Обоснование проектных решений по рациональной отработке запасов выемочных участков угольных шахт в зонах геологических нарушений

Киселев, Александр Михайлович

Автореферат диссертации по теме "Обоснование проектных решений по рациональной отработке запасов выемочных участков угольных шахт в зонах геологических нарушений"

На правах рукописи

КИСЕЛЕВ Александр Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО РАЦИОНАЛЬНОЙ ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ В ЗОНАХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ

Специальность 25.00.21 — «Теоретические основы проектирования горнотехнических систем»

Автореферат 005056296

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

Москва 2012

005056296

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Подземная разработка пластовых месторождений»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Юрий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Постников Владимир Иванович, член наблюдательного совета ЗАО "Подмосковный научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт";

кандидат технических наук Коновалов Олег Валентинович, профессор кафедры "Геотехнология и геотехника" ГОУ "Тульский государственный университет"

Ведущая организация: ОАО "Национальный научный центр горного

производства - "Институт горного дела им. A.A. Скочинского" (г. Люберцы, Московская область)

Защита состоится « _ в час. OD мин. на заседании

диссертационного совета Д 212.128.03 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан »

HO&f* 20 U г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Агафонов Валерий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Угольная промышленность России в настоящее время находится на пути инновационного развития производства, повышения интенсивности и концентрации горных работ. В то же время - активизация инновационной деятельности горных предприятий сопряжена с возрастанием различного рода рисков необоснованного принятия проектных решений по отработке запасов выемочных участков шахтных полей. Игнорирование этих рисков может привести к существенной потере устойчивости функционирования шахты и ее инвестиционной привлекательности, а также к снижению полноты использования георесурсного потенциала и значительным финансовым издержкам производства. Минимизировать эти риски возможно в первую очередь за счет надежного прогнозирования горно-геологических условий ведения очистных работ. Современные горно-геологические информационные системы позволяют корректно моделировать пластовые месторождения, выявлять нарушения в их залегании и объективизировать пространственно-планировочные решения по формированию контуров отработки запасов полезных ископаемых. Наличие достоверной информации о нарушенности шахтных полей дает возможность заблаговременно оценить степень сложности горно-геологических условий и обосновать проектные решения по рациональной отработке запасов нарушенных участков угольных пластов с использованием комплексов очистного оборудования современного технического уровня.

В то же время следует отметить, что в этом направлении в прошлом столетии и в начале этого был выполнен ряд исследований, посвященных оценке сложности геологических нарушений и разработке технологических решений по переходу их очистными работами. Однако эти решения относились к определенным комплексам очистного оборудования, что не позволяло использовать результаты выполненных исследований для. формирования единой методической базы проектирования отработки запасов в нарушенных

зонах выемочных участков и подготовки производства очистных работ с применением механизированных комплексов высокого технического уровня.

Вышеизложенное позволяет объективно говорить об актуальности для угольной промышленности задачи обоснования проектных решений по рациональной комплексно-механизированной отработке запасов в зонах геологических нарушений.

Целью диссертации является разработка методики обоснования проектных технологических решений по рациональной комплексно-механизированной отработке запасов в зонах геологических нарушений угольных пластов, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности горных работ, а также полноты извлечения запасов угля и рентабельности производства.

Основная идея работы заключается в реализации комплексного подхода к обоснованию проектных решений по рациональной отработке запасов в зонах геологических нарушений угольных пластов с использованием информационных технологий для оценки сложности нарушений и минимизации рисков их безопасного и эффективного преодоления.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• принятие решений на стадии проектирования отработки запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений должно базироваться на результатах комплексной оценки параметров каждого нарушения, аналогов технологических схем перехода нарушений и возможных рисков их реализации;

• определяющими критериями рациональности проектных решений по отработке запасов в зоне геологического нарушения являются техническая возможность перехода его очистным механизированным комплексом, экономическая эффективность отработки запасов в режимах перехода или перемонтажа оборудования, а также безопасность ведения горных работ в зоне нарушения;

• устойчивая работа очистного механизированного комплекса в зоне выявленного геологического нарушения зависит в первую очередь от амплитуды нарушения, полноты соответствия технических возможностей применяемого оборудования параметрам нарушения, ресурса функциональных элементов очистного комплекса, уровней организации производства и безопасности при переходе зоны геологического нарушения;

• минимизация основных видов рисков, возникающих в процессе отработки запасов в зонах геологических нарушений, обеспечивается при адресно-ориентированном выполнении мероприятий по укреплению углепородного массива нарушенной зоны, а также при необходимости разупрочнения его торпедированием пород кровли, камуфлетным взрыванием, гидрорыхлением, в зависимости от горнотехнических характеристик массива в зоне нарушения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• проведены исследования результаты которых позволяют заранее спрогнозировать "ход событий", связанных с внезапной или предполагаемой встречей очистным забоем геологического нарушения, и своевременно применить ряд мероприятий для его успешного преодоления;

• разработаны методические положения по обоснованию рациональных проектных решений по отработке запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений, позволяющие избежать проведения дополнительных геологоразведочных работ;

• разработаны алгоритм и программное обеспечение принятия решений по переходу зон геологических нарушений, позволяющие оперативно осуществлять принятие решений как на стадии проектирования горных работ, так и при внезапной встрече геологического нарушения очистным механизированным комплексом;

• разработана база нечетких правил принятия решений по осуществлению необходимых мероприятий при ведении очистных работ в зоне геологических нарушений;

• определен комплекс мероприятий, позволяющих минимизировать основные риски, связанные с изменением состояния углепородного массива и сопровождающие отработку запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений, и разработаны рекомендации по использованию возможностей программных модулей FUZZY TECH 5.54D для выбора, на стадии проектирования, необходимых мероприятий.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• достаточным объемом геолого-маркшейдерской и статистической информации, характеризующей нарушенность и опыт отработки запасов угольных пластов перспективных месторождений России;

• корректным использованием современных методов исследований;

• адекватностью полученных результатов исследований и выводов реальным проектным решениям по отработке запасов нарушенных угольных пластов.

Научное значение диссертации состоит в разработке методики обоснования возможности рациональной отработки запасов угля в зонах геологических нарушений и мероприятий по минимизации рисков принятия решений на различных стадиях проектирования отработки запасов выемочных участков шахтных полей.

Практическое значение работы состоит в разработке рекомендаций по повышению уровня обоснованности технологических и пространственно-планировочных решений при проектировании отработки запасов с геологическими нарушениями выемочных участков угольных шахт с целью снижения издержек производства, связанных с несвоевременным принятием решений или принятием решений, не отвечающих условиям рационального и безопасного преодоления механизированными комплексами нарушенных зон.

Реализация работы. Результаты исследований рекомендованы к использованию при обосновании проектных решений по рациональной

отработке запасов в зонах геологических нарушений угольных пластов на шахтах ЗАО "Распадская угольная компания".

Апробация работы. Основные положения диссертации были обсуждены и получили одобрение на научных симпозиумах в рамках "Недели горняка" в МГГУ (Москва, 2010 - 2012), на научных семинарах кафедры подземной разработки пластовых месторождений МГГУ (Москва, 2009 - 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 26 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема разработки участков угольных месторождений, осложненных геологическими нарушениями, существует длительное время, но в последние годы она стала ощущаться острее. Это объясняется тем, что месторождений и отдельных угольных пластов с благоприятными условиями для разработки стало значительно меньше. Так, в отечественной угольной промышленности прослеживается динамика уменьшения доли добычи угля в неблагоприятных условиях начиная с 2002 г, что связано в основном с реструктуризацией отрасли, недостаточной готовностью целого ряда горных предприятий к работе в таких условиях, невозможностью выдерживать конкуренцию в рыночной среде, так как себестоимость добычи угля в сложных горно-геологических условиях значительно выше.

В настоящее время при планировании горных работ все чаще возникает вопрос о рациональности отработки участков пластов с геологическими нарушениями, так как списание запасов этих участков ведет не только к недополучению прибыли горнодобывающим предприятием, но и к дополнительным издержкам, прежде всего в виде уплаты налогов с имеющихся

запасов, а также расходов на перемонтаж механизированных комплексов. Все отчетливее проявляется необходимость решения вопросов преодоления внезапно встреченных очистным комплексом нарушений или заблаговременного обоснования трассы перехода нарушения, если оно выявлено на стадии геологоразведочных работ. Для горных предприятий, эксплуатирующих угольные месторождения, наиболее проблемным является вопрос о рациональности отработки запасов на участках с внезапно встреченными нарушениями, в то время как при оценке перспектив развития горных работ приходится решать проблему перехода нарушений, выявленных на стадии геологоразведки. Таким образом, изложенным подтверждается актуальность тематики научных исследований в направлении рационализации отработки запасов угля в зонах геологических нарушений.

Для достижения поставленной цели в диссертации определен следующий круг задач:

• анализ минерально-сырьевой базы и нарушенности угольных пластов перспективных месторождений России;

• анализ опыта разработки нарушенных угольных пластов;

• анализ степени изученности вопроса обоснования проектных решений по рациональному переходу очистными работами зон геологических нарушений угольных пластов;

• разработка методических положений по формированию геологической базы принятия решений об отработке запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений;

• разработка теоретической базы обоснования проектных решений по отработке очистными механизированными комплексами запасов угля в зонах геологических нарушений с использованием информационных технологий;

• разработка алгоритма и информационно-программной базы реализации методики обоснования проектных решений по отработке запасов угля в зонах геологических нарушений;

• формирование системы ограничений и управления рисками при принятии проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений;

• разработка базы правил нечеткого вывода и рекомендаций по использованию возможностей программных модулей нечеткого вывода FUZZY TECH 5.54D при обосновании выбора мероприятий по снижению основных видов рисков, связанных с изменением состояния углепородного массива при отработке запасов в зонах геологических нарушений.

В настоящее время наиболее перспективными угольными месторождениями признаны: Эльгинское, Элегестское, Чульмаканское, Денисовское, Апсатсткое, Межэгейское, расположенные в восточных районах страны. Нарушенность данных месторождений весьма развита и вопрос перехода геологических нарушений остается открытым. Так, например, предварительно разведанных крупных нарушений на Эльгинском месторождении насчитывается 5 (табл. 1), а на Денисовском - 9 (табл. 2), и это не считая тех, которые могут быть внезапно встречены и непреодолимы.

Таблица 1

Общая характеристика основных разрывных нарушений, выявленных на Эльгинском каменноугольном месторождении

Тип нарушения и его номер Параметры нарушений

Направление падения сместителя Угол падения сместителя, град. Амплитуда смещения по нормали, м Протяженность нарушения, км

Сброс 1 Юго-восточное 60-65 18-20 6,5

Сброс 2 Восточное 60-65 18-20 2,8

Взброс 3 Юго-западное 80 6-65 4,5

Сброс 4 Северное 65 48 1,8

Надвиг 5 Юго-западное 25-30 50-80 11,0

Таблица 2

Общая характеристика основных разрывных нарушений, выявленных на Денисовском каменноугольном месторождении

Номер нарушения Параметры нарушения

Направление падения сместителя Угол падения сместителя, град. Амплитуда смещения, м Протяженность, км "Мощность" нарушенной зоны, м

Нарушение 1 Северо-запад 75-80 14-12 4,8 3-6

Нарушение 2 Северо-запад до 80 14-16 6,2 3-6

Нарушение 3 (Китаянское) Юг, юго-восток 75-80 70-150 10,0 50

Нарушение 4 Юго-восток 80 12-5 4,8 3-6

Нарушение 5 Северо-запад 75 14-4 3,6 3-6

Нарушение 6 Северо-запад 75 8-4 2,8 3-6

Нарушение 7 Запад 75 20 1,2 3-6

Нарушение 8 Юго-запад до 75 12 1,6 3-6

Нарушение 9 (Кабактинское) Юго-запад до 80 50 10,0 50

♦Характер нарушений (от 1 до 6 и 9) - сброс, нарушения 7 и 8 - взброс.

В большинстве случаев при переходе нарушений существует вероятность обрушения пород кровли и вывалов угля из забоя. Это, в частности, подтверждает опыт перехода разрывного нарушения типа "взброс" в выемочном столбе 0-4-1 пласта IV-V на шахте "Томусинская 5-6", ОАО "УК "Южкузбассуголь".

Зона геологического нарушения имела протяженность 20-25 м по длине лавы, и 170 м по простиранию пласта. Зона нарушения распространялась по мере подвигания забоя лавы от конвейерного к вентиляционному штреку с амплитудой вертикального смещения 3-4 м. Очистной забой длиной 190 м был оборудован механизированным комплексом МКЮ-11/32 с комбайном К500 и скребковым конвейером "Анжера-ЗОЛ". Вынимаемая мощность пласта

составляла 3,2 м. Уголь в зоне геологического нарушения являлся склонным к обрушению и образованию "куполов" высотой до 5 м. Зона сильнотрещиноватого угля по нормали к сместителю по обе стороны составляла 5 м. Непосредственная кровля пласта была представлена пачкой конгломератов мощностью 1-4 м.

Для эффективного и безопасного перехода данного нарушения было принято рациональное решение о нагнетании в породоугольный массив органоминеральной (силикатной) смолы. При реализации этого решения геологическое нарушение было пройдено за 54 дня со среднесуточной нагрузкой на очистной забой 3400 т. Месячная добыча угля составила 102 тыс. т, а случаев травматизма зафиксировано не было.

Изучению геологических нарушений и способов их перехода посвящены труды: Липковича С.М., Мирошникова С.И., Турова А.П., Блакберна А.Ю., Глазова Д.Д., Борзых А.Ф., Скубы В.Н., Васючкова Ю.Ф., Адлера Ф., Альбрехта Е., Авраменко E.H., Cozma Е., Киржнера Ф.М., Верина В. С., Орищина А.Д., Дворецкого Н.М., Немкина А.Ф., Шмиголя A.B., Шаклеина C.B., Худина Ю.Л., Васильева П.Н. Исследования проводились в ИГД им. A.A. Скочинского, ИГД СО РАН, Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского, МГГУ, СПб ГИ (ТУ) и в других научных школах.

Основными проблемами при отработке запасов на нарушенных участках угольных пластов являются многочисленные поломки машин и механизмов, непредсказуемость поведения угольного забоя, кровли и почвы пласта, экономическая неэффективность перехода ряда близкорасположенных легкопереходимых нарушений или невозможность перехода нарушения из-за слишком большой амплитуды. Классификация переходимости нарушений, отражающая результаты ранее выполненных исследований, приведена в табл. 3.

Анализ опыта изученности вопроса перехода геологических нарушений очистными механизированными комплексами показывает, что на эффективность работы очистных механизированных комплексов оказывают влияние тип (протяженное или площадное), число и амплитуда геологических

нарушений, ширина зоны влияния нарушения, устойчивость боковых пород и угольного массива, их физико-механические свойства, угол встречи нарушения с забоем, угол падения сместителя нарушения.

Таблица 3

Классификация сложности перехода геологических нарушений

Возможность перехода нарушений Амплитуда смещения пласта Исследователи

Без осложнений 0,3 м Липкович С.М., Мирошников С.И.

1,5 м Туров А.П.

2,5 м Блакберн А.Ю.

Технически возможен, целесообразность оценивается экономически (с экономическим ущербом, меньшим стоимости перемонтажа очистного оборудования) до мощности пласта (т) Глазов Д.Д., Скуба В.Н., Авраменко E.H.

0,5т (взброс, надвиг) Борзых А.Ф.

0,9т (сброс) Борзых А.Ф.

на уровне мощности пласта (т) ЯФ СО АН СССР

на уровне мощности пласта (пласты тонкие и средней мощности) (т) ИГД им. A.A. Скочинского

1,1т Михайлова Е.

(1 — 1.5)т Cozma Е.

до 3 м Дворецкий Н.М., Немкин А.Ф.

3,5 м (мощные пласты) Адлер Ф., Альбрехт Е., ИГД им. A.A. Скочинского

Зт Шмиголь A.B.

Для протяженных и площадных нарушений без разрыва сплошности пласта типа флексур, пережимов, замещений и раздувов основными параметрами являются также: минимальная и максимальная мощность пласта; размеры и площадь нарушения в плане; коэффициент крепости вмещающих и замещающих пород. Складки, "мульды", ступенчатые взбросы и сбросы, горсты, грабены, карсты являются сложными площадными пликативными и

дизъюнктивными нарушениями и описываются средневзвешенными значениями тех же вышеперечисленных параметров.

Исходя из всего вышеизложенного и на основе результатов ранее выполненных исследований автором разработан алгоритм (рис. 1) принятия решений по отработке запасов угля в зонах геологических нарушений.

Рисунок 1 — Структура алгоритма обоснования проектных решений по отработке запасов выемочных участков в зонах геологических

нарушений

При внезапной встрече нарушения или при его выявлении на стадии геологоразведки, необходимо следовать представленному алгоритму, который реализован с помощью разработанного автором программного обеспечения и существующих программных пакетов компьютерного моделирования, позволяющих в автоматизированном режиме принимать проектные решения.

Блок I "Встреча очистным забоем геологического нарушения" является началом исполнения разработанного алгоритма.

Далее, в рамках Блока II, осуществляется формирование банка данных о характеристиках нарушения, уточняется горно-геологическая и горнотехническая информация: тип нарушения (сброс, взброс, флексура, надвиг, пережим, замещение, карст, "мульда"); стратиграфическая амплитуда дизъюнктивных нарушений; угол, образованный линией сместителя и линией очистного забоя; расположение пликативных нарушений в выемочном поле и изменение мощности пласта; коэффициент крепости вмещающих пород; устойчивость вмещающих пород; тип очистного механизированного комплекса; направление перехода нарушения; изменение конфигурации выемочного столба.

Блок III алгоритма раскрыт отдельной структурной схемой (рис.2), так как представляет собой сложный процесс поиска варианта перехода геологического нарушения. В работе Блока III используется база знаний содержащая усовершенствованные автором, с учетом требований компьютерной реализации, существующие логические формулы. База знаний программного обеспечения содержит конечное число логических формул соответствующих определенным производственным ситуациям и имеет вид: {"id": "Ml", "formula": "({0[d2]} and {001]} and {0[h2]} and ({0[nl]> or {0[n2]} or {0[n3]} or {0[n4]})) and({0[£2]} and {0[f4]} and({0[gl]} or {0[g2]}) and ({0[tl]} or {0[t2]}) and ({0[1]} or {0[15]} or {0[16]> or {0[17]}))", "text": "Обвод лавы подготовительными выработками с применением монтажно-демонтажного оборудования по контуру целика с нарушением, расположенным у конвейерного штрека."},

Вывод на экран сохраненных типовых вариантов ^—

перехода геологического нарушения ^

\

^ Конец ^

Рисунок 2 — Структура итераций по обоснованию вариантов проектных решений по отработке запасов выемочных участков в зонах геологических

нарушений

{"id": "Kl", "formula": "({0[dl]} and {0[H2]} and {0[a2]} and({0[nl]} or {0[n2]}) and {0[bl]}) and (({0[fl]} or {0[f2]}) and ({0[0]} or {0[f4]}) and {0[g2]} and {0[t2]> and ({0[1]} or {0[15]} or {0[16]} or {0[17]}))", "text": "Крутой фронтальный перевод лавы через протяженное нарушение с разворотом в движении на опущенное крыло."},

{"id": "PI", "formula": "({0[dl]} and {0[H1]} and {0[a2]} and({0[nl]} or {0[n2]} or {0[n3]} or {0[n4]}) and {0[bl]}) and (({0[fl]} or {0[£2]>> and ({0[0]} or {0[f4]}) and {0[gl]} and ({0[tl]} or {0[t2]}) and ({00]} or {005]} or {006]} or {0[17]}))", "text": "Пологий фронтальный перевод лавы через протяженное нарушение на опущенное крыло."}

Весь процесс работы Блока III осуществляется путем применения разработанного автором программного обеспечения, позволяющего осуществлять решение вопроса о преодолении геологического нарушения в автоматизированном режиме. Программное обеспечение реализовано на высокоуровневом языке программирования "Pithon" и предназначено для работы в операционных системах семейства "Windows" не ниже версии "7". Диалоговые окна разработанного программного обеспечения представлены на рис. 3-5.

Блок III, в зависимости от исходных параметров, определяет, что нарушение может быть преодолено очистным комплексом по типовой схеме или нет, в последнем случае необходим перемонтаж очистного комплекса в новую разрезную выработку.

В зависимости от результата работы Блока III, Блок IV определяет дальнейший шаг по решению вопроса преодоления геологического нарушения. Если нарушение непереходимо по существующим типовым вариантам перехода, дальнейшая работа осуществляется с учетом рекомендаций Блока VIII, в случае переходимости нарушения следует переход в Блок V.

I Выбор варианта перехода геологического нарушения

ш

Тип нарушения:

Стратиграфическая амплитуда дизъюнктивного нарушения:

Угол, образованный линией сместителя и линией очистного забоя:

Расположение пликатизного нарушения в выемочном поле:

Изменение мощности пласта: Устойчивость вмещающих пород: Тип комплекса;

Направление перехода нарушен;«: Изменение конфигурации выемочного столба; Бремя выявления нарушения;: Коэффициент крепости вмещающих пород, почвы:

I Сброс, взброс, флексура,- надвиг

10.8« < Н < 3.5м

!р >95®

! Устойчивые

! 1МКМ, 2ЖЗ, МК75

| На опушенное гфьшо I Уеегй-шешё .ширины

[Заранее в

I? <4

кровли: || <4

Расчет

Рисунок 3 - Главное окно программного обеспечения - форма ручного ввода характеристик нарушения и параметров работы очистного забоя

<ъ

Тип нарушения:

Стратиграфическая амплитуда дизъюнктивного нарушения: Угол» образов сместителя и линией Расположение плий в выемочном поле;

I Сброс, взброс, флексура, надвиг ::

Изменение мощности Устойчивость вм Тип комплекса: Направление перехс Изменение (сонфигу| Время выявления нар|

I..'] Решение

ф

Возможные варианты решения:

Пологий фронтальный перевод лавы через протяженное нарушение на опущенное крыло, (61.54 %)

Крутой фронтальный перевод лавы через протяженное нарушение на базовой плоскости пласта. (42,86 %)

Коэффициент крепости вмещающих пород, почвы:

?'<4

кровли: | { < 4

Рисунок 4-Отображение рекомендации вариантов рационального и безопасного способа перехода геологического нарушения

-L'i Выбор

Im

и

я амплитуда дизъюнктивного нарушения: Угол, образованным линкуй сместителя и линией очистного забоя: Расположение пликативного нарушения б выеиочнон поле:

Изменение мощности пласта: Устойчивость вмещающих пород : Тип комплекса:

Направление перехода нарушения: Изменение конфигурации выеночного столба;: Время выявления нарушения;

Решение не найдено

Ш

Коэффициент крепости вмещающих пород, почвы:

Nt.:

кровли

Расчет

Рисунок 5 — Отображение отсутствия варианта перехода нарушения, необходимо выполнить перемонтаж комплекса в новую разрезную

выработку

Блок V подразумевает выявление геомеханических особенностей перехода геологического нарушения. Для этого определяется: активность нарушения, характеристика обрушения вмещающих пород кровли, характеристика разрушения пород кровли при контакте с крепью, устойчивость вмещающих пород кровли, прочностная характеристика вмещающих пород почвы, существование обмена энергией между блоками массива через разрывное нарушение, угол падения сместителя, протяженность нарушения.

Блок VI реализует определение комплекса необходимых мероприятий по укреплению или разупрочнению углепородного массива. Для определения комплекса мероприятий используются возможности нечеткой логики программного пакета FUZZY TECH 5.54D.

Блок VII — переход очистным механизированным комплексом геологического нарушения по технологической схеме, рекомендованной в

Блоке III, и с осуществлением необходимых мероприятий, рекомендованных Блоком VI.

Блок IX — выход очистного забоя на нормальный режим работы по добыче угля после преодоления геологического нарушения.

На основе анализа результатов исследований прошлых лет, а также опыта преодоления очистными механизированными комплексами зон влияния геологических нарушений в работе даны рекомендации по применению специальных мероприятий, необходимых к использованию при отработке запасов в этих зонах.

Для динамичной и безопасной работы в зонах влияния геологических нарушений необходимо производить укрепление горных пород, а в некоторых случаях и разупрочнение. К рекомендуемым мероприятиям по укреплению горных пород относятся: цементация; силикатизация; замораживание; глинизация; битумизация; торкретирование; электрохимическое, термическое и химическое упрочнение; анкерование кровли и угольного забоя; заполнение "куполов". К рекомендуемым мероприятиям по разупрочнению горных пород относятся: торпедирование кровли и угольного пласта с породными включениями; камуфлетное взрывание; гидрорыхление.

Для определения необходимых мероприятий рекомендуется использовать разработанные автором правила нечеткого вывода в среде нечеткого моделирования FUZZY TECH 5.54D.

Разработка правил нечеткого вывода и реализация данных правил осуществлялась на основе результатов анализа изученности вопроса обоснования необходимых мероприятий по управлению состоянием горного массива в зоне влияния геологических нарушений с использованием возможностей программного пакета FUZZY TECH 5.54D в следующей последовательности и содержит нижеописанные этапы нечеткого вывода

Этап выявления мнений экспертов реализуется методом Делфи и определяет мнения экспертов о необходимых мероприятиях по укреплению или

разупрочнению массива горных пород при работе очистного забоя по добыче полезного ископаемого в зонах влияния геологических нарушений.

На этапе анализа статистических данных об отработке подобных участков формируется массив статистической информации о работе очистных комплексов в зонах влияния геологических нарушений, и экспертным путем определяются закономерности формирования статистических данных.

Обозначение всех "участников" нечеткого вывода реализуется на этапе определения входных и выходных лингвистических переменных, выделения термов и задания функций принадлежности.

База правил системы нечеткого вывода в работе представлена в виде структурированного текста и предназначена для обозначения зависимости конечного результата от введенных параметров, содержит конечное число правил и имеет вид:

IF Aktivnost Narush = (т2 OR т 3) AND Harakteristika Vmesh Porod Krovli = (pi OR p2 OR p3) AND Ustoichivost Porod Krovli = (co4 OR ct>5) AND Razrush Krovli Po Kontaktu S Krepiu = p6 AND Protiajonnost Narush = (19 OR 110) THEN Himich Uprochnenie Krovli = G2 WEIGHT 1;

IF Aktivnost Narush = (т2 OR т 3) AND Harakteristika Vmesh Porod Krovli = (p3 OR p4) AND Ustoichivost Porod Krovli = (ш4 OR co5) AND Protiasonnost Narush = (18 OR 19 OR 110) AND Ugol Padenia Smestitelya = (yl OR y2) THEN Himich Uprochnenie Krovli = G3 WEIGHT 1;

IF Aktivnost Narush = (т2 OR т 3) AND Harakteristika Vmesh Porod Krovli = p5 AND Ustoichivost Porod Krovli = (col OR ш2) AND Obmen Energiey Mejdu Massivom Cherez Razrivnoe Narush = z2 AND Ugol Padenia Smestitelya = у 1 THEN Razuprochnenie Vmesh Porod = T3 WEIGHT 1;

где WEIGHT 1 — весовой коэффициент правила.

На этапе фаззификации входных переменных осуществляется введение нечеткости.

Определение степени истинности условий по каждому из правил системы нечеткого вывода имеет место на этапе агрегирования подусловий.

Этап активизации подзаключений реализует процесс определения степени истинности каждого из подзаключений правил нечетких продукций.

Процесс поиска функции принадлежности для каждой из выходных лингвистических переменных множества реализуется на этапе аккумулирования подзаключений.

Далее, по существующему общепринятому определению, следует дефаззификация — этап реализации процесса нахождения обычного значения для каждой из выходных лингвистических переменных множества.

Используя работу модулей программного пакета FUZZY TECH 5.54D, по вышеописанным этапам нечеткого моделирования, и разработанную автором базу правил нечеткого вывода, при минимальном участии человеческого фактора и достаточной надежности, вполне возможно определить мероприятия, выполнение которых необходимо в зонах влияния геологических нарушений. Данные правила проверены на ранее принимаемых инженерным персоналом угледобывающих предприятий рациональных решениях по осуществлению необходимых мероприятий и подтвердили надежность и работоспособность рекомендаций автора.

Использование разработанных автором алгоритма, нечетких правил и программного обеспечения позволяет выйти на уровень автоматизации принятия проектных решений по рациональной и безопасной отработке запасов в зонах геологических нарушений. Апробация результатов исследований, на примере работы добычного участка 0.5.2 шахты "Распадская-Коксовая" в условиях преодоления геологических нарушений, подтвердила работоспособность алгоритма и программного обеспечения, а также надежность получаемых при их использовании рекомендаций автора, представленных в виде вариантов проектных решений по отработке запасов в нарушенной зоне.

В процессе перехода зон геологических нарушений возникают определенные трудности и ограничения возможности обеспечения эффективной эксплуатации очистных механизированных комплексов,

вызванные влиянием различных факторов, и, как следствие, появляются дополнительные ограничения и риски неблагоприятных последствий ведения очистных работ в этих зонах.

Наиболее значимыми факторами, снижающими уровень эксплуатационной производительности очистных механизированных комплексов и эффективности ведения горных работ при переходе зон геологических нарушений, являются: степень нарушенности запасов выемочного участка; повышение зольности горной массы; снижение производительности труда персонала; потери полезного ископаемого; увеличение энергозатрат; необходимость привлечения дополнительного числа работников; снижение уровня безопасности; ограничения по техническим характеристикам применяемого очистного оборудования; ускоренный износ машин и механизмов.

При принятии решений по переводу очистного механизированного комплекса через геологическое нарушение проявляются производственные, технологические, организационные и финансовые риски. Минимизация данных рисков обеспечивается за счет более детальной геологоразведки на предпроектной стадии; оценки технического состояния очистного комплекса, определяющего возможность осуществления перехода нарушения; реализации программного обеспечения, позволяющего принимать объективные решения по переводу очистного механизированного комплекса через геологическое нарушение; комплексной оценки возможности и эффективности перехода нарушения при практической реализации различных вариантов технологических решений по переходу геологического нарушения; выполнения мероприятий по укреплению или разупрочнению углепородного массива в зоне нарушения.

При проектировании технологии отработки запасов угля в нарушенных зонах участков шахтных полей разработанное автором программное обеспечение являет собой дополнение к горно-геологической информационной системе (ГГИС) VULCAN (Maptec, Australia), позволяющей решать большой

круг горнотехнических задач - от построения цифровой модели местности для подсчета запасов и до оперативного планирования горных работ. В дополнение к ГГИС VULCAN предлагается использовать программный продукт, разработанный автором, являющийся составной частью алгоритма принятия решений по преодолению очистным механизированным комплексом зон геологических нарушений, а также правила нечеткого вывода, в среде нечеткого моделирования FUZZY TECH 5.54D с целью определения мероприятий, необходимых к осуществлению в зоне перехода геологических нарушений.

Экономический эффект от принятия проектных решений по переходу зон геологических нарушений является основным показателем работы очистного комплекса в зоне нарушения. При сравнении результатов расчетов стоимости перемонтажа комплекса и перехода геологического нарушения необходимо учитывать суточную производительность очистного забоя, энергозатраты на разрушение угля, объем добытого угля и присеченной породы, объем потерь угля в кровле и почве пласта с учетом влияния амплитуды дизъюнктивного нарушения, скорость подачи комбайна. Критерием экономического сравнения вариантов является прибыль, недополученная от списания нарушенных балансовых запасов. В расчете себестоимости добычи в условиях влияния зоны нарушенности необходимо учитывать затраты на электроэнергию и материалы, на буровые работы, амортизационные отчисления, заработную плату.

Целесообразность перехода нарушений подтверждается опытом отработки нарушенных пластов в поле шахты "Распадская", усредненные данные которого свидетельствуют о прибыли в 80 млн. руб. при переходе дизъюнктивного нарушения с амплитудой смещения 1 м и углом падения сместителя 40°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, содержится решение задачи обоснования проектных решений по рациональной отработке запасов выемочных участков угольных шахт в зонах геологических нарушений, обеспечивающих повышение безопасности и эффективности горных работ, а также полноты извлечения полезного ископаемого, что имеет существенное значение для угольной промышленности России.

Основные научные результаты и выводы, полученные лично автором, и рекомендации заключаются в следующем:

1. Осуществлена оценка минерально-сырьевой базы перспективных угольных месторождений и нарушенности угольных пластов.

2. Проведен анализ опыта отработки запасов нарушенных пластов.

3. Проведен анализ уровня изученности вопроса перехода очистными механизированными комплексами зон геологических нарушений.

4. Обоснована структура формирования геологической базы принятия решений об отработке запасов угля в нарушенных зонах выемочных участков.

5. Разработана теоретическая база обоснования проектных решений по эксплуатации очистных механизированных комплексов в зонах геологических нарушений с использованием информационных технологий.

6. Разработаны алгоритм и информационно-программная база системы комплексной реализации методики обоснования проектных решений по отработке запасов угольных пластов в зонах геологических нарушений.

7. Сформирована система ограничений и управления рисками при принятии проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений.

8. Разработана база правил нечеткого вывода и сформулированы рекомендации по использованию возможностей программных модулей нечеткого вывода FUZZY TECH 5.54D при обосновании выбора мероприятий по снижению основных видов рисков, связанных с изменением состояния

углепородного массива при отработке запасов в зонах геологических нарушений.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Киселев A.M. Анализ горно-геологических факторов определяющих эффективность проектных решений по рациональному и безопасному переходу зон нарушенное™ в границах выемочных участков шахт. // Депонированная рукопись №830/07-11, 14 с. - М.: МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — №7.

2. Кузнецов Ю.Н., Киселев A.M. Основные виды рисков, возникающих при принятии проектных решений по переходу зон геологических нарушений угольных пластов. // Депонированная рукопись №922/10-12, 3 с. — М.: МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. -2012. -№10.

3. Кузнецов Ю.Н., Киселев A.M. К вопросу автоматизированного проектирования технологических схем перехода геологических нарушений в границах выемочных участков. — М.: МГГУ, Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. -№10. - С. 341-347.

4. Стадник Д.А., Киселев A.M. К вопросу учета системы ограничений в рамках принятия проектных решений по отработке запасов углей, расположенных в геологически нарушенных зонах пластов. - М.: МГГУ, Горная промышленность. -2012. -№5. - С. 68-69.

5. Киселев A.M., Компаниец Б.И. Пример создания прогнозной модели развития горных работ в пакете FUZZY TECH 5.54D. // Кузнецов Ю.Н., Стадник Д.А., Федаш A.B. Проектирование отработки запасов выемочных участков на базе технологического картографирования. - М.: Изд-во "Горная книга", 2012.-С. 126-134.

6. Киселев A.M., Компаниец Б.И. Апробация прогнозной модели развития горных работ в условиях ОАО "РАСПАДСКАЯ". // Кузнецов Ю.Н., Стадник Д.А., Федаш A.B. Проектирование отработки запасов выемочных участков на базе технологического картографирования. — М.: Изд-во "Горная книга", 2012.-С. 135-153.

Подписано в печать 23.11.2012 Формат 60x90/1 б

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1476

Типография Московского государственного горного университета, г.Москва, Ленинский пр., д.б

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Киселев, Александр Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Общая характеристика нарушенности угольных пластов наиболее перспективных месторождений России.

1.2 Анализ опыта отработки запасов угля в зонах геологических нарушений

1.3 Анализ уровня изученности вопроса обоснования проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений.

1.4 Формулирование цели, постановка задач и выбор методов исследований 44 ВЫВОДЫ.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОЧИСТНЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ В ЗОНАХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ.

2.1 Методические основы формирования геологической базы принятия решений о переходе зон нарушений в границах выемочного участка.

2.1.1 Основные факторы, осложняющие переход зон геологических нарушений.

2.1.2. Параметры, определяющие рациональность перехода геологических нарушений.

2.2 Формирование теоретической базы обоснования проектных решений по переходу очистными механизированными комплексами зон геологических нарушений.

2.2.1 Принципиальные проектные решения по отработке запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений.

2.2.2 Методические рекомендации по учету системы ограничений и управления рисками при принятии проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений.

ВЫВОДЫ.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО РАЦИОНАЛЬНОЙ ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ В ЗОНАХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ ПРИ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ.

3.1 Структура алгоритма реализации методики обоснования проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений.

3.2 Обоснование структуры горно-геологической информационной системы используемой при поиске рациональных проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений.

3.3 Разработка горно-геологической информационной экспертной системы обоснования проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений.

3.4 Формирование нечеткой модели выбора мероприятий при отработке запасов в зонах геологических нарушений в программном пакете нечеткого моделирования FUZZY TECH 5.54D.

ВЫВОДЫ.

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРАКТИКЕ ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОТРАБОТКЕ ЗАПАСОВ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ НАРУШЕНИЯМИ.

4.1 Рекомендации по организации на угледобывающих предприятиях системы обоснования проектных решений по отработке запасов в зонах геологических нарушений высокопроизводительными комплексами очистного оборудования

4.2 Предложения по минимизации рисков принятия проектных решений и по эффективной отработке запасов угля на участках недр с геологическими нарушениями и по учету экономических аспектов работы.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование проектных решений по рациональной отработке запасов выемочных участков угольных шахт в зонах геологических нарушений"

Актуальность работы. Угольная промышленность России в настоящее время находится на пути инновационного развития производства, повышения интенсивности и концентрации горных работ. В то же время активизация инновационной деятельности горных предприятий сопряжена с возрастанием различного рода рисков необоснованного принятия проектных решений по отработке запасов выемочных участков шахтных полей. Игнорирование этих рисков может привести к существенной потере устойчивости функционирования шахты и ее инвестиционной привлекательности, а также к снижению полноты использования георесурсного потенциала и значительным финансовым издержкам производства. Минимизировать эти риски возможно в первую очередь за счет надежного прогнозирования горно-геологических условий ведения очистных работ. Современные горно-геологические информационные системы позволяют корректно моделировать пластовые месторождения, выявлять нарушения в их залегании и объективизировать пространственно-планировочные решения по формированию контуров отработки запасов полезных ископаемых. Наличие достоверной информации о нарушенности шахтных полей дает возможность заблаговременно оценить степень сложности горно-геологических условий и обосновать проектные решения по рациональной отработке запасов нарушенных участков угольных пластов с использованием комплексов очистного оборудования современного технического уровня.

В то же время следует отметить, что в этом направлении в прошлом столетии и в начале этого был выполнен ряд исследований, посвященных оценке сложности геологических нарушений и разработке технологических решений по переходу их очистными работами. Однако эти решения относились к определенным комплексам очистного оборудования, что не позволяло использовать результаты выполненных исследований для формирования единой методической базы проектирования отработки запасов в нарушенных зонах выемочных участков и подготовки производства очистных работ с применением механизированных комплексов высокого технического уровня.

Вышеизложенное позволяет объективно говорить об актуальности для угольной промышленности задачи обоснования проектных решений по рациональной комплексно-механизированной отработке запасов в зонах геологических нарушений.

Целью диссертации является разработка методики обоснования проектных технологических решений по рациональной комплексно-механизированной отработке запасов в зонах геологических нарушений угольных пластов, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности горных работ, а также полноты извлечения запасов угля и рентабельности производства.

Основная идея работы заключается в реализации комплексного подхода к обоснованию проектных решений по рациональной отработке запасов в зонах геологических нарушений угольных пластов с использованием информационных технологий для оценки сложности нарушений и минимизации рисков их безопасного и эффективного преодоления.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• принятие решений на стадии проектирования отработки запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений должно базироваться на результатах комплексной оценки параметров каждого нарушения, аналогов технологических схем перехода нарушений и возможных рисков их реализации;

• определяющими критериями рациональности проектных решений по отработке запасов в зоне геологического нарушения являются техническая возможность перехода его очистным механизированным комплексом, экономическая эффективность отработки запасов в режимах перехода или перемонтажа оборудования, а также безопасность ведения горных работ в зоне нарушения;

• устойчивая работа очистного механизированного комплекса в зоне выявленного геологического нарушения зависит в первую очередь от амплитуды нарушения, полноты соответствия технических возможностей применяемого оборудования параметрам нарушения, ресурса функциональных элементов очистного комплекса, уровней организации производства и безопасности при переходе зоны геологического нарушения;

• минимизация основных видов рисков, возникающих в процессе отработки запасов в зонах геологических нарушений, обеспечивается при адресно-ориентированном выполнении мероприятий по укреплению углепородного массива нарушенной зоны, а также при необходимости разупрочнения его торпедированием пород кровли, камуфлетным взрыванием, гидрорыхлением, в зависимости от горнотехнических характеристик массива в зоне нарушения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• проведены исследования результаты которых позволяют заранее спрогнозировать «ход событий», связанных с внезапной или предполагаемой встречей очистным забоем геологического нарушения, и своевременно применить ряд мероприятий для его успешного преодоления;

• разработаны методические положения по обоснованию рациональных проектных решений по отработке запасов выемочных участков в зонах геологических нарушений, позволяющие избежать проведения дополнительных геологоразведочных работ;

• разработаны алгоритм и программное обеспечение принятия решений по переходу зон геологических нарушений, позволяющие оперативно осуществлять принятие решений, как на стадии проектирования горных работ, так и при внезапной встрече геологического нарушения очистным механизированным комплексом;