Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка эффективных способов и средств по обеспечению устойчивости почв подготовительных выработок

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

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Туркеничева, Ольга Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Горно-геологические и горнотехнические условия поддержания подготовительных выработок на шахтах ОАО "Рос-товуголь".

1.2. Анализ опыта крепления и поддержания подготовительных выработок и выявление основных причин их неудовлетворительного состояния.

1.3. Обобщение опыта обеспечения устойчивости подготовительных выработок.

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных исследований в области прогнозирования проявлений горного давления

1.5. Постановка задачи и методика исследований.

Глава П. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОКРЕСТНОСТИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК И 0ПРЕДЕЛЕНР1Я СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВЫ ВЫРАБОТОК

2.1. Основные положения.

2.2. Методика шахтных исследований.

2.3. Исследования проявления пучения почвы в подготовительных выработках.

2.4. Определение степени влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на пучение почвы подготовительных выработок.

Выводы.

Глава Ш. ГЕОМЕХАНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ "ПОЧВА ВЫРАБОТКИ -ОХРАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ", МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Общие положения.

3.2. Методика исследований.

3.3. Исследование и анализ напряженно-деформированного состояния почвы подготовительных выработок при различных способах их поддержания.

3.4. Специальные мероприятия по борьбе с пучением пород почвы

3.4.1. Исследование влияния разгрузочных щелей и скважин на напряженно-деформированное состояние почвы подготовительной выработки.

3.5. Анализ результатов исследования пучения и установление наиболее оптимальных способов поддержания.

Выводы.

Глава IV. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЫ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

4.1. Разработка классификации способов и средств обеспечения устойчивости почв подготовительных выработок.

4.2. Устойчивость почвы подготовительных выработок вне зоны и в зоне влияния очистных работ.

4.3. Разработка рациональных средств и способов обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок.

4.3.1. Разработка способа укрепления пород почвы подготовительных выработок, анкерной крепью.

4.3.2. Разработка новой охранной конструкции, обеспечивающей повыщение устойчивости подготовительных выработок

4.3.3. Разработка способа проходки подготовительных выработок с оставлением породы в шахте.

4.3.4. Разработка способа подготовки длинных столбов по простиранию.

4.4. Методика выбора способов и средств обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок.

4.4.1. Выбор способов и средств обеспечения устойчивости почвы подготовительной выработки при ее нахождении вне зоне влияния очистных работ.

4.4.2. Выбор способов и средств обеспечения устойчивости почвы повторно используемых подготовительных выработок.

Выводы.

Глава V. ОБОСНОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИЙ.

5.1. Системный подход к проблемам обеспечения устойчивости подготовительных выработок и его увязка с эффективностью очистных работ.

5.2. Обоснование критерия оценки способов крепления и поддержания подготовительных выработок.

5.3. Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа разработки пластовых месторождений.

Выводы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка эффективных способов и средств по обеспечению устойчивости почв подготовительных выработок"

Проблема обеспечения устойчивости подготовительных вьработок выемочных участков является одной из основных проблем повышения технико-экономической эффективности подземной угледобычи. Неудовлетворительное состояние выработок и вьшолнение в них ремонтных работ отрицательно влияют на работу очистных забоев и внугришахтного транспорта, ухудшают условия проветривания, снижают безопасность цри ведении горных работ. Стоимость ремонгао-восстановительньк работ во многих случаях соизмерима со стоимостью проведения новой горной выработки.

В глубоких шахтах формой проявления горного давления является пучение пород почвы вьфаботок. Борьба с пучением ведётся с помощью подрьюки почвы, которая зачастую не снижает интенсивности смещений пород. Многократные подрывки приводят к нарушению условий работы крепи, что вьвывает её ремонт. Кроме подрывки известны и другие способы предотвращения пучения пород. В этой связи актуальной становится оценка эффективности и перспективности их применения.

Большой объем теоретических работ, вьшолненных в России и за рубежом, определил основные направления совершенствования способов расположения, охраны и крепления подготовительных выработок. Тем не менее, ряд принципиальньк вопросов, связанньж с геомеханическим состоянием почвы подготовительньк выработок в течение всего их срока службы, недостаточно изучен и нуждается в дальнейшей разработке путем аналитических исследований, моделирования и проверки в производст-венньк условиях.

Многообразие порою параллельно протекаюпщх при эксплуатации выемочньж штреков рабочих процессов и явлений требует разработки системного подхода по обеспечению их устойчивости. Таким образом, можно утверждать о достаточной актуальности научных исследований направленных на обоснование комплекса решений, обеспечивающих устойчивость почвы подготовительных выработок.

В связи с этим, в настоящей работе поставлена цель - обоснование и разработка эффективных способов и средств обеспечения и прогнозирования устойчивости почв подготовительных вьфаботок.

Научные положения, выносимые на защищу:

1. Проблему обеспечения устойчивости почвы подготовительньк выработок необходимо рассматривать в увязке с креплением и охраной подготовительных выработок, очистными работами и с учетом всех основных последствий влияния состояния выработок на работу выемочного участка и шахты в целом.

2. Установлены новые взаимосвязи пучения пород почвы подготовительных выработок с вынимаемой мощностью пласта, пролетом выемочного штрека, сопротивлением крепи, 1фигерием устойчивости {<зJyЩ, основными параметрами охранных конструкций, расстоянием до лавы и получены прогнозирующие корреляционные уравнения.

3. Исследовано напряженно-деформированное состояние пород почвы подготовительной выработки в зависимости от их структуры, способа охраны. Выявлены закономерности деформирования пород почвы на различньк стадиях функционирования подготовительньк выработок, позволяющие научно обоснованно подходить к проектированию параметров их 1дэепления и охраны.

4. На основе установленных зависимостей изменения величины пучения пород, в разные периоды службы выработки разработаны новые способы проведения и охраны выработок, а также крепления пучащих почв, применение которьк позволяет обеспечить существенный экономический эффект.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается: анализом большого объема статистических и экспериментальных данных с корректным использованием математических методов и применением для их обработки ЭВМ; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и аналитических расчетов с данными лабораторных опьпов и натурными измерениямиА при ведении горных работ в различньк горно-геологических и горнотехнических условиях.

Научная новизна:

- обоснование эффективньк средств и способов крепления и поддержания подготовительных выработок на основе системного и комплексного подходов при рассмотрении с учетом их влияния на эффективность работы очистных забоев и шахты в целом;

- интенсивность пучения существенно зависит от модуля упругости пород почвы, способа охраны подготовительной выработки и практически не зависит от модуля упругости средств охраны;

- разработаны новый способ установки анкфной крепи в почве выработки (патент 2162153), новая искусственная охранная опора повьш1енной несущей способностью (патент 2162943), для поддержания подготовительных выработок в зоне влияния очисгньж работ; способ проходки подготовительных выработок и способ разработки (патенгт 2168628) угольного пласта, при которых повышается устойчивость подготовительных выработок, исключаются утечки воздуха, на 4-6%, снижается зольность угля и более полно извлекаются его запасы;

- разработана концепция обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок, включающая все стадии их эксплуатации, и на ее основе предложены методы оптимального проектирования крепи и оАфаны подготовительных вьфаботок.

Н(лчное значение работы. Разработанный комплексный подход, полученные новые зависимости и методы оценки способов проходки и средств обеспечения устойчивости почвы подготовительньк вьфаботок позволяют выйти на более качественный уровень обоснования в разных горно-геологических условиях более эффективных способов проходки, крепления и охраны вьфаботок.

Практическое значение работы состоит в разработке: методики выбора средств и способов обеспечения устойчивости почвы подготовительньк вьфаботок; метода прогноза пучения пород почвы подготовительньк вьфаботок, в зависимости от горно-геологических и горнотехнических факторов;

Полученные в работе результаты позволяют:

- прогнозировать смещение пород почвы в вьфаботках при различньк способах их охраны и на их основе решать основные вопросы крепления и охраны подготовительньк вьфаботок при проектировании и эксплуатации угольньк шахт;

- повысить устойчивость вьфаботок и снизить затраты на их щэепление и охрану.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Туркеничева, Ольга Александровна

ВЫВОДЫ

1. в результате анализа факторов, определяющих устойчивость почвы подготовительных выработок, разработана классификация существующих способов и средств повышения ее устойчивости. Классификация позволяет направленно выбирать из множества возможных комбинаций наиболее целесообразные мероприятия, отвечающие горно-геологическим и горнотехническим ограничениям.

2. Предложенные новые способ установки анкерной крепи, искусственная охранная опора, способ проходки подготовительных выработок с оставлением породы в шахте и способ разработки пластовых месторождений, позволяют повысить устойчивость почвы подготовительных выработок. За счет применения комбинированной охраны "целик - бутовая полоса", уменьшить пучение почвы подготовительньк выработок, исключить утечки воздуха, снизить не только зольность угля, но и более полно извлечь его запасы.

3. Разработана концепция обеспечения устойчивости почвы подготови-тельньк выработок, включающая все стадии их эксплуатации и на ее основе предложена методика выбора способов и средств обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок.

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИЙ

5.1. Системный подход к проблеме обеспечения устойчивости подготовительных выработок и его увязка с эффективностью очистных работ

Одно из условий реализации системного подхода проявляется в установлении взаимосвязей элементов системы, что позволяет рассматривать себестоимость продукции как результат процесса формирования элементов затрат по технологическим стадиям (звеньям) под влиянием основных факторов.

В пространственном отношении система «Подготовительные выработки» охватывает конвейерный и вентиляционный штреки. Она является важным звеном комплексной системы «Выемочный участок», к которой относится также подсистема «Лава». Обе подсистемы «Лава» и «Подготовительные выработки» особенно тесно взаимосвязаны на участках сопряжения лавы с обоими штреками.

Система «Подготовительные выработки» согласно технологической схеме включает следуюш;ие компоненты с их основными функциями: работы по проведению выемочных штреков, эксплуатационное обеспечение лавы, обеспечение устойчивости выемочных штреков - обеспечение заданной площади их поперечного сечения, погашение выемочных штреков с демонтажем оборудования и извлечением крепи.

Назначение подготовительных выработок заключается в обеспечении ритмичного ведения очистных работ в лаве.

В связи с тесной взаимосвязью лавы и выемочных штреков задача должна заключаться, в первую очередь в достижении оптимального результата, т. е. в обеспечении максимального долевого участия покрытия затрат и получения прибыли не только в системе «Выемочный участок», но и шахты в целом. Оптимизация системы «Подготовительные выработки» ограничивается этими рамками.

Проектирование работ по обеспечению устойчивости подготовительных выработок возможно лишь в том случае, если известны предполагаемая конвергенция штрека и деформация крепи под воздействием горно-геологических и горнотехнических факторов [94, 95].

В результате исследований, проведенных автором, были созданы методы расчета величины пучения почвы, способ проведения подготовительных выработок, способ установки анкерной крепи, новая охранная конструкция и способ разработки пластовых месторождений [83-86]. Это позволило получать количественную оценку воздействия мероприятий, осупдествляемых с целью уменьшения пучения почвы. Благодаря этому, можно учитывать меры по снижению затрат на обеспечение устойчивости подготовительных выработок еще на стадии проектирования [97].

5.2. Обоснование критерия оценки способов крепления и поддержания подготовительных выработок

Обычно оценку эффективности применения разных способов крепления и поддержания подготовительных выработок при разработке угольных месторождений осуществляли на основе сравнения прямых затрат на проходку, крепление и поддержание подготовительно-нарезных выработок [97]. Иногда дополнительно учитывали затраты на ремонт и крепление в процессе очистной выемки лавы в период ее эксплуатации [98]. Еще реже учитывали изменение величины потерь угля в охранных целиках подготовительных выработок при разных схемах подготовки и очистной выемки.

В результате таких расчетов учитывались лишь прямые эксплуатационные затраты на выполнение работ, которые осуществлялись непосредственно в выработках. Для более полной и широкой оценки эффективности технологических схем подготовки и очистной выемки использовали такие критерии, как себестоимость 1 ног. м или мЛ выработки, в лучшем случае себестоимость добычи или приведенные затраты в расчете на 1т добываемого угля.

В настоящее время в связи с изменениями в экономической жизни страны, эти критерии либо стали недостаточными, либо полностью потеряли свое былое значение.

Экономическое значение того или иного способа проведения, крепления и поддержания в рабочем состоянии подготовительных выработок гораздо больше, чем прямые затраты на выполнение крепежных работ, Это не вызывает сомнения, если рассматривать эту важнейшую проблему в увязке с очистными работами и с учетом всех основных последствий влияния состояния и продолжительности срока службы выработок на технико-экономические показатели работы шахты в целом.

Для увеличения нагрузки на лаву особое значение имеет обеспечение независимой ее работы от проходческих работ, в том числе работы транспортного штрека (без простоев из-за его ремонта).

Необходимо иметь в виду, что при повышении надежности работы подготовительных выработок (благодаря применению соответствующего способа их крепления и поддержания) не только снизятся затраты на их ремонт и восстановление, но и простои очистных забоев и внутришахтного транспорта, что может повлиять на величину производственной мощности шахты и себестоимость добычи.

Более надежный способ проведения, крепления и поддержания транспортного штрека позволит использовать ту же выработку в качестве вентиляционной при разработке следующего выемочного поля или этажа и соответственно ликвидировать затраты на проходку.

Л Благодаря применению более надежных способов проведения, крепления и поддержания подготовительной выработки и увеличению продолжительности срока ее службы, можно существенно увеличить длину лавы, что позволит не только сократить удельные затраты на горно-подготовительные работы и снизить потери угля при добыче, но и увеличить нагрузку на лаву и, соответственно, производственную мощность шахты. А это позволит сократить не только прямые затраты на добычу, но и долю условно-постоянных затрат, что особенно важно для шахт сравнительно небольшой производственной мощности, где доля условно-постоянных затрат в себестоимости до-бьгаи угля достигает 70-80%.

Кроме этого, применив соответствующий способ проходки, крепления и поддержания подготовительных выработок, можно существенно повысить качество добываемого угля. Например, при вариантах проходки, крепления и поддержания выработок с оставлением породы в шахте.

Таким образом, от состояния надежности, длительности срока и способа проходки, применяемого крепления и поддержания подготовительных выработок в существенной степени зависит надежность и продолжительность срока службы этих выработок, удельный расход проходческих работ, производственная мощность лавы и шахты в целом, полнота использования недр и качество добываемого угля.

Поэтому и задача выбора и сравнительной оценки способов проведения, крепления и поддержания подготовительных выработок должна решаться с учетом всех этих факторов на основе применения критериев эффективности и экономико-математических моделей, в которых учитываются эти факторы с достаточной полнотой. Для решения таких задач применяемые ранее критерии себестоимости и приведенных затрат непригодны, поскольку в них не учитывались возможные изменения производственной мощности шахты, а также полнота использования недр и качество добываемого угля. Другой применявшийся ранее критерий оценки - прибыль в расчете на 1 т балансовых запасов также не может быть применен, т.к. не учитывает изменения производственной мощности шахты.

В качестве более полного и комплексного критерия оценки эффективности любого способа может быть принята сумма дисконтированной прибыли за какой-то расчетный период работы шахты [99, 100], например, за период разработки запасов этажа или группы этажей. С учетом разновременности капитальных и эксплуатационных затрат, сроков проходки подготовительных выработок, банковского процента за кредиты, а также с учетом полноты использования недр и качества добываемого угля при обычно применяемом обратном порядке отработки выемочного поля критерий экономической оценки может быть представлен в следующем виде (руб):

2 Лр.=14&-о1/0+£Л-МЛД1+ЫЛ (53)

1 1=1 М где 1р - расчетный срок сравнительной оценки вариантов, лет; Лрг? - прибыль получаемая в А - м году оцениваемого периода, руб/год; - производственная мощность угольной шахты при том или ином способе крепления и поддержания подготовительных выработок в а - м году, т/год; Цд1 и €¿1 - извлекаемая ценность добываемого угля и затраты на его добычу и переработку в t - и году, руб/т; Е - коэффициент дисконтирования затрат и прибыли во времени, доли ед.; К(- капиталовложения необходимые для выполнения работ по проведению и креплению выработок в ий год (если эти работы выполняются без кредитов, то А", = 0), руб; Ел- коэффициент, учитывающий величину процентной ставки за кредиты для приобретения оборудования, проходки подготовительных и нарезных выработок до начала очистных работ; 4 - срок проведения подготовительных выработок для подготовки запасов новых выемочных полей (или этажей), лет.

В расчете на годовую производственную мопщость шахты критерий оценки эффективности способов проведения, крепления и поддержания подготовительных выработок будет иметь вид (руб/год)

П^ = А(ц,-с,)-К„(1 + Ел). (52)

Эффективность применения какого-то нового способа проведения, крепления и поддержания горно-подготовительных выработок по сравнению с базовым вариантом определится по разнице годовой прибыли при этих вариантах по формуле (руб/год)

Э = А(ц,-с,)-К(1-лЕ,)-А, (Ц,, - С,,) + К, (1 + Ел), (53) где Ад, Цд, СдиК- производственная мощность шахты, извлекаемая ценность добываемого угля, эксплуатационные затраты на его добычу и переработку и капитальные затраты на проходку подготовительных выработок при новом варианте, т/год, руб/т, руб/т, руб/год; Аб, Цдб и А"б- то же при базовом варианте.

Если проходка и крепление новых выработок осуществляется за свой счет без получения дополнительных кредитов, то

Э*А{ц,-с,)-А,{Ц,,-С,,), (5.4)

В зависимости от того, с позиции какого уровня иерархии осуществляется оценка, входящие в эту формулу показатели 1/Л и , а следовательно, и результаты расчета будут различными.

Если расчет ведется на уровне шахты, которая продает добываемый уголь (горную массу) без обогащения по какой-то цене, то извлекаемая ценность будет равна цене этого угля, а эксплуатационные затраты будут равны себестоимости добычи, которые определяются по формулам (руб/т): т . ,

Ц6=Ц6б^ал][аб]-аф^ (5.5)

7177(4 +4 +А,)+А„ (5.6) где Цдб- отпускная цена добытого угля какого-то базового качества, руб/т; т - число показателей качества угля, от которых зависит его отпускная цена; А] - величина доплаты или штрафа за отклонение ] - го качества от базовой величины, руб/%; ал] и аф] - показатели ] - то качества угля, базового и фактического, %; 77 и Р - потери и разубоживание угля, доли ед.; А¡, А], А3 - затраты на погашение геологоразведочных работ, на амортизацию основных фондов, на горно-подготовительные работы, отнесенные на 1 т погашенных балансовых запасов угля, руб/т; А4 - затраты на последующие процессы добычи, руб/т добытого угля.

Если расчет ведется с учетом стадии обогащения угля, то формулы для определения извлекаемой ценности и затраты на добычу и переработку будут иметь вид (руб/т): ц до ~ л у 01 (5.7) г = 1 7=1

1-р

• (4 + 4 + 4) + а4 + 4, где и - число фракций крупности реализуемого угля; Цдб1 - отпускная цена (- й фракции угля какого-то базового качества, руб/т; /о - выход / - й фракции крупности в общей добыче угля после переработки, включая шлам доли ед.; ЛЦщ - величина доплаты или штрафа за отклонение / - го качества в / - й фракции от базового, руб/%; т - число показателей качества угля, определяющих его отпускную цену; албц и и^фу - показатель /-го качества в у-й фракции угля базового качества и фактического, %; А5 - затраты на транспортирование добытого угля до обогатительной фабрики и обогащение, руб/т.

Если расчет осуществляется с учетом не только добычи и обогащения, но и с учетом процессов дальнейшей переработки угля, например, до получения электроэнергии, то извлекаемая ценность угля и затраты на переработку определяется по формуле (руб/т):

1-р 1-77

5.9)

5.10)

Ц,оэ=Го К-Ц.=А000-Го-Ту -ЦлТлл-Гутл (5.11) 1-Р

С "1-Я (512) где /э - выход электроэнергии при сжигании 1т добытого угля, квт.ч/т; / э - вь1ход электроэнергии при сжигании 1т обогащенного угля, квт.ч/т; -затраты на сжигание 1т добытого угля на электростанции, руб/т; - выход товарного угля при обогащении; А'в— затраты на сжигание 1т обогащенного угля на электростанции, руб/т. Ту - теплота сгорания угля без обогащения квт-ч/кг, Ту - теплота сгорания обогащенного угля, квт-ч/кг; 1000 - переводной коэффициент кг в тонны.

Входящая в формулы для определения эксплуатационных затрат на добычу и переработку величина затрат на ГПР (А 3 ) должна определяться с учетом возможного увеличения длины лавы и соответственно снижения удельных объемов проходки и затрат на нее.

Затраты на проходку, крепление и поддержание, в расчете на 1т погашаемых балансовых запасов угля определяются в зависимости от мощности пласта и длины лавы в случае проходки вентиляционного и транспортного штреков по формуле (руб/т):

3 +5 л тш Лвш где Зтш и " затраты на 1 пог. м транспортной и вентиляционной подготовительной выработки, руб/м; I], и 1ц - длина лавы и ширина целика, м; т - мощность пласта, и; Уу и Угм- объемная масса угля и горной массы, т/мЛ; 8тш И - сечение транспортного и вентиляционного штреков, мЛ.

Если при каком-то варианте обеспечивается возможность использовать выработки основного горизонта в качестве вентиляционного, то эта формула будет иметь вид (руб/т): 3 где Гц - ширина целика потери при варианте без проведения дополнительно выработок вентиляционного горизонта с оставлением дополнительного целика, доли ед.; 4' - длина лавы при этом варианте, м.

Если применяется технологическая схема подготовки уклонного выемочного поля с проходкой транспортного и параллельно с ним (ниже его) камеры по углю, то затраты на проходку выработок горизонта и их поддержание в расчете на 1т погашаемых балансовых запасов будут равны (руб/т)

3 +3 где - Зтм и Зук - затраты на проходку, ремонт и поддержание транспортного штрека и камеры по углю, руб/пог.м; 1ли1ц- длина лавы и ширина целика оставляемого между транспортным штреком и камерой по углю, Уу я Угм-объемная масса угля и горной массы, т/мЛ; Sлui и Syл- сечение транспортного и вентиляционного штреков, мЛ

При определении извлекаемой ценности добываемого угля необходимо учитывать, что вариант проведения, крепления и поддержания подготовительных выработок с оставлением породы в шахте обеспечивает уменьшение разубоживания угля (Р) на величину массы породы от проходки.

Расчеты по этой методике показывают, что применение более надежных способов, обеспечивающих более длительный срок службы выработок, экономически выгодно даже при более значительных затратах на крепление и поддержание. Наиболее эффективными вариантами проходки и крепления во многих случаях могут оказаться способы проведения выработок с оставлением породы в шахте.

Например, на шахте «Дальняя» при длине лавы 200 м и затратах на до-бьиу угля около 311 руб/т доля затрат на проходку и крепление транспортного штрека сечением 14,5 мЛ в себестоимости добычи составляет 13% (39 руб/т при себестоимости 1 пог. м штрека 16000 руб). В то же время от проходки штрека обычно в общую добычу угля поступает около 4%) породы, что естественно, повышает зольность добываемого угля. Если эту породу оставлять в шахте, то отпускная цена угля может быть существенно повышена. Если базовая отпускная цена угля равна 341 руб/т, то при снижении зольности на 4% и увеличении его цены на 2,5% за каждый %> снижение зольности эта цена будет равна 341 + 4-2,5-341/100=375,1 руб/т. Дополнительные затраты с проходкой камер по углю будут равны около 30 руб/т. Тогда экономия в результате применения нового способа проведения, крепления и поддержания горно-подготовительных выработок с оставлением породы в шахте при увеличении производственной мощности шахты на 5%

Э = 525(375,1 - 341) - 500(341 - 311) = 17902,5 - 17000 = 902,5 тыс. руб/год

Еще больше будет эффект от снижения зольности, если считать его с учетом стадии производства электроэнергии, карбида кальция и особенно электродной продукции.

5.3. Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа разработки пластовых месторождений

С целью повышения качества добываемого угля, а также для улучшения условий поддержания выемочных штреков, повышения надежности работы очистных забоев и транспорта, улучшения проветривания очистного забоя предлагается следуюшцй способ подготовки, представленный на рис. 4.12.

Использование предлагаемого способа разработки пластовых месторождений позволяет повысить устойчивость подготовительных выработок за счет применения комбинированной охраны «целик - бутовая полоса», исключить утечки воздуха, снизить не только зольность добываемого угля за счет оставления породы в шахте, но и более полно извлечь его запасы.

Соответственно этому снизятся эксплуатационные затраты на добычу и обогаш,ение. Кроме этого увеличивается высота этажа и извлекаемые на один эксплуатационный горизонт запасы угля и производственная мощность участков и шахты в целом. Если принять высоту этажа равной Ъэ, а ширину полосы ниже уровня основного штрека ЛИ = п-(Ц + К), то извлекаемые запасы этажа увеличатся в ЛЛэ + п-(Ц + К)]/кэ, раз, где Ц, К- соответственно ширина целика и закладочной камеры; п - число целиков и камер, пройденных для складирования породы. В соответствии с этим в [кэ + п-(Ц + К)]/ раз уменьшатся удельные капитальные затраты на вскрытие и подготовку этажа.

Если при базовом варианте системы длинными столбами высота этажа равна, например, 200 м, то при новом варианте, когда образуется камера для складирования породы шириной 16 м, а их от штрека отделяет целик шириной 4 м, то производственная мощность шахты при новом варианте увеличится в ЛЛ2(ЮЛЛ =1,08 раза. Благодаря этому себестоимость добычи уменьшится за счет условно-постоянной части затрат до уровня, определяемого по формуле (руб.т)

С,=С,, - \-(р 1 (5.16)

V А

173 где Сдб и - затраты на добычу при базовом и новом вариантах, руб/т; АбиА- производственная мощность шахты при базовом и новом вариантах, т/год; (р- доля условно-постоянных затрат в себестоимости добычи, доли ед.

В данном случае, если <р = 0,6, то = С,дб 1-0,6 = 0,956-С,,. дб I 1,0

Поскольку при новом варианте снизится разубоживание угля за счет оставления породы в шахте, например, на 5%, то соответственно увеличится его отпускная цена до 667 + 0,05-2,5-667 = 667 + 83,75 = 750,75 руб/т. Если при базовом варианте (шахта им. Октябрьской революции) отпускная цена равна 670 руб/т при затратах на добычу 770 руб/т, то удельные убытки при этом варианте составят 770 - 670 = 100 руб/т. При новом варианте отпускная цена угля будет равна 670 + 5-0,025-670 = 753,5 руб/т, а прибыль составит 753,5 - 0,96-770 = 14,55 руб/т. Годовая экономия при базовой производственной мощности 300 тыс. т/год будет равна

Э = 300-1,08-(753,75 - 736,12) - 300-(670 - 770) = 35712,12 тыс. руб/год. Еще больше будет экономия, если расчеты вести с учетом обогащения угля и тем более с учетом стадий его использования.

1. Установлено, что проблему обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок необходимо рассматривать в увязке с креплением и охраной подготовительньк выработок, очистными работами и с учетом всех основных последствий влияния состояния и продолжительности срока службы выработок на технико-экономические показатели работы выемочного участка.

2. Раскрыты особенности и выведены зависимости влияния параметров средств охраны на пучение пород почвы подготовительных выработок.

3. Интенсивность пучения существенно зависит от модуля упругости пород почвы, способа охраны подготовительной выработки и практически не зависит от модуля упругости средств охраны.

4. В результате анализа факторов, определяющих устойчивость почвы подготовительных выработок, разработана классификация способов и средств повышения ее устойчивости. Классификация позволяет направленно выбирать из множества возможных комбинаций наиболее целесообразные мероприятия, отвечающие горно-геологическим и горнотехническим ограничениям в увязке с очистными работами.

5. Применяемые в настоящее время способы охраны повторно используемых выработок на основе податливых ограждений (бутовые полосы, костры, бутокостры) после установки практически не имеют начального распора и начинают противодействовать опусканиям пород кровли только после значительной усадки; достигающей 30 - 50 % от вынимаемой мощности пласта. Плавное опускание кровли на этом участке (до образования заколов над опорой) приводит к увеличению опорного давления; в результате чего и возрастает пучение пород почвы в выработках.

6. Пучение почвы в выемочных штреках колеблется от 20 до 40% от общей конвергенции и зависит от глубины залегания, схемы охраны, пролета штрека и других факторов.

7. На основе экспериментальных и аналитических исследований установлены взаимосвязи, позволяющие аналитически оценивать степень влияния основных горно-геологических и горнотехнических факторов на пучение пород почвы подготовительньж выработок. Данные взаимосвязи представлены в виде расчетных формул, позволяющих прогнозировать пучение пород в подготовительных выработках и обосновано подходить к вопросу обеспечения их устойчивости.

8. Разработаны новые способ установки анкерной крепи, искусственная охранная опора, способ проходки подготовительных выработок с оставлением породы в шахте и способ разработки пластовых месторождений, позволяют повысить устойчивость почвы подготовительных выработок. За счет применения комбинированной охраны "целик - бутовая полоса", уменьшить пучение почвы подготовительных выработок, исключить утечки юздуха, снизить не только зольность угля, но и более полно извлечь его запасы.

9. Разработана концепция обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок, включающая все стадии их эксплуатации и на ее основе предложена методика выбора способов и средств обеспечения устойчивости почвы подготовительных выработок.

10. Применение способа проходки подготовительных выработок со складированием породы в параллельную камеру позволит (для условий шахты им. Октябрьской революции ОАО "Ростовуголь") увеличить высоту этажа в 1,08 раза, снизить зольность добываемой горной массы на 5%, увеличить отпускную цену угля на 12%, при этом прибыль составит 14,55 руб./т. На шахте "Дальняя" ОАО "Гуковуголь" экономия в результате применения нового способа проведения, крепления и поддержания горно-подготовительных выработок с оставлением породы в шахте при увеличении производственной мощности шахты на 5Уо составит 902,5 тыс. руб/год.

Еще больше будет эффект от снижения зольности, если считать его с учетом стадии производства электроэнергии или электродной продукции.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Туркеничева, Ольга Александровна, Новочеркасск

1. Каталог шахтопластов Донецкого угольного бассейна с характеристикой горно-геологических факторов и явлений. Люберцы / ИГД им. A.A. Скочинского, 1982. - 268с.

2. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. М.: Недра, 1987. - 566с.

3. Бажин Н.П., Райский В.В., Нейман Л.К. (ВНИМИ). Безремонтное поддержание подготовительных выработок при бесцеликовых способах охраны: Обзор/ЦНИЭИуголь. -.М., 1982.

4. Бирюков В.А., Котелвец A.A. Попов В.Н. Охрана откаточного штрека органными рядами при системе разработки лава этаж. - В сб.: Технология добычи угля подземным способом, 1975, с. 12 - 16.

5. Левчук В.Н., Ланин Э.И., Андрианов Р.Н., Фотеев В.Ф. Основные научно технические положения по совершенствованию технологии бесцеликовой выемки угля. В сб. : "Технология добычи и обогащения углей в Печорском бассейне".Вып. 11, М.,"Недра", 1978, с.Ю - 13.

6. Середенко М.И., Лебедев Б.К., Егоров А.П. Новые крепи и способы поддержания повторно используемых подготовительных выработок при бесцеликовой технологии. Обзор. М., ЦНИЭИуголь, 1981, с. 17 41.

7. Фотеев В.Ф., Левчук В.Н. Устойчивость одинарных выработок при различных способах охраны. В Сб.: "Бесцеликовая отработка угольных пластов в условиях Печорского бассейна", М., "Недра", 1978, с. 56 - 62.

8. Чуй Н.И., Трофимов Г.И. Об использовании бутокостровых рядов в очистном забое. Уголь, 1979, №4, с. 12 - 14.

9. Устройство для охраны выемочных штреков. Ас. 461230. 02.04.75. Литвинов A.B. и др.

10. Литвинский Г.Г., Бабиюк Г.В., Быков A.B. Эффективные способы предотвращения пучения пород в шахтах: Обзорная информация/ ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглерома УССР. М., 1985, - 50с.

11. СНиП П-94-80, Подземные горные выработки/Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1982.

12. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Изд. 4-е, дополнен. Минуглепром СССР. Л.: ВНИМИ, 1986. 222с.

13. Кошелев К.В., Антоневич Ю.И. Состояние крепи капитальных выработок глубоких горизонтов шахт Донбасса. Уголь, 1977, № 2.

14. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных выработок. М.: Недра, 1982.

15. Бажин Н.П., Мельников О.И., Пиховкин B.C. и др. Охрана подрабатываемых подготовительных выработок. М.: Недра, 1976.

16. Бажин Н.П., Райский В.Б., Волков Ю.В. и др. Охрана подготовительных выработок без целиков. М. Недра, 1975.

17. Черняк И.Л. Предотврап.;ение пучения почвы горных выработок. М.: Недра, 1978.

18. Кошелев К.В., Стрельцов Е.В., Петренко Ю.А. и др. Пути улучшения состояния капитальных выработок глубоких шахт Донбасса, Экспресс-информация/ЦНИЭИуголь ЦБНТИ Минуглепрома УССР. М.: 1978.

19. Литвинский Г.Г., Бабинок Г.В. Повышение устойчивости выработок разгрузкой горного массива от напряжений щелями. Экспресс-информация/ЦНИЭИуголь ЦБНТИ Минуглепрома УССР. М.: 1979.

20. Литвинский Г.Г., Бабинок Г.В., Кукленко B.C. и др. Обратный свод крепи на разгруженных от напряжений и упрочненных пород почвы. Уголь Украины, 1980, № 2.

21. Мельников Э.Ф. Применение пенопластов для изоляции а шахтах Кузбасса, Экспресс-информация/ЦНИЭИуголь. М.: 1977.

22. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление. Ч. 1,- М.: Гостехиздат, 1931.

23. Цимбаревич П,М. Механика горных пород. М.: Углеиздат, 1948.

24. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. М.: Госгортехиздат, 1968.

25. Слесарев В.Д. Механика горных пород и крепление подземных горных выработок. М.: Углетехиздат, 1948.

26. Покровский Н.М. Ремонт и восстановление выработок. М.: Углетехиздат, 1948.

27. Орлов В.В. Выбор рациональных типов крепей для горизонтальных выработок, находящихся в сложных условиях. В кн.: "Исследование горного давления". - М.: Госгортехиздат, 1960.

28. Либерман Ю.М., Панов А.Д. Применение методов механики сплошных сред в исследованиях горного давления. М.: ИГД им. A.A. Ско-чинского, 1962.

29. Ержанов Ж.С. Феноменологическая теория ползучести горных пород. В сб.: "Реологические вопросы механики горных пород". - Алма-Ата: "Наука", 1964.

30. Гришкова Н.П. Определение механических свойств и упругих постоянных горных пород Донбасса. В сб. трудов комиссии по управлению кровлей. - Донецк: ОНТИ, 1937.

31. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и ее приложения. Алма-Ата: "Наука", 1964.

32. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. М.: Углетехиздат, 1947.

33. Руппенейт К.В. Механические свойства горных пород. М.: Угле-техиздат, 1956.

34. Савин Г.Н. Влияние крепления на распределение напряжений возле узких подземных горных выработок. Записки института горной механики АН УССР. Киев: Изд-во АН УССР, 1947.

35. Динник А.Н. и др. Распределение напряжений вокруг подземных горных выработок. В сб. трудов совещания по управлению горным давлением. - М.:Академиздат, 1938.

36. Лехницкий С.Г. Определение напряжений в упругом изотропном массиве вблизи вертикальной цилиндрической выработки круглого сечения. "Известия АН СССР". -М.: ОТН, 1938.

37. Родин И.В. К вопросу о влиянии выработок на напряженное состояние горного массива. "Известия АН СССР". - М.: ОТН, 1950.

38. Лабасс А. Давление горных пород в угольных щахтах. В кн.: "Горное давление". - М.: Госгортехиздат, 1961.

39. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. -М.: Углетехиздат, 1954.

40. Ершов В. К математической теории горного давления. В кн. "Аналитические методы исследования и математическое моделирование горных процессов". - М.: Госгортехиздат, 1963.

41. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. М.: "Наука", 1969.

42. Белаенко Ф.А. Расчет крепи стволов шахт на больших глубинах в условиях Донецкого бассейна. В кн.: Разработка угольных месторождений на больших глубинах". М.: Углетехиздат, 1955.

43. Калчанов Л.П. Теория ползучести. М.: Физматгиз, 1960.

44. Рейнер М. Реология. М.: "Наука", 1965.

45. Панов А.Д. и др. Горное давление в очистных и подготовительных выработках. М.: Госгортехиздат, 1959.

46. Парашкевов Р. Върху избора на подходяща характеристика на крепежа за мини изработки, прокарани в слаби екали. "Мино дело и металлургия", 1963, № 1.

47. Максимов А.П. Выдавливание горных пород и устойчивость подземных выработок. М.: Госгортехнадзор, 1968.

48. Крыжановская Т.А. Исследование вопроса давления горных пород на крепь горизонтальных выработок на основе теории вязкопластического течения. В кн. "Исследование горного давления" - М.: Госгортехиздат, 1960.

49. Заславский Ю.З. и др. Расчеты параметров крепи выработок глубоких шахт. Киев: "Техника", 1972.

50. Векслер Ю.А. Определение смещений горных пород вокруг горизонтальных подготовительных выработок на глубоких горизонтах шахт. "Уголь", 1964, №7.

51. Белаенко Ф.А. Горное давление при разработке марганцевых руд в Никопольском бассейне. В кн.: "Исследование горного давления". - М.: Госгортехиздат, 1960.

52. Киселев Е.С. О расчетной нагрузке на крепь подготовительных выработок. "Уголь Украины", 1958, № 3.

53. Гелескул М.Н. и др. Методика шахтных исследований горного давления в капитальных и подготовительных выработках на больших глубинах. В сб.: "Вопросы горного давления", № 20. - Новосибирск. Изд-во Сибирского отделения АН СССР, 1964.

54. Schwartz В., Untersuchmiden der Gebigbewegungen um bergmännische Hohlräume. Bergbauwiss, 1960, № 7.

55. Кошелев K.B. и др. Охрана и ремонт горных выработок. М.: Недра. 1990.

56. Жданкин H.A., Жданкин A.A. Геомеханика горных выработок. Сопряжение лава-штрек. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990.

57. Подильчук Ю.Н. Пространственные задачи механики горных пород. Киев: Наук, думка, 1983. - 160 с.

58. Петухов И.М., Зубков В.В., Зубков И.А. и др. Напряженное состояние массива горных пород около очистных выработок произвольной формы в плане. Физ. - техн. проблемы разработки полезных ископаемых. -1982, № 5.-С. 3-8.

59. Курленя М.В., Миренков В.Е., Хан Г.Н. Напряженно-деформированное состояние в окрестности протяженной выработки. Физ. техн. проблемы разработки полезных ископаемых. - 1984, № 5 - С. 17-23.

60. Ержанов Ж.С., Каримбаев Т.Д. Метод конечных элементов в задачах механики горных пород. Алма-Ата: Наука, 1975. 238 с.

61. Бенерджи П.К., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. - 494 с.

62. Зильберман А.И., Новиков Л.В., Лесников B.C. Решение на ЭВМ задачи о распределении напряжений и деформаций в массиве горных пород в зоне сопряжения двух выработок. Шахтное строительство. - 1983, № 5. -С. 9-10.

63. Весков М.И., Патрикеев Г.И., Сафрошкин H.A. К вопросу прогнозирования смещений кровли подготовительных выработок при способе охраны без оставления угольных целиков. Науч. сообщ. ИГД им. A.A. Скочинского. - М., 1973. - Вып. 107. - С. 95-99.

64. Ткачев В.А., Сафрошкин H.A. Прогнозирование смещений пород кровли сопряжений струговых лав с подготовительными выработками. Тр. Шахт. науч. - исслед. и проектно-конструк. угольного ин-та, 1978. - № 19. -С. 30-33.

65. Литвинский Г.Г. Классификация и прогноз горного давления в подземных выработках (в порядке обсуждения). Уголь. - 1996, - № 2. - С. 50-51.

66. Сажин B.C. Упругопластическое распределение напряжений вокруг горных выработок различного очертания. "Наука". М., 1968.

67. Цимбаревич П. М. Рудничное крепление. Углетехиздат, 1957.

68. Борисов A.A. Расчет горного давления в лавах пологих пластов. "Недра". М., 1964.

69. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. Госгортехиздат,1951.

70. Ильштейн A.M. Закономерности проявления горного давления. Углетехиздат, 1958.

71. В.Н. Рева, О.И. Мельников, В.В. Райский. Поддержание горных выработок. -М.: Недра, 1995. 270с.

72. Гелескул М.Н., Усан Подгорнов Б.М. Исследование проявлений горного давления в подготовительных выработках и выбор рациональных способов их крепления. Промежуточный отчет по теме №33, этапу №1 М.,1965.

73. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: ИЛ., -1968,-240 с.

74. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра, - 1987,-220 с.

75. Черняк И. Л. Предотвращение пучения почвы горных выработок.- М.: Недра, 1978, 237с

76. Черняк И.Л. Повышение устойчивости подготовительных выработок. М.: Недра, 1993. - 256с.

77. Кошелев К.В., Черняев В.И. Влияние фактора времени на величину смещения пород в горных выработках. "Шахтное строительство", №1, 1985, с. 13-14.

78. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп. СПб, 1991, - 125с. (Науч. исслед. ин-т горн.геомех. и маркшейд. дела).

79. Патент 2162943 (РФ), Е21 D15/48. Искусственная Охранная опора / Литвинов Л.В., Ткачев В.А., Туркеничева O.A. Опубл. 10.02.2001, Бюл. №4.

80. Патент 2168628 (РФ), Е21 С41/18. Способ разработки пластовых месторождений /Шестаков В. А., Ткачев В. А., Литвинов A.B.,

81. Туркеничева O.A., Позняк В.М., Белодедов A.A., Толмачева Л.С. Опубл. 10.06.2001, Бюл. №16.

82. Технология подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Учебник для вузов /Под общей редакцией A.C. Бурчакова. 3-е изд. перераб. и доп. М., Недра, 1983. - 487с.

83. Гринько СП. Влияние сопротивления крепи на смещения контура повторно используемой выработки //Управление состоянием угленосной толщи: Сб. научи, тр. М.: МГИ, 1982. - С.13-17.

84. Худин Ю.Л., Устинов М.И., Брайцев A.B. Бесцеликовая отработка пластов. М,: Недра, 1983.

85. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Восточного Донбасса //СПб: ВНИМИ, 1998, 48с.

86. Прогрессивные паспорта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов. Л., 1985. 112с.

87. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.Ю. Охрана и ремонт горных выработок. /Под ред. К.В. Кошелева М.: Недра, 1990. - 218с.

88. Kammer W. Kennwerte der Gebirgsbeherrschung in Strecken. In: Jacobi O. Praxis der Gebirgsbeherrschung, Teil F. Essen: Verlag Gluckauf, 1981.

89. Betriebsempfehlung für den Steinkohlenbergbau 20.3: Gebirgsmachanische und ausbautechnische Entscheidungshilfen: Planung von Abbaustrecken. Essen: Verlag Gluckauf, 1982.

90. Асылова K.M. Определение материальных затрат при проведении и поддержании горных выработок // Совершенствование технологических схем проведения и способов поддержания горных выработок на глубоких горизонтах/Караганда, 1988.-С 79-81.

91. Ходжаев Р.Ш., Старкова Е.В., Тен Н.В. Себестоимость добычи угля по участку и шахте. М.: Недра, 1991. -144 с.