Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии демонтажа очистных механизированных комплексов при высокой концентрации горных работ

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии демонтажа очистных механизированных комплексов при высокой концентрации горных работ"

На правах рукописи

КАРПОВ Григорий Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЕМОНТАЖА ОЧИСТНЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРНЫХ РАБОТ

Специальность 25.00.22 — Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г з маг

Санкт-Петербург - 2013

005060101

005060101

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

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Зубов Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

Лодус Евгений Васильевич доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Научный центр геомеханики и проблем горного производства, лаборатория физико-механических свойств и разрушения горных пород, главный научный сотрудник

Никишин Даниил Юрьевич кандидат технических наук, ООО «ГорноХимнческий инжиниринг», отдел подземных горных работ департамента горного проектирования, руководитель отдела

Ведущая организация - ОАО «ГИПРОШАХТ»

Защита состоится 07 июня 2013 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1166.

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

Автореферат разослан 07 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ 0 .-СИДОРОВ диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Внедрение высокопроизводительного надежного очистного оборудования при подземной разработке угольных пластов мощностью 2,5-5 м в настоящее время позволяет достигать высоких нагрузок на очистной забой, равных производственной мощности шахты. Предприятия с такой формой организации горных работ, обеспечивающей высокий уровень производительности труда и низкую себестоимость добываемого угля, наиболее конкурентоспособны в рыночных условиях. Примерами «шахт-лав» являются эффективно работающие перспективные шахты Кузбасса «Талдинская-Западная-1», «Талдинская-Западная-2», «Котинская».

Из-за высокой стоимости современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов на «шахтах-лавах» не предусматривается резервный фронт очистных работ. В связи с этим, для таких шахт актуальными являются вопросы, связанные со снижением продолжительности монтажно-демонтажных работ при переходе на отработку очередного выемочного столба.

К числу факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на продолжительность демонтажных работ, относятся самопроизвольные обрушения пород кровли в демонтажных камерах. Как показывает практический опыт, продолжительность демонтажа лав может возрастать в 1,5-2 раза и более, по сравнению с соответствующим показателем, рассчитанным без учета времени, затрачиваемого на ликвидацию последствий обрушений кровли.

Значительный вклад в решение вопросов, связанных с предотвращением обрушений пород кровли в очистных забоях и совершенствованием технологий демонтажа лав, внесли: A.A. Борисов, С.Т. Кузнецов, С.Н. Комиссаров, В.П. Зубов, Г.Л. Фисенко, Ю.А. Коровкин, Ф.П. Глушихин, Ю.Н. Кузнецов, Ю.В. Громов, Б.К. Мышляев, С.Г. Баранов, Д. Ойлер, Д. Фрит, Д.Р. Долинар, С. Тадолини.

Вместе с тем, как следует из практического опыта, продолжительность монтажно-демонтажных работ, как правило, значительно превышает технически необходимую. Так на перспективных шахтах Кузнецкого бассейна фактическая продолжительность простоев лав при перемонтаже механизированного комплекса составля-

ет 20-150 суток и более. При этом экономический ущерб, связанный с невосполнимыми потерями добычи, достигает 1-1,2 млн. долларов США в сутки.

Цель работы. Разработка технологии демонтажа очистных механизированных комплексов, позволяющей уменьшить продолжительность демонтажных работ в лавах, при отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м в условиях высокой концентрации горных работ.

Идея работы. Для сокращения продолжительности демонтажных работ при подходе лавы к месту её остановки необходимо производить перекрытие кровли в призабойном пространстве лавы сеткой из полимерных материалов в сочетании с мероприятиями, снижающими степень разрушения пород непосредственной кровли в зоне опорного давления до обнажения их очистными работами.

Основные задачи исследований:

1 Оценка эффективности использования известных технологических схем демонтажа очистного оборудования при отработке пологих угольных пластов механизированными комплексами.

2 Установление основных причин низкой эффективности известных способов предотвращения вывалов пород кровли в демонтажных камерах.

3. Оценка степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на состояние кровли в демонтажных камерах.

4 Разработка технологии выполнения демонтажных работ в лавах обеспечивающей устойчивое состояние непосредственной кровли на всех этапах проведения демонтажа очистного механизированного комплекса.

5 Определение области рационального использования рекомендуемой технологии демонтажа лав, оборудованных механизированными комплексами.

Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение ранее опубликованных в горнотехнической литературе работ, связанных с совершенствованием технологий демонтажа лав; шахтные исследования состояния пород кровли в демонтажных ка-

мерах; аналитические исследования напряженно-деформированного состояния пород непосредственной кровли впереди забоя лавы.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

• Установлена гиперболическая зависимость интенсивности обрушений пород непосредственной кровли в демонтажной камере от скорости подвигания лавы в период подхода ее к месту демонтажа.

• Установлена зависимость структуры затрат времени на основные операции по демонтажу очистных механизированных комплексов от принятой технологии демонтажа.

Основные защищаемые положения:

1. При использовании систем разработки длинными столбами основной причиной увеличения продолжительности демонтажа лав и повышения опасности труда горнорабочих являются обрушения пород непосредственной кровли в демонтажной камере, связанные с их переходом в предельное состояние и разрушением в зоне опорного давления, формирующейся впереди забоя лавы. В условиях шахт Кузбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 2,5-5,0 м, потери времени, связанные с этим фактором, достигают 74 % от общей продолжительности демонтажа лав.

2. При применении технологий демонтажа, основанных на использовании полимерных сетчатых перекрытий, наиболее опасные обрушения кровли происходят, в основном, в местах нахождения над сетчатым перекрытием полостей, образовавшихся в результате вывалов пород на этапе формирования демонтажной камеры. При отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м образование таких полостей наиболее вероятно при скорости подвигания лавы менее 3-4 м/сут.

3. Снижение продолжительности демонтажных работ на 2030 % достигается при использовании технологии демонтажа, включающей: монтаж у кровли демонтажной камеры сетчатого перекрытия; опережающую разгрузку непосредственной кровли пласта на участках выемочного столба, прилегающих к подготовительным выработкам, в месте расположения демонтажной камеры; подвигание

лавы на завершающем этапе отработки столба со скоростью не менее 3 м/сут.

Практическая значимость работы:

• Разработана технология демонтажа лав, оборудованных механизированными комплексами, позволяющая уменышггь продолжительность демонтажных работ при отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м на 20-30 % и более.

• Установлены технологические процессы, оказывающие наиболее существенное влияние на интенсивность обрушений пород кровли в демонтажных камерах, и месторасположение участков демонтажных камер опасных по данному фактору.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, проанализированных при проведении шахтных исследований процессов деформирования и разрушения пород кровли в демонтажных камерах; подтверждением основных выводов и рекомендаций фактическими результатами, полученными при проведении демонтажей механизированных комплексов при отработке пологих пластов на шахтах Кузнецкого бассейна.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); ежегодной Международной конференции на базе Краковской горно-металлургическои академии (г.Краков, Польша, 2010 г.); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка - 2012» (г. Москва, 2012 г.); Международной конференции на базе Фрайбергского технического университета (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные исследования состояния кровли в демонтажной камере, установлены основные параметры рекомендуемой технологии демонтажа очистных механизированных комплексов, сформулированы основные защищаемые положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах, из них 2 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 165 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 104 источников, включает 71 рисунок и 15 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных; сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы; инженерно-техническим работникам шахт «Котинская», «Талдинская-Западная - 1», «Талдинская-Западная - 2» за оказанную помощь при проведении шахтных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу практического опыта проведения работ по демонтажу очистных механизированных комплексов при разработке пологих угольных пластов. Выполнен анализ перспективных схем формирования демонтажных камер и способов поддержания кровли при демонтаже секций крепи. Проанализирован практический опыт предотвращения вывалов пород непосредственной кровли в лавах пологих пластов на угольных шахтах. Определены задачи исследований.

Во второй главе приведены методика и результаты шахтных исследований влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на степень нарушенности пород кровли по длине де-монтажной камеры.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние пород кровли в демонтажных камерах.

В четвертой главе приведена рекомендуемая технология выполнения демонтажных работ в лавах, оборудованных механизированными комплексами, при отработке пологих пластов мощно-

стью 2,5-5,0 м. Обоснованы основные параметры предложенной

технологии и области её использования.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. При использовании систем разработки длинными столбами основной причиной увеличения продолжительности демонтажа лав и повышения опасности труда горнорабочих являются обрушения пород непосредственной кровли в демонтаж-ной камере, связанные с их переходом в предельное состояние и разрушением в зоне опорного давления, формирующейся впереди забоя лавы. В условиях шахт Кузбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 2,5-5,0 м, потери времени, связанные с этим фактором, достигают 74 % от общей продолжительности демонтажа лав.

В течение последних 10-15 лет на угольных шахтах, разрабатывающих пологие пласты, широко внедряются высокопроизводительные очистные и проходческие механизированные комплексы. В результате технического перевооружения шахт среднемесячная нагрузка на забой возросла в 2-3 раза и более. В настоящее время в благоприятных горно-геологических условиях на угольных шахтах (ш. «Талдинская-Западная - 1», ш. «Талдинская-Западная - 2» и др.) одной лавой добывают до 1 млн. т. угля в месяц.

Высокие нагрузки на очистной забой в сочетании с высокой стоимостью современного высокопроизводительного очистного оборудования существенно повысили требования к надежности применяемых технологий и продолжительности простоев лав. Величина материального ущерба при простое очистного забоя в течение одних суток на современной шахте может превышать 30 млн. руб. В связи с этим, в условиях высокой концентрации горных работ особое значение приобретают простои механизированных комплексов, связанные с проведением монтажно-демонтажных работ при переходе на отработку новых участков. Фактические затраты времени на демонтаж современного очистного комплекса при отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м на шахтах Кузбасса составляют 20-150 суток, что в 1,3-10 раз превышает технически необходимую продолжительность демонтажа лавы.

К числу основных факторов, определяющих продолжительность демонтажа механизированных комплексов, относятся способ формирования демонтажной камеры и эффективность мероприятий по предотвращению обрушений кровли в демонтажной камере.

Технологии демонтажа, применяемые на шахтах Кузнецкого угольного бассейна, можно подразделить на три группы:

Традиционная технология демонтажа. При использовании традиционных технологий формирование демонтажной камеры осуществляется (рисунок 1, а) в процессе выемки последних 1618 циклов. После каждого выемочного цикла производится крепление кровли демонтажной камеры анкерами (возможно двухуровневое). В качестве затяжки используются металлическая решетка или сплошное перекрытие из деревянных плах. Возможна установка дополнительных подхватов из специальных взаимозаменяемых профилей СВП, штрипсов или стальных канатов. При выемке трех последних циклов не осуществляется передвижка линейных секций крепи, домкраты передвижки секций крепи отсоединяются от реш-тачного става, а для передвижки скребкового конвейера используются металлические проставки из СВП длиной кратной ширине захвата комбайна. После остановки комплекса краевую часть угольного массива укрепляют анкерами длиной до 1,6 м.

Технологии с использованием полимерных сетчатых перекрытий. При реализации технологий 2-й группы формирование демонтажной камеры (рисунок 1, б) также осуществляется в процессе выемки последних 16-18 циклов. При этом к кровле демонтажной камеры по всей ее площади на анкеры крепится специальное полимерное сетчатое перекрытие, представляющее собой цельное полотно.

Технологиями 3-й группы предусматривается формирование демонтажной камеры в два этапа (рисунок 1, в). Вначале, в процессе подготовки выемочного участка с использованием проходческого комбайна, у кровли пласта проводятся две (либо одна) вспомогательные выработки. Их суммарное сечение меньше, чем проектное сечение демонтажной камеры. Завершение формирования демонтажной камеры происходит при выемке пачки угля, оставленной в

почве вспомогательных выработок, в процессе выемки последних 16-18 циклов.

Основным достоинством данной технологии является возможность крепления кровли демонтажной камеры до ее разрушения опорным давлением. В качестве основной крепи применяется одно-или двухуровневая анкерная крепь под подхват из СВП, штрипсы или стальные канаты. Применяют также установку дополнительных поддерживающих конструкций (костров различного типа, металлических или деревянных стоек, проколот и т.п.).

Технологически необходимая продолжительность формирования демонтажной камеры по данной схеме составляет несколько суток. Вместе с тем фактическая продолжительность этих работ в

ряде случаев достигает 50-60 суток.

Из рисунка 2 следует, что во всех рассматриваемых технологиях продолжительность демонтажа определяется, главным образом, двумя факторами: временем, технологически необходимым для выполнения демонтажа оборудования; потерями времени на ликвидацию последствий вывалов в демонтажной камере. При этом затраты времени на ликвидацию последствий вывалов при применении технологий первой, второй и третьей групп составляют соответственно

74%, 45% и 66%.

Шахтные исследования показали, что, независимо от принятой технологии демонтажа, основной причиной вывалов в демон-тажных камерах является, как правило, повышенная нарушенность пород непосредственной кровли трещинами эксплуатационного происхождения, возникающими в зоне опорного давления впереди забоя лавы. Доказательством этого являются следующие факты: до 30 % общего числа вывалов происходит во время обнажения пород кровли при выемке угля комбайном, а также над зоной интенсивного отжима в угольном пласте; интенсивность трещин в породах кровли при формировании демонтажных камер в 5-7 раз и более превышает интенсивность трещин, зафиксированную в основной

период работы лавы до ее демонтажа.

2. При применении технологий демонтажа, основанных на использовании полимерных сетчатых перекрытий, наиболее опасные обрушения кровли происходят, в основном, в местах

£

Рисунок 1 - Принципиальные схемы технологий демонтажа, применяемых на шахтах Кузбасса: а, б, в - соответственно для технологий 1 -й, 2-й и 3-й групп

3% 2%

19%

б)

6% 3%

в Времялехшгческп необходимое для демонтажа

У/о 4% 2%

и Затраты времени на ликвидацию последствий обрушений кровли

и Простопш-за отказа вспомогательного оборудования

в Простои, связанные с низкой пропускной способностью транспорта и Прочее

Рисунок 2 - Распределение затрат времени на выполнение основных операций при демонтаже лавы: а, б, в - соответственно для технологических схем 1-й, 2-й и 3-й групп

нахождения над сетчатым перекрытием полостей, образовавшихся в результате вывалов пород на этапе формирования де-монтажной камеры. При отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м образование таких полостей наиболее вероятно при скорости подвигания лавы менее 3-4 м/сут.

Выполненные исследования показали, что для условий угольных шахт Кузнецкого бассейна, отрабатывающих пологие пласты мощностью 2,5-5,0 м, наиболее эффективными являются технологии демонтажа лав, основанные на применении полимерных сетчатых перекрытий. При использовании данной технологии продолжительность демонтажных работ в 1,6-2,1 раза меньше соответствующего показателя при реализации двух других рассматриваемых технологий. При использовании полимерного сетчатого перекрытия существенно повышается безопасность демонтажных работ по сравнению с двумя другими технологиями, большей является вероятность выполнения демонтажных работ в планируемые сроки, что особенно важно при высоком уровне концентрации горных работ на шахте. Вместе с тем затраты времени на ликвидацию последствий обрушений кровли при использовании полимерных сетчатых перекрытий в ряде случаев остаются высокими, в среднем достигая 45 % от общего времени, затрачиваемого на демонтаж. Принципиальная схема формирования демонтажной камеры при использовании технологии демонтажа, основанной на применении полимерного сетчатого перекрытия, представлена на рисунке 1, б.

Шахтные исследования показали, что эффективность применения полимерных сетчатых перекрытий существенно снижается в случаях нахождения над сеткой полостей, возникающих в результате обрушения пород непосредственной кровли в местах нахождения зон интенсивного отжима угля, а также над комбайном при выемке последних 16-18 полос угля. Вероятность появления данных полостей зависит от скорости подвигания лавы на завершающей стадии отработки столба. При этом наиболее резкое увеличение числа полостей и их размеров наблюдается при снижении скоростей до 34 м/сут. На участках сетки, расположенных под полостями вывалов, высокой является вероятность разрыва полимерного перекрытия породой, падающей с большой высоты. Как ранее отмечалось, высота

полостей вывалов может достигать четырех метров и более. В результате подобных явлений затраты времени на ликвидацию последствий обрушений пород кровли при демонтаже увеличивались

на 15-20 % и более.

Так, при демонтаже лавы 6706 в условиях шахты «Талдин-ская-Западная-1» на завершающем этапе демонтажа секций механизированной крепи в районе сопряжения демонтажной камеры с вентиляционным штреком произошло обрушение пород кровли, которое привело к разрыву полимерного сетчатого перекрытия. Как следствие, темпы демонтажа очистного оборудования снизились более чем в 2 раза: с 10-ти секций в сутки до 4-х.

При демонтаже лавы 5202 шахты «Котинская» на начальной

стадии формирования демонтажной камеры в районе ее сопряжения с вентиляционным штреком произошло обрушение кровли, приведшее к образованию полости высотой около 4 м над 13-ю секциями крепи. Полость была заложена круглым лесом. Завершающая стадия демонтажа сопровождалась интенсивными обрушениями породы в демонтажную камеру. Штрековые секции крепи были завалены полностью. На демонтаж только последних 4-х секций потребовалось более 4 суток. Общая продолжительность демонтажа лавы составила 33 дня.

Выполненные шахтные исследования показали, что при использовании технологии с сетчатым перекрытием в условиях отработки пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м максимальный положительный эффект достигается при параметрах сетчатого перекрытия, определяемых из выражений:

где Ьмр, 8пер - соответственно длина и ширина сетчатого перекрытия, м; 1Л - длина лавы, м; Ь^щ, - ширина конвейерной (вентиляционной) участковой выработки, м; тв - вынимаемая мощность пласта, м; г - ширина захвата комбайна, м; /„ - суммарная длина поддерживающего и оградительного перекрытий секции крепи, м.

Я„еР =тв+1л+6г

пер

(1) (2)

При отсутствии геологических нарушений вблизи места остановки лавы характерным является распределение частоты вывалов по площади демонтажной камеры, представленное на рисунке 3.

Максимальное число обрушений кровли (до 74 %) наблюдается на концевых участках демонтажной камеры, прилегающих к участковым подготовительным выработкам. На среднем участке демонтажной камеры около 17 % вывалов зафиксировано со стороны выработанного пространства и до 9 % - со стороны угольного массива. Наиболее крупные вывалы пород кровли наблюдаются на концевом участке демонтажной камеры, прилегающем к выработанному пространству смежного ранее отработанного столба.

Установлено, что до 25 % порывов сетчатого перекрытия происходит в процессе разворота секции крепи при её извлечении из общего ряда. При разгрузке секции крепи полимерная сетка опускается под весом непосредственной кровли (рисунок 4) и плотно прижимается к угловой части перекрытия секции, где происходит разрыв сетчатого перекрытия под воздействием растягивающих напряжений.

Выполненные исследования показали, что устойчивое состояние кровли в рассматриваемый период сложно обеспечить даже при применении пилотных секций крепи, развернутых в направлении демонтажа и передвигаемых по мере извлечения линейных секций. Это объясняется высокой степенью разрушения пород кровли, значительными величинами ее опусканий на границе демонтажной камеры, а также тем, что передвижка секций занимает продолжительное время (до 60 минут).

Основные показатели интенсивности вывалов (их высота, объем, частота) на концевых участках длиной 7-13 м в 1,5-2,8 раза превышают средние значения соответствующих показателей, зафиксированных на средних участках демонтажной камеры.

Это объясняется более высокой степенью нарушенности пород непосредственной кровли на концевых участках лав трещинами эксплуатационного происхождения. Породы непосредственной кровли на концевых участках лав дополнительно нарушены трещинами, возникающими в окрестностях подготовительных выработок и ориентированными перпендикулярно забою лавы. Глубина рас-

пространения этих трещин в массив достигает 7-13 м. Концевые участки лав характеризуются максимальной частотой (25- 30% общего числа случаев) обрушений пород непосредственной кровли при ее обнажении в процессе выемки угля комбайном, а также над зоной интенсивного отжима угля впереди забоя лавы при формировании демонтажной камеры.

На интенсивность обрушений пород непосредственной кровли в демонтажных камерах, а, следовательно, и на вероятность возникновения ситуаций, при которых над сетчатым перекрытием расположены полости вывалов, существенное влияние оказывает скорость подвигания лавы (рисунок 5) на завершающей стадии отработки выемочного столба. С уменьшением скорости подвигания лавы интенсивность обрушений кровли возрастает. Наиболее резкое увеличение интенсивности наблюдается при скоростях подвигания лав меньше некоторых предельных значений, зависящих от конкретного сочетания горно-геологических и горнотехнических условий ведения очистных работ. Для рассмотренных условий разработки пологих угольных пластов мощностью 2,5-5,0 м на глубинах 150-340 м значения предельных скоростей составляют 3-4 м/сут.

Скорость подвига пня забоя, м/сут Рисунок 5 - График зависимости интенсивности обрушений в демонтажной камере от скорости подвигания очистного забоя

^ЛОШсЯ Б

Рисунок 3 - Распределение частоты обрушений пород кровли по площади кровли демонтажной камеры

Лебедка

Полиспаст

стоики

Рисунок 4 - Принципиальная схема извлечения механизированной крепи с использованием двух

3. Снижение продолжительности демонтажных работ на 20-30 % достигается при использовании технологии демонтажа, включающей: монтаж у кровли демонтажной камеры сетчатого перекрытия; опережающую разгрузку непосредственной кровли пласта на участках выемочного столба, прилегающих к подготовительным выработкам, в месте расположения демонтажной камеры; подвнгание лавы на завершающем этапе отработки столба со скоростью не менее 3 м/сут.

Принципиальная схема рекомендуемой технологии демонтажа лав при отработке пологих угольных пластов мощностью 2,55,0 м представлена на рисунке 6. Данная технология включает использование в демонтажных камерах сетчатого перекрытия из полимерных материалов в сочетании с проведением мероприятий, исключающих возможность образования полостей в кровле над сетчатым перекрытием.

До подхода лавы к месту её демонтажа на расстояние I, равное ширине зоны опорного давления Ь0.д., формирующегося впереди очистного забоя, производят перераспределение напряжений на участках длиной Х3 и Х4 (рисунок 6, а), прилегающих к участковым подготовительным выработкам. Целью этого мероприятия является снижение степени разрушения пород кровли в период нахождения их в зоне опорного давления. Перераспределение напряжений рекомендуется производить путем бурения скважин по нижним пачкам угольного пласта. Основными параметрами разгрузочного бурения являются: диаметр скважин, расстояние между скважинами, глубина зон разгрузки X, и Х2 (рисунок 6, а), ширина разгруженных зон Х3 и Х4 (рисунок 6, а). По результатам выполненных аналитических исследований в рассматриваемых горно-геологических и горнотехнических условиях рациональными являются следующие параметры рекомендуемой технологии: диаметр скважин - 0,2 м; расстояние между скважинами - 0,75 м; X/ = 10,3 м; Х2 =15,1 м; Х3 = Х4 = 18,4 м; А>.д. = 80 м. Бурение дополнительных разгрузочных скважин целесообразно осуществлять при бурении пластовых дегазационных скважин. Монтаж полимерного сетчатого перекрытия начинают при подходе лавы к месту ее остановки на расстояние 5= 96,4 м.

В завершающий период отработки столба при формировании демонтажной камеры скорость подвигания лавы должна быть максимально возможной. Для увеличения скорости подвигания забоя лавы крепление кровли рекомендуется производить с использованием двух лавных анкероустановщиков. Применение данного оборудования позволяет осуществить формирование демонтажной камеры за 3-4 суток при скорости подвигания забоя лавы равной 4,04,2 м/сут. В настоящее время при демонтаже с применением полимерного сетчатого перекрытия продолжительность данного периода, как правило, составляет 8-11 суток.

Рисунок 6 — Принципиальная схема рекомендуемой технологии демонтажа лавы: а - вид в плане; б - поперечное сечение камеры после остановки лавы.

Монтаж полимерного сетчатого перекрытия осуществляется, в основном, по типовой схеме в течение последних 16-18 циклов работы лавы. При этом анкеры для крепления сетчатого перекрытия рекомендуется располагать с наклоном в сторону нетронутого массива под углом 55-65° к основным трещинам в породах непосредственной кровли.

Общий вид сечения демонтажной камеры непосредственно перед началом демонтажа приведен на рисунке 6, б.

Извлечение линейных секций механизированной крепи из общего ряда и их разворот производят при помощи лебедки и полиспаста, прикрепленного к анкерам, установленным в краевой части угольного массива.

Для поддержания кровли демонтажной камеры в зоне извлечения линейных секций крепи рекомендуется применять самоходные пилотные секции механизированной крепи (рисунок 7). Применение таких секций позволяет уменьшить площадь незакрепленной кровли на 25-30 %, а также значительно сократить (в 2-4 раза) промежутки времени, в течение которых кровля не поддерживается крепью.

Самоходная мех. крепь

\, Деревянные стойки 4 ч Демонтируемая секция крепи

Рисунок 7 - Рекомендуемая схема поддержания кровли в местах извлечения секций механизированной крепи

Передвижка самоходной пилотной крепи может осуществляться дистанционно непосредственно вслед за извлечением линейных секций механизированной крепи, что позволяет избежать разрывов полимерного сетчатого перекрытия при развороте демонтируемой секции и сократить затраты времени на демонтаж. В качестве самоходной крепи рекомендуется использовать крепи типа MRS (Mobile Roof Support) производства фирмы Fletcher. В перспективе целесообразной является разработка и использование для демон-тажных работ в лавах самоходных пилотных крепей, передвижку которых можно будет осуществлять без их полной разгрузки.

Ожидаемый экономический эффект от применения рекомендуемой технологии, получаемый в результате снижения интенсивности обрушений пород кровли при демонтаже, связан с сокращением времени простоя очистного оборудования на 20-30 %. В условиях шахт Кузбасса, отрабатывающих пологие пласты мощностью 2,55,0 м, экономический эффект на «шахтах-лавах» может достигать 200 млн. руб. на выемочный столб.

Ожидаемый социальный эффект заключается в повышении безопасности труда горнорабочих.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи - разработка технологии демонтажа очистных механизированных комплексов, позволяющей уменьшить продолжительность демонтажных работ в лавах, при отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м в условиях высокой концентрации горных работ.

1. В условиях высокой концентрации горных работ на современных «шахтах-лавах» простои высокопроизводительных механизированных комплексов в период демонтажа лав означают остановку работы всего предприятия. Величина экономического ущерба при простое комплекса в течение суток достигает 30 млн. руб. и более. Фактическая продолжительность простоя лав в период демонтажа на шахтах Кузбасса составляет 20-150 суток.

2. Из известных технологий демонтажа наиболее эффективными являются технологии, основанные на применении полимерных сетчатых перекрытий. Продолжительность простоя очистного оборудования при использовании данных технологий, по сравнению с другими применяемыми технологиями, сокращается на 37-52 %.

3. При формировании демонтажной камеры с применением полимерного сетчатого перекрытия скорость подвигания очистного забоя резко (в 7-10 раз) снижается, что служит причиной ухудшения состояния непосредственной кровли демонтажной камеры, вызванного увеличением продолжительности нахождения её в зоне действия опорного давления лавы. Образование на данном этапе полостей над монтируемой полимерной сеткой значительно снижает эффективность применения данной технологии.

4. В условиях шахт Кузбасса, отрабатывающих угольные пласты с использованием систем разработки длинными столбами, до 74 % всех обрушений пород непосредственной кровли в процессе формирования демонтажной камеры наблюдается на её концевых участках, что вызвано снижением устойчивости пород непосредственной кровли в результате взаимного наложения систем трещин, образующихся в процессе проведения участковых выработок, и систем трещин, образующихся в результате продолжительного воздействия на породы опорного давления лавы.

5. Использование рекомендуемой технологии демонтажа, включающей применение полимерного сетчатого перекрытия, ослабление угольного пласта на концевых участках лавы с рекомендуемыми параметрами, замену пилотных секций крепи на самоходную механизированную крепь, применение лавных анкероустанов-щиков при формировании демонтажной камеры, а также расположение анкеров для крепления сетчатого перекрытия с наклоном в сторону нетронутого массива под углом 55-65° к основным трещинам в породах непосредственной кровли позволяет сократить продолжительность простоев механизированных комплексов в период их демонтажа на 20-30 %.

6. Областью рационального использования рекомендуемой технологии являются пологие угольные пласты мощностью 2,5-

5,0 м, отрабатываемые с использованием систем разработки длинными столбами.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Карпов Г.Н. Технологии демонтажа очистных механизированных комплексов при разработке пологих мощных угольных пластов с неустойчивыми породами кровли// Записки Горного института. Том 195. СПб. 2012 г. с.103-108;

2. Карпов Г.Н. Особенности демонтажа лав, оборудованных современными высокопроизводительными комплексами, при отработке пологих мощных пластов// Горный информационно-аналитический бюллетень. № 4. МГТУ. 2012 г. с.390-393;

3. Карпов Г.Н. Управление состоянием непосредственной кровли при демонтаже очистных механизированных комплексов/ Материалы 2-й Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов. ТулГУ. Тула. 2012 г. с.53-58

4. Zubov V.P., Karpov G.N. Features of longwall faces equipped with modem high productive mining complexes recovery at extraction of flat-lying thick coal seams/ Scientific reports on recourse issues. Vol. 1. TU Bergademie Freiberg. 2012. pp.117-120

РИД Горного университета. 06.05.2013. 3.243 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Карпов, Григорий Николаевич, Санкт-Петербург

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

На правах рукописи

04201358666

КАРПОВ Григорий Николаевич

Обоснование технологии демонтажа очистных механизированных комплексов при высокой концентрации горных работ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЕМОНТАЖА ОЧИСТНЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ МОЩНЫХ ПЛАСТОВ..........................................................................9

1.1 Технологии формирования демонтажной камеры................................................................9

1.1.1 Заблаговременное формирование демонтажной камеры в предварительно

пройденной выработке............................................................................................................11

1.1.2 Формирование демонтажной камеры при помощи очистного комплекса...............16

1.2 Демонтаж оборудования механизированных комплексов.................................................21

1.3 Причины увеличения продолжительности демонтажа очистных механизированных комплексов при отработке пологих пластов..............................................................................38

1.4 Анализ способов повышения устойчивости пород непосредственной кровли в лавах пологих пластов............................................................................................................................43

1.4.1 Устойчивость непосредственной кровли.....................................................................44

1.4.2 Способы повышения устойчивости кровли в очистных забоях................................46

1.5 Выводы по главе 1..................................................................................................................56

ГЛАВА 2 ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ДЕМОНТАЖА ЛАВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА...................................................................................................................58

2.1 Современные технологии демонтажа лав, оборудованных очистными механизированными комплексами.............................................................................................58

2.2 Особенности горно-геологических условий отработки пластов и демонтажа лав на шахтах Кузнецкого бассейна.......................................................................................................62

2.3 Исследование параметров демонтажных работ в зависимости от применяемой технологии демонтажа.................................................................................................................66

2.4 Оценка затрат времени на операции при демонтаже механизированных комплексов...83

2.5 Влияние скорости подвигания очистного забоя на интенсивность обрушений пород кровли в демонтажной камере....................................................................................................89

2.6 Выводы по главе 2..................................................................................................................91

ГЛАВА 3 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯМАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА КОНЦЕВЫХ УЧАСТКАХ ДЕМОНТАЖНОЙ КАМЕРЫ...................................................................................93

3.1 Обоснование метода моделирования...................................................................................93

3.2 Методика обоснования параметров технологических схем при демонтаже механизированных комплексов на пологих мощных пластах.................................................97

3.3 Разработка численной горно-геомеханической модели и расчётных схем....................104

3.4 Результаты аналитических исследований..........................................................................111

3.5 Выводы по главе 3................................................................................................................120

ГЛАВА 4 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЕМОНТАЖА ЛАВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ И ЕЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА.........................................................................................................................................123

4.1 Технологическая схема демонтажа механизированного комплекса и ее основные параметры....................................................................................................................................123

4.1.1 Мероприятия по разгрузке массива в месте формирования демонтажной камеры 125

4.1.2 Монтаж сетчатого перекрытия при формировании демонтажной камеры............128

4.2 Последовательность и организация работ при демонтаже очистного механизированного комплекса..................................................................................................133

-4т2г1-Демонтажюекций механизированной крепи..............................................................136

4.2.2 Крепление зоны обрушения........................................................................................137

4.2.3 Схемы проветривания демонтажной камеры и энергоснабжения..........................139

4.2.4 Обеспечение безопасности труда горнорабочих при выполнении демонтажных работ........................................................................................................................................141

4.3 Оценка экономической эффективности применения рекомендуемой технологии.......143

4.3.1 Методика расчета экономической эффективности рекомендуемой технологии... 144

4.3.2 Результаты расчета экономической эффективности рекомендуемой технологии 149

4.4 Выводы по главе 4................................................................................................................153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................................154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Внедрение высокопроизводительного надежного очистного оборудования при подземной разработке угольных пластов мощностью 2,5-5 м в настоящее время позволяет достигать высоких нагрузок на очистной забой, равных производственной мощности шахты. Предприятия с такой формой организации горных работ, обеспечивающей высокий уровень производительности труда и низкую себестоимость добываемого угля, наиболее конкурентоспособны в рыночных условиях. Примерами «шахт-лав» являются эффективно работающие перспективные шахты Кузбасса «Талдинская-Западная-1», «Талдинская-Западная-2», «Котинская».

Из-за высокой стоимости современных высокопроизводительных очистных механизированных комплексов на «шахтах-лавах» не предусматривается резервный фронт очистных работ. В связи с этим, для таких шахт актуальными являются вопросы, связанные со снижением продолжительности монтажно-демонтажных работ при переходе на отработку очередного выемочного столба.

К числу факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на продолжительность демонтажных работ, относятся самопроизвольные обрушения пород кровли в демонтажных камерах. Как показывает практический опыт, продолжительность демонтажа лав может возрастать в 1,5-2 раза и более, по сравнению с соответствующим показателем, рассчитанным без учета времени, затрачиваемого на ликвидацию последствий обрушений кровли.

Значительный вклад в решение вопросов, связанных с предотвращением обрушений пород кровли в очистных забоях и совершенствованием технологий демонтажа лав, внесли: A.A. Борисов, С.Т. Кузнецов, С.Н. Комиссаров,

B.П. Зубов, Г.Л. Фисенко, Ю.А. Коровкин, Ф.П. Глушихин, Ю.Н. Кузнецов, Ю.В. Громов, Б.К. Мышляев, С.Г. Баранов, Д. Ойлер, Д. Фрит, Д.Р. Долинар,

C. Тадолини.

Вместе с тем, как следует из практического опыта, продолжительность монтажно-демонтажных работ, как правило, значительно превышает технически необходимую. Так на перспективных шахтах Кузнецкого бассейна фактическая продолжительность простоев лав при перемонтаже механизированного комплекса составляет 20-150 суток и более. При этом экономический ущерб, связанный с невосполнимыми потерями добычи, достигает 1-1,2 млн. долларов США в сутки.

Цель работы. Разработка технологии демонтажа очистных механизированных комплексов, позволяющей уменьшить продолжительность демонтаж-ных работ в лавах, при отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м в условиях высокой концентрации горных работ.

Идея работы. Для сокращения продолжительности демонтажных работ при подходе лавы к месту её остановки необходимо производить перекрытие кровли в призабойном пространстве лавы сеткой из полимерных материалов в сочетании с мероприятиями, снижающими степень разрушения пород непосредственной кровли в зоне опорного давления до обнажения их очистными работами.

Основные задачи исследований:

1. Оценка эффективности использования известных технологических схем демонтажа очистного оборудования при отработке пологих угольных пластов механизированными комплексами.

2. Установление основных причин низкой эффективности известных способов предотвращения вывалов пород кровли в демонтажных камерах.

3. Оценка степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на состояние кровли в демонтажных камерах.

4. Разработка технологии выполнения демонтажных работ в лавах, обеспечивающей устойчивое состояние непосредственной кровли на всех этапах проведения демонтажа очистного механизированного комплекса.

5. Определение области рационального использования рекомендуемой технологии демонтажа лав, оборудованных механизированными комплексами.

Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение ранее опубликованных в горнотехнической литературе работ, связанных с совершенствованием технологий демонтажа лав; шахтные исследования состояния пород кровли в демонтажных камерах; аналитические исследования напряженно-деформированного состояния пород непосредственной кровли впереди забоя лавы.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

• Установлена гиперболическая зависимость интенсивности обрушений пород непосредственной кровли в демонтажной камере от скорости подвигания лавы в период подхода ее к месту демонтажа.

• Установлена зависимость структуры затрат времени на основные операции по демонтажу очистных механизированных комплексов от принятой технологии демонтажа.

Основные защищаемые положения:

1. При использовании систем разработки длинными столбами основной причиной увеличения продолжительности демонтажа лав и повышения опасности труда горнорабочих являются обрушения пород непосредственной кровли в демонтажной камере, связанные с их переходом в предельное состояние и разрушением в зоне опорного давления, формирующейся впереди забоя лавы. В условиях шахт Кузбасса, разрабатывающих пологие угольные пласты мощностью 2,5-5,0 м, потери времени, связанные с этим фактором, достигают 74 % от общей продолжительности демонтажа лав.

2. При применении технологий демонтажа, основанных на использовании полимерных сетчатых перекрытий, наиболее опасные обрушения кровли происходят, в основном, в местах нахождения над сетчатым перекрытием полос-

тей, образовавшихся в результате вывалов пород на этапе формирования де-монтажной камеры. При отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м образование таких полостей наиболее вероятно при скорости подвигания лавы менее 3-4 м/сут.

3. Снижение продолжительности демонтажных работ на 20-30 % достигается при использовании технологии демонтажа, включающей: монтаж у кровли демонтажной камеры сетчатого перекрытия; опережающую разгрузку непосредственной кровли пласта на участках выемочного столба, прилегающих к подготовительным выработкам, в месте расположения демонтажной камеры; подвигание лавы на завершающем этапе отработки столба со скоростью не менее 3 м/сут.

Практическая значимость работы:

■ Разработана технология демонтажа лав, оборудованных механизированными комплексами, позволяющая уменьшить продолжительность демонтажных работ при отработке пологих пластов мощностью 2,5-5,0 м на 20-30 % и более.

■ Установлены технологические процессы, оказывающие наиболее существенное влияние на интенсивность обрушений пород кровли в демонтажных камерах, и месторасположение участков демонтажных камер опасных по данному фактору.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, проанализированных при проведении шахтных исследований процессов деформирования и разрушения пород кровли в демонтажных камерах; подтверждением основных выводов и рекомендаций фактическими результатами, полученными при проведении демонтажей механизированных комплексов при отработке пологих пластов на шахтах Кузнецкого бассейна.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (г. Санкт-Петербург, 2010 г.); ежегодной Международной конференции на базе Краковской горно-металлургической академии (г. Краков, Польша, 2010 г.); Международном научном симпозиуме «Неделя горняка - 2012» (г. Москва, 2012 г.); Международной конференции на базе Фрайбергского технического университета (г. Фрайберг, Германия, 2012 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные исследования состояния кровли в демон-тажной камере, установлены основные параметры рекомендуемой технологии демонтажа очистных механизированных комплексов, сформулированы основные защищаемые положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах, из них 2 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 165 страниц состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 104 источников, включает 71 рисунок и 15 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных; сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы; инженерно-техническим работникам шахт «Котинская», «Талдинская-Западная - 1», «Тал-динская-Западная - 2» за оказанную помощь при проведении шахтных исследований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЕМОНТАЖА ОЧИСТНЫХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПОЛОГИХ МОЩНЫХ ПЛАСТОВ

1.1 Технологии формирования демонтажной камеры

Фактически демонтаж очистного механизированного комплекса начинается задолго до момента остановки лавы в конечном положении. В статье [104] (1991 год) описывается скоростной метод перевода механизированного комплекса на новый выемочный участок на шахте «Плато» - штат Юта, США. В среднем, на полный перевод комплекса в новую лаву тогда потребовалось 4,37 суток. Рекордное, время перемонтажа в США, на тот период, составляло 52 ч. Среди слагаемых успеха на этой шахте особенно выделялось тщательное планирование всех этапов перемонтажа и обеспечение резерва основного оборудования - энергопоезда, забойного конвейера и очистного комбайна.

Перевод комплекса осуществлялся в четыре этапа. Первый этап начинается приблизительно за шесть недель до фактического перемонтажа. Горные мастера проводят еженедельные встречи со всеми участниками монтажно-демнотажных работ. Таким образом, каждый рабочий знает, что ему делать. Все работы планируются до последнего болтового соединения. Основной частью первого этапа работ является формирование демонтажной камеры. На завершение первого этапа [104] требуется около 100-120 ч. Извлечение приводов лавного конвейера, затем дробилки, перегружателя, комбайна и конвейерного става производится на втором этапе и занимает 24-36 ч. После извлечения электрооборудования, кабелей, шлангов, комбайна и конвейерного става начинается третий, самый ответственный этап - демонтаж секций механизированной крепи с последующей их транспортировкой в новую монтажную камеру. Продолжительность данного этапа составляет от 24 до 36 ч при длине лавы 98 м и сред-

ней мощности пласта. При демонтаже и перевозке секций крепи применяется три дизельные погрузо-доставочные машины (ПДМ) фирмы «Eimco» и самоходный кран тягач «Petitto Mule», изображенные на рисунке 1.1. Четвертый этап включает в себя окончательный монтаж и наладку оборудования в новой лаве и, как было сказано выше, занимает сравнительно немного времени и не сопряжен с повышенной опасностью, либо трудоемкостью выполняемых работ [100, 104].

Рисунок 1.1— Слева - дизельная ПДМ Е1тсо;Справа - самоходный

кран тягач Petitto Mule

Несомненно, одним из ключей к успешному проведению демонтажа на шахте является грамотное, с точки зрения выбора технологии, и качественное, с точки зрения выполнения работ, формирование демонтажной камеры [100-104]. Неправильный выбор технологии может стать причиной увеличения длительности данного периода более чем до 110 суток при длине лавы 210 метров [104]. Существуют технологии формирования демонтажной камеры, позволяющие осуще