Обоснование параметров технологических схем отработки свит пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию

Тюрнин, Владимир Алексеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров технологических схем отработки свит пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологических схем отработки свит пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию"

На правах рукописи

ТЮРНИН Владимир Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ СВИТ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014 30555167В

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Казанин Олег Иванович

Официальные оппоненты:

Ковалев Роман Анатольевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра санитарно-технических систем, заведующий кафедрой

Никишин Даниил Юрьевич кандидат технических наук, ООО «ГорноХимический нжиниринг», отдел подземных горных работ, руководитель отдела

Ведущая организация - ОАО «Гипрошахт»

Защита диссертации состоится 26 июня 2014 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ¿л СИДОРОВ

диссертационного совета (З*^/ Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев на угольных шахтах России сопровождаются недопустимо высоким уровнем аварийности и травматизма, более чем на порядок превышающим соответствующие показатели шахт мирового и европейского уровня. В условиях современных угольных шахт Кузбасса при отработке свит пологих пластов несовершенство применяемых технологических схем, способов управления газовыделением и недостаточный учет взаимовлияния сближенных пластов в ряде случаев приводит к неуправляемым притокам воздуха в выработанные пространства отрабатываемых пластов и формированию там очагов самовозгорания угля. В свою очередь, очаг самовозгорания может явиться источником воспламенения и взрыва метана, что неоднократно имело место на шахтах Кузбасса за последнее десятилетие. Количество аварий на шахтах, связанных с самовозгоранием угля, составляет 59,9 % от общего числа. Большая часть подобных аварий приходится на шахты в Кузнецком бассейне (75,5%). Несмотря на тенденцию ежегодного снижения частоты возникновения подобных аварий, возрастает степень тяжести аварий, в том числе и смертельный травматизм.

Решению задач обеспечения эффективной разработки свит пластов посвящены работы A.A. Борисова, Я.А. Бича, В.В. Зубкова, В.П.Зубова, М.А. Иофиса, О.В. Ковалева, С.Т. Кузнецова, A.M. Линькова, И.М. Петухова, А.Н. Шабарова и др. Отработка пластов, склонных к самовозгоранию, рассмотрена в работах Л.П. Белавенцева, Ю.Ф. Булгакова, B.C. Веселовского, Е.И. Глузберга, В.В. Егошина, В.Г. Игишева, В.К. Костенко, Н.И. Линденау, В.Н. Маевской, В.Б. Попова, В.А. Портолы, A.A. Скочинского и др. В то же время авторы не рассматривали в комплексе совокупное влияние сближенности и эндогенной пожароопасности при отработке свит пластов. Действующие отраслевые нормативные документы отдельно рассматривают вопросы отработки свит пластов и отработку пластов, склонных к самовозгоранию. Сближенность пластов отмечена как один из факторов, влияющих на эндогенную пожароопасность, но без указания степени влияния и зависимости

опасности самовозгорания от параметров технологических схем отработки пластов.

Поскольку более половины шахт Кузбасса отрабатывают свиты пластов, склонных к самовозгоранию, вопросы обоснования параметров технологических схем, обеспечивающих эффективность и безопасность их совместной отработки, являются актуальными.

Цель работы. Повышение экономической эффективности и безопасности подземной отработки свит пологих газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, на основе выбора технологических параметров их совместной отработки с учетом взаимовлияния геомеханических и газодинамических процессов на выемочных участках.

Идея работы. При выборе технологических параметров и схем совместной отработки свит пологих газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, необходимо учитывать возможность формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов и дневной поверхностью.

Основные задачи исследований:

1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки свит пластов на шахтах Кузбасса.

2. Исследование газового режима выемочных участков при интенсивной отработке свит пологих пластов длинными столбами.

3. Исследование влияния параметров технологических схем на условия формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами отрабатываемых пластов.

4. Разработка рекомендаций по определению параметров технологических схем при отработке свит угольных пластов.

5. Оценка эффективности и определение области применения разработанных рекомендаций.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ теории и практики отработки пластов, склонных к самовозгоранию и отработки свит пластов длинными столбами; натурные исследования процессов управления газовыделением при отработке свит пологих пластов; экспериментально-аналитические исследования влияния параметров технологических схем на

напряженно-деформированное состояние массива при интенсивной отработке свит пластов; компьютерная обработка данных.

Научная новизна:

■ Установлены условия формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью при отработке свит пологих пластов длинными столбами.

■ Установлены зависимости между наименьшим размером выработанного пространства на разрабатываемом пласте и высотой зоны интенсивной трещиноватости для условий шахты «Алардинская».

Основные защищаемые положения:

1. Очередность отработки пологих газоносных пластов в свите следует принимать с учетом склонности пластов к самовозгоранию и возможности формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью; в случае формирования связи очередность выемки пластов целесообразно изменить таким образом, чтобы аэродинамическая связь не формировалась либо формировалась лишь на заключительном этапе отработки пластов в свите.

2. Планирование горных работ на шахтах, разрабатывающих свиты пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию, необходимо вести с исключением образования большепролетных выработанных пространств, ширина которых превышает предельные значения с точки зрения образования аэродинамической связи с дневной поверхностью и выработанными пространствами смежных пластов; для условий шахты «Алардинская» ОУК «Южкузбассуголь» предельным значением ширины выработанного пространства для пласта 1 является 410 м.

3. Наиболее благоприятные условия с точки зрения снижения эндогенной пожароопасности обеспечиваются при соосном расположении целиков на сближенных угольных пластах.

Практическая значимость работы:

■ разработаны рекомендации по определению очередности отработки пологих газоносных угольных пластов в свите длинными столбами при склонности пластов к самовозгоранию;

■ разработаны рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов, склонных к самовозгоранию;

■ разработаны рекомендации по выбору взаимного расположения целиков на сближенных пластах, склонных к самовозгоранию, при их совместной отработке.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций. Достоверность защищаемых положений, основных выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом данных натурных наблюдений, использованием современных апробированных методов исследований; удовлетворительной сходимостью результатов натурных и численных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2011 г.); ежегодной Международной конференции на базе Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2011 г.); Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2012» (Москва, 2012 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2010-2013 гг.).

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методики и проведены экспериментально-аналитические и натурные исследования, обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах, из них 3 - в изданиях перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 168 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 источников, включает 53 рисунка и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и идея работы, определены основные задачи исследований, описаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе проведен анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки свит пологих угольных пластов на шахтах Кузбасса, технологических схем отработки свит пластов на шахтах РФ, аварий на шахтах, связанных с самовозгоранием угля. Выполнен обзор отечественных и зарубежных литературных источников по эффективной отработке свит пологих угольных пластов, склонных к самовозгоранию.

Во второй главе приведены результаты натурных исследований газового режима выемочных участков при отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию; представлены результаты исследований для шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» и шахты Алардинская ОАО «ОУК Южкузбассуголь».

В третьей главе изложены результаты исследований методом конечных элементов влияния параметров технологических схем совместной отработки свит пластов на возможность формирования аэродинамических связей между верхним пластом в свите и земной поверхностью и между выработанными пространствами отрабатываемых пластов.

В четвертой главе представлено обоснование параметров технологическим схем отработки выемочных участков сближенных пластов, порядка отработки выемочных участков на сближенных пластах, параметров управления газовыделением на выемочных участках, а также представлена экономическая оценка разработанных рекомендаций.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные при исследованиях.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. Очередность отработки пологих газоносных пластов в свите следует принимать с учетом склонности пластов к

самовозгоранию и возможности формирования

аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью; в случае формирования связи очередность выемки пластов целесообразно изменить таким образом, чтобы аэродинамическая связь не формировалась либо формировалась лишь на заключительном этапе отработки пластов в свите.

На шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» 30.07.2010 и 25.02.2011 произошли взрывы метановоздушной смеси (МВС) в выработанных пространствах угольных пластов 1 и З-За. Расследование показало, что формирование МВС взрывоопасной концентрации произошло в результате несовершенства способов и средств управления газовым режимом, а источником воспламенения МВС стали очаги самовозгорания угля, возникшие в выработанных пространствах пластов.

Исследования газового режима выемочных участков при интенсивной отработке свит пологих газоносных пластов длинными столбами на шахте «Алардинская», а также на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» показали, что при использовании современных средств механизации горных работ нагрузки на очистные забои могут превышать 10000 т/сут, а метановыделение на выемочные участки превышать 100 м3/мин. Для эффективного управления газовыделением в таких условиях необходимо совместное применение вентиляции, дегазации и изолированного отвода МВС.

При использовании получивших наибольшее распространение комбинированных схем проветривания выемочных участков с изолированным отводом МВС объемы утечек воздуха через выработанное пространство могут достигать 500 м /мин и более, размеры проветриваемой части выработанного пространства - до 1500 метров, а время проветривания - более 300 суток, что может привести к формированию очагов самовозгорания угля в выработанном пространстве. Наличие аэродинамической связи между выработанными пространствами сближенных пластов и поверхностью значительно усиливает эту опасность. Типовые схемы проветривания выемочных участков с использованием изолированного отвода МВС, применяемые на шахте Алардинская представлены на рисунке 1.

а) б)

Рисунок 1 - Технологические схемы отработки выемочных участков на шахте Алардинская: а) лава 6-1-14 пласта 6; б) лава 3-32

пласта 3-3 а.

Аэродинамическая связь выработанных пространств склонных к самовозгоранию сближенных пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» не установлена. Для шахты «Алардинская» на основании расчета границ зоны водопроводящих трещин по нормативной методике был сделан вывод о наличии аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов 1, З-За и 6 и возможных перетоков газовоздушной смеси под влиянием депрессии, развиваемой газоотсасывающими вентиляторами.

С целью детального исследования наличия аэродинамической связи выработанных пространств пласта 1 и земной поверхностью была разработана расчетная схема, представленная на рисунке 2, соответствующая схеме отработке свиты пластов, реализованной на шахте. Проведена оценка напряженно-деформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе последовательной нисходящей отработки свиты пластов шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь».

1-48

1-47

1-46

1-45

Пласт 1

Усы

5-1-24

3-1-26

3-1-27

Пласт З-За

6-1-12

6-1-14

Пласт 6

сыелIочные участки

'пелпкп

Рисунок 2 - Расчетная схема отработки свиты пластов 1, 3-3 а и 6 №1, реализованная на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь»

Полученные результаты моделирования позволяют определить уровень деформаций в пределах рассматриваемого участка массива горных пород и, используя известные соотношения, оценить изменения проницаемости характерных зон массива.

На рисунках 3-5 представлены поля горизонтальных деформаций соответствующие последовательной отработке пластов: пласта 1 - рисунок 3, пластов 1 и З-За - рисунок 4 и пластов 1, З-За и 6 - рисунок 5. Для удобства восприятия информации на рисунках отражены изолинии только горизонтальных растягивающих деформаций. Величина указанных деформаций позволяет прогнозировать места расположения областей повышенной трещиноватости. Для оценки областей достаточно выделить зоны со значениями деформаций по модулю более -2*10"3. Указанные зоны характеризуются предельными и запредельным состоянием, соответствующем разрушению горных пород от растяжения. Зоны указанного диапазона значений менее -2*10"3 соответствуют областям возможного формирования трещин.

Как видно из рисунка 3, в результате отработки запасов участка по пласту 1, в массиве сформировались зоны предельного состояния горных пород: как в породах кровли - над выработанным пространством пласта 1 и над его краевыми частями, так и в породах почвы - под краевыми частями отработанного пласта. Зоны предельного состояния горных пород над краевыми частями пласта 1 распространяются вплоть до земной поверхности. В указанных зонах происходит разрушение пород вследствие превышения деформациями предельного для горных пород уровня. Последующая

Рисунок 3 - Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки

запасов пласта 1

Рисунок 4 - Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки

запасов пластов 1 и 3-3а

Рисунок 5 - Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки запасов пластов 1, З-За и 6

шщ^шт^шшг^штт

Пласт 1 Пласт 5-За. Пласт 6

а) б)

а) нисходящий порядок отработки пластов с оставлением межлавных целиков по пласту 1; б) комбинированный порядок отработки пластов с оставлением межлавных целиков по пласту 1 (отработка свиты начинается с пласта 1); «+» - наличие аэродинамической связи с поверхностью; «-» - отсутствие аэродинамической связи с поверхностью.

Рисунок 7 - Варианты очередности отработки пластов в свите с позиции минимизации формирования аэродинамической связи пластов с поверхностью на первых этапах отработки.

Рисунок 9 - Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки выемочного участка шириной 410 метров

Рисунок 8 - Выкопировка с плана горных работ по пласту 1 на шахте «Алардинская».

Рисунок 10 - Зависимость высоты зоны интенсивной трещиноватости от ширины выработанного пространства

отработка запасов свиты приводит к развитию зон растягивающих (еформаций в междупластьях пластов. По результатам проведенного моделирования можно сделать вывод о том, что при ведении горных работ по реализованной на шахте схеме, формируется устойчивая аэродинамическая связь между выработанными пространствами верхнего пласта в свите и земной поверхностью уже на первом этапе, а при переходе горных работ на нижележащие пласты создаются благоприятные условия для перетоков газовоздушных смесей между выработанными пространствами пластов.

Также была разработана расчетная схема с оставлением на пласте 1 двух межлавных неразрушаемых целиков (рисунок 6) и проведено геомеханическое моделирование НДС массива и его изменений по двум расчетным схемам при различных порядках отработки пластов в свите (12 вариантов) с целью определения наиболее безопасного порядка отработки пластов в свите с позиции минимизации возможности формирования аэродинамической связи свиты с земной поверхностью (таблица 1).

На рисунке 7 представлены варианты очередности отработки пластов минимизирующие формирование аэродинамической связи пластов с поверхностью на первых этапах отработки свиты.

Пласт 1

Пласт 3-3 а Пласт б

Рисунок 6 - Расчетная схема отработки свиты пластов 1, 3-3 а и 6 №2

целики

Таблица 1 - Варианты отработки пластов в свите на шахте «Алардинская ОАО «ОУК Южкузбассуголь» ( «+» - наличие связи, «-» - отсутствие связи)

Порядок отработки пластов в свите 1 З-За 6 1 6 З-За З-За 1 6 З-За 6 1 6 1 З-За 6 З-За 1

Отработка свиты без 1 этап + + + + + +

оставления целиков по 2 этап + + + + + +

пласту 1 (рисунок 3) 3 этап + + + + + +

Отработка свиты с 1 этап + + + +

оставлением межлавных 2 этап + + + + + +

целиков по пласту 1 (рисунок 8) 3 этап + + + + + +

В результате проведенных исследований установлено, что при изменении очередности отработки пластов в свите изменяются условия формирования аэродинамической связи выработанного пространства с земной поверхностью. В случае формирования связи, изменение очередности может определять продолжительность ведения горных работ в таких условиях, что необходимо учитывать при отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию.

пластов; для условий шахты «Алардинская» ОУК «Южкузбассуголь» предельным значением ширины выработанного пространства для пласта 1 является 410 м.

Результаты исследования напряженно-деформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе отработки свиты пластов на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» наглядно иллюстрируют формирование обширных зон предельных растягивающих деформаций между выработанными пространствами верхнего пласта в свите и земной поверхностью уже на первых этапах ведения горных работ без оставления целиков по пласту 1, независимо от порядка отработки пластов. На последующих этапах отработки отчетливо наблюдается «площадной» рост вышеуказанных зон.

Образование подобных зон запредельного состояния связано с ведением горных работ в свите по бесцеликовой технологии, что после отработки трех смежных выемочных участков привело к формированию большепролетных выработанных пространств. Так, вследствие ведения горных работ на шахте «Алардинская» по пласту 1 без оставления межлавных целиков сформировалось выработанное пространство шириной 680 метров (рисунок 8).

С целью определения предельного значения размера выработанного пространства с точки зрения формирования аэродинамической связи с поверхностью в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» было проведено исследование напряженно-деформированного состояния углепородного массива и его изменений в процессе ведения горных работ.

Основной задачей рассматриваемых исследований является установление связи между механическим состоянием надрабатываемого-подрабатываемого массива (т.е. его НДС) и наличием устойчивом аэродинамической связи верхнего пласта в свите с земной поверхностью. Для установления предельных размеров ширины выработанного пространства было проведено геомеханическое моделирование отработки выемочного участка в диапазоне от 100 до 450 метров с шагом 10 метров. Результаты моделирования показывают, что при формировании выработанного

пространства шириной 420 метров, образующаяся зона предельных растягивающих деформаций достигает земной поверхности -формируется аэродинамическая связь выработанного пространства пласта с поверхностью, создаются благоприятные условия для перетоков газовоздушных смесей (рисунок 9). Зависимость высоты зоны растягивающих деформаций от ширины пролета выработанного пространства в условиях шахты «Алардинская» представлена на рисунке 10.

На рисунке 11 представлены возможные варианты схем подготовки выемочных участков с исключением образования большепролетных выработанных пространств в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь».

При бесцеликовой подготовке выемочных участков, ширина выемочных столбов не должна превышать 200 метров, а после отработки двух выемочных участков необходимо оставлять межлавный неразрушаемый целик шириной не менее 25 метров (рисунок 11 а).

а) схема подготовки выемочного участка одиночными выработками

'о

Гч

б) схема подготовки выемочного участка спаренными выработками

Рисунок 11 - Варианты схем подготовки выемочных участков с исключением образования большепролетных выработанных пространств для пласта 1 ш. Алардинская

При подготовке выемочных участков спаренными выработками с неизвлекаемым целиком между ними рекомендуется ширина выемочного участка не более 410 метров, то есть не превышающая максимальный размер выработанного пространства с позиции исключения формирования аэродинамической связи пласта с поверхностью, установленного по результатам численных исследований. Ширина целика должна составлять, так же как и в первом варианте не менее 25 метров (рисунок 11 б). Вывод о предельном размере ширины выработанного пространства в 410 метров справедлив лишь для условий шахты «Алардинская», а также для шахт со сходными горно-геологическими условиями. Конкретные значения предельных размеров выработанных пространств для других шахт, разрабатывающих свиты пологих угольных пластов склонных к самовозгоранию будут отличаться, и зависеть от конкретных горно-геологических условий.

В настоящее время на угольных шахтах наблюдается повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев. Наиболее

распространенными на шахтах РФ в настоящее время являются схемы подготовки выемочных участков спаренными выработками с неизвлекаемыми целиками между ними. При таких схемах достигнуты рекордные показатели производительности очистных забоев: 1007 тыс. т/мес на шахте «Талдинская-Западная»; 635 тыс. т/мес на шахте «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс». На обеих шахтах отрабатываются склонные к самовозгоранию пласты. Наблюдается устойчивая тенденция увеличения геометрических параметров выемочных столбов, связанная с ростом возможностей средств механизации очистных работ. Средняя длина лавы на шахтах США в 2013 году составила 356 м, выемочного столба -3392 м при максимальных значениях 495 м и 7800 м соответственно. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей очистных работ, в качестве основных для пологих пластов на шахтах РФ применяются и в обозримом будущем будут применяться технологические схемы подготовки выемочных участков спаренными выработками с неизвлекаемыми целиками между ними. При этом, длина лавы и длина столба будут определяться возможностями очистных механизированных комплексов и горно-геологическими условиями шахт.

При отработке свит пластов временной промежуток между началом ведения горных работ на действующем горизонте и переходом на нижележащие пласты может достигать более 10 лет. В связи с этим, схемы подготовки выемочных участков, а также планирование горных работ при переходе на сближенные пласты могут незначительно отличаться. Так, на шахтах, разрабатывающих свиты пологих угольных пластов с оставлением межлавных целиков, ширина выемочных участках на сближенных пластах, как правило, различна. При использовании подобных технологических

Рисунок 14 - Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки пластов 1, 3-3 а и 6 с оставлением целиков со смещением

и»« 0.1« 0 -о ^Ж -о ^^Л -0 -о ^Н 0 1 91 ^ \ -

^Н -0 ^Ж -0 ^Н -0 -о НН -о 1 00* / / ОМ ю7 у ; Д

Щ -0 -0 -о 003 1 1 I {

V г . г . -—>■ о - .......| —,. ......

Рисунок 15 - Поля горизонтальных растягивающих деформаций на этапе отработки пластов 1, З-За и 6 с оставлением целиков расположенных соосно

- вышележащим пласт;

- нижележащим пласт.

Рисунок 12 - Расположение выемочных участков по пластам: а) Бреевский и Байкаимский (шахты Комсомолец и 7 Ноября); б) Тройной и Четвертый (шахта Воркутинская); в) пласт З-За (шахта Алардинская).

целики

Пласт 1

Пласт З-За Пласт 6

Рисунок 13 — Расчетная схема отработки свиты пластов 1, З-За и 6 №3

решений, связанных с увеличением ширины выемочных участков, межлавные целики формируются по действующему пласту с некоторым смещением относительно межлавных целиков на сближенных, ранее отработанных пластах. Анализ планов горных работ целого ряда шахт Кузнецкого и Печорского бассейнов показал, что в настоящее время целики на сближенных пластах оставляются, во многих случаях, бессистемно (рисунок 12 а, б), различных геометрических форм и размеров (рисунок 12 в).

Результаты проведенных ранее исследований НДС массива и его изменений в процессе отработки свиты пластов в условиях шахты «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» демонстрируют создание благоприятных условий для формирования аэродинамических связей между выработанными пространствами в окрестностях расположений межлавных целиков угля по сближенным пластам. В условиях шахты «Алардинская» целики угля, оставленные со смещением относительно целиков по пласту 3-За, располагаются непосредственно под выработанными пространствами пласта З-За, в зонах надработки.

С целью определения взаимовлияния межлавных целиков на сближенных пластах и формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами пластов в свите были проведено исследовании напряженно-деформированного состояния и его изменений в процессе отработки пластов по двух схемам (рисунок 6, 13) расположения межлавных целиков по пластам 1, 3-3 а и 6.

Результаты моделирования показывают, что при отработке свиты пластов в условиях шахты «Алардинская» с оставлением целиков на сближенных пластах со смещением относительно друг друга в междупластьях пластов по всей площади формируются зоны предельных горизонтальных растягивающих деформаций в хаотичном порядке (рисунок 14).

В данной ситуации степень надежности изоляции выработанного пространства резко снижается, так как аэродинамическая связь может сформироваться между любыми выработанными пространствами на сближенных пластах, осложняя

контроль над утечками воздуха в выработанные пространства, а также обнаружение очага самовозгорания.

Картина распределения зон предельного состояния массива вследствие отработки свиты пластов с соосным расположением межлавных целиков показывает иной характер формирования зон повышенной трещиноватости (рисунок 15). Подобное расположение целиков обеспечивает уплотнение пород в междупластьях пластов непосредственно между целиками, обеспечивая тем самым дополнительную изоляцию пород междупластья от смежных выработанных пространств. Такое взаимное расположение целиков не исключает формирование перетоков газовоздушных смесей полностью, но определяет их четкие границы формирования, снижая трудоемкость определения местоположения очагов самовозгорания в случае их возникновения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи обоснования параметров технологических схем интенсивной совместной отработки пологих сближенных газоносных угольных пластов, склонных к самовозгоранию, обеспечивающих эффективность и безопасность подземной угледобычи. Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей очистных работ, в качестве основных для пологих пластов на шахтах РФ применяются и в обозримом будущем будут применяться системы разработки длинными столбами с подготовкой выемочных участков спаренными выработками с неизвлекаемыми целиками между ними.

2. При интенсивной отработке свит газоносных пластов длинными столбами абсолютное метановыделение на выемочных участках может превышать 100 м3/мин, поэтому для эффективного управления газовыделением необходимо совместное применение вентиляции, дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси.

3. При использовании комбинированных схем проветривания выемочных участков с изолированным отводом метановоздушной смеси объемы утечек воздуха через выработанное пространство могут достигать 500 м3/мин и более, размеры проветриваемой части выработанного пространства - до 1500 метров, а время проветривания - более 300 суток, что при наличии аэродинамической связи между выработанными пространствами сближенных пластов повышает опасность самовозгорания угля в выработанном пространстве.

4. Убытки от эндогенных пожаров могут достигать 0,5 - 10 млрд. руб. и более, в том числе от простоев современного оборудования - до 40 млн. руб./сут.

5. При выборе очередности отработки пластов, склонных к самовозгоранию, необходимо учитывать возможность формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью. В случае формирования связи, очередность выемки пластов целесообразно изменить таким образом, чтобы аэродинамическая связь не формировалась, либо формировалась лишь на заключительном этапе отработки пластов в свите.

6. При использовании систем разработки пластов длинными столбами с оставлением ленточных целиков и анкерном креплении выработок после прохода лавы на границе целик-выработанное пространство сохраняется остаточное сечение выработки, по которому возможно движение воздуха на всем протяжении отработанной части выемочного столба.

7. Показано, что в условиях шахты «Алардинская» при соосном расположении межлавных ленточных целиков на сближенных пластах минимизируется взаимное влияние выработанных пространств.

8. Разработаны методические рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов, склонных к самовозгоранию, обеспечивающие снижение взаимного влияния сближенных пластов с точки зрения формирования аэродинамической связи между выработанными пространствами.

9. Реализация разработанных рекомендаций позволяет при сохранении высоких нагрузок на очистные забои получить экономический эффект от исключения затрат на ликвидацию аварий, связанных с самовозгоранием угля в выработанном пространстве и снижения связанных с этим простоев оборудования.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки России:

1. Тюрнин В.А. Обоснование параметров подготовки выемочных участков угольных пластов на шахте «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» в условиях высокой метанообильности// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - №4. -С. 407-411.

2. Казанин О.И. Оценка влияния горнотехнических факторов на эндогенную пожароопасность при отработке свит сближенных угольных пластов / О.И. Казанин, A.A. Сидоренко, В.А. Тюрнин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №4. -С. 22-27.

3. Казанин О.И. Обоснование пространственно-планировочных решений при отработке свит пологих пластов, склонных к самовозгоранию / О.И. Казанин, A.A. Сидоренко, В.А. Тюрнин // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2014,-№4.-С. 23-27.

В прочих изданиях:

4. Казанин О.И. Оценка возможности формирования аэродинамической связи при отработке сближенных склонных к самовозгоранию пластов на шахте «Алардинская» ОАО «ОУК Южкузбассуголь» / О.И. Казанин, A.A. Сидоренко, В.А. Тюрнин // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 10-ой межрегиональной научно-практической конференции 11-13 апреля 2012 г.: Воркутинский горный институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» - Воркута, 2012. - С. 43-47.

РИЦ Горного университета. 24.04.2014. 3.350. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Тюрнин, Владимир Алексеевич, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201460149 „

На правах рукописи

ТЮРНИН Владимир Алексеевич

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Казанин Олег Иванович

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................9

1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах Кузбасса......................................................................9

1.2 Анализ технологических схем отработки свит пластов на шахтах................11

1.3 Анализ аварий на шахтах, связанных с самовозгоранием угля......................15

1.4 Анализ научных исследований и нормативной базы по отработке свит пластов, склонных к самовозгоранию.....................................................................23

1.5 Выводы по главе 1...............................................................................................39

2 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВОГО РЕЖИМА ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ СВИТ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ..............................................................................................,.......................41

2.1 Общие положения................................................................................................41

2.2 Исследование газового режима при отработке свиты пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»..............................................................................................42

2.3 Исследование газового режима при отработке свиты пластов на шахте Алардинская ОАО «ОУК Южкузбассуголь».........................................................63

2.4 Выводы по главе 2...............................................................................................78

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ СВИТ ПЛАСТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН ТРЕЩИНОВАТОСТИ МАССИВА.....................................................................................................................81

3.1 Общие положения................................................................................................81

3.2 Исследование взаимовлияния сближенных пластов на формирование аэродинамической связи верхнего пласта в свите с земной поверхностью........87

3.3 Исследование взаимовлияния параметров подготовки выемочных участков на формирование аэродинамической связи между выработанными пространствами смежных пластов и дневной поверхностью.............................118

3.4 Исследование влияния расположения межлавных целиков при отработке сближенных пластов склонных к самовозгоранию на формирование зон повышенной трещиноватости...............................................127

3.5 Выводы по главе 3.............................................................................................140

4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРИ ОТРАБОТКЕ СВИТ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ, СКЛОННЫХ К САМОВОЗГОРАНИЮ...............................................................................................143

4.1 Обоснование очередности отработки пластов в свите..................................143

4.2 Обоснование параметров подготовки выемочных участков........................146

4.3 Обоснование взаимного расположения целиков на сближенных пластах.. 150

4.4 Экономическая оценка разработанных рекомендаций..................................152

4.5 Выводы по главе 4.............................................................................................157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение уровня концентрации горных работ и рост производительности очистных забоев на угольных шахтах России сопровождаются недопустимо высоким уровнем аварийности и травматизма, более чем на порядок превышающим соответствующие показатели шахт мирового и европейского уровня. В условиях современных угольных шахт Кузбасса при отработке свит пологих пластов несовершенство применяемых технологических схем, способов управления газовыделением и недостаточный учет взаимовлияния сближенных пластов в ряде случаев приводит к неуправляемым притокам воздуха в выработанные пространства отрабатываемых пластов и формированию там очагов самовозгорания угля. В свою очередь, очаг самовозгорания может явиться источником воспламенения и взрыва метана, что неоднократно имело место на шахтах Кузбасса за последнее десятилетие. Количество аварий на шахтах, связанные с самовозгоранием угля составляют 59,9% от общего числа. Большая часть подобных аварий приходится на шахты в Кузнецком бассейне (75,5%). Несмотря на тенденцию ежегодного снижения частоты возникновения подобных аварий, возрастает степень тяжести аварий, в том числе и смертельный травматизм.

Решению задач обеспечения эффективной разработки свит пластов посвящены работы A.A. Борисова, Я.А. Бича, В.В. Зубкова, В.П. Зубова, М.А. Иофиса, О.В. Ковалева, С.Т. Кузнецова, A.M. Линькова, И.М. Петухова, А.Н. Шабарова и др. Отработка пластов, склонных к самовозгоранию, рассмотрена в работах Л.П. Белавенцева, Ю.Ф. Булгакова, B.C. Веселовского, Е.И. Глузберга, В.В. Егошина, В.Г. Игишева, В.К. Костенко, Н.И. Линденау, В.Н. Маевской, В.Б. Попова, В.А. Портолы, A.A. Скочинского и др. В то же время авторы не рассматривали в комплексе совокупное влияние сближенности и эндогенной пожароопасности при отработке свит пластов. Действующие отраслевые нормативные документы отдельно рассматривают вопросы отработки свит пластов и отработку пластов, склонных к самовозгоранию. Сближенность пластов отмечена как один из факторов, влияющих на эндогенную пожароопасность, но

без указания степени влияния и зависимости опасности самовозгорания от параметров технологических схем отработки пластов.

Основные задачи исследований:

1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки свит пластов на шахтах Кузбасса.

2. Исследования газового режима выемочных участков при интенсивной отработке свит пологих пластов длинными столбами.

5. Оценка эффективности и определение области применения разработанных рекомендаций.

Методы исследовании. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий обобщение и анализ теории и практики

отработки пластов, склонных к самовозгоранию и отработки свит пластов длинными столбами; натурные исследования процессов управления газовыделением при отработке свит пологих пластов; экспериментально-аналитические исследования влияния параметров технологических схем на напряженно-деформированное состояние массива при интенсивной отработке свит пластов; компьютерная обработка данных.

Научная новизна:

Основные защищаемые положения:

1. Очередность отработки пологих газоносных пластов в свите следует принимать с учетом склонности пластов к самовозгоранию и возможности формирования аэродинамической связи выработанного пространства пластов с поверхностью; в случае формирования связи, очередность выемки пластов целесообразно изменить таким образом, чтобы аэродинамическая связь не формировалась, либо формировалась лишь на заключительном этапе отработки пластов в свите.

Практическая значимость работы:

■ Разработаны рекомендации по определению очередности отработки пологих газоносных угольных пластов в свите длинными столбами при склонности пластов к самовозгоранию.

■ Разработаны рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов, склонных к самовозгоранию.

■ Разработаны рекомендации по выбору взаимного расположения целиков на сближенных пластах, склонных к самовозгоранию, при их совместной отработке

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций.

Достоверность защищаемых положений, основных выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом данных натурных наблюдений, использованием современных апробированных методов исследований; удовлетворительной сходимостью результатов натурных и численных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, 2011 г.); ежегодной Международной конференции на базе Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2011 г.); Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2012» (Москва, 2012 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2010-2013 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах, из них 3 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 168 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 источников, включает 53 рисунка и 16 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах Кузбасса

Кузнецкий угольный бассейн занимает обширную впадину (котловину), ограниченную с северо-востока горными сооружениями Кузнецкого Алатау, с юга поднятиями Горной Шории, с юго-запада Салаирским кряжем. Общая площадь угленосных отложений 23 тыс. км", наибольшая длина 335 км, ширина 110 км. Угленосные отложения представлены комплексом осадочных пород общей мощностью до 9 тыс. м и включают более ста рабочих пластов угля. Геологические условия залегания угольных пластов Кузнецкого бассейна чрезвычайно сложные. Вследствие интенсивных давлений, действующих главным образом со стороны Салаирского кряжа, геологические условия характеризуются большими нарушениями продуктивной толщи.

В Кузнецком бассейне подземная разработка угля ведется в 11 угольных районах, отличающихся большим разнообразием горно-геологических условий, которые по возрасту угленосных отклонений делятся на две группы:

• районы, сложенные Кольчугинской серией, с молодыми слабо

метаморфизованными углями (марки Д, Г, ГЖ, Ж);

• районы, сложенные Балахонской серией, с более зрелыми и

метаморфизованными углями (марки КЖ, К, К2, ОС, Т).

Общие геологические запасы угля бассейна до глубины 1800 метров оцениваются в 637 млрд.т., из них 548 млрд.т. отвечают параметрам по мощности пластов и зольности угля, принятых кондициями для месторождений, вовлекаемых в промышленное освоение. Балансовые запасы угля Кузнецкого угольного бассейна, подсчитанные до глубины 600 метров, составляют 110,8 млрд.т., из них разведанные по сумме категорий А+В+С1 около 67 млрд.т., предварительно оцененные (категория С2) 44,0 млрд.т.

В юго-западной части Кузнецкого угольного бассейна развиты различно ориентированные брахиформы, в юго-восточной части залегание толщ

моноклинальное. Юрские угленосные отложения слагают крупные пологие брахисинклинали. В каменно-угольных и пермских отложениях содержится около 300 пластов и прослоев угля суммарной максимальной мощностью 380400 метров, из них 126 пластов кондиционной мощности. В тонких пластах (до 1,3 м) около 19% запасов, в средних (1,3-3,5 м) - 43%, в мощных (3,5-10 м) и весьма мощных (до 20-30 м) - 38%). В юрских отложениях вскрыто до 56 платов угля, из них от 5 до 14 мощностью 0,8-9 метров.

По петрографическому составу угли балахонской и кольчугинской серий каменные (с содержанием витринита соответственно 30-60 и 60-90%). Марочный состав каменных углей в соответствии с ГОСТом 8162-79 изменяется от длиннопламенных до антрацитов. Зольность углей Ad 7-20%, влажность рабочая Wr 5-15%, содержание S 0,4-0,6%, R до 0,12%, выход летучих веществ Vdaf от 4% (антрацитов) до 42% (длиннопламенных). Удельная теплота сгорания Qdaf по бомбе 33,3-36,0 МДж/кг, низшая Qjr 22,829,8 МДж/кг.

Действующие угольные шахты являются опасными по газу и угольной пыли. К наиболее газообильным относятся шахты Анжерского, Кемеровского, Прокопьевско-Киселевского и Осинниковского районов. Многие шахты разрабатывают пласты, опасные по горным ударам и склонные к самовозгоранию. Глубина разработки 200-600 и более метров. Около 50% шахтопластов с глубины 150 м относятся к угрожаемым по горным ударам, с глубины 300 м - к выбросоопасным. В 20-30% случаев вмещающие породы анализируемых шахт характеризуются наличием обводненности разрабатываемых пластов с водопритоком от 5 до 160 м/ч. Мощность разрабатываемых пластов колеблется от 0,8 до 30 метров, углы залегания пластов сильно колеблются в зависимости от районов и составляют от 0 до 60 градусов. В большинстве случаев вмещающими породами являются алевролиты, аргиллиты и песчаники. Большая часть шахтопластов является опасной по газовому фактору и относится к III категории метанообильности и выше. Стоит отметить, что угленосные отложения, относящиеся к Кольчугинской серии верхнепермского возраста, содержат 27

пластов общей мощностью более 0,7 м, мощность пластов колеблется в диапазоне от 0,7-0,8 до 4,2-5,8 м, причем 17 угольных пластов еще не разрабатывались. Расстояние между пластами изменяется от 13-20 до 64-90 м, что дает основание в большинстве случаев рассматривать рабочие пласты как сближенные.

Как показывает анализ, наибольшие организационные и финансовые затраты, связанные с инженерной подготовкой выемочных участков на шахтах Кузбасса обусловлены газовым фактором, склонностью угля к самовозгоранию и высокой обводненностью запасов. Следует отметить, что большая часть угольных пластов относится к мощным. С учетом вышеизложенного горно-геологические условия залегания анализируемых шахтопластов следует рассматривать как осложненные одновременно одним-тремя неблагоприятными факторами, а в отдельных случаях как сложные.

1.2 Анализ технологических схем отработки свит пологих пластов на

шахтах

В государственном реестре опасных производственных объектов зарегистрирована 121 угольная шахта, из них добычу осуществляют 84 [107]. На рисунке 1.1 представлено распределение угольных шахт по метанообильности.

Опасные по виезапьш

Сверхкатего выбросам,

16% II категория, ¡категория,

16% 20%

Рисунок 1.1 - Распределение угольных шахт по метанообильности

В настоящее время подземная добыча угля в Российской Федерации характеризуется следующими условиями:

• Доля добычи угля из шахт опасных по метану, внезапным выбросам и горным ударам - 90%;

• Доля пластов опасных по взрывчатости угольной пыли - 91%;

Информация о работе