Обоснование схем многоштрековой подготовки выемочных участков газоносных угольных пластов на больших глубинах

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 10 000 и более тонн.

Вместе с тем, высокая концентрация горных работ, рост производительности очистных забоев сопровождаются недопустимо высоким уровнем аварийности и травматизмаболее 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 управлениясостоянием массива тому уровню нагрузок на забои, который обеспечивают современные механизированные комплексы. Более половиныот 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 или1 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 горногеологические 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, B.C. Забурдяева, В. Е. Зайденварга, В. П. Зубова, В. Н. Каретникова, О. В. Ковалева, Г. И. Коршунова, B.C. 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,.

B.Н. Фрянова, А. Н. Шабарова, В. М. Шика, М. И. Устинова, Ю. В. Шувалова,.

C.А. Ярунина и многих других ученых.

Вместе с тем, имеющиеся на сегодняшний день результаты исследований, отраслевые нормативные документы, регламентирующие решение вопросов управлениягазовыделением и управления состоянием массива, а также проектирования технологических схем интенсивной отработки выемочных участков в сложных по газовому и геодинамическому факторам горногеологических 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 газои 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 двухк трехили четырехштрековым схемам подготовкивыемочных участков;

• разработана методика критериальной: — оценки целесообразности и эффективности перехода от бесцеликовых к многоштрековым схемам подготовкивыемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах.

Положения, выносимые на защиту:

• эффективное управление газогеодинамическимипроцессами 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 технологииподготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горногеологических условиях следует считать разность между стоимостью запасов угля в выемочном столбе и затратами на его подготовку и интенсивную отработку с максимальным использованиемтехническихвозможностей 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 зренияобеспечения 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 инженеров1 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 исследованиямиучастие 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 международномсимпозиуме' по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), третьем международном симпозиуме «Горное дело bs 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 B.C. Литвиненко, профессорам Ю. В. Шувалову, О. В. Ковалеву, Г. И. Коршунову, В. П. Зубову, доктору технических наук В. Н. Бобровникову, ведущему научному сотруднику JI. IVL 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.

6.7. Выводы по главе.

Проведенные исследования и обобщение их результатов позволяют сделать следующие выводы:

1. Методология выбора технологии подготовки и отработки выемочных участков на пластах со сложными горно-геологическими условиями должна охватывать все ее элементы: выбор средств механизации горных работвыбор параметров выемочного столбавыбор параметров способов и средств управления газовыделением, обеспечивающих снятие ограничений нагрузки на забой по газовому факторуоценку НДС вмещающего массива и целиков с учетом пространственно-временных факторов и определение на этой основе параметров паспорта проведения и крепления выработок, обеспечивающих необходимые для реализации способов управления газовыделением сечения выработок в течение всего срока отработки выемочного участкастоимостную оценку подготовленных к выемке запасов угля в выемочном столбе и затрат на подготовку и отработку этих запасовпринятие решения о целесообразности отработки данного выемочного столба в данный момент времени по предлагаемой технологии с использованием выбранных средств механизации с учетом общей стратегии развития горных работ на шахте;

2. Средства механизации и технология очистных работ должны выбираться с учетом достижения максимальной нагрузки на забой и минимальной себестоимости добычи при обеспечении условий для эффективного управления газовыделением на выемочном участке;

3. Параметры способов управления газовыделением должны обеспечить снятие ограничений нагрузки на очистной забой по газовому фактору, а также возможность для дегазации и последующей утилизации максимального количества выделяющегося на выемочном участке метана;

4. Параметры технологии проведения и крепления выработок должны обеспечивать своевременное воспроизводство фронта очистных работ, условия для эффективного управления газовыделением на выемочном участке в течение всего срока его отработки, минимальные затраты на подготовку выемочных участков и поддержание выработок, минимальные объемы выдаваемой на поверхность породы от присечки почвы и (или) кровли при проведении выработок и от последующих подрывок почвы для обеспечения требуемых их сечений;

5. Параметры целиков между выработками при многоштрековой подготовке должны приниматься на основе оценки НДС вмещающего массива и целиков с учетом развития выработанного пространства во времени в процессе отработки выемочного участка. Параметры должны обеспечивать эффективное поддержание выработок, минимальные потери угля, исключение формирования зон ПГД на сближенных пластах, а также безопасное с точки зрения динамических явлений состояние целиков в течение всего срока отработки выемочного участка и полное соответствие требованиям действующих нормативных документов [33];

6. 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.

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 трехи 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 0,1/ (/ — ширина зоны опорного давления), не являются удароопасными вне зоны опорного давления впереди очистного забоявыходят на грань удароопасности по критерию действующих на целик нагрузок в зоне влияния лавыстановятся 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 трехили четырехштрековым схемам и использованию в качестве канала для изолированного отвода выработки, отделенной от выработанного пространства податливым целикомцелесообразность перехода к трехили 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 мЗ/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.