Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров технологии отработки пологих пластов под территориями сельскохозяйственного значения

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров технологии отработки пологих пластов под территориями сельскохозяйственного значения"

На правах рукописи

МЕШКОВ Анатолий Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ

ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ ПОД ТЕРРИТОРИЯМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

ЗНАЧЕНИЯ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г дек 2013

Санкт-Петербург - 2013

005543473

005543473

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:

Мельник Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Московский государственный горный университет", кафедра подземной разработки пластовых месторождений, заведующий кафедрой

Пихконен Леонид Валентинович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам граждапской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий", кафедра горноспасательного дела и взрывобезопасности, заведующий кафедрой

Ведущая организация - ОАО «Гнпрошахт».

Защита диссертации состоится 27 декабря 2013 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, дом 2, ауд. № 1204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ

диссертационного совета К^^р^г Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подземная отработка пологих угольных пластов с использованием современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов характеризуется интенсивным развитием горных работ. Подвигание очистных забоев с высокой скоростью в ряде случаев приводит к формированию трещин и провалов на земной поверхности даже при значительной глубине разработки. Особую актуальность вопросы, связанные с обеспечением сохранности земной поверхности, приобретают при отработке свит сближенных пластов.

Решению задач обеспечения эффективной разработки пластов с учетом влияния применяемых технологий на подрабатываемые горные массивы и земную поверхность посвящены работы С.Г. Авершина, А.А.Борисова, В.И. Борщ-Компанейца, В.Н. Гусева, С.Н. Зеленцова, В.П. Зубова, М.А. Иофиса, О.В. Ковалева, А.Б. Макарова, В.М. Шика, М.Г. Мустафина, В.П. Земисева, A.C. Ягунова, С. Пенга и др. В соответствии с действующими отраслевыми нормативными документами, формирование трещин и провалов на земной поверхности исключается при глубинах разработки, превышающих 20-кратную вынимаемую мощность угольного пласта. Вместе с тем, практика ведения подземных горных работ показывает возможность их формирования при ведении очистных работ и на гораздо больших глубинах, делая процесс сдвижения непредсказуемым и опасным.

Так, на шахте им. А.Д. Рубана (до 2012 г. шахта «Красноярская») ОАО «СУЭК-Кузбасс» непрогнозируемые в соответствии с действующими нормативными документами трещины и провалы на поверхности возникли при ведении горных работ на глубине 250 м, что почти в 100 раз превышает мощность отрабатываемого пласта. Это свидетельствует о несовершенстве действующих нормативных методик, необходимости определения рациональных параметров технологических схем и способов управления состоянием массива, исключающих или минимизирующих влияние подземных горных работ на сооружения и природные объекты. В то же время, оставление угля в целиках для

охраны поверхности формирует ущерб от потерь, размеры которого возрастают с увеличением цены на уголь. Поскольку на шахтах Кузбасса подземным способом в один слой отрабатываются пологие угольные пласты мощностью от 1,1 м до 6 м, подрабатываемые земельные участки составляют сотни квадратных километров и включают не только сельскохозяйственные земли, но и инфраструктурные объекты, вопросы сохранения эффективности подземной угледобычи при обеспечении охраны земной поверхности являются актуальными практически для всех шахт.

Цель работы. Обоснование параметров эффективных технологий отработки сближенных пластов в условиях вредного влияния горных работ на земную поверхность.

Идея работы. При использовании систем разработки длинными столбами для снижения вредного влияния отработки сближенных пластов на земную поверхность межстолбовые целики на пластах необходимо располагать в шахматном порядке.

Основные задачи исследований:

1. Анализ и обобщение мирового опыта применения технологий интенсивной отработки пластов в условиях вредного влияния горных работ на земную поверхность.

2. Определение влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов на характер и интенсивность смещений земной поверхности при отработке сближенных угольных пластов

на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

3. Оценка влияния технологических параметров отработки сближенных угольных пластов на напряженно-деформированное состояние подработанного массива в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

4. Исследование методом физического моделирования процесса формирования и развития трещин на земной поверхности при последовательной отработке сближенных пластов длинными столбами.

5. Разработка критерия выбора технологических схем отработки свит пологих угольных пластов в условиях вредного влияния подработки на земную поверхность.

6. Выбор и обоснование параметров технологии интенсивной подземной отработки угольных пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», обеспечивающих эффективность угледобычи и снижение вредного влияния подработки на земную поверхность.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблеме снижения влияния подземных горных работ на земную поверхность при интенсивной отработке свит пластов; натурные наблюдения за процессами оседания земной поверхности в зонах подработки; натурные исследования геологического строения покрывающей толщи методом аудиомагнитотеллурического зондирования; экспериментально-аналитические исследования с использованием методов механики сплошной среды; физическое моделирование на эквивалентных материалах.

Научная новизна:

■ Установлены условия, при выполнении которых происходит смыкание трещин и провалов на земной поверхности, сформированных при отработке первого из сближенных пологих пластов длинными столбами.

■ Установлена зависимость между ущербом от потерь угля и затратами на рекультивацию поверхности от различных параметров систем разработки пластов для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Основные защищаемые положения:

1. Применение систем разработки пологих угольных пластов длинными столбами с оставлением между смежными участками неразрушаемых целиков угля не исключает возможности возникновения разрывов земной поверхности и провалов при ведении горных работ на глубинах, существенно превышающих 20-кратную вынимаемую мощность пласта.

2. При отработке сближенных угольных пластов длинными столбами с оставлением целиков между смежными участками существенное снижение степени нарушенное™ земной поверхности трещинами и провалами, вызванными ведением очистных работ по первому пласту, достигается при расположении целиков на пластах

в шахматном порядке и размерах целиков, исключающих их разрушение горным давлением.

3. Использование рекомендуемых схем подготовки и отработки сближенных пластов, предусматривающих расположение межстолбовых целиков в шахматном порядке, позволяет для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» минимизировать величину ущерба, включающего затраты на рекультивацию поверхности, восстановление подработанных объектов, а также стоимость запасов полезного ископаемого, теряемых в результате применения горных мер защиты поверхности.

Практическая значимость работы:

■ Установлено, что наличие мощных прочных слоев песчаника в покрывающей толще является основным фактором, определяющим характер деформаций поверхности при глубинах разработки, превышающих 20-кратную мощность пласта при использовании системы разработки длинными столбами с оставлением между выемочными участками неизвлекаемых

ленточных целиков.

■ Определены технологические условия смыкания сформированных трещин и провалов на поверхности при последовательной отработке пологих угольных пластов в свите на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

" Предложен критерий выбора параметров технологических схем отработки пластов в условиях вредного влияния подработки на земную поверхность.

■ Разработаны методические рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов в условиях вредного влияния подземных горных работ на земную поверхность.

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, лабораторных и численных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2012» (Москва, 2012 г.), заседаниях научно-технического совета ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2012-2013 гг.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2012-2013 гг.).

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

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

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 153 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 источников, двух приложений, включает 69 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, поставлены основные задачи исследований, описывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе на основе анализа горно-геологических и горнотехнических условий отработки свит угольных пластов, особенностей сдвижений и деформаций земной поверхности на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», а также обзора отечественных и зарубежных литературных источников по эффективной отработке угольных пластов в условиях вредного влияния на земную поверхность сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты натурных исследований особенностей геологического строения угленосной толщи методом аудиомагнитотеллурического зондирования, представлены результаты экспериментально-аналитических исследований влияния последовательной отработки пластов в свите

7

длинными столбами по простиранию с оставлением межстолбовых ленточных целиков на состояние подрабатываемой толщи в поле

шахты им. А.Д. Рубана.

В третьей главе изложены результаты физического

моделирования методом эквивалентных материалов процессов формирования и развития разрывов на поверхности на разных стадиях отработки свиты пластов длинными столбами в поле шахты

им. А.Д. Рубана.

В четвертой главе предложен критерий выбора параметров

технологических схем, приведены рекомендации по повышению эффективности технологии и снижению вредного влияния подземной угледобычи на подрабатываемые участки с оценкой экономической эффективности их внедрения.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации. В приложении А представлены результаты численных исследований при отработке выемочных участков по пласту

«Байкаимский».

В приложении Б приведены результаты численных

исследований при последовательной отработке выемочных участков

по сближенным пластам.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. Применение систем разработки пологих угольных пластов длинными столбами с оставлением между смежными участками неразрушаемых целиков угля не исключает возможности возникновения разрывов земной поверхности и провалов при ведении горных работ на глубинах, существенно превышающих 20-кратную вынимаемую мощность пласта.

В процессе отработки пласта Байкаимский, мощностью 2,652,85 м в поле шахты им. А.Д. Рубана ОАО «СУЭК-Кузбасс» длинными столбами по простиранию над выемочными участками 1310, 1308, 1306, 1304, образовались аномальные трещины и провалы земной поверхности, шириной до 7 м, глубиной до 3,5 м и протяженностью до нескольких сотен метров (рисунок 1). Необычность провалов связана с их возникновением под влиянием горных работ, проводимых на глубинах около 250 м, то есть

превышающих 100 мощностей пласта, тогда как действующие нормативные документы утверждают, что возникновение провалов невозможно при глубинах более 20 мощностей. Подготовка выемочных участков осуществлялась спаренными штреками, разделенными ленточными целиками шириной 20 м. Средняя скорость подвигания очистных забоев составляла порядка 250 м/мес. Угол падения пласта колебался в диапазоне 6-И 5°.

Анализ характера разрушений земной поверхности показал следующее:

- провалы от ведения горных работ в основном затрагивают верхнюю часть мощных наносов, глубиной не более 3-4 м, зоны трещин вокруг обрушенных пород нет;

- образование провалов носит продолжительный характер, так например, образовавшиеся ещё в 2010 году «борозды» над лавой 1310 увеличились по длине в 2011 году ещё в 2 раза. Отдельные изолированные воронки со временем объединяются в сплошную борозду;

- подавляющее число «борозд» составляет с простиранием пласта угол менее 45°, довольно часто параллельно ему (простиранию), с явным тяготением к районам межлавных целиков;

- прослеживается тенденция общего увеличения количества и протяженности провалов с уменьшением глубины горных работ.

Поскольку трещины на поверхности распространены не по всей протяженности выемочных столбов, а лишь на отдельных участках, в качестве одной из возможных причин формирования трещин рассматривалось наличие аномалий и геологических нарушений в породах покрывающей толщи. Вместе с тем, при планировании развития горных работ для выявления геологических нарушений были проведены электроразведочные исследования поля шахты им. А.Д. Рубана в интервале глубин 0-500 м методом аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ). Исследования были выполнены по 4 профилям, три из которых располагались вдоль разведочных линий и пересекали вкрест планируемые к отработке выемочные участки 1306, 1308, 1310, 1312, 1314, четвертый профиль исследований был заложен вкрест первых трех профилей и проходил вдоль выемочного участка 1310. Длина

каждого профиля составляла 1500 м. В результате исследовании никаких аномалий в геологическом строении, а также разрывных нарушений, распространяющихся от отрабатываемых угольных пластов к поверхности, на геоэлектрических разрезах не было выявлено. На разрезах отсутствуют характерные градиентные зоны, а структура геоэлектрических горизонтов однородна (рисунок 2).

При дальнейших исследованиях причин влияния ведения горных работ на формирование провалов был рассмотрен литологический состав пород покрывающей толщи, который показал, что на расстоянии примерно 10 - 20 м от пласта Байкаимский залегает мощный слой песчаника (45 - 50 м). Причем этот песчаник обнаруживается во всех геологических разрезах и подтверждается электроразведочными исследованиями. Мощность его варьируется от 30 до 55 м. Было выдвинуто предположение, что в зависимости от соотношения параметров очистных работ, мощности слоя песчаника и расстояния от слоя песчаника до угольного пласта, может происходить его разрушение и, как следствие, формирование зон провалов на земной поверхности.

С целью оценки совокупности условий было выполнено компьютерное моделирование с использованием программного комплекса «НЕДРА» (разработчик - профессор М.Г. Мустафин) по расчету напряженно-деформированного состояния массива горных пород на основе метода конечных элементов (МКЭ) (рисунок 3).

При моделировании принимались следующие исходные данные: физико-механические свойства песчаника - сцепление 5 МПа, модуль упругости 30 ГПа. Результаты расчетов показали, что при моделировании отработки одной лавы прочный слой не разрушается (рисунок 3, а). При дальнейшей последовательной отработке выемочных участков происходит разрушение прочного слоя, что приводит к расширению границ мульды.

Зависание пород у межлавных целиков также способствует дезинтеграции массива, нарушению плавности процесса сдвижения над угольной толщей. При большой мощности наносов (40-70 м на рассматриваемых участках), даже незначительные деформации на контакте коренных пород с наносами, могут привести к формированию разрывов на поверхности.

_ трещины, образовавшиеся в 2011 году;

--трещины, образовавшиеся в 2010 году п ранее

Рисунок 1 - Выкопировка из плана работ шахты им. А.Д. Рубана и фото

трещин

100 102 103 104 195 106 107 108 109 И0 111 Щ 113 114 115

о 100 ' 300 500 700 900 1100 1300 1500

100 102 103 104 195 106 ю? 108 109 по щ щ щ И4 115

100 300 500 700 Масштаб вертикальный 1:5000 Масштаб горизонтальный 1:10000

900 1100 1300 1500

т -1 1 ■■■ I ? 27 38 40 60 72 83 94 1 т 117 12

Рисунок 2 - Геоэлектрический разрез по профилю 1

326,1 т 5120 иа ста ил 1Ш !ао иш паи нал ш ш.о

Рисунок 3 - Зоны разрушения в подработанном массиве горных пород при наличии прочного слоя (а - при отработке 1-го выемочного участка, б - 4-х участков по пласту Байкаимский и 1 -го по пласту Полысаевский)

Рисунок 5 - Развитие и смыкание трещин на модели при последовательной отработке выемочных участков

К. 1

Рисунок 6 - Оседания земной поверхности при отработке выемочных участков на пластах Байкаимский и Полысаевский в шахматном порядке

1000 -

600 ■

: 400

200 -

\ ■ 1 1 Птв — -УпкрбетптфЗООру&г Пт— -УщгрботптдьзООдй'г К Компенсацкншд вшпш

у У 596 V -¿4 Ум»-Су» У™-Ср раыгарасуш оорныйущф □ШрНЫЙуЩф тшлцши 5ы(приуще^ (при ущербе еотпо1фь200р^'г) от 500 ррт)

4 \ Кш.390

у У11» Л йш 1 V ___N —^ \

Каи.21Я / N. «ч Ч N.

V ■ ш - — ^ V

и р X— и

УчЬШ

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,«5 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 Козффлцвспт ювлечення (Кип)

Рисунок 7 - Влияние параметров применяемых систем разработки на потенциальный ущерб от подработки земной поверхности и потери запасов в условиях шахты им. А.Д. Рубана

Таким образом, проведенные исследования подтвердили влияние слоя песчаника на возможностью формирования провалов на земной поверхности при ведении горных работ на глубинах превышающих 20-кратную мощность пласта.

2. При отработке сближенных угольных пластов длинными столбами с оставлением целиков между смежными участками существенное снижение степени нарушенности земной поверхности трещинами и провалами, вызванными ведением очистных работ по первому пласту, достигается при расположении целиков на пластах в шахматном порядке и размерах целиков, исключающих их разрушение горным давлением.

Для исследования порядка ведения горных работ на смежных пластах на процессы, происходящие в толще мощных наносов, достигающих 50-60 м, было проведено на физическое моделирование, особенно эффективное при необходимости учета таких факторов, как разрывы сплошности массива. Это потребовало решения следующих основных задач:

• разработать и изготовить стенд для физического моделирования;

• разработать горногеомеханическую модель, адекватно отражающую геотехнологические особенности отработки угольных пластов;

• воспроизвести всю толщу наносов (50-60 м) на основе критериев подобия;

• смоделировать опускание коренных пород на их границе с наносами при последовательной отработке двух выемочных участков по пласту Байкаимский и одного - по пласту Полысаевский с учетом усредненных натурных данных, близких к параметрам моделируемого массива (рисунок 4);

• определить параметры трещинообразования в толще наносов до дневной поверхности с учетом заданной последовательности отработки выемочных участков.

С учетом выбранного линейного масштаба моделирования (Х| = 1:140 и масштаба удельных весов Оу = ар = 1,27 были подобраны

эквивалентные материалы (ЭМ), удовлетворяющие критериям подобия.

Основные этапы моделирования, показывающие влияние отработки пластов Байкаимский и Полысаевский на возможность образования провалов, приведены на рисунке 5.

массива

Для решения поставленных задач был разработан и изготовлен стенд для физического моделирования, воспроизведена вся толща наносов (50-60 м) из разработанных ЭМ, смоделировано опускание коренных пород на их границе с наносами и формирование мульды сдвижения с помощью специально разработанного механизма при последовательной отработке выемочных участков на пластах с учетом усредненных натурных данных, близких к параметрам моделируемого массива (рисунок 5). Поэтапное оседание дневной поверхности в центре мульд воспроизводилось в диапазоне от 12 до 80% от мощности извлекаемых пластов при стабилизации величины оседания на каждом этапе (таблица 1).

Параметры вертикальных смещений определялись с помощью реперных марок, установленных на передней поверхности модели на различных горизонтах, динамика развития и параметры

трещин - с помощью современных цифровых фотокамер с погрешностью 0,05 - 0,1 мм.

Таблица 1 - Этапы моделирования процесса сдвижения

№ этапа Максимальные смещения / вынимаемая мощность

1-ый столб по пласту 2,6 м 1 и 2-ой столбы по пласту 2,6 м 1-ый столб по пласту 4,6 м

1 0,12 0,15 0,12

2 0,24 0,30 0,24

3 0,36 0,45 0,36

4 0,48 0,60 0,48

5 0,60 0,80 0,60

С учетом масштаба моделирования были получены зависимости оседаний, наклонов и кривизны земной поверхности, пересчитанные на условия натуры (рисунок 6).

Анализ полученных результатов показывает, что:

• при отработке 1-го выемочного участка пласта Полысаевский, расположенного в шахматном порядке по отношению к выемочным участкам по пласту Байкаимский, произошло смыкание трещин с максимальным раскрытием трещин до 0,15-0,2 м при увеличении их числа;

• максимумы оседаний наблюдались в краевых зонах моделируемого участка над центрами мульд при отработке 1-го и 2-го выемочных участков пласта Байкаимский и над центром мульды от выемочного участка пласта Полысаевский;

• максимальная кривизна была зафиксирована после отработки 1-го и 2-го выемочных участков пласта Байкаимский (1,3*10'3) над вертикальной проекцией центра целика в месте расположения трещины с максимальным раскрытием 1,4 м, а минимальная - после отработки выемочного участка пласта Полысаевский при уменьшении на порядок раскрытия этой и других трещин.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности существенного снижения раскрытия трещин земной поверхности или полного их смыкания после отработки пласта Полысаевский при условии расположения целиков этого пласта в

шахматном порядке по отношению к целикам по пласту Байкаимский.

3. Использование рекомендуемых схем подготовки и отработки сближенных пластов, предусматривающих расположение межстолбовых целиков в шахматном порядке, позволяет для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» минимизировать величину ущерба, включающего затраты на рекультивацию поверхности, восстановление подработанных объектов, компенсационные выплаты, а также стоимость запасов полезного ископаемого, теряемых в результате применения горных мер защиты поверхности.

В условиях негативного влияния подземных горных работ на земную поверхность для угледобывающих компаний возникают дополнительные расходы, связанные с необходимостью восстановления земельных участков и различных сооружений на поверхности. С учетом данных об уровне затрат при проведении работ по рекультивации и необходимых объемов работ, затраты по ликвидации провалов на земной поверхности, вызванных подработкой подземными горными выработками в условиях шахты им.А.Д.Рубана составят в среднем 3000-5000 руб/м2. Таким образом, стоимость выполнения работ на участках провалов составит порядка 120 млн руб. Продолжительность работ по рекультивации - 4 года.

Следует отметить, что последствиями вредного влияния подземных горных работ в условиях шахты им. А.Д. Рубана является вывод земель из сельскохозяйственного оборота, в результате которого возникают выплаты компенсационного характера, величина которых определяется в договорном порядке с собственником (арендатором) подработанных земельных участков. В итоге суммарный ущерб, связанный с такими выплатами, будет зависеть от величины годовой выплаты и продолжительности временного промежутка с момента вывода земель из оборота до момента их восстановления в результате рекультивации.

При подработке сооружений на земной поверхности возможно возникновение дополнительных затрат, величина которых будет определяться степенью вредного влияния и восстановительной стоимостью объектов и сооружений. При этом в

случае высокой восстановительной стоимости объектов возможно оставление охранных целиков или применение дополнительных горных мер.

Уровень затрат на рекультивацию земель и восстановление объектов определяется степенью вредного влияния подземных горных работ, которая в свою очередь, при прочих равных условиях, зависит от полноты извлечения запасов, которая может быть выражена через коэффициент извлечения - Ктв, зависящий, в первую очередь, от применяемой системы разработки и ее параметров.

Таким образом, целевая функция при определении параметров технологии в условиях вредного влияния подземных горных работ на земную поверхность может быть выражена следующим образом:

У = (П + В + Р + К) -» шш, (1)

где У - суммарный ущерб, руб.; П - ущерб от дополнительных потерь подготовленных запасов при применении горных мер, руб.; В - затраты на восстановление сооружений, руб.; Р - затраты на рекультивацию земель, руб.; К - компенсационные выплаты за вывод земель из использования, руб.

Выполненная для условий шахты им. А.Д. Рубана оценка возможности применения различных горных мер - специальных систем разработки и способов управления горным давлением, способствующих уменьшению вредного влияния подземных горных выработок, показала, что минимизация вредного влияния подземных горных работ на земную поверхность, может быть обеспечена путем существенного сокращения длины лавы с 200-250 м до 100-120 м, при сохранении или увеличении размеров межлавных целиков. Однако, минимизация вредного влияния в таких случаях сопряжена с высокими потерями запасов в пределах шахтного поля (таблица 2) и связанным с ними значительным экономическим ущербом.

Таким образом, применение лав с длинами менее рациональных или камерно-столбовой системы разработки может быть оправдано лишь в случае, если ущерб от вредного влияния подземной разработки будет сопоставим с ущербом от потерь полезного ископаемого.

Таблица 2 - Влияние параметров системы разработки длинными столбами на величину коэффициента извлечения (объемы потерь)

Вариант Длина столба А м Длина лавы 1, м Ширина межлавного целика Т., м Объемы потерь <2пот, тонн Кизв

№1 2000 250 25 1890000 0,91

№2 2000 200 20 1512000 0,91

№3 2000 180 35 2646000 0,83

№4 2000 150 50 3780000 0,70

№5 2000 120 70 5292000 0,48

На рисунке 7 представлены зависимости, отражающие влияние применяемых систем разработки и их параметров (определяющих коэффициент извлечения запасов) на уровень суммарного ущерба, связанного с подработкой земной поверхности, включающего затраты на рекультивацию, компенсационные выплаты и ущерб от потери запасов различной ценности.

Исследованиями установлено, что при отработке сближенных пластов в условиях шахты им. А.Д. Рубана минимальный уровень суммарного ущерба (У50о, рисунок 7), при достигнутых технико-экономических показателях, обеспечивается при максимальном значении коэффициента извлечения, соответствующего использованию применяемой системы разработки длинными столбами с сохранением ее основных параметров.

В тоже время в данных условиях возможно возникновение ситуации (например, вследствие снижения отпускной цены на уголь) при которой минимизация суммарного ущерба (У2оо, рисунок 7) будет достигаться при снижении коэффициента извлечения путем изменения параметров используемой системы разработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи разработки технологии интенсивной отработки сближенных угольных пластов, обеспечивающей эффективность

подземной угледобычи при минимизации вредного влияния горных работ на земную поверхность. Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. В результате исследований особенностей геологического строения угленосной толщи в поле шахты им. А.Д.Рубана методом АМТЗ установлено отсутствие разрывных нарушений и геологических аномалий, влияющих на характеры деформирования углевмещающей толщи и оседания земной поверхности.

2. При отработке пластов длинными столбами с оставлением межстолбовых целиков интенсивность и характер процесса сдвижения подработанной толщи определяется наличием в ней прочных мощных слоев песчаников, способных к формированию устойчивых «мостов», препятствующих распространению деформаций и разрушений от выработанных пространств разрабатываемых пластов до поверхности.

3. При последовательной выемке смежных выемочных столбов с возрастанием площади подработанного массива возможно разрушение «породы-моста» с формированием провалов на поверхности даже при расположении выработанных пространств на глубинах, существенно превышающих 20 вынимаемых мощностей пласта.

4. Формирование разрывов поверхности можно исключить при изменении последовательности отработки выемочных столбов под мощными слоями песчаников или при существенном увеличении ширины целиков и сокращения длины лав.

5. Показано, что в условиях шахты им. А.Д. Рубана при взаимном расположении очистных выработок и межлавных ленточных целиков на сближенных пластах в шахматном порядке можно добиться смыкания трещин и разрывов поверхности, сформировавшихся при отработке первого пласта в свите.

6. В качестве критерия выбора рациональных параметров технологических схем отработки сближенных угольных пластов в условиях вредного влияния горных работ на земную поверхность предложен минимальный ущерб, включающий затраты на рекультивацию, восстановление подработанных объектов, а также стоимость потерь запасов полезного ископаемого в целиках.

7. Разработаны методические рекомендации по выбору рациональных технологий отработки пластов и горных мер для обеспечения снижения вредного влияния подземных горных работ на земную поверхность.

8. Реализация разработанных рекомендаций в условиях шахты им. А.Д. Рубана позволяет при сохранении высоких нагрузок на очистные забои и коэффициента извлечения угля более чем на 50% уменьшить затраты на рекультивацию подработанных земель сельскохозяйственного значения за счет смыкания трещин на поверхности, образованных после отработки первого пласта в свите.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

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

1. Казанин О.И. Оценка механических состояний элементов горного массива для условий шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»/ О.И. Казанин, О.В. Ковалев, A.A. Мешков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - №4. - С. 88-92.

2. Казанин О.И. Исследование на физических моделях процессов сдвижений при подземной разработке угольных пластов в поле шахты «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»/ О.И. Казанин, Б.Ю. Зуев, A.A. Мешков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - №5. - С. 26-33.

3. Казанин О.И. Анализ причин провалов земной поверхности при отработке угольного пласта Байкаимский на шахте «Красноярская» ОАО «СУЭК-Кузбасс»/ О.И. Казанин, М.Г. Мустафин, A.A. Мешков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №4. - С. 257-261.

4. Мешков A.A. Обоснование параметров технологии интенсивной отработки пологих пластов с сохранением земной поверхности в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» / A.A. Мешков // Горный информационно-аналитический бюллетень. Сборники научно-технических работ горных инженеров СУЭК (отдельный выпуск). - 2013. - №2. - С. 58-64.

РИЦ Горного университета. 26.11.2013. 3.590. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мешков, Анатолий Алексеевич, Санкт-Петербург

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

На правах рукописи

04201454358

МЕШКОВ Анатолий Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ ПОД ТЕРРИТОРИЯМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Казанин Олег Иванович доктор технических наук, доцент

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

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

1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»................................................................9

1.2 Особенности воздействия интенсивной отработки пластов в поле шахты им. А. Д. Рубана на земную поверхность....................................................15

1.3 Анализ мирового опыта применения и основных тенденций развития технологий отработки пологих угольных пластов.................................................25

1.4 Цель и задачи исследований...............................................................................31

2 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ПРОЦЕССЫ СДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ...............................................................33

2.1 Общие положения................................................................................................33

2.2 Исследование особенностей геологического строения угленосной толщи в поле шахты им.А.Д.Рубана методом аудиомагнитотеллурического зондирования..........................................................34

2.3 Экспериментально-аналитические исследования влияния параметров технологических схем отработки пласта Байкаимский на процессы деформаций подрабатываемой толщи в поле шахты им. А.Д. Рубана.................48

2.4 Анализ результатов численных исследований..................................................68

2.5 Исследование влияния параметров применяемых технологий и принятого порядка отработки выемочных столбов на состояние подработанного массива с учетом мощных прочных слоев песчаника...............73

2.6 Выводы по главе...................................................................................................79

3 ИССЛЕДОВАНИЯ НА ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТРАБОТКИ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОВАЛОВ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.........................81

3.1 Постановка задач исследований на физических моделях из эквивалентных материалов.......................................................................................81

3.2 Разработка методики моделирования................................................................82

3.3 Моделирование последовательной отработки сближенных пластов в

поле шахты им.А.Д.Рубана.......................................................................................93

3.4 Анализ результатов исследований.....................................................................98

3.5 Выводы по главе.................................................................................................101

4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ С СОХРАНЕНИЕМ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ..........................................................................................................103

4.1 Общие положения..............................................................................................103

4.2 Рекомендуемые схемы отработки пологих пластов в условиях шахт

«СУЭК-Кузбасс»......................................................................................................104

4.3 Технико-экономическое обоснование параметров технологий

интенсивной отработки...........................................................................................108

4.4 Выводы по главе.................................................................................................120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты численных исследований при отработке

выемочных участков по пласту «Байкаимский»......................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты численных исследований при последовательной отработке выемочных участков по сближенным пластам......146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Подземная отработка пологих угольных пластов с использованием современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов характеризуется интенсивным развитием горных работ. Подвигание очистных забоев с высокой скоростью в ряде случаев приводит к формированию трещин и провалов на земной поверхности даже при значительной глубине разработки. Особую актуальность вопросы, связанные с обеспечением сохранности земной поверхности, приобретают при отработке свит сближенных пластов.

Решению задач обеспечения эффективной разработки пластов с учетом влияния применяемых технологий на подрабатываемые горные массивы и земную поверхность посвящены работы С.Г. Авершина, A.A. Борисова, В.И. Борщ-Компанейца, В.Н. Гусева, С.Н. Зеленцова, В.П. Зубова, М.А. Иофиса, О.В. Ковалева, А.Б. Макарова, В.М. Шика, М.Г. Мустафина, В.П. Земисева, A.C. Ягунова, С. Пенга и др. В соответствии с действующими отраслевыми нормативными документами, формирование трещин и провалов на земной поверхности исключается при глубинах разработки, превышающих 20-кратную вынимаемую мощность угольного пласта. Вместе с тем, практика ведения подземных горных работ показывает возможность их формирования при ведении очистных работ и на гораздо больших глубинах, делая процесс сдвижения непредсказуемым и опасным.

Так, на шахте им. А.Д. Рубана (до 2012 г. шахта «Красноярская») ОАО «СУЭК-Кузбасс» непрогнозируемые в соответствии с действующими нормативными документами трещины и провалы на поверхности возникли при ведении горных работ на глубине 250 м, что почти в 100 раз превышает мощность отрабатываемого пласта. Это свидетельствует о несовершенстве действующих нормативных методик, необходимости дальнейшего развития представлений о механизме сдвижений подрабатываемой толщи, определения рациональных параметров технологических схем и способов управления состоянием массива, исключающих или минимизирующих влияние подземных горных работ на

сооружения и природные объекты. В то же время, оставление угля в целиках для охраны поверхности формирует ущерб от потерь, размеры которого возрастают с увеличением цены на уголь. Поскольку на шахтах Кузбасса подземным способом в один слой отрабатываются пологие угольные пласты мощностью от 1,1 м до 6 м, подрабатываемые земельные участки составляют сотни квадратных километров и включают не только сельскохозяйственные земли, но и инфраструктурные объекты, вопросы сохранения эффективности подземной угледобычи при обеспечении охраны земной поверхности являются актуальными практически для всех шахт.

Цель работы. Обоснование параметров эффективных технологий отработки сближенных пластов в условиях вредного влияния горных работ на земную поверхность.

Идея работы. При использовании систем разработки длинными столбами для снижения вредного влияния отработки сближенных пластов на земную поверхность межстолбовые целики на пластах необходимо располагать в шахматном порядке.

Основные задачи исследований:

1. Анализ и обобщение мирового опыта применения технологий интенсивной отработки пластов в условиях вредного влияния горных работ на земную поверхность.

2. Определение влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов на характер и интенсивность смещений земной поверхности при отработке сближенных угольных пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

3. Оценка влияния технологических параметров отработки сближенных угольных пластов на напряженно-деформированное состояние подработанного массива в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

4. Исследование методом физического моделирования процесса формирования и развития трещин на земной поверхности при последовательной отработке сближенных пластов длинными столбами.

5. Разработка критерия выбора технологических схем отработки свит пологих угольных пластов в условиях вредного влияния подработки на земную поверхность.

6. Выбор и обоснование параметров технологии интенсивной подземной отработки угольных пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», обеспечивающих эффективность угледобычи и снижение вредного влияния подработки на земную поверхность.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблеме снижения влияния подземных горных работ на земную поверхность при интенсивной отработке свит пластов; натурные наблюдения за процессами оседания земной поверхности в зонах подработки; натурные исследования геологического строения покрывающей толщи методом аудиомагнитотеллурического зондирования; экспериментально-аналитические исследования напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива с использованием методов механики сплошной среды; физическое моделирование на эквивалентных материалах процессов деформирования массива горных пород при однократной и многократной подработке.

Научная новизна:

■ Установлены условия, при выполнении которых происходит смыкание трещин и провалов на земной поверхности, сформированных при отработке первого из сближенных пологих пластов длинными столбами.

■ Установлена зависимость между ущербом от потерь угля и затратами на рекультивацию поверхности от различных параметров систем разработки пластов для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».

Основные защищаемые положения:

1. Применение систем разработки пологих угольных пластов длинными столбами с оставлением между смежными участками неразрушаемых целиков угля не исключает возможности возникновения разрывов земной поверхности и

провалов при ведении горных работ на глубинах, существенно превышающих 20-кратную вынимаемую мощность пласта.

2. При отработке сближенных угольных пластов длинными столбами с оставлением целиков между смежными участками существенное снижение степени нарушенности земной поверхности трещинами и провалами, вызванными ведением очистных работ по первому пласту, достигается при расположении целиков на пластах в шахматном порядке и размерах целиков, исключающих их разрушение горным давлением.

3. Использование рекомендуемых схем подготовки и отработки сближенных пластов, предусматривающих расположение межстолбовых целиков в шахматном порядке, позволяет для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» минимизировать величину ущерба, включающего затраты на рекультивацию поверхности, восстановление подработанных объектов, а также стоимость запасов полезного ископаемого, теряемых в результате применения горных мер защиты поверхности

Практическая значимость работы:

■ Установлено, что наличие мощных прочных слоев песчаника в покрывающей толще является основным фактором, определяющим характер деформаций поверхности при глубинах разработки, превышающих 20-кратную мощность пласта при использовании системы разработки длинными столбами с оставлением между выемочными участками неизвлекаемых ленточных целиков.

■ Определены технологические условия смыкания сформированных трещин и провалов на поверхности при последовательной отработке пологих угольных пластов в свите на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».

■ Предложен критерий выбора параметров технологических схем отработки пластов в условиях вредного влияния подработки на земную поверхность.

■ Разработаны методические рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов в условиях вредного влияния подземных горных работ на земную поверхность.

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, лабораторных и численных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2012» (Москва, 2012 г.), заседаниях научно-технического совета ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2012-2013 гг.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2012-2013 гг.).

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

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

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 153 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 источников, двух приложений, включает 69 рисунков и 9 таблиц.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс»

В настоящее время ОАО «СУЭК-Кузбасс» объединяет в своем составе 9 действующих шахт, а также три угольных разреза - «Заречный», «Майский» и «Камышанский». Сведения об основных горно-геологических и горнотехнических условиях, характеризующих показатели работы шахт, представлены в таблице 1.1.

Согласно данным, наибольшая глубина ведения горных работ, достигшая или превысившая отметку 400 м, характерна для шахт ОАО «Шахта им. С.М. Кирова», «Шахта им.А.Д.Рубана» и «Шахта Полысаевская». Наибольший годовой объем добычи (4,7 и 3,7 млн. т) в 2010 г. был достигнут на шахтах «им. С.М. Кирова» и «Котинская». Большинство шахтопластов, благоприятных для ведения горных работ с возможностью одновременной отработки не менее, чем на двух пластах, расположено на полях шахт ОАО «Шахта им. С.М. Кирова», ОАО «Шахта Полысаевская», ОАО «Шахта Октябрьская», «Талдинская-Западная-1», ОАО «Шахта «Комсомолец». Угли большинства шахтопластов (на шести из десяти вышеуказанных шахт) склонны к самовозгоранию. Около 50 % шахтопластов с глубины 150 м относятся к угрожаемым по горным ударам. В 2030 % случаев вмещающие породы анализируемых шахт характеризуются наличием обводненности разрабатываемых пластов с водопритоком от 5 до 160 м3/ч.

С учетом вышеизложенного горно-геологические условия залегания анализируемых шахтопластов следует рассматривать как осложненные одновременно одним-двумя неблагоприятными факторами, а в отдельных случаях как сложные. Кроме того, при отработке пласта Байкаимского в поле шахты им.А.Д.Рубана отмечены деформации поверхности в виде канав и провальных воронок шириной (диаметром) до 5 м и глубиной от 0,5 м до 3,5 м.

Таблица 1.1 - Сведения об основных горно-геологических и горнотехнических условиях, характеризующих

показатели работы шахт, входящих в состав ОАО «СУЭК-Кузбасс»

Наименование предприятия Абсолютная газообиль -ность, м /мин Относительная газообиль -ность, м3/т Количество разрабатываемых пластов, благоприятных для отработки Вынимаемая мощность, м Природная газоносное ть пластов, •> м /т с.б.м Склонно сть углей к самовозг оранию Средства дегазации на поверхност и шахты Способ проветривания Схема проветривания Расход воздуха, подаваем ого в шахту расчетное факт., м /мин Водо приток норм, шах, >3 м /ч

ОАО «Шахта им. С.М. Кирова» 163,2 42,3 2 0,8-2,4 10-20 не склонны ППДУ нагнет.-всасыв. фланговая - -

«Шахта им. 7 Ноября» 31,9 15,68 1 4,6 8-12 склонны - нагнет-всасыв. фланговая 12682 14130 70340 550630

ОАО «СУЭК-Кузбасс» шахта им. А.Д.Рубана 10,62 13,32 4 2,51-2,97 5,7 склонны - - 120

центр.-фланговая 160

ОАО «Шахта Полысаевская» 108,98 61,53 3 1,4-2,3 - не склонны - нагнетат. —

фланговая 10996

ОАО «Шахта Октябрьская» 53,33 39,48 4 2,5-3,5 7,6-8,1 склонны ППДУ нагнет.-всасыв. - 720

фланговая 1400

«Шахта Котинская» 2,83 8,61 1 4,45-4,33 1-8,5 не склонны ППДУ нагнетат. -

фланговая 6500

«Шахта № 7» 20,95 3,67 1 склонны - нагнетат. 6192 -

центральная 5260

«Талдинская-Западная-1» 7,55 1,91 2 4,5 весьма склонны - нагнетат. центральная - -

«Талдинская-Западная-2 0,0 0,0 1 5,04 0-0,5 склонны - нагнетат. центральная 40 50 -

ОАО «Шахта «Комсомолец» 95,3 32,2 2 1,65-2,00 10-12 не склонны ППДУ нагнет.-всасыв. - -

комбинированная

Продуктивные отложения шахтного поля слагают осадки лишь двух свит -Грамотеинской и Тайлуганской, повсеместно перекрытых четвертичными отложениями. Характеристика пластов угля описываемого шахтного поля приводится в таблице 1.2.

Грамотеинская свита

Грамотеинская свита на описываемом поле вскрыта на полную мощность. В выделяемых границах её мощность изменяется от 340 м до 360 м, незначительно уменьшаясь по мере погружения оси Красноярской синклинали в ЮВ направлении. Это изменение происходит за счёт сокращения межпластового