Геомеханическое обоснование технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов

Новосельцев, Сергей Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геомеханическое обоснование технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Геомеханическое обоснование технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов"

На правах рукописи

НОВОСЕЛЬЦЕВ Сергей Александрович

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЯЕМОМУ ВЫПУСКУ УГЛЯ ПОДКРОВЕЛЬНОЙ ТОЛЩИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ

Специальности: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)», 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

Москва 2013

005543363

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Подземная разработка пластовых месторояедений» и Сибирском научно-исследовательском институте

углеобогащения

Научный руководитель МЕЛЬНИК Владимир Васильевич,

Научный консультант ЕРМАКОВ Анатолий Юрьевич,

Официальные оппоненты: САВИЧ Игорь Николаевич,

СМИРНОВ Михаил Иванович,

доктор технических наук

кандидат технических наук

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология подземной разработки рудных и нерудных месторождений» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»; кандидат технических наук, заместитель генерального директора ФГУП «Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. A.A. Скочинского»

Ведущая организация:

«Институт угля и углехимии» Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан «26» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук /^Г^А) /у Мельник Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ опыта эксплуатации длинных комплексно-механизированных забоев (КМЗ) в России и за рубежом показал, что максимальная нагрузка на КМЗ достигается при разработке угольных пластов или их слоев мощностью 2,8-3,5 м. При увеличении вынимаемой мощности до 4,5-4,9 м средняя суточная нагрузка на КМЗ снижается в 1,2 - 1,6 раза. В мировой практике отработки запасов мощных (более 5,0 м) пластов доминируют две основные технологические схемы ведения очистных работ: разработка пластов наклонными слоями и с выпуском подкровельной толщи угля. На шахтах 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.

Научные исследования в области технологии отработки запасов мощных пластов одним слоем с управляемым выпуском разрыхленного угля подработанной подкровельной толщи проводились в Германии, Франции, Чехии. Комплексно-механизированная технология очистных работ с выпуском подкровельной толщи мощных угольных пластов, с применением поддерживающе-оградительных крепей с активным управляемым ограждением и дополнительным конвейером за последнее десятилетие получила наиболее интенсивное развитие на шахтах КНР. 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. Ее преимущества заключаются в существенном снижении объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, вероятности самовозгорания угля, а также в возможности разработки пластов в сложных горно-геологических условиях и извлечения запасов из оставленных охранных целиков.

Для реализации данной технологии созданы механизированные комплексы, обладающие дополнительными функциями по управлению процессом выпуска угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади нее. Дальнейшее совершенствование данной технологии должно осуществляться в направлении рационализации способа выпуска угля подкровельной толщи на основе технологических решений, обеспечивающих интенсификацию управляемого процесса выпуска угля при минимуме потерь.

В связи с изложенным исследования, направленные на повышение эффективности применения технологии разработки мощных пологих угольных пластов за счет интенсификации процесса управляемого выпуска угля подкровельной толщи, являются актуальными.

Целью диссертации является геомеханическое обоснование прогрессивных технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов при комплексно-механизированной отработке запасов для обеспечения безопасного и эффективного ведения очистных работ при снижении уровня потерь полезного ископаемого.

Идея работы состоит в реализации комплексного подхода к обоснованию управляемого выпуска угля подкровельной толщи разрабатываемых мощных пологих пластов, базирующегося на учете горно-геологических, геомеханических, геометрических и технологических особенностей ведения очистных работ с применением механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа. Научные положения, выносимые на защиту:

- установлены зависимости мощности выпускаемой подкровельной пачки угля от основных горно-геологических, геометрических и технологических факторов: геостатического давления в массиве, концентрации напряжений в зоне опорного давления, мощности активной кровли пласта, шага обрушения подкровельной пачки угля и сопротивления угля одноосному сжатию;

- установлено, что эффективность выпуска угля на дополнительный конвейер определяется мощностью подкровельной угольной пачки, размерами кусков угля и выпускных окон секций крепи, высотой обрушения активной кровли пласта, положением обрушенных пород в выработанном пространстве и скоростью выпуска угля, при этом отношение сечения выпускного окна к максимальному диаметру кусков угля должно составлять не менее 4^-5;

- управляемость процесса выпуска угля на дополнительный конвейер обеспечивается путём регулирования углов установки основного и хвостового ограждений секций механизированной крепи и изменения раздвижности крепи.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций работы подтверждаются:

достаточным объемом экспериментально-аналитических и шахтных исследований технологии разработки мощных пологих пластов с выпуском угля из подкровельной толщи (за период исследований добыто более 3,6 млн. т угля);

корректным использованием современных методов исследований (лабораторных, стендовых, шахтных, аналитических и компьютерного моделирования);

соответствием механизмов процессов деформирования и разрушения пород кровли и подкровельной угольной толщи, установленных в натурных условиях при отработке запасов пласта 21 шахты «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс», и зафиксированных при лабораторных исследованиях на моделях из эквивалентных материалов;

положительным производственным опытом отработки запасов мощного пологого пласта 21 с выпуском угля из подкровельной толщи на шахте «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс».

Научная новизна работы:

- установлены зависимости интенсивности процесса выпуска угля на дополнительный конвейер от шага и высоты зоны обрушения пород за крепью: при зависании пород кровли полнота выпуска угля на конвейер не превышает 50 %; высота зоны обрушения пород кровли должна быть не менее 7-8 м; отставание подпорной стенки из обрушенных пород от секций механизированной крепи не должно составлять у почвы пласта более 2-2,5 м;

- рациональная мощность выпускаемой подкровельной угольной пачки зависит от напряжения массива в зоне выпуска угля, предела прочности угля на одноосное сжатие, коэффициента концентрации напряжений в зоне максимального опорного давления, мощности активной кровли пласта и длины секции механизированной крепи;

- выпуск угля подкровельной пачки на дополнительный конвейер механизированного комплекса следует рассматривать как процесс непрерывного истечения угля из "условного" бункера с выпускным отверстием, равным размеру выпускного окна секции механизированной крепи.

Научное значение работы состоит в установлении особенностей влияния горно-геологических, геомеханических, конструктивных и технологических факторов на управляемость процессом выпуска угля подкровельной пачки мощного пласта на дополнительный конвейер очистного механизированного комплекса для обоснования рациональных технологических параметров, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности одностадийной отработки запасов полезного ископаемого.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по корректировке элементов системы выпуска угля на дополнительный конвейер в зависимости от сформировавшихся в завальной части лавы схем выпуска угля и специальных технических условий на комплексно-механизированный очистной забой с выпуском подкровельной пачки угля на дополнительный конвейер для отработки запасов угля мощных пологих пластов.

Реализация научных результатов. Результаты исследований использованы: при разработке рекомендаций по внедрению технологии отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля в рамках проекта «Тува» (опытная лава пласта 2.2 "Улуг" ОАО «Енисейская промышленная компания»), явившихся основой для разработки проекта строительства шахты производственной мощностью 5,0 млн. т угля в год; при отработке запасов мощного пологого пласта 21 в условиях шахты «Ольжерасская-Новая» ОАО «УК Южный Кузбасс» и мощных пологих пластов III и IV-V-VI в условиях шахты «Сибиргинская» ОАО «УК Южный Кузбасс».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на международных научно-практических конференци-

ях:«Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» («Уголь России и майнинг», Новокузнецк, 2010-2013), «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009), научных семинарах филиала КузГТУ в г. Прокопьевске (2010— 2013), технических советах ОАО «УК Южный Кузбасс» и шахты «Ольжерасская-Новая» (2006—2012),на научном семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных перечнем ВАК Минобрнауки России, одна монография и одно учебное пособие.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 126 наименований, 14 таблиц и 71 рисунок.

Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору С.И. Калинину за ценные методические рекомендации и практические советы при подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросам совершенствования техники и технологии эффективной и безопасной разработки мощных пологих угольных пластов посвящен целый ряд работ ученых и специалистов таких организаций, как ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочин-ского, ВНИМИ, Гипроуглемаш, КузНИУИ, ПНИУИ, КузГТУ, ИУУ СО РАН, ИГЖОН РАН, МГГУ, НМСУ «Горный» и др.

Значительный вклад в создание теоретической и практической базы развития технологии разработки мощных пологих пластов, формирование научных представлений о геомеханических процессах, протекающих при ведении горных работ на мощных пластах, о взаимодействии механизированных крепей с вмещающими породами, об управлении горным давлением внесли такие крупные отечественные ученые, как: Ю.Н. Бычков, A.C. Бурчаков, Г.И. Грицко, JI.H. Гапанович, Н.К. Гринько, Ю.В. Громов, А.Е. Евтушенко, П.В. Егоров, В.Е. Зайденварг, С. С. Золотых, С.С. Жетесов, С.И. Калинин, В.И. Клишин, И.С. Крашкин, Г.И. Козовой, Ю.Н. Кузнецов, Б.К. Мышляев, Ю.Н. Малышев, О.В. Михеев, В.В. Мельник, В.В. Некрасов, A.A. Орлов, В.А. Потапенко, A.M. Рыжов, А.Г. Саламатин, П.Ф. Савченко, В. П. Тациенко, В.Н. Фрянов, И.А. Шундулиди, В.Д. Ялевский и др.

Несмотря на относительно высокий уровень изученности состояния рассматриваемого вопроса исследований, по мнению автора диссертации, он требует своего решения в части геомеханического обоснования параметров отработки запасов

мощных пологих пластов для обеспечения управляемого выпуска угля на забойный конвейер очистного механизированного комплекса.

В связи с целью работы были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском угля из подкровельной толщи;

- геомеханическое обоснование применения двухуровневой схемы анкерного крепления подготовительных выработок экспериментального участка;

- разработка технологических схем проведения и поддержания монтажной камеры;

- обоснование рациональной мощности подкровельной толщи угля при выпуске;

- обоснование рациональных значений длины очистного забоя и скорости его подвигания;

- геомеханическое обоснование параметров выпуска подкровельной толщи

угля;

- стендовые исследования процесса выпуска подкровельной толщи угля на дополнительный конвейер;

- шахтные исследования процесса выпуска угля на дополнительный конвейер;

- разработка рекомендаций по эффективному и безопасному внедрению технологии отработки запасов мощных пологих пластов с выпуском угля подкровельной толщи.

На основе анализа производственного опыта и научно-технических разработок в области отработки запасов мощных пологих угольных пластов установлено, что определяющим условием успешного применения системы разработки с выпуском подкровельной толщи угля является ее способность обрушаться вслед за выемкой угля. С увеличением устойчивости кровли возрастают затраты на разрушение подкровельной толщи и потери угля в выработанном пространстве.

Местом проведения эксплуатационных испытаний технологии с выпуском угля из подкровельной пачки был выбран пласт 21 в границах поля шахты «Оль-жерасская-Новая» ОАО «Южный Кузбасс». Крепление подготовительных выработок опытного выемочного участка имеет целый ряд технологических особенностей. Основные (конвейерный и вентиляционный штреки) выработки проводятся у почвы пласта, газодренажный и промежуточный штреки - у кровли пласта.

В кровле штреков залегает угольная пачка, средняя мощность которой составляет 3,7м. Прочностные характеристики угля определяются следующими значениями: коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова - 1,2; сопротивление сжатию - 12 МПа; сопротивление растяжению - 1 МПа; плотность -1,36 т/м3; угол внутреннего трения - 38°.

В непосредственной кровле залегает алевролит, характеризующийся сопротивлением сжатию на уровне 58 МПа; сопротивлением растяжению - 4,7 МПа; углом внутреннего трения - 40°. Ширина конвейерного штрека в проходке составляет 6 м, вентиляционного - 5,5 м.

Для обоснования возможности крепления вентиляционного и конвейерного штреков сталеполимерной анкерной крепью был использован опыт закрепления анкеров в угольном массиве межслоевых пачек в условиях шахты им. В.И. Ленина при отработке запасов пластов III и IV-V. Анализ производственного опыта показывает, что сталеполимерные анкеры надёжно закрепляются в угольном массиве при коэффициенте крепости угля по шкале проф. М.М. Протодьяконова/=0,8-1,2. Усилие закрепления анкерного стержня в шпуре зависит от величины удельного сцепления скрепляющего состава со стенками шпура и длины части шпура, заполненной скрепляющим составом. Установлено, что величина удельного сцепления анкерного стержня со стенками шпура при коэффициенте крепости 0,8-1,2 составляет около 2,7 МПа, а минимальная длина части шпура, заполненного скрепляющим составом (ампулы АКЦ, АП) для закрепления стержня в шпуре с усилием 90-100 кН, должна быть не менее 0,43-0,5 м.

Обоснование параметров анкерной крепи при двухуровневых схемах крепления было выполнено по действующим нормативным документам и с использованием методики, реализующей основные положения теории свода давления.

При двухуровневой схеме анкерного крепления в работе рассматриваются два свода давления (рис.1):

- первый свод формируется при проведении выработки вне зоны влияния очистных работ. По параметрам первого свода определяются параметры крепи первого уровня;

- второй свод формируется под влиянием опорного давления впереди забоя лавы, который характеризуется большей длиной основания и высотой. Под действием повышенных напряжений в зоне опорного давления резко увеличивается концентрация напряжений в боках выработки и в пятах свода. В результате этого уголь и породы в боках начинают сползать по образующимся линиям скольжения.

При расчётах принимается, что кривая свода давления представляет собой равнобочную квадратичную параболу.

Высота свода для расчёта параметров крепи первого уровня определяется по формуле:

к ь 2й

Ь1 - hi - тпг

2 f'Kc (1)

где hr высота выработки, м;

/- коэффициент крепости угля;

Кс - коэффициент структурного ослабления угля.

Рис. 1 - Схема расчёта параметров анкерной крепи вентиляционного штрека по двухуровневой схеме: Ь - высота штрека; ^ - высота свода давления при первом уровне крепления; ¡12 - высота свода давления при втором уровне крепления; С - ожидаемая ширина призмы сползания угля в боках в зоне влияния очистных работ

Давление пород в своде определяется по следующей зависимости:

Й1 3 (2)

В поперечном ряду предусматривается установка пяти анкеров А20В длиной 2,5 м и шагом между поперечными рядами - 1 м.

Для расчёта параметров крепи второго уровня высоту свода рекомендуется определять с учётом временного опорного давления со стороны действующей лавы:

_ а + С

1ь О)

где С - ширина призмы сползания угля в боках штрека,

/90° - р°\

С = /1

2 / (4)

Для второго уровня крепления принимается канатный анкер АК-01. Необходимое сопротивление анкерной крепи второго уровня определяется по формуле:

4-(Л2-Л1)-(а + С)-ус р

--3---(5)

где уср - объёмная масса пород в своде давления с учётом пород непосредственной кровли, т/м3.

Результаты расчётов показали, что параметры крепления вентиляционного и конвейерного штреков при двухуровневой схеме крепления выбраны с достаточно высоким запасом. При двухуровневой схеме крепления штреков целесообразно возведение анкеров второго уровня производить позади проходческого комбайна с отставанием от забоя на 30-40 м.

Сущность поэтапного крепления заключается в следующем: на каждом этапе проведения и обустройства широкопролетной монтажной камеры задается необходимое сопротивление крепи, которое обеспечивает надёжное поддержание и эксплуатацию камеры при креплении ее сталеполимерной анкерной крепью.

Прирезка (расширение разрезной печи) производится в таких же условиях при заметном влиянии пройденной разрезной печи. Срок службы отдельно разрезной печи и прирезки к ней завершается расширением разрезной печи до размеров монтажной камеры. Таким образом, выделяются следующие этапы сооружения и крепления монтажной камеры:

I этап - проведение разрезной печи и её поддержание до завершения прирезки к ней;

II этап - осуществление прирезки и расширение разрезной печи до размеров монтажной камеры;

III этап - возведение усиливающей крепи в пройденной монтажной камере для её поддержания в период монтажа и вывода очистного механизированного комплекса из монтажной камеры.

Расчёты параметров анкерной крепи для крепления разрезной печи и прирезки к ней выполняли с использованием отраслевых нормативных документов, дополнительно выполнен расчет параметров крепления монтажной камеры по ожидаемому своду давления.

Ожидаемая высота свода давления в монтажной камере определяется по формуле:

Ь1 =(-+0//^,-^

Расчёты, выполненные по методике, базирующейся на основных положениях теории свода давления, показывают, что требуемая длина анкера должна быть не менее 4,75 м.

Ожидаемое давление пород в объеме свода будет составлять:

(7)

Выполненные расчёты показывают, что сопротивление возведённой анкерной крепи при проведении разрезной печи и её расширении до размеров мон-

тажной камеры является недостаточным по величине требуемого сопротивления и по длине установленных анкеров.

Для усиления уже возведённой крепи закладывается второй (верхний) ярус установки анкеров и закрепления пород кровли - ярус из анкеров глубокого заложения, в качестве которых используются канатные анкеры АК-01 с ампульным способом их закрепления в шпурах.

Сопротивление крепи верхнего яруса определяется следующим образом.

Максимальная высота свода давления, определенная расчётами, составляет 4,36 м при высоте заанкерованных пород нижнего яруса 2,5 м.

Для закрепления пород верхнего яруса требуется следующее сопротивление крепи:

р,я = Ьв.ях Уср-вэв> (8)

где Ивя - высота пород в объеме свода, закрепляемых анкерами верхнего яруса,

К.я = в1 — Иня; (9)

в1 - высота свода давления; Иня - высота нижнего яруса, И„я -1а = 2,5 м.

Для крепления пород верхнего яруса принимаются канатные анкеры АК-01 длиной 5-5,5 м. В отдельных случаях длина анкеров принимается соответствующей максимальной длине, равной ширине призмы отжима.

Инструментальные исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород, окружающего подготовительные выработки по пласту 21 шахты «Ольжерасская-Новая», позволили сделать следующие выводы:

- зона опорного давления в подготовительных выработках заметно проявляется на участках длиной 35 м впереди лавы;

- максимум опорного давления наблюдается впереди лавы на расстоянии 4,5+8 м;

- в выработках в зоне формирования максимума временного опорного давления имеет место отжим угля из боков выработок. Глубина отжима достигает 1,5 м, а высота зоны 3+3,5 м;

- в выработках вне зоны влияния очистных работ наблюдается значительная концентрация сжимающих напряжений. Коэффициент концентрации сжимающих напряжений зависит от ширины выработки: при ширине 3,5 м он составляет 1,55+1,65, при ширине 5м- 1,8+1,85, при ширине 6м- 1,96+2,23;

- с увеличением ширины выработки коэффициент концентрации сжимающих напряжений возрастает, с увеличением высоты ее - уменьшается в соответствии с параболической зависимостью;

- растягивающие напряжения, действующие в кровле выработки, определяются коэффициентом бокового распора, для угля пласта 21 шахты «Ольжерасская-Новая» величина коэффициента бокового распора изменяется в пределах от 0,28-0,43;

- действующие сжимающие и растягивающие напряжения по контуру подготовительных выработок даже вне зоны влияния очистных работ превышают допустимые сопротивления угля сжатию и разрыву. Вследствие этого конвейерные и вентиляционные штреки при подготовке запасов выемочных столбов по пласту 21 шахты «Ольжерасская-Новая» должны проводиться с креплением кровли и боков выработок;

- при ведении очистных работ максимальные значения сжимающих напряжений в зоне опорного давления составили 16-17МПа, а коэффициент концентрации сжимающих напряжений - 3,27;

- коэффициент концентрации напряжений в зоне опорного давления зависит от скорости подвигания лавы; с увеличением скорости напряжения возрастают, однако высокие концентрации напряжений в зоне опорного давления не наблюдались;

- подкровельная угольная пачка оказывает положительное влияние на снижение коэффициента концентраций напряжений в зоне опорного давления.

При отработке запасов мощных пластов с выпуском угля подкровельной толщи рациональная мощность подсечного слоя определяется в основном геомеханическими факторами, обеспечивающими эффективный выпуск угля и безопасные условия работы в очистном забое.

Для эффективного выпуска угля подкровельной пачки её мощность должна обеспечивать разрушение угля силами горного давления над перекрытием секций механизированной крепи и обрушение пачки непосредственно за ограждением секции крепи на дополнительный конвейер без зависаний. В то же время нижние слои угольной пачки должны сохранять устойчивость в призабойном пространстве подсечного слоя, не разрушаться, не способствовать проявлениям отжима угля и образованию вывалов из подкровельной пачки.

Расчетами установлено, что исходя из условия взаимодействия с породами кровли при глубине работ 90 м и шаге обрушения подкровельной пачки 5,3 и 9,86 м мощность подкровельной пачки будет составлять 3,6 и 4,3 м, при глубине работ 200 м - 4,2 и 4,8 м соответственно.

Проверка мощности подкровельной пачки на ее устойчивость к разрушению в зоне максимума опорного давления производится по следующей предложенной методике.

Пачка оставляемого в кровле угля не должна разрушаться в зоне опорного давления.

При этом в работе приняты следующие допущения:

- подкровельная пачка рассматривается как угольный целик с опорой на угольный пласт и частично - на верхняк крепи;

- длина подкровельной пачки угля принимается с учётом возможных заколов кровли впереди линии очистного забоя и рассчитывается по формуле:

К = 1тах + Кр, (Ю)

- при расчёте несущей способности подкровельной пачки вводится коэффициент формы пачки (коэффициент формы целика):

Iк

9 К (11)

где а, в - постоянные коэффициенты, принимаются по рекомендациям ВНИМИ;

Ик- длина и мощность подкровельной пачки.

Условие разрушения угля подкровельной пачки в зоне максимального опорного давления определяется следующим неравенством:

с • • гк - Кф) > р • [Сувль • л« • ¿об) + (я - л^) • ^ • у»] • п (12)

где [аСж.у] - предел прочности угля подкровельной пачки на сжатие, 1200 т/м2; (3 -коэффициент концентрации напряжений в зоне максимума опорного давления, принимается равным 1,5; уак. - объёмная масса пород активной кровли - 2,56 т/м3; уп - объёмная масса пород до дневной поверхности - 2,57 т/м3; Иак- мощность активной кровли - 28 м; ЬоВ - шаг обрушения пород активной кровли при вторичных осадках, определяется по формуле проф. Руппенейта В.К.:

¿Об = 0,89-Яа.„-

(13)

где ар - сопротивление пород активной кровли на растяжение, определяется как средневзвешенное:

а _ у "/1к + (7р д к' '/1а к

Р Лк + /г0,к (14)

ару- сопротивление угля растяжению, принимается равным 100 т/м ; ор а к - сопротивление пород активной кровли растяжению, принимается равным 470т/м2; шаг вторичных осадок активной кровли при Н=90 м составляет 32 м, при Н =200 м - 22 м; С - пересчётный коэффициент, С=1 м"1; п - коэффициент запаса прочности, п= 1,2.

Выполненные расчеты показывают, что при глубинах ведения горных работ 90^- 200 м условия сохранения целостности подкровельной угольной пачки в зоне опорного давления обеспечиваются, пачка угля не будет чрезмерно деформирована в зоне максимального опорного давления. Несущая способность пачки больше действующего на неё давления пород кровли.

При отработке запасов мощного пласта с выпуском подкровельной пачки угля длину лавы целесообразно выбирать по двум основным факторам, а именно по фактору горного давления и скорости подвигания лавы.

С увеличением длины лавы в одних и тех же горно-геологических условиях происходит изменение характера проявлений основных геомеханических процес-

сов снижается шаг обрушения активной кровли пласта и увеличивается интенсивность горного давления в основном в средней части лавы.

Длина лавы и скорость подвигания ее забоя связаны обратно пропорциональной зависимостью. Увеличение скорости подвигания лавы вызывает снижение ее длины и наоборот. С увеличением мощности пласта длина лавы снижается. Процесс выпуска угля из подкровельной пачки также ограничивает длину лавы.

Расчеты показывают, что в условиях отработки запасов пласта 21с суточной нагрузкой 6000-10000 т при скорости подвигания забоя лавы 4-6 м/сут длина лавы должна составлять соответственно 100^-200 м.

Скорость подвигания забоя лавы зависит в основном от рабочей скорости подачи комбайна. Рациональная рабочая скорость подачи комбайна вдоль лавы при выемке угля в подсечном слое в диссертации определяется в соответствии с методикой КузНИУИ. Метод расчёта построен на использовании показателя, представляющего собой удельную скорость подачи комбайна - vy(h м/мин-кВт, которая определяется сопротивляемостью угля резанию.

Для расчёта скорости подачи комбайна MG400/930-WD вдоль лавы в работе принимаются следующие исходные данные:

- сопротивляемость угля пласта 21 резанию - 150 кН/м;

- установленная мощность электродвигателей комбайна, потребляемая на резание и подачу - 910 кВт;

- вынимаемая мощность подсечного слоя - 3-3,3 м.

Максимальная скорость подачи принимается по технической характеристике комбайна, равной 8,3 м/мин.

По результатам выполненных исследований установлено, что максимальная скорость подвигания забоя лавы составляет: при длине лавы 100 м - 15 м/сут; при длине лавы 150 м - 9,4 м/сут; при длине лавы 200 м — 7 м/сут. Выпуск угля из подкровельной пачки, как уже указывалось выше, снижает скорость подвигания забоя лавы в соответствии с коэффициентом С, величина которого принята равной 1,31,5.

Таким образом, принятая при обосновании рациональной длины лавы скорость подвигания ее забоя на уровне 4-6 м/сут., укладывается в рекомендуемый диапазон скоростей подвигания - 4,7-И 1 м/сут.

На основании выполненных исследований установлено, что увеличение длины лавы приводит к росту величины горного давления на обнаженную краевую часть пласта и на крепь механизированного комплекса. Шаг обрушения пород при этом снижается, а высота зоны обрушения пород возрастает.

Анализ имеющегося опыта отработки пластов с выпуском подкровельных пачек угля показывает, что существенное влияние на эффективность и безопасность применения рассматриваемой технологии оказывает схема выпуска угля. Наиболее перспективной является схема выпуска угля подкровельной пачки в зад-

ней части секций механизированных крепей с выгрузкой его на дополнительный конвейер. На рис.2 представлена схема размещения выпускных окон в секциях разных типов механизированных крепей по длине секций и по высоте расположения окон относительно почвы пласта.

Н. м

Г7Н

1 1

гсипп^ 1 1 | -- — — 1-- -- -- 1 [

1 1 ! ! 1 1 I 1 1 (

1 Оо о и оп 1 оа

1 ——КПК *н м ПХ.7ЛУ7Ч / м-ия 3 - 5 6 7 а

2А*Я1 УР^.^^ПЛ, / ял

Рис.2 - Схема размещения выпускных окон в секциях крепи: Л- высота рабочей секции; У-удаленне выпускного окна от забоя; ОВ - удаление выпускного окна от почвы пласта

Из рисунка видно, что наиболее благоприятные условия для саморазрушения и самообрушения подкровельной пачки угля создаются при использовании крепей с развитой поддерживающей частью и организационным выпуском угля позади секций крепи у почвы пласта. Увеличенная длина траектории движения подкровельной пачки по поверхности секции крепи позволяет осуществлять многократное «топтание» угля, создаёт условия для естественного обрушения подкровельной пачки под действием сил горного давления и способствует разрушению угля без применения специальных мер по его разупрочнению.

Интенсивность процесса выпуска угля на дополнительный конвейер зависит от шага и высоты зоны обрушения пород за крепью. В результате стендовых, шахтных и лабораторных исследований установлено, что особенности процесса выпуска угля на дополнительный конвейер зависят от шага и высоты зоны обрушения пород за крепью: при зависании пород кровли, полнота выпуска угля на дополнительный конвейер не превышает 50%; высота зоны обрушения пород кровли должна быть не менее 7-8 м; отставание подпорной стенки из обрушенных пород от секций механизированной крепи не должно составлять у почвы пласта более 2-2,5 м.

Недостатком рассматриваемой схемы выпуска угля подкровельной пачки позади секций крепи является необходимость постоянного формирования за крепью в выработанном пространстве «стены» обрушенных пород кровли, благодаря чему обеспечивается надёжный выпуск угля на дополнительный конвейер.

«Стена» обрушенных пород в выработанном пространстве формируется за счет рассыпания их под углом естественного откоса, равным 50-55°. В результате между секциями крепи и породной «стеной» образуется коридор, в котором размещается обрушенный уголь. Применительно к отдельной секции этот коридор можно представить в виде бункера, заполненного углем.

Параметры условного бункера определяются мощностью пласта (мощностью подсечного слоя и мощностью подкровельной пачки), шагом установки секций крепи, удалением «стены» обрушенных пород от секций крепи и высотой зоны обрушения пород (высотой породной « стены»).

Основные параметры технологии выпуска в работе определяются применительно к схеме выпуска с образованием воронки выпуска. Поток выпускаемого угля можно представить как параболоид, а форму огибающей потока как параболу. Вершина параболы располагается вблизи выпускного отверстия, а ветви параболы располагаются по схеме: одна - со стороны обрушенных пород кровли, вторая - со стороны ограждений секций крепи. При схеме выпуска с образованием воронки выпуска возможно образование воронки внедрения. В общем случае можно полагать, что на определённой высоте, называемой критической высотой выпуска, породы кровли, покрывающие уголь, прорываются в центр потока выпуска, сначала оттесняя уголь из центра потока, потом заменяя его в центре потока. Практически это означает, что при выпуске угля всегда следует ожидать прорывы покрывающих пород на дополнительный конвейер.

По результатам комплексных исследований процесса выпуска угля сформулированы следующие выводы:

- выпуск угля подкровельной пачки на дополнительный конвейер может рассматриваться как выпуск сыпучего материала из бункера;

- схема выпуска угля по движению потока угля может быть с прямоточным истечением на дополнительный конвейер и с движением угля на дополнительный конвейер с огибанием элементов механизированной крепи;

- вид истечения угля из условного бункера на дополнительный конвейер может изменяться от нормального до смешанного. При нормальном истечении выпуск происходит с образованием воронки выпуска. Вид истечения определяется формированием «стены» обрушенных пород за крепью и шагом их обрушения, а также положением дополнительного конвейера относительно управляющего шибера хвостового ограждения секции крепи. В исходном положении управляющий шибер располагается над завальным бортом конвейера;

- параметры условного бункера определяются мощностью пласта (мощностью подсечного слоя и мощностью подкровельной пачки), шагом установки секции крепи, удалением «стены» обрушенных пород от секций крепи и высотой обрушения пород (высотой породной «стенки»).

Лабораторные исследования на основе физического моделирования процесса выпуска угля на дополнительный конвейер проводились в ИГД СО РАН и Прокопьевском филиале КузГТУ.

Для изучения взаимодействия сыпучего материала непосредственно в зоне контакта узлов механизированной крепи использовался стенд ИГД СО РАН (рис. За), который представлял собой металлический каркас и имитировал в масштабе 1:25 выемочный участок горизонтального пласта мощностью 7,0 м. Материалом служил уголь фракции 3+20 мм и щебенка (гранит) с фракцией 10+25 мм.

Основным методом изучения закономерностей выпуска стал метод, основанный на наблюдении и фиксации положения отдельных частиц и прослоек сыпучего материала на контакте с прозрачной стенкой модели. Для удобства наблюдений за процессом движения и фиксации выпуска горизонты угля через 3 см на определенных уровнях засыпались окрашенными прослойками магнетита толщиной 1 см. После выпуска каждой окрашенной полосы выпущенный уголь взвешивали на весах с точностью ±1 г. Измерялись ширина зоны потока угля и фигура его образования на всех прослойках. Каждое положение фотографировалось. Визуальные наблюдения за характером перепуска проводились с передней стенки (модели), выполненной из стекла. На стенде определялась возможность эффективного выпуска угля механизированными крепями на дополнительный конвейер, также имитировалась работа шиберного затвора секции крепи при разных его высотах с целью выявления характера изменения фигуры выпуска и влияния крупнокускового угля на процесс выпуска.

Испытательный стенд Прокопьевского филиала КузГТУ представляет жёсткую рамную металлическую конструкцию (рис.Зб). Длина модели 3-4,2 м, высота 2,7 м, ширина 0,2 м. Линейный масштаб модели принят равным 1:50. Моделируемый участок массива включал в себя в линейных размерах модели почву пласта (2,5м), пласт угля 7,0 м, непосредственную кровлю 8,5 м, основную кровлю 15,5 м, подработанный массив мощностью 22,5 м.

На модели исследовался процесс подработки нижним слоем пласта 21 верхнего слоя (подкровельной пачки) при разном соотношении мощностей. В качестве составных частей смесей для получения эквивалентных материалов использовались песок, гипс, известь, парафин, молотая слюда. Уточнение рецептуры эквивалентных материалов производилось подбором с использованием коэффициентов подобия. Подбор эквивалентных материалов пород и угля, закатка слоев массива производились согласно известным методикам ВНИМИ и КузНИУИ.

Рис. 3 - Стенды для проведения физического моделирования: а - стенд ИГД СО РАН, б -

стенд ПФ КузГТУ

Закатка модели производилась слоями по 1,5 см. Слоистость толщи пород создавалась путём пересыпания между слоями песка. Промежуток времени между закаткой слоёв составлял 15-20 мин. Отношение мощностей подсечного слоя и подкровельной пачки - 1,4-2,0. При отработке пласта при каждой передвижке крепи фиксировались визуально и с помощью фотокамеры характер разрушения подкровельной пачки угля, пород кровли, характер обрушения пород, угля, образующиеся блоки, состояние зоны выработанного пространства и забоя.

Лабораторные исследования на основе физического моделирования выпуска угля на дополнительный конвейер были проведены для подтверждения приведенных выше выводов. Исследования проводились при различных высотах шиберного затвора, с соблюдением условия проходимости негабаритов угля, определяемого отношением сечения выпускного окна к максимальному размеру выпускаемого материала. Отношение сечения выпускного окна к максимальному диаметру кусков угля или породы рекомендовано не менее 4-^-5.

В результате моделирования установлено, что выпуск самообрушающегося угля на дополнительный конвейер, расположенный на почве пласта, сопровождается образованием зоны потока породы в виде конуса. Его угол наклона со стороны забоя составляет 68-^76°, а с завальной стороны 75-80°. Процесс выпуска дробленого угля происходит с образованием воронки выпуска, диаметр воронки выпуска формируется равным диаметру выпускного отверстия.

Поток выпускаемого угля расширяется за счёт скатывания кусков с боков бункера в воронку выпуска. Скатывание угля происходит под углом естественного откоса. Перемещение кусков в образовавшемся потоке происходит с разной скоростью: с максимальной скоростью перемещаются куски угля, находящиеся в центре; куски угля, находящиеся на удалении от центра потока, перемещаются с меньшей

скоростью; с удалением от выпускного люка - скорость движения кусков угля также снижается.

На рис.4 приведены графики скоростей движения кусков угля на разных участках зоны потока, из которых видно, что:

- с увеличением размеров кусков угля при одинаковом удалении их от люка и при загрузке бункера в процессе выпуска куски с большими размерами двигаются с меньшей скоростью (рис.4, кривая 3);

- с удалением от люка скорость движения кусков угля снижается, с приближением к люку (к выпускному отверстию) скорость движения кусков угля возрастает;

- с удалением от центра потока (центра воронки выпуска) скорость движения кусков угля снижается, а на границах зоны потока скорость движения кусков угля резко снижается. Разница в скоростях движения кусков угля в центре и по границам зоны потока увеличивается с приближением к выпускному люку, разница возрастает особенно резко с высоты, равной 2-2,5 диаметра люка;

- в центре потока скорость движения кусков угля имеет максимальные значения, достигающие 2 м/с, средняя скорость выпуска изменяется от 0,3 до 1,4 м/с.

м/сек

1А

3 |

е <а ё % 0.7

Li D — t

\\ 7 3\/ и

tils*

10 12.5 15 17.5 20 и Расстояние от Эбихущегося тела Зо Выпускного отверстия

1 2 3 4 5 t. се«

Рис. 4 - Графики изменения скорости движения частиц угля при выпуске: 1,2,3 - графики скорости в зависимости от расстояния до оси выпускного отверстия при крупности кусков до ISO мм, 150-300 мм и 300-500 мм соответственно;-/- график изменения скорости в зависимости от времени;/- время истечения потока

На основе проведенных аналитических, лабораторных и шахтных исследований разработаны рекомендации по корректировке элементов системы выпуска угля на дополнительный конвейер в зависимости от сформировавшихся в завальной части лавы за крепью схем выпуска угля.

Изменением раздвижности крепи в пределах 2,7-3,5 м производится изменение месторасположения выпускных окон относительно дополнительного конвейера. Для расположения выпускных окон ближе к внутреннему пространству секций

и к дополнительному конвейеру раздвижность крепи увеличивается; если нужно удалить выпускные окна в завальную часть, раздвижность крепи уменьшается;

Изменением угла установки основного или хвостового ограждения относительно горизонта производится регулирование системы выпуска при отсутствии обрушенных пород за крепью или их недостаточном обрушении.

Угол установки ограждения относительно горизонта изменяется в пределах 20°+60°: при схеме выпуска 1 рекомендуется устанавливать ограждение под углом 60°, при схеме выпуска 2 - под углом 60°, при схеме выпуска 3 - под углом 45°.

Угол установки хвостового ограждения относительно горизонта изменяются в пределах 14°+ 80°: при схеме выпуска 1 угол установки хвостового ограждения рекомендуется 80°, при схеме выпуска 2 - 14°, при схеме выпуска 3 - 45°.

Одним из важных технологических вопросов, решаемых при проведении эксплуатационных испытаний технологии отработки мощных пологих пластов с выпуском подкровельной пачки угля, являлся вопрос оценки потерь угля в границах выемочного участка. Потери по площади составили в выемочном участке 21-1-5 - 6,6 %, в выемочном участке 21-1-3-9,3 %, а потери по мощности соответственно 11,4 % и 9,7 %. Удельные суммарные потери в границах выемочного участка 21-1-5 составили 2,1 т/м2, в границах участка 21-1-3 - 2,08 т/м2.

Установлено, что с увеличением мощности подкровельной пачки (мощности пласта) потери угля увеличиваются, при этом засорение угля пустой породой наоборот снижается. Исследования проводились при изменении мощности подкровельной пачки от 2 до 7 м при мощности подсечного слоя 3,3 м. С определёнными допущениями можно принять, что потери угля возрастают пропорционально увеличению мощности подкровельной пачки угля.

За период испытаний было добыто 3662,4 тыс.т угля, в том числе в подсечном слое - 1776,4 тыс. т, за счёт выпуска подкровельной пачки — 1886 тыс. т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технологические разработки по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов на основе установленных зависимостей мощности выпускаемой подкровельной пачки угля от основных гор-но-геологи-ческих, геометрических и технологических факторов и особенностей процесса выпуска угля, внедрение которых обеспечивает повышение эффективности и безопасности ведения очистных работ, а также снижение уровня эксплуатационных потерь полезного ископаемого.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. На основе анализа производственного опыта и научно-технических разработок в области отработки запасов мощных пологих угольных пластов установле-

но, что определяющим условием успешного применения системы разработки с выпуском подкровельной толщи угля является ее способность обрушаться вслед за выемкой угля.

2. Установлены зависимости мощности выпускаемой подкровельной пачки угля от основных горно-геологических, геометрических и технологических факторов: геостатического давления в массиве, концентрации напряжений в зоне опорного давления, мощности активной кровли пласта, шага обрушения подкровельной пачки угля и сопротивления угля одноосному сжатию.

3. Установлено, что эффективность выпуска угля на дополнительный конвейер определяется мощностью подкровельной угольной пачки, размерами кусков угля и выпускных окон секций крепи, высотой обрушения активной кровли пласта, положением обрушенных пород в выработанном пространстве и скоростью выпуска угля.

4. Установлены особенности процесса выпуска угля на дополнительный конвейер от шага и высоты зоны обрушения пород за крепью: при зависании пород кровли полнота выпуска угля на дополнительный конвейер не превышает 50%; высота зоны обрушения пород кровли должна быть не менее 7-8 м; отставание подпорной стенки из обрушенных пород от секций механизированной крепи не должно составлять у почвы пласта более 2-2,5 м.

5. Форма кривой, образующей поток выпуска угля на дополнительный конвейер, представляет собой параболу. При этом радиус потока выпуска на расчётной высоте его составляет 1,8-2 м, а с учётом радиуса выпускного окна -2,6-2,8 м. Максимум ускорения движения кусков угля в центре потока выпуска находится на уровне 4,9 м/с2 при максимальной скорости движения кусков 3,5 м/с.

Выпуск угля при совместном обрушении подкровельной пачки и пород кровли будет происходить с образованием воронки внедрения, высота которой (критическая высота выпуска) определяется высотой выпуска угля, составляя 0,75 её значения.

6. На основе проведенных аналитических, лабораторных и шахтных исследований разработаны рекомендации по корректировке элементов системы выпуска угля на дополнительный конвейер в зависимости от сформировавшихся в завальной части лавы за крепью схем выпуска угля.

7. В течение периода выполнения шахтных исследований были отработаны запасы двух выемочных участков, добыто 3662,4 тыс.т угля, в том числе: за счет комбайновой выемки угля в подсечных слоях - 1776,4 тыс.т, за счет управляемого выпуска угля - 1886 тыс.т. Среднесуточная добыча угля в выемочном участке составила 5034 т, среднемесячная - 148900 т. Фактические эксплуатационные потери угля были на уровне 19%; в том числе: по площади - 9,3%, по мощности -9,7%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Калинин С.И., Новосельцев С.А., Галимарданов Р.Х. и др. Отработка мощного угольного пласта механизированным комплексом с выпуском подкро-вельной пачки // Монография. - Кемерово, 2011.- 224 с.

2. Новосельцев С.А., Ермаков А.Ю., Тимошенко A.M., Калинин С.И. Особенности расчета параметров проветривания горных работ при отработке мощного пологого пласта 21 на шахте «Ольжерасская-Новая»// Безопасность труда в промышленности.- 2009 - №10. - С.73-76.

3. Мельник В.В., Новосельцев С.А. Геомеханическое обоснование технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2013.-№ ОС 9-С. 1-7.

4. Новосельцев С.А., Ермаков А.Ю., Биктимиров И.С., Калинин С.И., Антонов А.Н. Результаты эксплуатационных испытаний технологии отработки мощного пласта 21 в условиях шахты «Ольжерасская-Новая» с выпуском подкровельной пачки угля // Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ/Материалы II международной научно-практической конференции.- Прокопьевск, филиал КузГТУ, 2009. - С.85-89.

5. Ермаков А.Ю., Новосельцев С.А., Биктимиров И.С., Калинин С.И., Антонов А.Н., Фомин А.Г. Исследование степени использования силовых параметров механизированной крепи ZF-8000/22/35 при отработке пласта 21с выпуском подкровельной пачки в условиях шахты «Ольжерасская-Новая» // Инновации — основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ/Материалы II международной научно-практической конференции.- Прокопьевск, Филиал КузГТУ, 2009 г. - С.90- 95.

6. Новосельцев С.А., Ермаков А.Ю., Биктимиров И.С., Калинин С.И. Схемы взаимодействия подкровельной пачки угля с породами активной кровли и с секциями механизированной крепи // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - Кемерово, 2009, №1. - С.97-103.

7. Новосельцев С.А., Ермаков А.Ю., Калинин С.И., Антонов А.Н., Фомин А.Г. Исследование показателей эксплуатационной надежности технологической схемы и механизированного комплекса ZF-8000/22/35 производства КНР при отработке пласта 21 в условиях шахты «Ольжерасская-Новая» с выпуском подкровельной пачки // Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ/Материалы II международной научно-практической конференции.-Прокопьевск, Филиал КузГТУ, 2009. - С.131-137.

8. Гребенкин С.С., Мельник В.В., Новосельцев С.А. и др. Комплексное освоение георесурсов пластовых месторождений // Учебное пособие. -Донецк: «ВИК», 2013.-659 с.

Подписано в печать 22.11.2013. Формат 60x90/16. Бумага офсетная 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2747

' 'Мискинского 1 ОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 062809 Код издательства 5X7(03)

Отпечатано в типографии Издательства Московского государственного горного университета

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД№ 53-305

119991 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6; Издательство МГГУ; тел. (499) 230-27-80; факс (495) 737-32-65

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Новосельцев, Сергей Александрович, Москва

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» И СИБИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ

На правах рукописи

НОВОСЕЛЬЦЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЯЕМОМУ ВЫПУСКУ УГЛЯ ПОДКРОВЕЛЬНОЙ ТОЛЩИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ

Специальности: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)» и 25.00.22 - «Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: докт. техн. наук Мельник В.В.

Научный консультант: канд. техн. наук Ермаков А.Ю.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ВЫЕМКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

1.1. Анализ горно-геологических условий залегания мощных пологих угольных пластов

1.2. Отечественный и зарубежный опыт отработки мощных пологих пластов

1.3. Анализ предложений по совершенствованию технологических схем подготовки и отработки запасов мощных пластов с выпуском угля из подкровельной (межслоевой) толщи

1.4. Цель, задачи и методы исследований ВЫВОДЫ

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОДГОТОВКИ И ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ВЫПУСКОМ УГЛЯ

2.1. Разработка технологических схем проведения и крепления подготовительных выработок для применения исследуемой технологии

2.2. Особенности проведения и крепления монтажной камеры

2.3. Инструментальные исследования напряженно-деформированного состояния массива горных пород, окружающего подготовительные выработки по пласту 21 ВЫВОДЫ

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ С ВЫПУСКОМ УГЛЯ

3.1. Выбор рациональной мощности подкровельной пачки

угля

3.2. Обоснование рациональной длины лавы

3.3. Обоснование рациональной скорости подвигания лавы

3.4. Геомеханическое обоснование параметров выпуска подкровельной пачки угля

ВЫВОДЫ

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫПУСКА ПОДКРОВЕЛЬНОЙ (МЕЖСЛОЕВОЙ) ТОЛЩИ УГЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ КРЕПЯМИ

4.1. Исследование закономерностей выпуска сыпучих материалов на модели из эквивалентных материалов

4.2. Результаты исследований на физической модели ИГД СО РАН параметров механизированных крепей с выпуском

стр.

9 9 16

50 64

78 91

96 102 105

109 121

124 124

[| » || ' I I

подкровельной толщи угля на завальный конвейер 126

4.3. Исследование процессов выпуска угля подкровельной

пачки на физической модели ПФ КузГТУ 133

4.4. Шахтные исследования процесса выпуска угля на завальный конвейер 149 ВЫВОДЫ 157 5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ С ВЫПУСКОМ УГЛЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ДАЛЬНЕЙШЕМУ ЕЕ ВНЕДРЕНИЮ НА ШАХТАХ РОССИИ 164

5.1. Основные результаты испытаний технологии отработки мощных пологих пластов с выпуском угля 164

5.2. Разработка технологических рекомендаций по внедрению технологии отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля для проекта «Тува» (опытная лава пласта 2.2

"Улуг") 166

5.3. Разработка специальных технических условий 170 ВЫВОДЫ 188 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 192

подкровельной толщи угля на завальный конвейер 126

4.3. Исследование процессов выпуска угля подкровельной

пачки на физической модели ПФ КузГТУ 133

5.1. Основные результаты испытаний технологии отработки мощных пологих пластов с выпуском угля

"Улуг") 166

5.3. Разработка специальных технических условий 170 ВЫВОДЫ 188 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 192

164

ВВЕДЕНИЕ

Анализ опыта эксплуатации длинных комплексно-механизированных забоев (КМЗ) в России и за рубежом показал, что максимальная нагрузка на КМЗ достигается при разработке угольных пластов или их слоев мощностью 2,8-3,5 м. При увеличении вынимаемой мощности до 4,5-4,9 м, средняя суточная нагрузка на КМЗ снижается в 1,2 - 1,6 раза. 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 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.

Научные исследования технологии отработки запасов мощных пластов одним слоем с управляемым выпуском разрыхленного угля подработанной подкровельной толщи интенсивно ведутся в Германии, Франции, Чехии. Комплексно-механизированная технология очистных работ с выпуском подкровельной толщи мощных угольных пластов за последнее десятилетие получила наиболее интенсивное развитие на шахтах КНР с применением поддерживающе-оградительных крепей с активным управляемым ограждением и завальным конвейером. 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. Ее преимущества заключаются в существенном снижении объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, вероятности самовозгорания угля, а также в возможности разработки пластов в сложных горногеологических условиях и извлечения запасов из оставленных ранее охранных целиков.

Для реализации данной технологии созданы механизированные комплексы, обладающие дополнительными функциями по управлению процессом извлечения выпуска угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади нее. Дальнейшее совершенствование данной технологии должно осуществляться в

\ ,p г v I i I 1 H i ^ 1 1 I

направлении рационализации способа выпуска угля подкровельной толщи на основе технологических решений, обеспечивающих интенсификацию процесса выпуска угля при минимуме потерь.

Целью диссертации является геомеханическое обоснование прогрессивных технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов при комплексно-механизированной отработке запасов для обеспечения безопасного и эффективного ведения очистных работ при сниже-нии уровня потерь полезного ископаемого.

Научные положения, выносимые на защиту:

\ I ^ | 1- II 1 ^ 1 " ^ I * " '

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

положительным производственным опытом отработки запасов мощного пологого пласта 21с выпуском угля из подкровельной толщи на шахте «Ольже-расская-Новая» ОАО «УК «Южный Кузбасс». Научная новизна работы:

1« А.^

И ?|

' Ш I

юс

VI,

.да

4'Г> .V ! У'И!

ч1

V <1 1

14 "1\1

,11' , >

. * <}

/У

М < 4 I М И I»

'М '

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение на международных научно-практических конференци-ях:«Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» («Уголь России и майнинг», Новокузнецк, 2010-2013), «Инновации - основа комплексного развития угольной отрасли в регионах России и странах СНГ» (Прокопьевск, 2009), научных семинарах филиала КузГТУ в г. Прокопьевске (2010—2013), технических советах ОАО «УК Южный Кузбасс» и шахты «Ольжерасская-Новая» (2006—2012),на научном семинаре кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (Москва, 2013).

Ч< j

« \ I М' I > . " ' i J 'Vi i

ii//1 l'V

I Ь Iм

1'чП. и

I ' I

, \ll V" !

¿>i

Ч* 1

' l'l I

i й 1 «dl l <f и'1

t1 W'1

V \

Ц«!

f i4

i' Ли

i '

1 / 1 Д.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ВЫЕМКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

1.1. Анализ горно-геологических условий залегания мощных пологих угольных пластов

Разработка мощных пластов занимает значительное место в общей добыче угля во многих странах мира, например СНГ, КНР, Польше, Чехии, Франции, Японии и др.[1-18]. Подземная добыча из мощных пластов составляет около 12% уровня мировой добычи угля, основная часть которой приходится на выемку пологих пластов.

В СНГ мощные пологие пласты разрабатывается в Карагандинском, Кузнецком, Челябинском, Печорском бассейнах и месторождениях Средней Азии [19-21]. Распределение добычи угля и уровень промышленных запасов по бассейнам приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Промышленные запасы и распределение добычи угля из мощных пологих пла-___стов в странах СНГ___

Бассейн Число шах-топластов Промышленные запасы по рабочим мощностям пластов, млн. т Общие промышленные запасы, млн. т Годовая добыча из действующих лав тыс. т (%)

3,5-4,5 м 4,51-6,5 м более 6,5 м

Кузнецкий 95 244,90 (6,5) 360,4 (2,1) 382,2 (4,0) 987,0 9676,8 (12,6)

Карагандинский 22 153,3 (12,8) 272,2 (21,2) 146,4(14,2) 571,9 18198,7 (48,2)

Челябинский 16 8,2(1,9) 15,3 (6,7) 31,5 (21,5) 55,0 3132,7 (30,1)

Средаз-уголь 9 4,6 (5,0) 42,1 (14,2) 20,7 (28,4) 67,4 1861,2 (47,6)

Печерский 4 42,1 (5,0) - - 42,1 1108,5 (5,0)

ИТОГО 146 453,1 690,0 580,8 1723,9 33977,9

В скобках удельный вес добычи угля в %.

Из табл. 1.1 видно, что мощные пологие пласты обеспечивают около 10 % всей годовой добычи угля подземным способом. При значительных промышленных запасах, превышающих 1,7 млрд. т, добыча угля из мощных пологих пластов по бассейнам составляет: в Карагандинском - более 18 млн. т, Кузнецком - более 9 млн. т, Челябинском - более 3 млн. т и в остальных бассейнах и месторождениях - около 3 млн. т.

Выемка пластов ведется двумя и редко тремя наклонными слоями с применением механизированных комплексов, предназначенных также и для отработки угольных пластов средней мощности. Например, в Карагандинском бассейне общая суммарная мощность обоих слоев в среднем по шахтам, применяющим данную технологию, не превышала 5,8-6,5 м, что привело к значительным потерям угля по мощности.

Отсутствие специальных механизированных крепей и комплексов для мощных пологих пластов снижает эффективность их разработки:

^ Выемка угля сопровождается значительными эксплуатационными расходами на оборудование в каждом слое и большим объемом подготовительных и нарезных выработок, что снижает эффективность применения технологии слоевой разработки. В то же время добыча и запасы угля в этих пластах делают необходимым решения вопросов, связанных с созданием и совершенствованием технологии и средств механизации угледобычи.

^ Эксплуатационные потери угля значительно выше, чем на пластах средней мощности и тонких, в связи с оставлением междуслоевых и подкровель-ных пачек угля большой толщины (0,4-1,0 м), а во многих случаях и целиков угля для охраны выемочных выработок.

^ Эффективность выемки нижних слоев по сравнению с верхними, как правило, ниже в связи с недостаточной устойчивостью и не контролируемой толщиной кровли, образованной межслоевой пачкой угля, или работой под не-слежавшимися обрушенными породами.

^ Параметры систем, разработки не всегда рациональны. Так, на ряде месторождений Грузии, Средней Азии, Томь-Усинского района Кузбасса, Северо-Востока и др. длина очистных забоев небольшая - 60-120 м, выемочные поля короткие - 300-400 м и др.

Приведенные обстоятельства отмечают важность и значимость решения научно-технической проблемы разработки

Информация о работе

Новосельцев, Сергей Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.22

Диссертация

Геомеханическое обоснование технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Геомеханическое обоснование технологических решений по управляемому выпуску угля подкровельной толщи мощных пологих пластов - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы