Разработка и геомеханическое обоснование технологии подземной отработки угольных пластов Приморья (на примере Липовецкого месторождения)

Актуальность работы Отсутствие спланированной технической политики в угольной отрасли Приморского края, стратегических ориентиров развития и занижение роли местного угля в топливно-энергетическом комплексе края привели к глубокому кризису ТЭК. Имея местное значение и малые мощности, ограниченные рынком сбыта, угледобывающие предприятия Приморья (в том числе шахтоуправление Липовецкое) своевременно технически не оснащались, а сохранившиеся предприятия продолжают работать по устаревшим технологиям добычи и переработки угля. Несоответствие организационных и технологических систем новым экономическим условиям привело к закрытию ряда угледобывающих предприятий и резкому снижению объемов добычи на действующих шахтах и разрезах.

Следует отметить, что Липовецкое месторождение недостаточно изучено в вопросах геологии, геомеханики и геотехнологии, что не позволяет эффективно производить добычу угля подземным способом, а открытый способ подошел к граничным коэффициентам вскрыши (как и на большинстве месторождений Приморья) и становится экономически не целесообразным.

Продолжающаяся разработка Липовецкого месторождения по старым технологиям привела предприятие к тому, что цена на уголь стала не конкурентна в сравнении с привозными каменными углями, и значительно возросли потери при добыче угля (на 1.5−3%).

На основании выше изложенного «Липовецкая Гидрошахта Экспериментальная» стало единственным предприятием в Приморье по добыче каменного угля (остальные все закрыты или в стадии ликвидации) и имея значительные промышленные запасы угля для подземной отработки болееЮ млн. тонн, не может на сегодня удовлетворить потребности края в каменном угле. Поэтому разработка новых технических и технологических решений по повышению эффективности работы угледобывающих предприятий края подземным способом с вовлечением в отработку имеющихся разведанных запасов угля является одной из главных задач, решение которой обеспечит стабилизацию угольной отрасли края и в связи с этим тема настоящего исследования является актуальной.

Цель работы На основе исследований горно-геологических и геомеханических условий и особенностей залегания угольных пластов и вмещающих пород Липовецкого месторождения и изучения их физикомеханических свойств. Разработать технические и технологические решения для подземной отработки угольных месторождений Приморья с целью повышения эффективности ведения горных работ за счет сокращения потерь угля и уменьшения затрат на его добычу.

Идея работы Заключается в использовании выявленных в процессе исследований закономерностей геомеханических свойств угольных пластов и вмещающих пород в технологических решениях подготовительных и очистных работ и обоснование перехода от открытого способа добычи угля к подземному.

Задачи исследований: h Изучение горно-геологических условий и особенностей залегания угольных пластов и вмещающих пород и их физико-механических свойств.

2. Оценка состояния вопроса оптимизации технических и технологических решений для угольных шахт и анализ применяемых технологий на Липовецком месторождении.

3. Установление закономерностей формирования геомеханических процессов в окрестности очистных выработок с охватом всех природных условий угольных пластов и вмещающих пород и обосновать выбор очистного оборудования.

4. Исследование геомеханического состояния породных массивов в окрестности подготовительных выработок и разработка конструкции крепей с минимальными затратами на их возведение и поддержание.

5. Разработка технологических схем на ведение очистных и подготовительных работ с уменьшением материальных и трудовых затрат на добычу угля.

В качестве объекта исследования было выбрано Липовецкое месторождение каменного угля, являющееся типичным геологическим образованием при разработке месторождений каменных углей Приморья.

При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, производственного эксперимента и прогнозирования.

Научные положения, представленные к защите:

1 Результаты исследований геомеханического состояния породных массивов, обеспечивающие выбор оптимальных параметров сечения и крепления выработок и их сохранения для повторного использования.

2 Комплекс технологических решений, заключающийся в разработке рациональных схем подготовки и раскройки шахтных полей, параметров и технологии проведения и крепления подготовительных выработок, позволяющий обеспечить снижение материалоемкости и трудоемкости очистных и подготовительных работ.

3. Методика выбора эффективной механизированной крепи для данных горно-геологических условий, позволяющая увеличить нагрузку на очистной забой.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности проявления горного давления и зоны его стабилизации в окрестности очистных работ, на основе которых определены места установки крепи усиления по выемочным штрекам, что обеспечивает их сохранность для повторного использования на Липовецком месторождении.

2. Разработан критерий выбора типа механизированной крепи для подземных условий Липовецкого месторождения, характеризующий показатель тяжести проявлений горного давления и критическую скорость опускания системы «крепь — кровля».

3. Установлены закономерности взаимодействия пород с крепью подготовительных выработок и целесообразность применения облегченных видов крепей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: представительным объемом статистической информации и экспериментальных данныхудовлетворительной сходимостью прогнозных и фактических данных при доверительной надежности около 0,8−0,85%- положительными результатами внедрения в производство отдельных технических и технологических решений;

Практическая ценность работы.

1. Разработаны технологические схемы очистных и подготовительных работ для условий Липовецкого месторождения, позволяющие комплексно решать вопросы механизации основных производственных процессов и повышать технико-экономические показатели работы шахт.

2. Обоснован мотивированный подход к определению необходимого удельного сопротивления механизированной крепи в зависимости от нагрузочных свойств кровли, позволяющий правильно выбирать тип механизированных комплексов для нормальной и безопасной работы очистных забоев.

3. Определены параметры установки анкерной крепи для крепления выемочных выработок при повторном их использовании.

4. Обоснована восходящая схема подготовки и отработки выемочных блоков, позволяющая сокращать протяженность поддерживаемых горных выработок по мере отработки запасов и создавать благоприятные условия для фильтрации шахтных вод через обрушенные породы выработанного пространства.

Реализация работы Результаты исследований включены: в Инструкцию по упрочнению неустойчивых массивов органо-полимерными и минеральными закрепляющими композициями в условиях шахт Приморья Владивосток1999г. Согласована Приморским управление Госгортехнадзора России 14 июля 1999 г. Инструкцию по креплению горных выработок штанговой крепью на шахтах Приморья с закреплением анкерных стержней по всей длине вяжущим составом Владивосток 2001 г. Утверждена Приморским управлением Госгортехнадзора России 1 марта 2001 г. Методическое руководство о порядке и контроле ведения работ в опасных зонах на открытых горных работах Приморья Владивосток 2003 г. Методическое руководство по предупреждению и тушению пожаров на угольных разрезах Приморья. Владивосток 2003 г.

Полученные в работе теоретические и экспериментальные данные реализованы на уровне технического проекта строительства участка «Восточный» Липовецкого месторождения, протокол внедрения от 28.03.2003 г.

Теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе горного института ДВГТУ в программе курса «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и в разработке технических проектов строительства и реконструкции шахт Приморья в институте «ДальвостНИИпроектуголь». Протокол внедрения от 10.04.2003 г.

Личный вклад автора:

— проведение статистических, аналитических и лабораторных исследований по установлению условий залегания угольных пластов и физико-механических свойств угля и вмещающих пород.

— установление закономерностей проявления горного давления в окрестности очистных и подготовительных работ.

— организация и проведение опытно-промышленных испытаний и внедрения в промышленное производство Ш/У «Липовецкое» облегченных видов крепей для крепления горных выработок.

— установление зависимости показателя надежности работы крепи от площади поперечного сечения выработки.

— разработка методики выбора механизированной крепи в зависимости от нагрузочных свойств кровли.

Апробация работы Основные положения и содержания диссертационной работы докладывались на научных чтениях «Приморские Зори» (2000 — 2001 г. г.), на первой (2001 г.) и второй (2002 г.) Международных научных Конференциях «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», на международной конференции «Совершенствование технологий добычи, обогащения и переработки угля», г. Владивосток (2002г.) на технических советах ОАО «Приморскуголь» и шахтоуправления «Липовецкое» (1999 — 2002 г. г.), на совместном заседании кафедр Открытых Горных Работ и Маркшейдерского Дела и Разработка Месторождений Полезных Ископаемых горного института ДВГТУ (2000 — 2002 г. г.),.

Публикации По результатам исследований опубликовано десять работ, в том числе две инструкции и восемь научных статей.

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 66 наименований. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, 25 таблиц, 24 рисунка и 2 приложения.

Выводы.

1. Достаточно высокая эффективность производства на базе разработанных рекомендаций подтверждается выполненными расчетами финансовых потоков за принятый период.

2. Повышение рентабельности производства в первые годы существования шахты обоснованно отказом от ремонта оборудования, так как основные фонды на этом этапе не требуют обновления.

3. Произведенные расчеты по предложенным технологиям показали, что:

— производительность труда рабочего по добыче увеличится в 3,9 раза;

— расход леса на 1000 т очистной добычи уменьшится в 14 раз;

— расход металла для крепления выработок уменьшится в 2,1 раз.

Заключение

.

Диссертация является квалификационным научно-исследовательским трудом, в котором осуществлено теоретическое обобщение и решение актуальной научной задачи по геомеханическому обоснованию и разработке технологических схем ведения горных работ на месторождениях Приморья, является законченным научно-исследовательским трудом, что позволяет повысить эффективность и безопасность работы шахт и имеет важное значение в геотехнологии.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Приповерхностные запасы угля в крае практически отработаны и рост объемов добычи возможен в основном только за счет подземного способа отработки месторождений, который оказывает к тому же меньшие воздействия на окружающую среду, чем открытые горные работы.

2. Снижение затрат на добычу угля достигается сокращением трудозатрат и материалоемкости возводимых в выработке крепей, увеличением запасов в выемочном блоке и нагрузкой на забой, сохранения и повторного использования одного из выемочных штреков.

3. Установлены закономерности проявления горного давления в подготовительных выработках заключающиеся в том, что формирование зоны трещиноватых пород, обусловленные в основном напряжениями растяжения, происходит на глубину до 1.8−2м, которые затем уплотняются и смещаются в выработку до 200ммсмещение пород почвы при этом не наблюдается. В соответствии с особенностями проявления горного давления в подготовительных выработках разработаны параметры их крепления облегченными типами крепей.

4. Разработаны технологические параметры и конструкция крепи усиления для крепления выемочных выработок с целью их сохранения для повторного использования.

5. Установлены основные закономерности геомеханических процессов в призабойной части очистных выработок заключающиеся в том, что толща ложной кровли сразу же отслаивается от непосредственной и обрушается при выходе её за пределы поддерживающего элемента крепи. Непосредственная же кровля под действием изгибающих моментов и сил гравитации в свою очередь расслаивается на ряд слоев толщиной 0.8−1.5м и обрушается.

Выявленная связь между величиной опускания кровли и её состоянием в призабойном пространстве позволила разработать методику выбора типа механизированной крепи в зависимости от тяжести проявления горного давления.

6. На основе проведенных научно-исследовательских работ с учетом региональной специфики разработаны технологические схемы очистных и подготовительных работ, которые включают вид и параметры крепи с конструктивными особенностями ее усиления для повторного использования выемочной выработки и мерами борьбы с водопроявлениями.

7. Результаты исследований доведены до конкретных технических разработок (инструкций, методических указаний, технологических схем), утвержденных в установленном порядке и реализованы на уровне технического проекта строительства участка «Восточный» Липовецкого месторождения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Федянин А, А., Куксин Д. В., Лесовский Б. Ф. и др. Инструкция по упрочнению неустойчивых массивов органо-полимерными и минеральными закрепляющими композициями в условиях шахт Приморья. Владивосток: ДВГТУ, 1999. 82 С. Согласована Приморским Управлением Госгортехнадзора России 14 июня 1999 г.

2. Федянин А. А, Куксин Д. В. Пути повышения устойчивости горных выработок на шахтах Приморья «Техника и технология разработки месторождения полезных ископаемых». Новокузнецк: АОУК «Кузнецкуголь, 1999. Вып.5. С. 148−152.

3. Федянин А. А., Куксин Д. В. Пути устойчивого развития ТЭК и улучшения экологической обстановки в Приморье // Международ, науч. чтения «Приморские зори». Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. С. 135 — 137.

4. Федянин А. А., Васянович A.M., Куксин Д. В. и др. Инструкция по креплению горных выработок штанговой крепью на шахтах Приморья с закреплением анкерных стержней по всей длине вяжущим составом. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2001. 61 С. Утверждена Приморским Управлением Госгортехнадзора России 01 марта 2001 г.

5. Федянин А. А., Куксин Д. В. Исследование закономерностей смещения пород в выемочных выработках буроугольных месторождений Приморья Совершенствование технологий добычи и переработки угля. 2 междунард. конф. стран АТР. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, ТАНЭБ, 2002. С 116−118.

6. Федянин А. А. Куксин Д.В. О возможности и рациональности применения анкерной и облегченных крепей в условиях шахт Приморья// Совершенствование технологий добычи и переработки угля. 2 международ, конф. стран АТР. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, ТАНЭБ, 2002. С 139−143.

7.Федянин А. А. Куксин Д.В. Область применения анкерной крепи //Совершенствование технологий добычи и переработки угля. 2 международ, конф. стран АТР. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, ТАНЭБ, 2002. С 144−147.

8. Федянин А. А. Куксин Д.В. Освоение угольных месторождений Приморьявыход из энергетического кризиса края.

9. Федянин А. А Куксин Д. В. Методическое руководство о порядке и контроле ведения работ в опасных зонах на открытых горных работах. Владивосток: ДВГТУ, 2003.-С.27.

10. Федянин А. А. Куксин Д.В. Методическое руководство по предупреждению и тушению пожаров на угольных разрезах Приморья. Владивосток: ДВГТУ, 2003. С 50.