными для всех рассматриваемых схем.

Зависимость затрат на отработку выемочного столба по пласту «Четвертый» (длина столба 2000 м, длина лавы 200 м) от нагрузки на очистной забой при различных схемах подготовки выемочных участков представлена на рис. 4.

При этом, обозначение ОМК означает отечественный механизированный комплекс, ЗМК – зарубежный механизированный комплекс; индексы «с», «т» и «ч» означают подготовку спаренными, строенными и четырьмя выработками с каждой стороны выемочного столба соответственно. Отсутствие индекса соответствует бесцеликовой схеме подготовки.

На рис. 5 представлена зависимость затрат на отработку выемочных столбов от длины столба при длине лавы 200 м, при различных схемах подготовки столбов и разной нагрузки на очистные забои.

Рис. 4. Затраты на отработку в зависимости от нагрузки на очистные забои при различных схемах подготовки выемочных столбов

Рис. 5. Затраты на отработку при разных схемах подготовки выемочных участков в зависимости от длины выемочных столбов

Обозначения при этом приняты аналогичные рис. 4. Цифра «40» или «120» в названии схемы соответствует нагрузке на очистной забой 40000 т/мес или 120000 т/мес.

На обоих рисунках также показаны прямые стоимости угля в выемочном столбе. Очевидно, что чем больше разница между стоимостью угля в выемочном столбе и затратами на отработку столба, тем более экономически оправдано применение соответствующих технических решений. Как видно из рис. 4 и 5, эта разница увеличивается при повышении нагрузок на очистные забои, а также при увеличении длины выемочных столбов. Эффективность использования дорогостоящих зарубежных механизированных комплексов при нагрузках менее 100000 т/мес начинает резко снижаться.

Бесцеликовая подготовка выемочных столбов является наиболее экономичной с точки зрения затрат на проведение выработок и эксплуатационных потерь угля, но вследствие ограничения нагрузки на забой на уровне 45000 т/мес, представлена на рисунках лишь в качестве базового варианта.

       Применение многоштрековых схем позволяет подавать большее количество воздуха на выемочный участок, организовать изолированный отвод метановоздушной смеси (МВС), создать условия для применения анкеров в качестве основной крепи выработок. В совокупности это повышает нагрузку на забой по газовому фактору, снижает трудоемкость поддержания сопряжений, позволяет более полно использовать возможности современной выемочной техники. В то же время проведение дополнительных выработок увеличивает затраты на проходку, также увеличиваются эксплуатационные потери за счет оставляемых целиков. Дополнительные затраты на проведение выработок могут быть оправданы лишь в случае соответствующего увеличения нагрузки на забой.

       Подготовка с использованием четырех выработок с каждой стороны столба является наиболее трудоемкой и затратной. Вместе с тем, при этом возможна отработка выемочных столбов практически любой длины, отпадает необходимость в проведении через каждые 1500 м и последующем переходе механизированными комплексами вентиляционных сбоек. По таким схемам работали 10 из 52 (19 %) длинных очистных забоев в США в 2006 году. При этом длина выемочных столбов колебалась от 2,0 до 3,9 км, глубина ведения работ не превышала 600 м. В условиях пласта «Четвертый» Воркутского месторождения экономическая целесообразность применения таких
схем появляется при отработке столбов длиной не менее 3000 м с нагрузкой не менее 120000 т/мес. Однако, применение таких схем в условиях
месторождения недопустимо вследствие опасности возникновения

горных ударов в ленточных целиках между выработками (расчеты НДС массива в главе 3).

Подготовка с использованием трех выработок является наиболее распространенной для длинных забоев на шахтах США (71 % в 2006 году). В рассматриваемых условиях применение данных схем представляется экономически целесообразным при обеспечении нагрузок на забой не менее 100000 т/мес и длине столба не менее 1500 м. В то же время, расчеты НДС массива (глава 3) показывают возможность формирования горных ударов в целиках. Для решения вопроса о применении таких схем необходимо предусмотреть проведение дополнительных мероприятий по управлению состоянием массива, что приведет к увеличению затрат на отработку выемочных участков.

       Подготовка с использованием спаренных выработок позволяет обеспечить дегазацию и изолированный отвод МВС. В этом случае каналом для изолированного отвода МВС будет являться примыкающая к выработанному пространству и специально не поддерживаемая выработка. Несмотря на то, что расчеты показывают сохранение остаточного сечения такой выработки на уровне 5 м2, что достаточно для отвода МВС, при длине столба более 1500 м для обеспечения остаточного сечения будет необходимо предусматривать дополнительные мероприятия по поддержанию выработки. Использование схем подготовки спаренными выработками обеспечивает наибольшее значение критерия К. при использовании как отечественных, так и зарубежных механизированных комплексов.

3.  Наиболее предпочтительной на больших глубинах разработки с точки зрения обеспечения безопасности работ в сложных по газовому и геодинамическому факторам условиях следует считать подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними.

Обобщение результатов проведенных исследований привело к формированию алгоритма выбора технологии подготовки и отработки выемочных участков, в укрупненном виде представленного на рис. 6.

Предлагаемый алгоритм позволяет на стадии проектирования определить экономические перспективы отработки отдельных участков пластов, выбрать рациональную технологию подготовки и отработки выемочных участков, определить необходимость и целесообразность перехода от бесцеликовых схем подготовки выемочных участков к использованию многоштрековой подготовки.

Для оценки возможностей бесцеликовых схем подготовки выемочных участков на защитных пластах Воркутского месторождения в

ходе исследований проведен анализ показателей работы четырех добычных участков в дни повышенной добычи (65 дней), отрабатывавших пласт «Четвертый» на шахтах «Северная», «Воркутинская», «Комсомольская» и «Заполярная» в период с 19.09.2003 по 31.12.2004 г. В рассматриваемый период отрабатывались выемочные столбы 123-ю-IV (шахта «Северная»); 832-ю-IV (шахта «Воркутинская»); 512-с-IV (шахта «Комсомольская») и 314-с- IV (шахта «Заполярная»). Характеристика горно-геологических и горнотехнических условий разработки представлена в табл. 3, показатели работы очистных забоев – в табл. 4.

Рис. 6. Алгоритм выбора технологии подготовки и отработки выемочных участков в сложных горно-геологических условиях

Таблица 3

Характеристика выемочных участков по пласту «Четвертый»

Показатель

123-ю-IV

832-ю-IV

512-с-IV

314-с- IV

1.

Мощность пласта, м

1,44 (средняя)

1,36-1,61

1,45

1,44

2.

Угол падения, град.

2

Лава 8-4, бремсберг 8-11

2-3

13

3.

Глубина работ, м

920

640-900

960

780

4.

Средства механизации очистных работ

2КМ-138,

РКУ-10,

СПЦ-271

(А-30)

2КМ-138,

2ГШ-68Б

(РКУ-10),

МЛ-30

2КМ-138,

2ГШ-68Б (РКУ-10),

МЛ-30

2КМ-138,

2ГШ-68Б (РКУ-10), 

СПЦ-271

(А-30)

5.

Длина лавы, м

200

200

202

204

6.

Длина столба, м

1680

выемочная 1320, полная 1605

1820

1800

7.

Направление подвигания лавы

по прости-ранию

по падению

по прости-ранию

по прости-ранию

8.

Непосредст-венная кровля

аргиллит

аргиллит

алевролит ниже ср. уст. m=1,7м

аргиллит

9.

Основная кровля

аргиллит, песчаник

песчаник

песчаник

m=7-10м

алевролит, песчаник

Окончание табл. 3

Показатель

123-ю-IV

832-ю-IV

512-с-IV

314-с- IV

10.

Подготовка выемочных участков

бесцели-

ковая

бесцели-

ковая

бесцели-

ковая

бесцеликовая

11.

Схема проветривания

3-В-Н-н-пт

3-В-Н-н-пт

3-В-Н-н-пт

3-В-Н-н-пт

12.

Применение дегазации

бурение дегазационных скважин по КШ

бурение дегазационных скважин по КШ

бурение дегазационных скважин по КШ

бурение дегазационных скважин по КШ

13.

Сечение выемоч-ных выработок в свету

Арка, 10,3 м2, по КШ –

12,8 м2

Арка, 9,0 м2, по КШ – 12,8 м2

Арка,

12,8 м2

Арка,

12,8 м2

14.

Поддержание за лавой

золоблочная полоса, ремонтины

золоблочная полоса, ремонтины

золоблочная полоса, ремонтин

золоблоч-ная полоса, ремонтины

Таблица 4

Показатели работы забоев в дни повышенной добычи (65 дней)

Показатель

123-ю-IV

ш. Северная

832-ю-IV

ш. Воркутинская

512-с-IV

ш. Комсомольская

314-с- IV

ш. Заполярная

1.

Норматив суточной нагрузки на забой, т/сут

1500

1500

1500

1500

2.

Число дней с нагрузкой равной или выше норматива

16 (25%)

8 (12%)

10 (15%)

5 (8%)

3.

Число дней с нагрузкой менее 1000 т/сут

29 (45%)

27 (42%)

36 (55%)

52 (80%)

4.

в том числе дней простоев (0 т/сут)

20 (31%)

0

8 (12%)

12 (18%)

5.

Максимально достигнутая нагрузка, т/сут

2700

2250

2000

2000

6.

Общий объем добычи за рассматриваемый период (65 дней), т

61998

67150

57650

37210

7.

Средняя нагрузка на забой, т/сут

954

1033

887

572

Как видно из табл. 4, суточная нагрузка на очистные забои в рассматриваемые дни превышала установленный норматив менее чем в

25 % случаев (по лаве 314-с-IV – в 8%). В то же время число дней с нагрузкой менее 1000 т/сут составляет от 45 % (123-ю-IV) до 80 % (314-с-IV) при значительном (до 31 %) количестве дней простоев. Это свидетельствует о низкой эксплуатационной надежности применяемого оборудования, несовершенстве технологических схем, а также завышенном значении норматива нагрузки. Максимально достигнутый уровень нагрузки – 2700 т/сут можно считать пределом для бесцеликовых схем в данных условиях.

В качестве факторов, ограничивающих уровень нагрузок на очистные забои в рассматриваемых схемах, следует отметить, помимо надежности оборудования, высокую трудоемкость работ на сопряжениях лав, а также газовый фактор.

Управление газовыделением средствами вентиляции и дегазации (с эффективностью до 70 %) на выемочных участках пласта «Четвертый» при бесцеликовых схемах обеспечивает уровень нагрузок по газовому фактору не более 1500 т/сут.

Таким образом, при достигнутых глубинах разработки увеличение нагрузки на очистные забои по пласту «Четвертый» до 2000 т/сутки и более, а также существенное снижение затрат на поддержание подготовительных выработок при бесцеликовой технологии практически недостижимо. Для решения поставленных задач необходимы технические решения, выходящие за рамки бесцеликовых схем. При использовании более совершенных средств механизации очистных работ, для обеспечения их высокопроизводительной работы необходим переход от бесцеликовой к многоштрековой подготовке выемочных участков.

При выборе вариантов многоштрековой подготовки выемочных участков (двумя, тремя или четырьмя выработками) необходимо произвести оценку удароопасности межштрековых целиков, которая проводится на основе расчета параметров НДС массива.

Для оценки НДС межштрековых ленточных целиков и его динамики при многоштрековой подготовке выемочных участков были проведены экспериментально-аналитические исследования методом граничных элементов. Исследования проводились для пластов «Четвертый» и «Пятый» Воркутского месторождения, которые являются защитными для вышележащих продуктивных пластов «Тройной» и «Мощный», выполнены с привлечением современных подходов к оценке напряженно-деформированных состояний изучаемых областей массива горных пород, включающих в рассматриваемом случае выемочные штреки как при их расположении в «невозмущенных» очистной выемкой зонах, так и в зонах влияния на их мехсостояние выработанного пространства (ВП). При проведении исследований
учитывался и такой технологический фактор как

суточная нагрузка на очистной забой. Базовые результаты исследований, полученные для условий отработки пласта «Четвертый», можно экстраполировать и для пласта «Пятый».

Геологические характеристики донной части Воркутского месторождения (H ≈ 1000÷1200 м) обобщены на основе дифференцированных оценок углевмещающих толщ по полям шахт «Комсомольская», «Северная», «Воркутинская». Схемы подготовки выемочных участков, принятые для анализа, показаны на рис. 7. Вентиляционные выработки за очистным забоем не поддерживаются. Примыкающая (конвейерная) к лаве выработка поддерживается только до первой (по направлению от очистного забоя к выработанному пространству) сбойки, т.е. на расстоянии порядка 100 метров. Отработка последующего (примыкающего к рассматриваемому) столба реализуется при использовании лишь одной (нижней на схемах) выработки.

Выемочные штреки (по всем схемам – прямоугольного сечения) имеют габариты: ширина ~5,2 м; высота – 3,0 м. Проходка штреков реализуется с подрывкой пород как кровли (~1,0 м), так и пород почвы (0,5 м). Средняя мощность пласта «Четвертый» в процессе оценки НДС массива принята равной ~ 1,5 м. Во всех случаях предусматривается анкерное крепление выработок. Согласно существующим нормативным требованиям ширина междуштрековых целиков на данном пласте принята равной 6,0 м.

Горно-геомеханические модели (ГГМ) разработаны применительно к квазиоднородному вмещающему пласт «Четвертый» массиву, отвечающему натурным условиям по средневзвешенным механическим (деформационным Ед и μд) характеристикам выделенных в массиве «пакетам» пород. Параметр Ед – модули деформаций указанных «пакетов», отражающие наличие пластических свойств в рассматриваемых комплексах пород (либо в выделенных литотипах, например, в пласте).

Наличие изотропии в массиве, вмещающем выемочные штреки, позволило выполнить оценку параметров НДС в постановке задач плоской деформации, что и нашло отражение в соответствующих горно-геомеханических моделях.

Граничные статистические условия для решаемых методом разрывных смещений задач приняты с учетом реальных для рассматриваемых глубин разработки величин геостатических давлений во вмещающем изучаемые объекты массиве, корректируемых с учетом места расположения сечения, характерного для соответствующих ГГМ.

На рис. 8 приведена схема расположения указанных сечений в пределах выемочного участка, которым отвечают ГГМ I, ГГМ II и ГГМ III. На рис. 9 приведена ГГМ IIIi, где «I» – индекс наличия в ГГМ соответствующего числа выемочных штреков (i = 2 – два штрека; i = 3 – три штрека; i = 4 – четыре штрека).

Для оценки опасности возникновения в межштрековых целиках (МШЦ) горных ударов (ГУ) необходим анализ, в частности, полей компоненты σУ тензора σij.

Рис. 8. Схема расположения сечений исследуемых в соответствующих им ГГМ: «I-I» – сечение в «невозмущенном» массиве впереди забоя лавы;
«II-II» – сечение в зоне опорного давления (ОД) лавы (с учетом «смещения»
ОД в околоштрековую область – к границе столба); «III-III» – сечение, соотносимое с областью ВП (на протяжении ~ 100 м от плоскости
очистного забоя)

Рис. 9. ГГМ IIIi массива вмещающего пласт «Четвертый» в зоне позади очистного забоя (в зоне его влияния), где «I» – индекс наличия в ГГМ соответствующего числа выемочных штреков (i = 2 – два штрека;
i = 3 – три штрека; i = 4 – четыре штрека)

В общем случае возможность развития горного удара оценивается соотношением модулей спада (М) и модуля упругости (Е) в «очаге» формирования динамического явления: ξ = M/E; при ξ > 1 – возможно развитие ГУ. Кроме того, необходимым условием возникновения в целике горного удара является выполнение неравенства: Рn > Рm, где: Рn – фактическая нагрузка, передаваемая породами на целик; Рm – максимальная (предельная) нагрузка, воспринимаемая тем же целиком.

Параметр Рm может быть определен по зависимости:

Pm = Kf⋅σ0⋅S,

где        Kf⋅        –        коэффициент формы;

       σ0⋅        –        прочность МШЦ на одноосное сжатие (определяемая с учетом «масштабного фактора»); может быть – в нашем случае – принята равной ~ 15 МПа;

       S        –        площадь продольного сечения конкретного целика (в нашем случае: S = 2⋅L⋅l; 2L⋅– ширина целика; l – «единичная» длина целика).

Параметр Рn может быть определен достаточно элементарно на основе статического условия только для варианта «большого» числа горизонтально (примерно горизонтально) расположенных целиков. В нашем случае расчеты «Рn» могут быть реализованы только на базе анализа полей σУ, получаемых дифференцировано для характерных зон выемочного участка (рис. 9) при варьируемом количестве штреков (от 2-х до 4-х) на базе, например, методических подходов, изложенных в предыдущем разделе. Следовательно, определив величины средневзвешенных по ширине целика компонент σУс.в. (с учетом рассматриваемых, как отмечалось, горногеомеханических и технологических вариаций) параметр Рn будет соответствовать:

Рn ≈ σУс.в.⋅S.

Коэффициент формы (Kf) может быть определен по зависимости:

,

где                –        нормированная (по σ0) величина остаточной (σ*) прочности угля, то есть: ;

       2L        –        ширина межштрековых целиков;

       2h        –        высота межштрековых целиков;

       е0        –        эмпирический параметр для углей изменяющийся в диапазоне: ~ 0,6÷0,8.

Возможный диапазон колебаний величины σ* в среднем оценивается значениями ~ (0,2÷0,4) σ0 (для пласта «n11» величина σ0 ≈ 15 МПа).

С учетом приведенных данных (учитывая и геометрию целиков) параметр Kf может быть охарактеризован величинами:  ≈ 3,0 (для «условий» при ЕС ≈ 700 МПа) и  ≈ 3,9 (для «условий» Ед ≈ 13⋅103 МПа).

Параметр «S» для рассматриваемой геометрии целиков составит: ~ 6⋅104 см2.

Величины предельных нагрузок на целики, следовательно, определятся как:

≈ 27⋅103 т (для «условий» ЕС ≈ 700 МПа) и ≈ 35,1⋅103 т (для «условий» Ед ≈ 13⋅103 МПа).

Параметры Рп в соответствие с каждой из схем определяются для конкретных целиков как средневзвешенные по их ширине величинами значений σУ.

По полученным соотношениям Pm и Рn оценивается возможность развития (или отсутствие таковой) в конкретном целике динамического явления типа горного удара. Результаты выполненного обобщения приведены в табл. 5.

Таблица 5

Оценка удароопасности межштрековых целиков (МШЦ) по результатам определения НДС массива

Индекс сечения

Коли-чество штреков (i)

Мех. харак-теристика МШЦ (“Ед” или “Ес”)

Условия удароопасности МШЦ

Достаточное условие безопасности отсутствие ГУ (Рm > Рn) (тонн)

Возможно развитие ГУ (Рn > Pm), (тонн)

I-I

2

Ед

35 100 > 19 878

--

Ес

27 000 > 6 420

--

4

Ед

35 100 > 25 020

--

Ес

27 000 > 17 040

--

II-II

2

Ед

35 100 > 29 700

--

Ес

27 000 > 9 600

--

4

Ед

--

37 400 > 35 100

Ес

27 000 > 12 180

--

III-III

2

Ед

--

70 800 > 35 100

Ес

27 000 > 24 600

--

4

Ед

--

97 500 > 35 100

Ес

--

52 500 > 27 000

3

Ед

--

100 500 > 35 100

Ес

27 000 > 16 080

--

Примечание. Количественные оценки параметров Рn выполнены применительно к целикам, примыкающим к выработанному пространству.

На основе проведенных исследований напряженно-деформированного состояния массива с помощью разработанных горно-геомеханических моделей применительно к спаренным выработкам, разделенным целиком угля, установлено:

  • целики угля шириной от 2 до 6 м, переходя впереди очистного забоя под влиянием опорного давления в предельное состояние, не опасны по горным ударам, что подтверждают также данные натурных наблюдений;

Применительно к схемам подготовки тремя и четырьмя выработками по результатам исследований установлено:

  • при трехштрековой подготовке целики угля, относимые в соответствии с инструкцией по горным ударам к податливым, т.е. шириной не более 0,1l (l – ширина зоны опорного давления), не являются удароопасными вне зоны опорного давления впереди очистного забоя; выходят на грань удароопасности по критерию действующих на целик нагрузок в зоне влияния лавы; становятся удароопасными по этому критерию за лавой. Неопасное состояние возможно лишь в случае перехода целиков в податливый режим, т.е. деформирования за пределом прочности. Возможность перехода в указанный режим, подтвержденная натурными наблюдениями для спаренных выработок, требует дополнительной экспериментальной проверки в случае подготовки выемочных участков тремя и более выработками;
  • при подготовке выемочных участков четырьмя штреками податливые целики за лавой представляют опасность по горным ударам в обеих рассматриваемых режимах деформирования;
  • во всех рассмотренных вариантах многоштрековой подготовки отмечается наличие зон растяжения (и в условиях Ед и Ес) в почве выработок, что предполагает развитие в них процессов пучения (пучение почвы отмечено также в натурных условиях при подготовке выемочных участков спаренными выработками на шахтах ОАО «Воркутауголь»).

Таким образом, в условиях больших глубин наиболее предпочтительной среди схем подготовки выемочных участков по факторам геодинамической безопасности и эффективного управления газовыделением является схема с использованием спаренных выработок с податливым целиком между ними.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе проведенных исследований разработаны научно обоснованные технические и технологические решения по эффективной и безопасной подготовке и отработке выемочных участков

газоносных угольных пластов на больших глубинах, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики. Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1.  Бесцеликовые схемы подготовки выемочных участков при отработке высокогазоносных пластов на больших глубинах обеспечивают безопасность по горным ударам, но не позволяют полностью использовать возможности современных средств механизации очистных работ вследствие существенных ограничений нагрузки на очистные забои по газовому фактору.

2.  Многоштрековые схемы подготовки выемочных участков, применяемые в ведущих угледобывающих странах мира на пластах с благоприятными условиями залегания, могут быть использованы на пластах в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях лишь при условии обеспечения геодинамической безопасности целиков между штреками;

3.  Проведение спаренных выработок с податливым целиком между ними для подготовки выемочных участков позволяет в комплексе решить вопросы управления газовыделением и поддержания выработок на пластах со сложными горно-геологическими условиями.

4.  Оставление податливого целика между спаренными выработками позволяет обеспечить канал для изолированного отвода метановоздушной смеси на границе с выработанным пространством, улучшить условия поддержания сохраняемой для повторного использования выработки, изолировать выемочные столбы друг от друга при обеспечении безопасности горных работ с точки зрения динамических явлений.

5.  Применение трех- и четырехштрековых схем подготовки выемочных участков позволяют использовать одну из выработок в качестве канала для изолированного отвода МВС, являются наиболее предпочтительными с точки зрения управления газовыделением, но в каждом конкретном случае требуют обеспечения геодинамической безопасности целиков.

6.  При трехштрековой подготовке целики угля, относимые в соответствии с действующими в отрасли нормативными документами к податливым, т.е. шириной не более 0,1l (l – ширина зоны опорного
давления), не являются удароопасными вне зоны опорного давления
впереди очистного забоя; выходят на грань удароопасности по критерию действующих на целик нагрузок в зоне влияния лавы; становятся удароопасными по этому критерию за лавой. Неопасное состояние возможно лишь в случае перехода целиков в податливый режим, т.е.

деформирования за пределом прочности. Возможность перехода в указанный режим, подтвержденная натурными наблюдениями для спаренных выработок, требует дополнительной экспериментальной проверки в случае подготовки выемочных участков тремя и более выработками.

7.  При подготовке выемочных участков четырьмя штреками податливые целики за лавой представляют опасность по горным ударам в обеих рассматриваемых режимах деформирования.

8.  В условиях высокой природной метаноносности (до 50-75 м3/т) наиболее эффективной является прямоточная схема проветривания в сочетании с подземной дегазацией с коэффициентом эффективности не менее 0,7 и изолированным отводом части потока метановоздушной смеси, вымываемой утечками воздуха из выработанного пространства, по дренажному штреку в исходящую выемочного участка.

9.  Изолированный отвод метановоздушной смеси на выемочном участке может быть эффективно организован лишь при обеспечении необходимого поперечного сечения дренажной выработки не менее 5 м2 на всем протяжении выемочного столба.

10.  В случае невозможности или нецелесообразности вследствие высокой трудоемкости обеспечения необходимого поперечного сечения дренажной выработки на границе с выработанным пространством, возможен переход от подготовки спаренными выработками к трех- или четырехштрековым схемам и использованию в качестве канала для изолированного отвода выработки, отделенной от выработанного пространства податливым целиком; целесообразность перехода к трех- или четырехштрековым схемам подготовки в каждом конкретном случае определяется на основе сравнения затрат на проведение дополнительных выработок и соответствующего увеличения нагрузки на очистной забой по газовому фактору.

11.  Предложенный алгоритм выбора технологии отработки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах позволяет на стадии проектирования определить экономические перспективы отработки отдельных участков пластов, выбрать рациональную технологию, определить необходимость и целесообразность перехода от бесцеликовых схем подготовки выемочных участков к многоштрековым схемам.

12.  Подготовка выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними позволяет обеспечить эффективность и безопасность горных работ в широком диапазоне горно-геологических условий, имеет существенное преимущество по сравнению с другими

технологиями на глубинах более 800 м при абсолютной газообильности выемочных участков более 60 м3/мин.

Полученные выводы и рекомендации могут быть использованы для эффективной и безопасной отработки высокогазоносных, опасных по динамическим явлениям пластов на шахтах Печорского, а также других угольных бассейнов.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

  1. Математическое моделирование работы очистных забоев  на шахтах ПО Воркутауголь // Записки СПГГИ им. Г.В.Плеханова. Том 139 Подземная разработка месторождений, С-Пб, 1994 (Соавтор: Ковалев О.В.)
  2. Состояние и перспективы развития Печорского угольного бассейна в условиях рыночной экономики // III международная научно-практическая конференция «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», Новокузнецк, 1996, с.28-29 (Соавторы: Коршунов Г.И., Лобес Ю.Р.)
  3. Mine development techniques at Vorkutaugol // Proceedings of the '96 International Symposium on Mining Science and Technology, A.A.BALKEMA, /ROTTERDAM/, BROOKFILD/, 1996, p.367-368 (Соавторы: Коршунов Г.И., Лобес Ю.Р.)
  4. Анализ возможностей реализации структуры «шахта-лава» на шахте «Центральная» ОАО «Воркутауголь» // IV международная научно-практическая конференция «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», Новокузнецк, 1997, с. 144 – 145 (Соавтор: Краснер Л.И.)
  5. Efficiency analysis of coal bed mining technology at Vorkutskoe deposit // Mining Equipment and Technology towards 21 Century – Review and Prospect, PROCEEDINGS OF  THE INTERNATIONAL MINING  TECH`97 SYMPOSIUM, 1997, p. 813-815 (Соавторы: Коршунов Г.И., Экгардт В.И.)
  6. Пути совершенствования технологии отработки удароопасных газоносных угольных пластов Воркутского месторождения // Уголь, № 6, 1998, с.23-25 (Соавтор: Веселов А.П.)
  7. Патент № 2109952 (Российская Федерация). «Способ крепления горных выработок». ОАО «Воркутауголь». Бюллетень изобретений №12, 1998  (Соавторы: Коршунов Г.И., Погудин Ю.М.)
  8. Патент № 2134789 (Российская Федерация). «Способ крепления кровли в очистных забоях». ОАО «Воркутауголь». Бюллетень изобретений № 23, 1999 (Соавторы: Погудин Ю.М., Экгардт В.И., Веселов А.П.)
  9. Опыт использования спаренных выработок для подготовки выемочных столбов на шахтах ОАО Воркутауголь// М.: МГГУ, ГИАБ № 8, 1999, с. 39-41 (Соавторы: Прутян В.А., Гусельников Л.М.)
  10. Оценка влияния скорости подвигания очистных забоев на напряженно-деформированное состояние окружающего массива //М.: МГГУ, ГИАБ №1, 1999, с.44-46 (Соавторы: Коршунов Г.И., Баранов В.Н.)
  11. Оценка влияния на природную среду процессов производства товарного угля ОАО «Воркутауголь» // Уголь, № 5, 1999, с. 50-52 (Соавтор: Экгардт В.И.)
  12. Анализ эффективности способов прогноза и предотвращения динамических явлений на Воркутском угольном месторождении // Актуальные проблемы горной науки и образования: Сборник трудов научно-методической конференции / СПГГИ (ТУ), СПб, 1999, с. 80-82 (Соавтор: Гусельников Л.М.)
  13. Gas Emission Control on Longwall Panels at the Vorkuta Coal Mines // Proceedings of  the 8-th U.S. Mine Ventilation Symposium, 1999, p. 41-42 (Соавторы: Бобровников В.Н., Веселов А.П.)
  14. Сопоставительная оценка геодинамической безопасности схем подготовки выемочных участков шахт ОАО «Воркутауголь» // Тезисы докладов научно-методической конференции «Уголь в XXI веке», СПб.: изд. СПГГИ (ТУ), 2000, с.62-63 (Соавторы: Коршунов Г.И., Гусельников Л.М.)
  15. Методологические принципы выбора параметров эффективной  технологии отработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях // М.: МГГУ, ГИАБ, № 3, 2001, с.178-181
  16. Патент № 2134789 (Российская Федерация). «Способ опережающего крепления кровли краевой части пласта очистной выработки». Бюллетень изобретений № 29, 2001 (Соавторы: Погудин Ю.М., Иванов А.А.)
  17. Патент № 2178526 (Российская Федерация). «Способ разработки пологих и наклонных угольных пластов». Бюллетень изобретений № 2, 2002 (Соавторы: Веселов А.П., Погудин Ю.М., Шейман Э.М., Березин Л.И., Пантелеев А.С.)
  18. Исследование НДС податливого угольного целика при подготовке выемочных участков спаренными выработками // М.: МГГУ, ГИАБ №9, 2002, с.146-149 (Соавтор: Ковалев О.В.)
  19. Оценка уровня безопасности схем подготовки выемочных участков шахт  ОАО «Воркутауголь» по фактору риска // М.: МГГУ, ГИАБ №2, 2004, с. 133-135 (Соавторы: Булдакова Е.Г., Коршунов Г.И.)
  20. Рекомендации по управлению газовым режимом выемочных участков шахт Воркуты в условиях высокой метанообильности // М.: МГГУ, ГИАБ №8, 2004, с. 16-20 (Соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н.)
  21. Патент № 2232272 (Российская Федерация). «Способ разработки пластов полезных ископаемых». Бюллетень изобретений № 19, 2004 (Соавторы: Экгардт В.И., Коршунов Г.И., Погудин Ю.М., Волковская С.Г., Акоева И.Л.)
  22. Подземная разработка угольных пластов в сложных горно-геологических условиях: тенденции развития технологии // Народное хозяйство Республики Коми, том 14, № 3, 2005, с. 619-624
  23. К оценке возможностей технологических схем очистных работ и горизонтов шахт Воркутского месторождения в условиях высокой метанообильности // М.: МГГУ, ГИАБ №9, 2005, с. 115-121 (Соавторы: Бобровников В.Н., Зуев В.А., Сальников А.А.)
  24. О перспективах струговой выемки пласта «Пятый» Воркутского месторождения // Народное хозяйство Республики Коми, том 15, №1, 2006, с. 105-107 (Соавтор: Полищук Л.В.)
  25. Патент № 2282030 (Российская Федерация). «Способ разработки свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов». Бюллетень изобретений №23, 2006 (Соавторы: Зуев В.А., Погудин Ю.М., Бобровников В.Н., Вовк А.И., Сальников А.А., Бучатский В.М., Бочаров И.П.)
  26. Стоимостная оценка многоштрековых схем подготовки выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь» // М.: МГГУ, ГИАБ №1, 2007, с. 233-237 (Соавторы: Зайцева М.М., Иванов В.С.)
  27. Интенсивная отработка высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах //Монография; СПб.: изд. МАНЭБ, 2007, 250 с. (Соавтор: Задавин Г.Д.)
  28. Возможности и перспективы скоростного проведения выработок при многоштрековой подготовке выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь» // Уголь, № 12, 2007, с. 4-8 (Соавторы: Долоткин Ю.Н., Задавин Г.Д.)
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.