Обоснование параметров технологических схем отработки свит сближенных пластов в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений

Никифоров, Александр Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование параметров технологических схем отработки свит сближенных пластов в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологических схем отработки свит сближенных пластов в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений"

005552096

На правах рукописи

НИКИФОРОВ Александр Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ СВИТ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ ДИЗЪЮНКТИВНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005552096

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Зубов Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

Мельник Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Горный институт, кафедра подземной разработки пластовых месторождений, заведующий кафедрой

Уразов Денис Владимирович кандидат технических наук, ООО «ГорноХимический нжиниринг», отдел подземных горных работ, ведущий инженер отдела

Ведущая организация - ОАО «ГИПРОШАХТ»

Защита диссертации состоится 26 июня 2014 г. в 11 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, д. 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 СИДОРОВ

диссертационного совета Чг^г Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С развитием металлургической промышленности потребность в коксующихся углях марок К и КО, относящихся к числу дефицитных, возрастает. Вместе с тем их доля в общих запасах угля в Кузнецком бассейне составляет около 18%.

Существенное увеличение объемов добычи углей марок К и КО возможно при вовлечении в отработку свиты сближенных пластов Ольжерасского месторождения, ранее не отрабатывавшихся по фактору «безопасность горных работ».

Практическое значение вопросов, связанных с повышением эффективности отработки сближенных пластов, всегда привлекало внимание как отдельных ученых, так и крупных научных коллективов, таких как ВНИМИ, ИГД им. A.A. Скочинского, ДонУГИ, МГГУ и других. Значительный вклад в решение задач, связанных с исследованием параметров и совершенствованием технологий совместной отработки сближенных угольных пластов, внесли A.A. Борисов, Н.П. Бажин, Н.К. Гринько, М.П. Зборщик, В.П. Зубов, О.В. Ковалев, A.M. Линьков, И.М. Петухов, В.В. Зубков, Т.Ф. Горбачев, Э.Ф. Мельников, О. Якоби, А. Роберте и др.

Вместе с тем изученность рассматриваемых вопросов не позволяет эффективно и безопасно отрабатывать сближенные угольные пласты на газовых шахтах в пределах участков шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями. Как правило, при использовании на данных участках технологических схем, основанных на прогрессивных системах разработки пластов длинными столбами по простиранию, технико-экономические показатели угледобычи существенно снижаются.

Цель работы. Обоснование технологических схем совместной отработки в восходящем порядке сближенных пластов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, позволяющих повысить технико-экономические показатели шахт при использовании прогрессивных систем разработки длинными столбами.

Идея работы. При использовании технологических схем, основанных на прогрессивных системах разработки пластов длин-

ными столбами, последовательность отработки столбов и их расположение в пределах выемочных блоков следует принимать с учетом влияния дизъюнктивных геологических нарушений на параметры зон разгрузки горного массива, формирующихся над выработанным пространством лав.

Основные задачи исследований:

- оценка перспектив использования прогрессивных технологических схем отработки сближенных пластов на газовых шахтах;

- исследование влияния очередности отработки столбов по подрабатывающему пласту на параметры защищенных зон в вышерасположенном пласте;

- обоснование требований к технологиям отработки свит сближенных пластов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, при использовании систем разработки длинными столбами;

- разработка технологических схем и календарных планов совместной отработки свит сближенных пластов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями;

- определение параметров технологических схем совместной отработки свит сближенных пластов в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений.

Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение ранее опубликованных работ по вопросам отработки свит сближенных пластов в восходящем порядке; систематизацию типовых дизъюнктивных геологических нарушений, характерных для угольных месторождений; экспериментальные исследования влияния дизъюнктивных нарушений на ведение горных работ; аналитические исследования влияния геологических и горнотехнических факторов на параметры зон пониженных напряжений.

Научная новизна:

до 20° приводит к уменьшению величины неснижаемого опережения очистных работ в сближенных пластах;

- установлена зависимость неснижаемого опережения очистных работ в защитном пласте, отрабатываемом с использованием систем разработки длинными столбами, от последовательности отработки столбов между геологическими нарушениями.

Основные защищаемые положения:

1. Повышение эффективности использования прогрессивных систем разработки длинными столбами при опережающей выемке защитного подрабатывающего пласта на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, достигается при расположении выемочных столбов параллельно геологическим нарушениям;

2. При восходящем порядке выемки сближенных пластов и использовании систем разработки длинными столбами календарные планы ведения работ по подрабатываемому пласту необходимо принимать с учетом угла падения сместителя дизъюнктивного геологического нарушения, последовательности отработки выемочных столбов в защитном пласте между смежными геологическими нарушениями и реализуемого варианта системы разработки;

3. Использование рекомендуемых технологических схем совместной разработки в восходящем порядке свит сближенных угольных пластов позволяет повысить эффект защитного воздействия на вышерасположенный пласт опережающей выемки подрабатывающего пласта, а также минимизировать сроки ввода в экономически эффективную отработку защищаемого вышерасположенного пласта.

Практическая значимость работы:

- обоснована последовательность отработки столбов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, обеспечивающая получение максимального защитного эффекта при опережающей выемке нижерасположенного пласта;

- установлено влияние на параметры защищенных зон по подрабатываемому пласту угла падения сместителя дизъюнктивного геологического нарушения;

- разработан календарный план отработки сближенных угольных пластов III и VI, реализация которого позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели шахты «Распад-ская-Коксовая» и повысить объемы добычи углей дефицитных марок К и КО.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается использованием апробированных аналитических методов при исследовании влияния геологических и горнотехнических факторов на параметры защищенных зон по подрабатываемому пласту; подтверждением основных выводов и рекомендаций фактическими данными, полученными при проведении шахтных исследований; использованием современных методов обработки полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодной Международной конференции на базе Краковской горно-металлургической академии (г. Краков, Польша, 2012 г.); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка - 2012» (Москва, 2012 г.); Международной конференции на базе Фрайбергского технического университета (г. Фрайберг, Германия, 2013 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора. Обоснованы основные задачи исследований, проведены шахтные и аналитические исследования, сформулированы защищаемые положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 - в рекомендуемых ВАК Минобрнауки России изданиях, получено положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 150 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 83 источников, включает 99 рисунков и 12 таблиц.

при выполнении работы, инженерно-техническим работникам шахты «Распадская-Коксовая» за оказанную помощь при проведении шахтных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность работы, сформулированы цель исследования, его идея и задачи.

Первая глава диссертации содержит геолого-техническую характеристику Ольжерасского месторождения, а также анализ особенностей геологического и тектонического строения поля шахты «Распадская-Коксовая», имеющего сильную геологическую нару-шенность. Рассмотрено состояние горных работ на шахте «Распадская-Коксовая» и планирование их дальнейшего развития с учетом нарушенное™ шахтного поля.

Вторая глава посвящена исследованию технологических схем отработки свит пологих сближенных пластов в восходящем и нисходящем порядке. Рассмотрены факторы, влияющие на параметры зон опорного давления и зон разгрузки, формирующихся при отработке сближенных пластов, а также критерии, используемые при определении границ защищенных зон, образующихся при подработке опасного пласта защитным.

В третьей главе приведены результаты численного моделирования горных работ в нарушенном массиве. Рассмотрены различные варианты ведения работ и их влияние на напряженное состояние массива и параметры защищенных зон по подрабатываемому пласту.

Четвертая глава посвящена обоснованию рекомендуемой технологической схемы совместной отработки в восходящем порядке сближенных пластов III и VI в условиях шахты «Распадская-Коксовая» и технико-экономической оценке данной схемы.

В заключении приведены основные выводы по работе.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

При использовании прогрессивных систем разработки длинными столбами в горно-геологических условиях шахты «Распад-ская-Коксовая» по защитному пласту VI и вышерасположенному защищаемому пласту III возможно применение двух вариантов - с расположением выемочных столбов по простиранию пласта (рисунок 1) и с расположением выемочных столбов параллельно смести-

телям дизъюнктивных геологических нарушений (рисунок 2).

работки длинными столбами по простиранию (поле №2 шахты «Распадская-Коксовая»): 8-8, 7-7, 6-6, 3-3, 5-5 - дизъюнктивные геологические нарушения

Выполненные исследования показали, что вариант с расположением выемочных столбов по простиранию пласта (рисунок 1) характеризуется низкой эффективностью защитного воздействия опережающей отработки нижерасположенного пласта VI. Суммар-

ная площадь зон пониженных напряжений по пласту III при использовании по пласту VI системы разработки длинными столбами по простиранию составит около 11% площади отрабатываемых выемочных столбов по пласту III при оставлении между столбами целиков угля; 40% - при применении технологий без оставления целиков угля в выработанном пространстве лав.

Зоны пониженных напряжений (рисунок 1), образовавшиеся по пласту III после подработки его лавами пласта VI, имеют незначительные размеры, а их расположение в средних частях столбов, не создающее условий для экономически эффективного и безопасного ведения горных работ по пласту III, нельзя оценить как положительный результат опережающей подработки.

При реализации варианта с расположением выемочных столбов параллельно сместителям дизъюнктивных геологических нарушений (рисунок 2) значения данного показателя возрастают до 5560%.

Рисунок 2 - Отработка пластов длинными столбами, расположенными параллельно геологическим нарушениям

К существенным достоинствам варианта с расположением выемочных столбов параллельно сместителям дизъюнктивных геологических нарушений (рисунок 2) относятся также уменьшение продолжительности простоев лав и затрат на монтажно-демонтажные работы в лавах, снижение потерь угля и повышение безопасности горных работ.

В условиях поля №2 шахты «Распадская-Коксовая» использование данной схемы позволяет уменьшить общее число перемонтажей лав продолжительностью 20-60 суток на 25-30%, потери угля в целиках - на 14%. Следует подчеркнуть, что при использовании современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов экономические ущербы, связанные с простоями лавы в течение одних суток, составляют 30-32 млн. руб. и более. Уменьшение потерь угля обусловлено геометрической формой целиков, оставляемых у геологических нарушений, позволяющей минимизировать потери угля, которые особенно нежелательны при разработке коксующихся углей ценных марок К и КО. Сравнение технико-экономических показателей рассмотренных вариантов расположения столбов приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Технико-экономические показатели при разных вариантах

расположения столбов относительно геологических нарушений

Показатели Расположение столбов

Параллельно линии простирания пласта Параллельно геологическим нарушениям

Величина разгруженных зон от общей площади выемочных столбов, % 11 60

Потери угля в целиках, % 52 38

Количество перемонтажей 24 16

Продолжительность простоев, связанных с демонтажем очистного комплекса, суток 720 480

Потери добычи от простоев, млн. т 7,2 4,8

Анализ результатов, приведенных в таблице доказывает, что при расположении выемочных столбов параллельно геологическим нарушениям повышается эффективность использования про-

грессивных систем разработки длинными столбами при опережающей отработке защитного подрабатывающего пласта на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями.

2. При восходящем порядке выемки сближенных пластов и использовании систем разработки длинными столбами календарные планы ведения работ по подрабатываемому пласту необходимо принимать с учетом угла падения сместителя дизъюнктивного геологического нарушения, последовательности отработки выемочных столбов по защитному пласту между смежными геологическими нарушениями и реализуемого варианта системы разработки.

Разработка эффективных календарных планов ведения горных работ в сближенных пластах практически невозможно без знания параметров и местоположения по защищаемому вышерасположенному пласту зон пониженных напряжений.

Особую актуальность этот вопрос приобретает при ведении очистных работ на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями. Исследования параметров разгруженных зон по пласту III проведены при использовании прогрессивных вариантов систем разработки длинными столбами для следующих случаев:

- при оставлении целиков между выемочными столбами;

- при бесцеликовой отработке пласта (рисунок 3) в варианте, разработанном В.П. Зубовым, Г.И. Козовым, В.Е. Зайденваргом;

- при разной последовательности отработки выемочных столбов, расположенных между дизъюнктивными геологическими нарушениями.

В качестве основного метода исследований параметров зон пониженных напряжений по подрабатываемому пласту принято численное моделирование, основанное на применении метода граничных элементов. Принятые расчетные схемы основаны на результатах анализа возможных горнотехнических ситуаций, возникающих в процессе отработки сближенных пластов на шахте «Рас-падская-Коксовая».

Рисунок 3 - Система разработки пологого угольного пласта без оставления целиков угля в выработанном пространстве: 1,2 - сдвоенные участковые подготовительные выработки; 3 -повторно используемая участковая подготовительная выработка; 4 - воздуховод для отработанной струи.

Для проведения исследований была разработана блок-схема, приведенная на рисунке 4. Исследования проведены для участков шахтного поля, осложненных надвигами с различными значениями углов падения плоскости сместителя, с амплитудами нарушений до 5 м. Расстояние от краевых частей столбов до сместителя геологического нарушения принималось равным 20, 30 и 50 м. Ширина целиков, оставленных между выемочными столбами, составила 30 м. Расстояние между пластами III и VI принято равным 80 м.

В качестве характеристики напряженного состояния горного массива использован средний уровень действующих в породах напряжений, определяемый как

Сер = Ох + су + стг)/3 (1)

где сх, сту, ст7 - компоненты напряжений по соответствующим осям, МПа.

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма проведения исследований

Выполненные исследования показали, что с уменьшением угла падения плоскости сместителя ф) напряженно-деформированное состояние горного массива приближается к напряженно-деформированному состоянию массива, не осложненному дизъюнктивными геологическими нарушениями. Между рассматриваемыми состояниями горного массива при решении практических задач, связанных с определением местоположения и параметров зон разгрузки в подрабатываемых пластах, может быть поставлен знак равенства при величинах угла (3 менее 5°. При величинах данного угла равных 20° площади зон пониженных напряжений по верхнему пласту (рисунок 5), определенные для участков шахтных полей, осложненных геологическими нарушениями, могут увеличиваться в несколько раз.

..... " ...........———'—"«И"..............................IUI......^ШШЖЕКЖлГвЯ'.аШ!

Рисунок 5 - Распределение напряжений в подрабатываемом массиве при угле падения сместителя нарушения 20° и применении системы разработки с оставлением межлавных целиков.

Исследование влияния последовательности отработки столбов по защитному пласту VI на напряженно-деформированное состояние подрабатываемого пласта III показало, что независимо от применяемого варианта системы разработки больший разгружающий эффект достигается при отработке столбов от висячего бока одного нарушения к лежачему боку смежного нарушения. При таком порядке выемки столбов (обратном порядке) обеспечиваются большие, по сравнению с прямым порядком, площади зон пониженных напряжений по подрабатываемому пласту и возможность более быстрого ввода его в отработку. Так, при выемке столбов в блоке 1 (рисунок 2) в последовательности 3.1.3-3.1.2-3.1.1 очистные работы по защищаемому пласту могут быть начаты после отработки столба 3.1.3. При отработке столбов в данном блоке в прямом порядке, начиная с 3.1.1, необходимая площадь разгруженной зоны по пласту III создается после отработки по пласту VI двух столбов- 3 1 1 и 3.1.2.

Оставление целиков между выемочными участками на защитном подрабатывающем пласте оказывает влияние на формирование разгруженных зон при количестве выемочных столбов больше трех. В таком случае на защищаемом пласте отмечаются зоны по-

вышенных напряжений от оставленных на защитном пласте целиков.

Существенное влияние на степень разгрузки подработанного массива и параметры разгруженных зон оказывает система разработки, применяемая на защитном пласте. При этом при ведении очистных работ в блоках 1 и 2 (рисунок 2) больший эффект достигается при использовании варианта системы разработки с оставлением целиков угля между столбами. При отработке блока 3 (рисунок 2) с размером по простиранию 1100 м более эффективными по фактору разгрузки подработанного пласта III являются бесцеликовые системы разработки.

В качестве примера на рисунке 6 представлен график распределения напряжений в плоскости подрабатываемого пласта III на различных стадиях отработки шахтного поля при комбинированной

схеме выемки столбов в блоках 1-3

Я 11

W5 < \г\ \ V^r......5 0 VVt......

\ \ Л г АЛ 'Щ v М V XN^'O/ \

0 ,8 7 2 6 3 Расстояние, км 3

,./••' II III IV V MV VII VIII IX X XI XII м\

8 7 Блок 1 б' 3" Блок 2 БлокЗ Блок 4

Пл. III Пл. VI

Рисунок 6 - Распределение напряжений в плоскости подрабатываемого пласта III при использовании комбинированной системы разработки пласта VI без оставления целиков в блоке 3 и с оставлением целиков в блоках 1 и 2: 1-3, 4-5, 6-10, 11-12 соответственно при отработке столбов I-III, IV-V, VI-X, XI-XII.

ствия на вышерасположенный пласт опережающей выемки под-

рабатывающего пласта, а также минимизировать сроки ввода в экономически эффективную отработку защищаемого вышерасположенного пласта.

Рекомендуемая технологическая схема совместной отработки в восходящем порядке сближенных пластов III и VI характеризуется следующими техническими решениями: шахтное поле разделено на блоки (рисунок 7), границами которых являются геологические нарушения; отработку основных блоков 1-4 ведут с использованием системы разработки длинными столбами, расположенными параллельно нарушениям; при отработке блоков 1, 2 и 4 между столбами оставляют целики угля; блок 3 отрабатывают без оставления целиков угля в выработанном пространстве; при отработке всех блоков выемочные столбы отрабатывают в обратном порядке.

Рисунок 7 - Отработка пласта III при последовательной выемке столбов по пласту VI в обратном порядке: 1 - наиболее продолжительное влияние пониженных напряжений (до 2-х лет), 2 - продолжительное влияние (около года), 3 - продолжи-

тельность влияния менее года.

Реализация предлагаемых технических решений обеспечивает:

- максимальный эффект защитного воздействия опережающей отработки защитного пласта VI на вышерасположенный пласт III, ха-

рактеризующиися высокой газоносностью пласта и вмещающих пород;

- минимальные сроки ввода в экономически эффективную отработку защищаемого пласта III, характеризующегося высокими потребительскими свойствами углей марок К и КО.

При обосновании календарного плана ведения очистной выемки по пласту П1 (рисунок 7) величины неснижаемого опережения горных работ по защитному пласту VI определяется с учетом данных, представленных на рисунке 6, из условия опережающего формирования по пласту III зон разгрузки с размерами, достаточными для размещения в них выемочных столбов.

Экономическая эффективность рекомендуемой технологической схемы оценивалась по следующим показателям: чистая прибыль (ЧП*), чистый дисконтированный доход (ЧДД), индекс доходности (ИД) и срок окупаемости вложений (Ток).

лс, ^

Ц-С

ЧПк = Znpk

Z v

\ промк J

(1-Я) (2)

ЧПк+Ак

к= 1

ЧПк+Ак

ид=—

(1+rf1 (4)

К Kl

т =

ш1ь (5)

' ' сут

Для рассматриваемых горно-геологических условий ЧПк = 28,8 млн. руб., ЧДД = 150,8 млн. руб., ИД = 1675, ТОК = 1,49 года, что свидетельствует о высокой экономической эффективности рекомендуемой технологической схемы совместной отработки сближенных пластов III и VI в рассмотренных горно-геологических условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи - разработки технологической схемы совместной отработки в восходящем порядке сближенных угольных пластов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, позволяющей повысить технико-экономические показатели шахты при использовании прогрессивных систем разработки длинными столбами.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. При использовании технологических схем, основанных на прогрессивных системах разработки пластов длинными столбами, последовательность выемки столбов и их расположение в пределах выемочных блоков следует принимать с учетом влияния дизъюнктивных геологических нарушений на параметры зон разгрузки горного массива, формирующихся над выработанным пространством лав. Неучет данного фактора может приводить к ошибкам при определении геометрических параметров защищенных зон, а, следовательно, и величин неснижаемого опережения очистных работ по подрабатывающему пласту до 50-60% и более;

2. При отработке защитного подрабатывающего пласта в лежачем боку дизъюнктивного геологического нарушения увеличение угла падения сместителя геологического нарушения от 5° до 20° приводит к уменьшению величины неснижаемого опережения очистных работ на сближенных пластах;

3. При использовании систем разработки длинными столбами существенное влияние на величину неснижаемого опережения очистных работ на подрабатывающем пласте оказывает последовательность отработки столбов: минимальные значения неснижаемого опережения соответствуют ситуации, при которой отработка столбов ведется в направлении от висячего бока ¡-го геологического нарушения к лежачему боку смежного геологического нарушения;

4. При отработке пологих пластов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, ори-

ентированными под острыми углами к линии падения пласта, повышение эффективности использования систем разработки длинными столбами достигается при расположении выемочных столбов параллельно геологическому нарушению. Выполнение данной рекомендации в условиях шахты «Распадская-Коксовая» позволяет уменьшить потери угля на 10-14%, в 1,5-2 раза уменьшить затраты на монтажно-демонтажные работы, увеличить площади защищенных зон по подрабатываемому пласту;

5. К числу факторов, оказывающих максимальное влияние на разработку календарных планов выемки участков шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, относятся: ориентация геологических нарушений относительно линии падения пласта и угол падения сместителя нарушения. Планирование горных работ по пластам III и VI в условиях шахты «Распадская-Коксовая» с учетом указанных факторов позволяет минимизировать сроки ввода в отработку подрабатываемого пласта III и повысить безопасность труда при работах в подработанном пласте;

6. Результаты выполненных исследований могут быть использованы на шахте «Распадская-Коксовая», ресурсы которой составляют порядка 151,2 млн. тонн угля дефицитных марок К и КО, а также на других шахтах с аналогичными горно-геологическими условиями.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Никифоров A.B. Особенности восходящего порядка отработки свиты пластов, осложненной дизъюнктивными геологическими нарушениями для условий шахты «Распадская-Коксовая» // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013.-№ 12.- С.348-353;

2. Никифоров A.B. Влияние геологических нарушений на планирование горных работ при подземной разработке пологих угольных пластов / A.B. Никифоров // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2014. - № 1. - С. 402-405;

3. Особенности разработки свиты пластов в условиях шахты «Распадская-Коксовая» / A.B. Никифоров // Материалы 2-ой

международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов.: Тула.: ТулГУ. - 2012. - С. 115-119;

4. Nikiforov A.V. Die gelegenheit auf bereitet die moderne methoden abrechnung grenze der gefahrenzone an der verhieb gestörte flöze // Scientific reports on recourse issues. Vol 2. TU Bergademie Freiberg 2013, p 233-237;

5. Никифоров A.B. Проблема выбора порядка отработки свиты пластов, осложненных разрывными геологическими нарушениями, в условиях шахты «Распадская-Коксовая» / A.B. Никифоров // Вестник Забайкальского горного колледжа имени М.И. Агошкова: Агошковские чтения. -2013. - №6. - С. 128-131.

РИЦ Горного университета. 24.04.2014. 3.349. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Никифоров, Александр Владимирович, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

и ?т / ¿.ппе;' ¡1СУ ! -гиииЗ

На правах рукописи

НИКИФОРОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.П. Зубов

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1 АНАЛИЗ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОТРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТЕ «РАСПАДСКАЯ-КОКСОВАЯ».....................................................................................9

1.1 Общая характеристика Ольжерасского месторождения.............................9

1.2 Оценка специфики геологического и тектонического строения поля шахты «Распадская-Коксовая».....................................................................................16

1.3 Анализ фактического состояния и перспектив развития горных работ на шахте «Распадская-Коксовая»......................................................................................23

1.4 Выводы по главе 1.........................................................................................28

2 АНАЛИЗ ПРАКТИЧЕСКОГО ОПЫТА ОТРАБОТКИ СВИТ ПОЛОГИХ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ.........................................................................................30

2.1 Факторы, влияющие на параметры совместной отработки......................30

2.1.1 Критерии, используемые при определении границ зон влияния сближенных пластов при надработке (подработке)...................................................30

2.1.2 Факторы, влияющие на величину опережения очистных работ в защитном пласте.............................................................................................................35

2.2 Особенности проектирования технологических схем отработки сближенных пластов в нисходящем порядке..............................................................45

2.3 Технологические схемы отработки сближенных пластов в восходящем порядке............................................................................................................................63

2.4 Выводы по главе 2..........................................................................................70

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИЗЪЮНКТИВНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ НА ПАРАМЕТРЫ ЗАЩИЩЕННЫХ ЗОН......................................71

3.1 Выбор и обоснование метода исследований..............................................71

3.2 Обоснование расчетных схем для определения параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород в исследуемых зонах..........75

3.3 Выбор критерия влияния подработки.........................................................81

3.4 Результаты численного моделирования......................................................83

3.5 Привязка результатов моделирования к условиям шахтного поля «Распадская-Коксовая»..................................................................................................98

3.6 Выводы по главе 3........................................................................................112

4 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА СОВМЕСТНОЙ

ОТРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ III И VI В УСЛОВИЯХ ШАХТЫ «РАСПАДСКАЯ-КОКСОВАЯ»..................................................................................115

4.1 Разделение шахтного поля на блоки. Выбор очистного оборудования. 115

4.2 Календарные планы горных работ по пластам III и VI при их совместной отработке.......................................................................................................................119

4.3 Технико-экономическая оценка рекомендованных способов................134

4.3.1 Методика технико-экономической оценки............................................134

4.3.2 Результаты оценки эффективности рекомендованных схем...............137

4.4 Выводы по главе 4.......................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................143

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы. Обоснование технологических схем совместной отработки в восходящем порядке сближенных пластов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями, позволяющей повысить технико-экономические показатели шахт при использовании прогрессивных систем разработки длинными столбами.

Идея работы. При использовании технологических схем, основанных на прогрессивных системах разработки пластов длинными столбами, последовательность отработки столбов и их расположение в пределах выемочных блоков следует принимать с учетом влияния дизъюнктивных геологических нарушений на параметры зон разгрузки горного массива, формирующихся над выработанным пространством лав.

Основные задачи исследований:

исследование влияния очередности отработки столбов по подрабатывающему пласту на параметры защищенных зон в вышерасположенном пласте;

Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение ранее опубликованных работ по вопросам отработки свит сближенных пластов в восходящем порядке; систематизацию типовых дизъюнктивных геологических нарушений, характерных для угольных месторождений; шахтные исследования влияния дизъюнктивных нарушений на ведение горных работ; аналитические исследования влияния геологических и горнотехнических факторов на параметры зон пониженных напряжений.

Научная новизна:

- установлено, что при отработке защитного пласта в лежачем боку дизъюнктивного геологического нарушения увеличение угла падения сместителя геологического нарушения в пределах от 5° до 20° приводит к уменьшению величины неснижаемого опережения очистных работ в сближенных пластах;

Основные защищаемые положения:

Практическая значимость работы:

- обоснована последовательность отработки столбов на участках шахтных полей, осложненных дизъюнктивными геологическими нарушениями,

обеспечивающая получение максимального защитного эффекта при опережающей выемке нижерасположенного пласта;

установлено влияние на параметры защищенных зон по подрабатываемому пласту угла падения сместителя дизъюнктивного геологического нарушения;

- разработан календарный план отработки сближенных угольных пластов III и VI, реализация которого позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели шахты «Распадская-Коксовая» и повысить объемы добычи углей дефицитных марок К и КО.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК

Минобрнауки России, получено положительное решение по заявке на изобретение.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных, сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы; инженерно-техническим работникам шахты «Распадская-Коксовая» за оказанную помощь при проведении шахтных исследований.

1 АНАЛИЗ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОТРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ НА ШАХТЕ

«РАСПАДСКАЯ-КОКСОВАЯ»

В ходе работы над диссертацией были предприняты шахтные исследования, направленные на изучение текущего состояния горных работ на шахте «Распадская-Коксовая» и перспектив их развития. В процессе проведения исследований была изучена геологическая, маркшейдерская и технологическая информация, предоставленная инженерно-техническими работниками шахты. Особое внимание было уделено фактам проявления влияния геологических нарушений на ведение горных работ. В результате натурных наблюдений была отмечена особенность, характерная для нарушений, образовавшихся в массивах, сложенных преимущественно песчаниками. Зона раздробленных пород практически отсутствует, она представлена сместителем нарушения и милонитизированными породами в пределах нескольких десятков сантиметров. Ниже рассмотрены особенности геологического строения месторождения, специфика шахтного поля и технологические схемы ведения горных работ на поле шахты «Распадская-Коксовая»

\Л Общая характеристика Ольжерасского месторождения

Стратиграфия и литология

Поле шахты «Распадская-Коксовая» расположено в левобережье р. Ольжерас [61] и относится к Ольжерасскому месторождению Томь-Усинского горнопромышленного района. В геологическом строении участвуют отложения нижней перми (рисунок 1.1). Промышленная угленосность приурочена к отложениям кемеровской свиты (Рхкг).

2ZZ2

r'/yy 5

VT VI*. IV*

222

242

2ZZ2

222

ZZZ

та

v.v/y^

VI«-IX

VII-XIII

xvj

XVII

XXI»)

XXIV XXIV*

SSf,

XXVII

XXV (I XXVin

XXIX

XXX XXX»

1Ш У

>!j)j\ 2> mv?

xxx tx

Х1Л-

XL.II

XLI1I

XLV XLVI

LVI LVII

vvlll MX

LXIII

txiv

Й82

Z350

23Z

ТГ7

та

0.3

Ио.5

шш.

EZ3/

Рисунок 1.1 — Стратиграфический разрез Томь-Усинского района. 1 -гравелиты, 2 - песчаник, 3,4- алевролиты, 3 - крупнозернистые алевролиты, 4 -мелкозернистые алевролиты, 5 - переслаивание песчаника с алевролитом, 6 -

уголь, 7 - долерит, диабаз

Кемеровская свита (рисунок 1.2) включает в себя верхние горизонты верхебалахонской подсерии. Верхней границей свиты является пласт I. За нижнюю границу принята почва пласта XVII . Мощность свиты от 230 до 300 м. Свита включает одиннадцать пластов рабочей мощности, два из которых (III и IV-V) являются самыми мощными (9-10 м), суммарная мощность пластов в свите -42,1 м. Коэффициент угленосности - 15,5%.

Ч»*Э1ПГММ(-.КЯ% Р * >1 п .

Рисунок 1.2 - Стратиграфический разрез Кемеровской свиты в пределах поля шахты «Распадская-Коксовая»

Породы, вмещающие угольные пласты, представлены аргиллитами, алевролитами, реже песчаниками и конгломератами и характеризуются высокой механической прочностью. Коэффициент крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова - песчаников 7-14, алевролитов 4-7, конгломератов 9-14, породных прослоев 1,6-3,8 , углистых аргиллитов 1,5-1,8, углей 1-2.

Продуктивная толща и перекрывающие ее осадки залегают моноклинально, имея северо-западное падение с азимутом 3 00-340 □. Углы падения пластов угля пологие и изменяются от 8 до 12 градусов.

Тектоника

В тектоническом отношении поле шахты «Распадская-Коксовая» и глубокие горизонты Ольжерасского месторождения приурочены к главному моноклиналу Томусинского района.

Продуктивная толща и перекрывающие ее отложения кузнецкой свиты залегают моноклинально, имея северо-западное падение с азимутом 300-340 □. Углы падения пластов угля изменчивы, причем отмечаются две закономерности:

1. Углы падения увеличиваются от верхних пластов к нижним. Так, в пределах горизонта +260 м (абс.) углы падения по пластам III, IV-V, VI не превышают 18-22°, по нижним пластам XII - XVII углы падения увеличиваются до 25-28°, в отдельных случаях до 30° и более. На северо-восточном фланге шахтного поля угол падения пластов достигает на выходах (на ограниченной площади) 50-60°.

2. Углы падения всех пластов уменьшаются с глубиной от выходов пластов под наносы. Так углы падения на горизонте +260 м (абс.) колеблются от 18-22° до 25-30°, с увеличением глубины залегания углы падения пластов выполаживаются и уменьшаются до 5-10° (по верхним пластам) и 10-15° - по нижней группе пластов.

Общее моноклинальное залегание пород осложнено четырьмя складками: Усинской, Сосновской, Ольжерасской и Кузнецкой. Кроме названных крупных складок в пределах главного моноклинала наблюдается дополнительная складчатость, выраженная в виде волнистости и мелких пологих складок.

Разрывные нарушения в данном районе различны по масштабу — от едва заметных трещин до региональных разломов протяженностью более 100 км и амплитудой до 2-3 км, иногда и более. Почти все крупные и подавляющее большинство средпеамплитудных разрывов представлены взбросами и надвигами.

Крупные разрывные нарушения образуют четыре четко ориентированные региональные системы. Мелкие нарушения отличаются разнообразной морфологией и беспорядочной ориентировкой. Наряду со взбросами и надвигами встречаются сбросы, сдвиги и комбинированные формы.

Основные типы дизъюнктивных геологических нарушений на Ольжерасском место�

Информация о работе

Никифоров, Александр Владимирович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2014
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование параметров технологических схем отработки свит сближенных пластов в зонах влияния дизъюнктивных геологических нарушений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы