Разработка интегрированных технологических систем двухстадийной отработки запасов мощных угольных пластов

Актуальность проблемы. Главным направлением повышения эффективности горного производства, вывода его на уровень рентабельности и прибыльности является ускорение работ по техническому перевооружению шахт на основе перехода на высокопроизводительные технологические схемы подготовки и отработки запасов выемочных полей, а также внедрения горнодобывающей техники нового поколения.

На современном этапе функционирования отечественной экономики проблема технического перевооружения угледобывающей отрасли зависит, главным образом, от реальной инвестиционной политики. В то же время необходим поиск принципиально новых технологий подземной угледобычи, позволяющих без значительных капитальных вложений существенно улучшить технико-экономические показатели горного производства.

В мировой практике отработки запасов мощных (более 5,0 м) пластов доминируют две основных технологических схемы ведения очистных работ: разработка пластов наклонными слоями и с выпуском подкровельной толщи угля. На шахтах же России наибольшее распространение получила технологическая схема разработки пластов наклонными слоями. При слоевой отработке запасов мощных пластов, имеющей достаточно большое разнообразие технологических особенностей, используются, как правило, очистные механизированные комплексы, созданные для пластов средней мощности. При увеличении мощности пласта резко возрастает металлоемкость очистного оборудования, ухудшается геомеханическая ситуация при ведении горных работ.

Зарубежный опыт разработки мощных пологих и наклонных пластов с выпуском угля подкровельной толщи подтверждает приоритетность данной технологии по сравнению с технологией разработки пластов наклонными слоями.

Применение технологических схем отработки запасов мощных пластов с выпуском угля из подкровельных толщ позволяет существенно повысить эффективность горных работ за счет снижения удельного объема проведения и поддержания выработок, снижения затрат на подготовку и оборудование очистных забоев.

Вопросам совершенствования техники и технологии эффективной и безопасной разработки мощных пологих угольных пластов посвящен целый ряд работ ученых и специалистов таких организаций как ННЦ ГПИГД им. А. А. Скочинского, ВНИМИ, Гипроуглемаш, КузНИУИ, ПНИУИ, КузГТУ, ИУУ СО РАН, ИПКОН РАН, МГГУ, С-ПбГИ и др. К сожалению, выявленные в процессе освоения технологии очистной выемки с выпуском угля недостатки (устаревшее очистное оборудование, неэффективные решения по разупрочнению и выпуску угля и связанные с этим высокие потери полезного ископаемого, пожароопасность и др.) во многом явились причиной свертывания работ по этому направлению.

Повышение эффективности отработки запасов мощных пластов представляется возможным осуществить путем перехода на технологию двух-стадийной отработки с выпуском угля из межслоевых и подкровельных пачек. При этом за счет интенсификации выемки угля нижних слоев с последующим управляемым выпуском угля вышележащих толщ обеспечиваются высокие (до 4500−5000 т/сут) нагрузки на пласт, а за счет двухста-дийности отработки запасов повышается уровень интегрированности и концентрации горных работ. Но для этого требуется создание новой технологии для разупрочнения межслоевых и подкровельных пачек, надежных комплексно-механизированных средств для отработки подсечного слоя и эффективного выпуска угля из пачек.

В связи с изложенным исследования в направлении разработки научно обоснованных технических и технологических решений по эффективному и безопасному ведению горных работ на мощных пологих пластах в рамках интегрированной технологической системы являются достаточно актуальными.

Целью диссертации является выявление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния горного массива, вмещающего мощные угольные пласты, для обоснования параметров интегрированных технологических систем высокопроизводительной и безопасной двухста-дийной отработки их запасов.

Основная идея работы заключается в многокомпонентном учете геомеханических факторов при реализации принципа интегрированности технологической системы двухстадийной отработки запасов мощных пластов с выпуском угля из подкровельных толщ для эффективного управления рабочими процессами, напряженно-деформированным состоянием уг-лепородного массива и режимом силового нагружения механизированной крепи.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов, включающий анализ и обобщение научно-технических разработок и передового производственного опыта отработки запасов мощных пластов угляметоды математического моделирования, математической статистики, корреляционного и регрессионного анализа, аналитические, лабораторно-стендовые и натурные экспериментальные исследования, выполненные по апробированным и специально разработанным автором методикам.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Эффективное функционирование интегрированных технологических систем двухстадийной отработки запасов мощных пологих пластов во многом обеспечивается за счет реализации прогрессивных технико-технологических решений по интенсификации процесса выпуска угля из подкровельных и межслоевых пачек угля, разрушаемых с использованием горного давления и принудительного силового воздействия.

2. Процесс выпуска угля из подкровельных и межслоевых пачек становится управляемым при рациональном сочетании геометрических характеристик выпускных окон в линейных секциях механизированной крепи подсечного слоя и степени дезинтеграции угольного массива пачек. При этом должно соблюдаться отношение линейного размера выпускных окон к максимальному размеру кусков угля на уровне не менее 4−5 при принудительном его разупрочнении.

При применении технологии выпуска угля без принудительного разупрочнения угольной пачки и ее обрушения выпускные окна с регулируемым сечением целесообразно размещать в оградительных элементах линейных секций механизированных крепей подцерживающе-оградительного типа. Длина поддерживающих элементов секций при этом должна быть не менее 5 м.

3. Напряженно-деформированное состояние межслоевой пачки угля, определяющее наиболее благоприятные условия для ее разрушения, находится в функции глубины горных работ, геометрических параметров самой пачки, воздействия налегающих обрушенных пород, проявлений опорного давления впереди забоя подсечного слоя и порядка отработки слоев.

При изменении кратности отношения мощности пачки к длине ее консоли в диапазоне от 5 до 7 пачка теряет устойчивость при глубине ведения очистных работ 70−130 м.

Максимум возможности создания условий для эффективного разрушения межслоевой пачки угля имеет место при наличии опережения забоем монтажного слоя забоя подсечного слоя в пределах 20−60 м в зависимости от интенсивности надработки разрабатываемого пласта вышележащим пластом и мощности пород междупластья.

4. Увеличение мощности монтажного и подсечного слоев приводит к интенсификации проявлений геомеханических процессов при ведении очистных работ, что выражается в росте величин и скорости смещений пород активной кровли, увеличении высоты зоны беспорядочного обрушения пород и усложнении режима силового нагружения механизированных крепей. Интенсивность нагружения крепей резко возрастает при вынимаемой мощности слоев 4 м и более.

5. Формирование зон опорного давления в монтажном и подсечном слоях мощного пологого пласта имеет определенное различие. При отработке подсечного слоя зона максимального опорного давления практически примыкает к его забою и распространяется на расстояние 8−10 м в глубь массива. Зона максимума опорного давления опережает забой монтажного слоя на 3−8 м и распространяется в глубь массива на 70−80 м. Процесс стабилизации давления завершается в 40−60 м позади забоя подсечного слоя и в 120−150 м — монтажного слоя.

6. Выбор рациональных значений мощности наклонных слоев (монтажного и подсечного), межслоевых и подкровельных пачек угля следует осуществлять на базе выявленных закономерностей проявлений геомеханических процессов при изменении структурно-литологических и прочностных характеристик вмещающих мощные пологие пласты пород на-дугольной толщи. При активной кровле, сложенной легкообрушаемыми и средней обрушаемости породами, мощность монтажного слоя не должна превышать 5 м, а подсечного — 3,5 м. При труднообрушаемых породах активной кровли мощность слоев не должна превышать соответственно 4,5 м и 3 м.

Исходя из условий рационального взаимодействия межслоевой и под-кровельной пачек угля с породами активной кровли, максимальная мощность их не должна превышать 6−7 м, а минимальная быть менее 2 м.

7. Выявленные закономерности проявлений геомеханических процессов в подсечном и монтажном слоях являются основой для объективизации технологических решений по двухстадийной отработке запасов мощных угольных пластов. Так, при полной мощности пласта 7−8 м более рациональной следует считать технологию отработки запасов с выпуском подкровельной пачки угля, а при мощности 9−12 м — с выпуском межслоевой пачки.

8. Управляемость процесса разрушения подкровельных и межслоевых пачек угля для его эффективного выпуска может быть реализована путем использования энергии сжатого воздуха при различных вариантах сква-жинной технологии, отличающихся топологией сети слоевых выработок бурового горизонта.

9. Улучшение силового режима работы крепи пластовых горных выработок из-за исключения знакопеременного воздействия на нижние слои кровли имеет место при использовании «искусственного механизированного целика» на базе роторного транспортного средства безразгрузочного перемещения гидроопор.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• представительным объемом длительных (свыше 10 лет) шахтных исследований технологических схем отработки запасов мощных пластов с выпуском угля (14 очистных забоев шахт Кузбасса) с использованием современных методов и приборов;

• удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение не превышает 12%);

• положительными результатами применения на шахтах Южного Кузбасса вариантов технологии отработки запасов мощных пластов в соответствии с рекомендациями автора по учету специфики проявлений геомеханических процессов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• выявлен характер изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестностях слоевых выработок мощного пологого пласта угля, положенный в основу рационализации технологии отработки его запасов;

• установлены закономерности процессов деформирования и разрушения угля в подкровельных и межслоевых пачках при двухста-дийной отработке запасов мощных пологих пластов;

• установлены зависимости объемов выпуска угля из подкровельных пачек от типа крепи подсечного слоя и ее конструктивных особенностей, размеров и местоположения выпускных окон в секциях крепи, скорости истечения угля, мощности межслоевой пачки и угла падения пласта;

• выявлена зависимость устойчивости межслоевой пачки угля от глубины работ, геометрических параметров межслоевой угольной пачки (мощность, длина консоли зависания, угол наклона забоя) и давления обрушенных пород на нее;

• предложены зависимости параметров опорного давления, определяющие устойчивость межслоевых пачек, от порядка отработки запасов пласта, времени опережающей надработки, мощности пород г^еждупластья;

• выявлен механизм взаимодействия крепей очистных выработок с межслоевой и подкровельной пачками, а также факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние пачек;

• получены зависимости мощности и шага обрушения межслоевой и подкровельной пачек от комплекса влияющих факторов;

• установлено влияние технологических процессов на характер распределения и формирование величины давления обрушенных пород по элементам конструкции секции механизированной крепи;

• разработана комплексная методика обоснования длины очистного забоя и выемочного столба при двухстадийной отработке запасов мощных пологих пластов, учитывающая горно-геологические, технические, технологические и экономические факторы.

Научное значение работы заключается в разработке методологической базы комплексного обоснования прогрессивных технических и технологических решений по двухстадийной отработке запасов мощных угольных пластов пологого падения, адаптивных к изменчивости горногеологических ситуаций и геомеханической обстановки.

Практическое значение работы состоит в:

• разработке научно обоснованных технико-технологических решений, позволяющих повысить эффективность отработки запасов мощных пологих пластов;

• использовании установленных закономерностей геомеханических процессов, протекающих в подсечном и монтажном слоях, для обоснования параметров подкровельной пачки, межслоевой пачки и мощностей монтажного и подсечного слоев;

• разработке требований к конструктивным и силовым параметрам безразгрузочной крепи для проведения горных выработок на мощных пологих пластах;

• разработке рекомендаций по выбору типа и параметров механизированной крепи для отработки мощных пластов с выпуском угля и требований к ней;

• разработке прогрессивных вариантов технологических схем отработки мощных угольных пластов с предварительной подготовкой массива к разрушению с использованием энергии сжатого воздуха;

• разработке и внедрении конструкции безразгрузочного комплекта гидроопор с роторным транспортным средством их перемещения, обеспечивающего сохранение целостности нижних слоев пород непосредственной кровли и механизацию процесса перемещения гидроопор;

• разработке и внедрении специального навесного оборудования, позволяющего существенно снизить сроки монтажа и демонтажа комплекта передвижных гидроопор;

• разработке рекомендаций по выбору технологических схем отработки запасов мощных угольных пластов пологого падения;

• разработке рекомендаций по выбору направления отработки запасов выемочных столбов при применении технологии с выпуском угля в зависимости от угла падения пласта.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная в диссертации технология двухстадийной отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи на завальный конвейер и параметры технологии вошли составной частью в проект отработки выемочных столбов лав 0−3-1−16 и 0−3-2−16 ОАО «Шахта им. В.И.Ленина» и лав 4−1 -19 и 4−2-8 шахты «Усинская».

Основные научные и практические результаты работы реализованы при разработке «Методики выбора мощности подкровельной пачки при отработке мощных пологих пластов с выпуском подкровельной пачки» и «Методики выбора технологических параметров очистных работ при отработке мощных пологих пластов», утвержденных КузНИУИ.

Разработанные в диссертации требования к технологическим и силовым параметрам механизированной крепи и технологии очистных работ вошли составной частью в Техническое задание на комплекс очистной комбайновый КМ138У, согласованное с ОАО «Гипроуглемаш» и технические требования на механизированный комплекс для мощных пластов 20КПВ-70Л, согласованные с ООО «Техгормаш» и ОАО «Сибгормаш».

Технологические схемы отработки мощных пологих пластов с предварительной подготовкой массива к разрушению с использованием энергии сжатого воздуха рекомендованы Департаментом угольной промышленности Минэнерго РФ к использованию при конкретном проектировании и планировании горных работ на шахтах Кузбасса.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и получили одобрение на научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в рамках II Международной выставки-ярмарки «Уголь России» (Новокузнецк, 1995), научно-практических совещаниях в научно-технической горной ассоциации (Москва, 1996;1998), научно-технических советах компании «Росуголь» (Москва, 1997), ученом совете КузНИУИ (Прокопьевск, 1998;1999), технических совещаниях ОАО «Шахта им. В.И.Ленина» (Междуреченск, 1999;2001), Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых (Новокузнецк, 1999), Международной конференции «Проблемы освоения подземного пространства» (Тула, 2000), научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 1998;2001), научном семинаре кафедры ПРПМ Московского государственного горного университета (Москва, 2002).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 35 работ, в том числе 4 монографии, 5 брошюр, 25 статей и 1 патент на изобретение.

ВЫВОДЫ.

1. Выполнено обоснование типа и параметров механизированной крепи для отработки запасов мощного пласта с выпуском угля. Для выемки нижнего слоя угольного пласта целесообразно использовать комплексы типа УКП5 В, КМВ, КМ-138У и 20КП-70Л.

2. Установлены зависимости энерговооруженности и металлоемкости очистного оборудования от вынимаемой мощности пласта. Показано, что начиная с мощности пласта 2−2,5 м, каждое увеличение ее на 1 м требует роста энерговооруженности очистных забоев на 100 кВт, а при увеличении мощности пласта на 1 м против 4 м требуется рост энерговооруженности на 220−320 кВт, то есть в 2,5−3 раза больше.

3. Разработана конструкция безразгрузочного комплекта гидроопор с роторным транспортным средством их перемещения от завала к забою, позволяющая производить передвижку одной опоры при распертых остальных, что обеспечивает сохранение целостности нижних слоев пород непосредственной кровли.

4. На базе комплекта гидроопор разработана конструкция «искусственного механизированного целика» для крепления кровли горных выработок, обеспечивающего перераспределение горного давления с кровли на гидроопоры и образование обрезного ряда по посадочным секциям.

5. В результате стендовых испытаний «искусственного механизированного целика» установлена работоспособность роторного транспортного средства перемещения гидроопор. Получены диаграммы изменения усилий в домкратах ротора при перемещении опор, при этом макси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований, изложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению интенсивности двухстадийной отработки запасов мощных угольных пластов, внедрение которых вносит существенный вклад в развитие научно-технического прогресса в угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи выявил преимущества этой технологии по сравнению с технологией выемки угля наклонными слоями прежде всего за счет более высокой концентрации горных работ, сокращения объемов подготовительных работснижения энергозатрат на добычу угля, а также затрат на техническое оснащение очистных забоев, монтаж, эксплуатацию и демонтаж оборудования.

2. Выявлены закономерности деформирования и разрушения угля в под-кровельных и межслоевых пачках. Показано, что эффективность выпуска угля из этих пачек определяется параметрами выпускных окон и местом их расположения в секциях механизированной крепи, а также мощностью пачки и углом падения пласта.

Установлено, что максимальные значения скорости истечения угля по оси выпускной воронки изменяются в диапазоне от 0,4 м/с до 2,1 м/с. При площади выпускного окна 1 м² производительность выпуска угля может достигать 1000 т/ч и более.

3. Доказано, что устойчивость консоли межслоевой пачки угля как одного из основных факторов безопасного и эффективного ведения работ по принудительному ее разупрочнению и выпуску угля зависит главным образом от глубины работ, геометрических параметров пачки, угла наклона забоя в сторону выработанного пространства и давления обрушенных пород на пачку как консольную балку.

Установлено изменение отношения мощности межслоевой пачки к длине ее консоли в диапазоне от 5 до 7, что предопределяет вариабельность значений глубины работ, при которой теряется устойчивость пачки, в пределах 70−130 м.

4. Исследования показали, что на устойчивость угольных пачек значительное влияние оказывает опорное давление, формирующееся впереди забоя подсечного слоя. Наиболее благоприятные условия для разрушения межслоевой пачки появляются при опережении забоем монтажного слоя забоя подсечного слоя в пределах 20−60 м. Установлено, что при надработке межслоевой пачки монтажным слоем максимальная ее мощность, при которой происходит ее разрушение горным давлением, составляет 3,5−4 м.

5. Интенсивность проявлений геомеханических процессов в горном массиве при отработке запасов мощных пологих пластов с выпуском угля находится в функции мощностей монтажного и подсечного слоев, под-кровельной и межслоевой пачек, типа пород кровли и силовых параметров крепи. Увеличение мощностей монтажного и подсечного слоев приводит к осложнению геомеханической обстановки при ведении очистных работ. Мощность активной кровли и высота зоны беспорядочного обрушения связаны линейной зависимостью с вынимаемой мощностью.

На пластах с труднообрушаемой кровлей нагрузки на крепь монтажного и подсечного слоев достигают 1000−1400 кНУм. Двукратное увеличение вынимаемой мощности пласта приводит к росту смещений пород кровли в 2−2,6 раза.

6. Выявлен механизм взаимодействия секций механизированной крепи с межслоевой и подкровельной пачками мощного пласта.

Исследования показали, что при мощности межслоевой пачки 4,5−5 м и мощности подсечного слоя 2,6−3 м необходимо применять в последнем крепь с рабочим сопротивлением не менее 550−600 кН/м (при той же мощности межслоевой пачки), но при увеличении мощности подсечного слоя до 4−5 м рабочее сопротивление крепи должно быть не менее 700−800 кН/м2.

7. Выявлены закономерности формирования зон опорного давления при выемке монтажного и подсечного слоев.

Установлено влияние технологических процессов на характер формирования давления обрушенных пород на секции забойной крепи. Максимальные нагрузки на крепь имеют место при передвижке секций и выпуске угля, достигают значений 720−996 кН/м2. Выпуск угля из межслоевой пачки вызывает интенсивное сдвижение обрушенных пород, что приводит к динамическим нагрузкам на крепь (рост амплитуды от 50 кН/м2 до 350 кН/м2).

8. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость подкровельной угольной пачки определяются в первую очередь давлением пород кровли, с которыми она контактирует, реактивными характеристиками крепи и мощностью пачки.

9. Выполнено обоснование типа и параметров механизированной крепи для подсечного слоя мощного пласта.

Установлено, что при увеличении рабочего сопротивления крепи в 2 2.

6 раз (с 200 кН/м до 1200 кН/м) коэффициент концентрации напряжений в подкровельной пачке в зоне опорного давления снижается с 1,8 до 0,55, а высота зоны расслоения пачки угля мощностью 5 м — на 1,2 м.

10.Разработана комплексная методика обоснования длины очистного забоя и выемочного столба при двухстадийной отработке запасов мощных пологих пластов с учетом горно-геологических, технических, технологических и экономических факторов.

11.Разработаны варианты прогрессивных технологических схем отработки запасов мощных угольных пластов с предварительной подготовкой массива к разупрочнению с использованием энергии сжатого воздуха.

12.Экспериментально-аналитическими методами установлен характер изменения напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестностях выработок подкровельного и нижнего слоев мощного пласта. Результаты исследований позволяют научно обоснованно планировать заложение выработок вне зоны повышенного горного давления при минимально возможной концентрации напряжений в массиве горных пород в окрестности выработок.

13.Разработана прогрессивная технология проведения выработок на мощных пологих пластах. Обоснованы технологические и конструктивные параметры крепи пластовых выработок. Изготовлена и испытана крепь с роторным транспортным средством перемещения гидроопор, не имеющая аналогов в мировой практике добычи угля.

Разработано и внедрено монтажное навесное оборудование, позволяющее существенно снизить сроки монтажа и демонтажа комплектов передвижных гидроопор.