Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и научное обоснование технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка и научное обоснование технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса"

На правах рукописи

Сухорукое Владислав Владимирович

РАЗРАБОТКА И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРОВЕДЕНИЯ, КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК В УСЛОВИЯХ ШАХТ КУЗБАССА

Специальность: 25 00.22 - «ГЕОТЕХНОЛОГИЯ (подземная, открытая и строительная)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Министерства образования Российской Федерации «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель - кандидат технических наук

Нифонтов Альберт Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Калинин Степан Илларионович

кандидат технических наук Ситников Геннадий Анисимович

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество

Кузбасский научно-исследовательский угольный институт

Защита состоится 19.02.2004 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.03 в ГОУ ВПО Министерства образования Российской Федерации «Сибирский государственный индустриальный университет» по адрес}: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова. 42, аул. 311. Факс (8 - 3843) 46-57-92, К - mail: step@sibgiu.kemerovo.su.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 17 января 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Домрачев А. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одним из направлений повышения

разрабатывающих крутые пласты, является снижение затрат на добычу угля, в том числе на проведение, крепление и поддержание подготовительных выработок. Подготовительные выработки при отработке крутых пластов, как правило, проводятся буровзрывным способом, который характеризуется низкими темпами проведения, а также высоким уровнем трудоемкости и травматизма, особенно при проходке восстающих выработок.

На выдержанных по углу падения участках пластов проведение восстающих выработок осуществляется по углю и породе по предварительно пробуренной скважине, наличие которой облегчает погрузку и транспорт горной массы, вентиляцию, а также дренаж воды и газа. При переменном угле залегания пластов до 70% скважин не удается выбурить на всю высоту этажа, вследствие чего восстающие выработки проводятся тупиковым забоем. Темпы проведения при этом резко снижаются и составляют: углю 30-40 м/месяц, по породе до 25 м/месяц, что в 2-3 раза ниже темпов проведения горизонтальных выработок такого же сечения.

Проведенные ранее исследования КузНИУИ. ИГЛ им. А А Скочинского. ИГД СО РАН. КузГТУ, ВНИМИ и др. в восстающих выработках, в основном, ограничивались разработкой рекомендаций по применению новых средств механизации без учета геомеханических особенностей отработки крутых пластов.

Большой угол наклона (55-90 ) и длина (70-150 м), малое сечение (2-8 м2 в проходке), отсутствие научно обоснованных технологических и технических решений, а также методики прогноза параметров геомеханических процессов обусловили высокую стоимость проведения восстающих выработок, низкую производительность и опасные условия труда.

В связи с вышеизложенным, разработка и научное обоснование технологических и технических решений проведения и поддержания восстающих выработок в течение всего периода их эксплуатации вне и в зоне влияния выработанного пространства является актуальной научной задачей на современном этапе развития технологии угледобычи на крутых пластах.

Диссертация выполнена по результатам научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ Сибирского государственного

индустриального университета в 1996-2003 гг., в том числе по программе № 006 Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области топлива и энергетики», проект № 26-6 «Разработка компьютерной системы геомониторинга и оперативного прогноза геомеханических параметров выемочных полей и участков угольных шахт» № гос. регистрации 04200008299, программой Кузбасскою НОК-1, подпрограммой «Недра Кузбасса», проект № 27-6 «Разработка С 1етров

конкурентоспособности шахт Прокопьевско-Киселевского района,

высокоинтенсивных технологий угледобычи

1асса»,

№ гос. регистрации 01970004330

Цель работы. Разработать технологические решения и требования для совершенствования и создания способов и комплексов проходческого оборудования, обеспечивающих проведение, безремонтное поддержание восстающих выработок при отработке крутых угольных пластов.

Идея работы заключается в использовании закономерностей прогрессирующего снижения устойчивости пород кровли в зоне влияния очистного забоя с учетом формы, площади поперечного сечения восстающей выработки, а также структуры и свойств вмещающих пород.

Задачи исследований:

установить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах;

синтезировать альтернативные варианты технологических схем проведения и крепления восстающих выработок на основе прогрессивных элементов традиционной технологии, адаптивных к условиям залегания крутых и крутонаклонных пластов;

установить закономерности изменения смещений углепородного массива в окрестности восстающих выработок с учетом динамики опорного давления вне и в зоне влияния очистного выработанного пространства;

установить закономерности изменения нагрузок на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий залегания крутых и крутонаклонных пластов;

разработать технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применен комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение производственного опыта и результатов предшествующих научных исследований, декомпозицию существующих технологических схем проведения и крепления восстающих выработок; натурный эксперимент и обобщение результатов исследований; экспертные оценки.

Научные положения, выносимые на защиту:

прогрессивные технологические схемы проведения и поддержания восстающих выработок базируются на следующих элементах традиционных и новых технологий: бурение передовых скважин механическим или гидравлическим способами, проветривание забоев за счет, общешахтной депрессии, самотечный транспорт горной массы, а также безремонтное поддержание восстающих выработок;

смешение углепородного массива в окрестности восстающих выработок тесно коррелируют с коэффициентами концентрации остаточного и эксплутационного опорного давления, причем коэффициент концентрации

остаточного опорного давления под влиянием выработанного пространства верхнего горизонта по высоте отрабатываемого этажа экспоненциально убывает, а коэффициент концентрации эксплуатационного опорного давления к зоне влияния очистных работ отрабатываемого горизонта изменяется по периодической функции;

нагрузка на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок в условиях залегания крутых и крутонаклонных пластов экспоненциально возрастает при увеличении мощности пласта и гиперболически снижается при увеличении угла падения, расстояния до очистного забоя, а также крепости угля и боковых пород;

эффективность разработанных технологических решений и требований к техническим средствам проведения и крепления восстающих выработок обеспечивается применением: механических и гидравлических машин для бурения скважин большого диаметра по углю (500-1300 мм); проходческих комплексов для смешанных и породных забоев, подвесной проходческой клети, а также мощной буровой машины (сечение выработок 1,88 м2); средств механизации для крепления восстающих выработок, адаптивных к условиям их поддержания и эксплуатации на шахтах, разрабатывающих крутые пласты

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, обеспечиваются, и подтверждаются:

достаточным объемом (более 200 визуальных и инструментальных) наблюдений в шахтных условиях и положительным производственным опытом применения интегрированных в альтернативные варианты технологических схем проведения и крепления восстающих выработок;

соответствием расчетных смещений углепородного массива и распределений нагрузок на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок установленным зависимостям изменения остаточного и эксплуатационного опорного давления;

использованием для разработки технологических решений и требований к техническим средствам проведения восстающих выработок, проверенных на практике: рабочего органа машины ПВВ, погрузочной машины комплекса КС-4 (шахта им. Ворошилова), направляющею фонаря бурового става расширителей РК-1300, РД—1300 (шахта им. Калинина), подвесной клети и мощной буровой машины 2 КВ-2 (шахта им. Дзержинского), комплекса УВТ для крепления выработок тюбингами из углепласта (шахта им. Калинина), буровых машин БГА (шахты Кузбасса).

Научная новизна работы заключается в:

синтезе адаптивных к условиям залегания крутых и крутонаклонных пластов технологических схем проведения восстающих выработок, включающих процессы бурения передовой скважины, проветривании за счет общешахтной депрессии, самотечного транспорта горной массы и безремонтного поддержания;

-установлении закономерности изменения смещения углепородного массива в окрестности восстающих выработок при прогрессирующем снижении его устойчивости и увеличения нагрузок на крепь при увеличении мощности пласта, а также уменьшении угла падения пласта и расстояния до очистного забоя;

разработке технологических решений и требований к конструкции технических средств для бурения скважин большого диаметра по углю (5001300 мм), проходческому комплексу, для смешанных забоев и породы, подвесной проходческой клети, а также мощной буровой машине (сечение выработок 1,8-8 м2), средствам механизации крепления, для интенсификации процессов проведения восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса.

Личный вклад автора состоит в:

обосновании прогрессивных элементов традиционных и новых технологий проведения восстающих выработок и установлении закономерностей изменения смещения углепородного массива в их окрестности, а также увеличении нагрузок на крепь при уменьшении угла падения пласта и расстояния до очистного забоя;

разработке технологических решений и требований к применению машин, для бурения и крепления скважин большого диаметра по углю (5001300 мм) машинами- ПВВ. БГА и УВТ, проходческих комплексов, для смешанных забоев и породы (КС-4 с использованием комбинированной крепи), подвесной проходческой клети с опускающейся решеткой и демпфирующими опорами, а также мощной буровой машины с установкой для подачи тюбингов вслед . за расширителем, для интенсификации процессов проведения восстающих выработок.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют;

использовать закономерности прогрессирующего снижения устойчивости углепородного массива и увеличения нагрузок на крепь при уменьшении угла падения пласта, расстояния до очистного забоя, крепости угля и боковых пород, а также увеличении мощности пласта, для принятия адекватных решений при составлении проектной документации* крепления восстающих выработок;

использовать технологические решения и требования к проходческим комплексам, подвесной клети и расширителям скважин по углю для конструирования машин нового уровня, обеспечивающих интенсификацию процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.

Реализация работы. Основные научные положения и результаты исследований были приняты при составлении проектов на отработку пластов крутого падения и паспортов крепления восстающих выработок на шахтах им. Дзержинского, «Тырганская» и им. Ворошилова в Кузбассе, а также в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.

Результаты шахтных исследований использованы при разработке инструкции по расчету и применению анкерной крепи на шахтах ООО НПО

«Прокопьевскуголь», а также технологических требований на создание эффективных средств комплексной механизации проведения восстающих выработок.

Апробация работы.

Основное содержание работы, а также отдельные положения и разделы, обсуждены и доложены на ученом Совете КузНИУИ (1998-2001 гг.), техническом Совете ООО «НПО «Прокопьевскуголь» (1999-2002 п.), Международной выставке - ярмарке «Уголь России» (г. Новокузнецк, 23-26 апреля, 1996 г.), IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», (г. Новокузнецк, 14-15 мая, 1997), Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых», г. Новокузнецк, 16-17 ноября 1999 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы электроснабжения и электросбережения на горнорудных и металлургических предприятиях. Кузбасса», 11-12 апреля 2000 г.; VII международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии», 6-9 июня 2000 г., г. Новокузнецк; на семинарах СибГИУ, а также на расширенных технических совещаниях шахт «Тырганская», им, Дзержинского и др. (19972003 гг.)

Публикация.

Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе две работы без соавторов.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и содержит 150 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц и 42 рисунков.

Диссертация выполнена в СибГИУ в 1993-2003 гг. Автор выражает глубокую благодарность коллективу шахты- «Тырганская» за оказанную помощь в проведении шахтных экспериментов, а также кафедре «Разработки пластовых месторождений» СибГИУ при работе над теоретической частью диссертации.

Основное содержание работы

В первой главе проведен анализ производственного опыта и результатов научно-исследовательских работ по совершенствованию технологии проведения и поддержания восстающих выработок в горнодобывающей отрасли

Совершенствование существующих и создание новых способов и средств комплексной механизации проведения и крепления восстающих выработок базируется, в основном, на результатах исследований, выполняемых ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ. КузНИУИ, КузГТУ, ИГД СО РАН, ВУЗов и других организаций, а также специалистов шахт. Значительный вклад в исследование и обобщение результатов научных работ в области создания

новых способов и средств комплексной механизации проведения восстающих выработок внесли: К А. Ардашев, Н С. Арсенов, А.А. Борисов, И.Д. Богомолов, В.Н. Великанов, Б В. Власенко, Т.В Горбачев, Г.Н. Грицко, В.Г. Кожевин, СИ. Калинин. Г.Н Кузнецов, Г.Н. Кулаков, M.B. Курленя, В.А. Лидер, И.Ф. Логунов. Н.Ф.: Лукьянов, Б П. Одиноков, М С. Сафохин, П.М. Цымбаревич, B.C. Федоров, В.Н. Фрянов, А.И. Широков и др.

В трудах названных авторов обоснована целесообразность создания средств комплексной механизации проведения восстающих выработок.

Установлено, что большая часть (около 200 км) восстающих выработок в Кузбассе (более 90%) проводится - на шахтах Прокопьевско-Киселевского

'—' 4

района, где они используются для передвижения людей, доставки оборудования, спуска угля, вентиляции и т.д.

На лологом падении для соединения полевых и пластовых выработок, проводятся гезенки (способы их проведения аналогичны проведению восстающих выработок на крутом падении).

При всех способах проведения выработок, крепление осуществляется вручную. Во многих случаях крепь не выдерживает горного давления, возникающего в зонах влияния очистных работ, а также* значительных грузопотоков угля, и разрушается, что ведет к частым «забучиваниям» углеспусков.

Условия работы крепи определяются деформациями и перемещениями массива угля и пород в окрестности выработки Развитие этих геомеханических процессов зависит от горно-геологических и горнотехнических факторов, основными из которых являются способы охраны и расположение выработок относительно зон опорного давления.

Широкие возможности, появившиеся в связи с примерами использования механизмов и машин; работающих на рудниках страны и на шахтах Кузбасса, создали предпосылки для комплексного решения вопроса о проведении, креплении и поддержании восстающих выработок.

Отсутствие геомеханического обоснования силовых параметров крепи для восстающих выработок, технологических схем и закономерности проявлений горного давления в окружающем углепородном массиве при отработке выемочных полей, предопределило необходимость проведения дополнительных исследований, которые позволили разработать технологические решения и требования, к, техническим средствам для интенсификация процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.

На основе проведенного анализа изученности состояния вопроса сформулирована цель настоящих исследований, и определены задачи, решение которых в диссертационной работе обеспечивает ее достижение.

Во второй главе дается описание характеристики объекта исследований и устанавливается влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах. По основным факторам, определяющим различия в проявлениях горного

давления (структурный состав пород и угля, мощность, а также характер и\ обрушения) выделено три группы условий поддержания восстающих выработок, что позволило систематизировать исследования для объективной оценки полученных результатов

Исследованиями установлено, что с увеличением глубины разработки от 200 до 400 м увеличиваются крепость горных пород, хрупкость и плотность, а природная газоносность на глубине 400-500 м возрастает до 25 м 3/Т Все случаи выбросов угля и газа приурочены к вскрытию угольных пластов на новых горизонтах и проведению подготовительных выработок, в том числе восстающих В интервале глубин ведения горных работ от 200-400 м увеличивается давление пород кровли пласта на крепь восстающих выработка и требуются дополнительные затраты на ее ремонт.

С увеличением мощности пласта от 2 до 10 м увеличивается объем выработанного пространства, вследствие чего также увеличивается давление на крепь выработок.

С изменением угла падения от 55 до 90° и устойчивости боковых пород от слабоустойчивой до устойчивой наблюдается уменьшение давления пород кровли на крепь и последняя практически не перекрепляется.

На рисунке I показано процентное распределение влияния горногеологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах

В третьей главе на основе прогрессивных элементов существующей технологии, были синтезированы альтернативные варианты технологических схем проведения и крепления восстающих выработок, адаптивные к условиям залегания крутых и крутонаклонных платов. Для синтеза альтернативных вариантов производилась декомпозиция существующих технологических схем.

Рисунок I - Диаграмма влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений

Основные операции проходческого цикла, которые рассматривались при декомпозиции существующих технологических схем проведения восстающих выработок, принимались следующие: бурение скважины большого диаметра, буровзрывные работы погрузка горной массы, возведение постоянной крепи Рассматривались также вспомогательные работы, оборудование ходового и грузового отделений, водоотлив, прокладка вентиляционных труб, навеска кабеля и др

Исследованиями установлено, что прогрессивные технологические схемы проведениями поддержания восстающих выработок базируются - на следующих элементах традиционных и новых технологий: бурение передовых скважин механическим и гидравлическим способами, проветривание выработки за счет общешахтной депрессии, самотечная транспортировка горной массы и безремонтное поддержание выработок вне и в зоне влияния выработанного пространства.

Из-за проявлений горного давления и многочисленных геологических нарушений, характер которых и место локализации заранее известны, передовую скважину не проводят. Поэтому в каждом конкретном случае необходимы дополнительные исследования.

В четвертой главе установлены закономерности проявлений горного давления в- широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий залегания крутых и крутонаклонных пластов, а также обоснованы параметры силового взаимодействия крепи с вмещающим углепородным массивом с учетом закономерностей формирования опорного давления и -прогрессирующего снижения устойчивости пород кровли при приближении очистного забоя

Натурный эксперимент проводился на шахтах Прокопьевско-Киселевского района На основании обобщения результатов исследований в ходовых печах при отработке щитовых столбов установлено, что по мере выемки угля, выработанное пространство подбучивается обрушенными породами непосредственной кровли. Здесь зона беспорядочного обрушения и сквозной трещиноватости основной кровли по контакту с восстающей выработкой образуется в пределах всей высоты этажа Высота этой зоны, согласно проведенным исследованиям, изменяется в пределах 3-5 кратной мощности вынимаемого пласта и зависит от ширины щитового столба, крепости угля, а также состава, строения и мощности пород кровли.

Опорное давление в выработках складывается из двух составляющих -динамической и статической. В зоне интенсивных смещений пород впереди и позади щитового забоя большая доля смещений окружающего массива является следствием динамического опорного давления. Установлено, что динамическое опорное давление имеет периодический характер, и для его определения использовалась аппроксимация изменения скорости смещений по длине выработки (рисунок 2)

Скорость смещения U, мм/сут 5 10 15

20

40

60

80

100

120

140

1 ♦ 1

X о / •

1/ е 2

% о

rN 1°

Jrx X

нок 2 - Зависимости скорости смешения (кривые 1, 2, 3) окружающею массива в окрестности восстающих выработок от расстояния L до монтажной камеры (1, ¡1, И! - положения очистного забоя)

Для усыновления закономерностей формирования динамического опорного давления была выделена се составляющая. При этом исходили из того, что минимальные смещения имеют место только при влиянии статической составляющей.

Полученные зависимости позволили удовлетворительно описать процесс изменения скорости смещения в кровле при росте длины консолей пород в выработанном пространстве во время движения очистного забоя.

Исследования в восстающих выработках при отработке крутых пластов по восстанию с закладкой выработанного пространства подтвердили характер распределения нагрузок на крепь по длине выработки. Величины и скорости смещений здесь были меньше в 3- 4 раза (рисунок 3) по сравнению с обрушением кровли при щитовой системе разработки.

Исследования в восстающих выработках при отработке крутых пластов по простиранию пласта показали, что наиболее интенсивные смещения контура выработки наблюдаются на сопряжении восстающей выработки с вентиляционным штреком. Здесь скорость смещения окружающего массива на мощных пластах составляет 2,0-3,0 мм/сут. В нижней части выработки скорость сближения кровли и почвы на 1.0-1.5 мм/су г меньше чем в средней части. Наибольший прирост (300-400 мм) смещений кровли наблюдается в верхней части выработки при выемке угля и управлении кровлей вследствие наложения остаточного опорного давления (рисунок 4).

Также установлено, что наиболее существенное влияние на увеличение давления порол Р кровли пласта на крепь восстающих выработок оказывают: глубина разработки Н, угол падения пласта а. мощность пласта m.

После соответствующей обработки результатов наблюдений методами математической статистики были получены следующие уравнения множественной корреляции соответственно для первой, второй и третьей групп условий поддержания восстающих выработок при обычных скоростях подвигания очистного забоя 1-2 м в сутки

Р, =-2,56 + 81.35соьа1+0,17*И|+0,48*ш|; (1)

Р, = -1.73 + 47,21 cos а, + 0,24 * Н 2 + 0.31 * m,; (2)

Р, =-1,l2 + 35,37cosa1+0.12*H, + 0,28*mJ. (3)

-давление пород кровли пласта на крепь восстающих выработок для первой, второй и третьей групп условий их поддержания. кН/м. а - )ЮЛ падения пласта (55-90 град.);

разработки (200-400 м); m - мощность пласта (2-10 м)

Совокупный коэффициент корреляции для приведенных уравнений соответственно составил,

что свидетельствует о тесной связи между приведенными признаками.

В пятой главе разработаны технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок ил шахтах Кузбасса с учетом установленных закономерности проявлений горного давления

Величина смещения и, мм

очистною забоя (при отрабо!кс пластов с закладкой выработанною ироаранства)

Вентиляционный горизонт

Ьс, м

Откаточный горизонт

Направление подвигания очистного забоя

Рис) нок 4 - Характер распределения смещений > глепородного массива над крепью восстающей выработки

На разработку технических решений оказывали влияние факторы которые условно были разделены на постоянные, учитываемые в любом случае и переменные, которые выдвигались как ограничения в неблагоприятных условиях

Анализ показал, что в принципе возможны два разных технических решения данной задачи - замена буровзрывною способа разрушения горной массы новым более эффективным буровым и повышение производигсльности буровзрывного Наиболее реален второй путь

Достигнуть требуемою эффекта по второму пути возможно либо применив более производительные бурильные машины и надежный инструмент, либо уменьшить погонный метр бурения шнуров за счёт ослабления массива передовой разрезной скважиной.

На основании проведенных исследований рекомендованы следующие средства механизации для проведения нечем - (машины БГА. ПВВ), для проведения скатов (комплексы КС-4 подвесная проходческая клеть, мощная буровая машина 2 КВ 2)

Перечисленные средства механизации увязаны с технологическими схемами, а также горно-геологическими и горнотехническими условивиями применения.

Принципиальную структуру экономико-математической модели, предназначенной для выбора рациональных технологических решении проведения восстающих выработок, определяла целевая функция с системой ограничений и номенклатурой входных и выходных переменных К >4е1у были приняты конвергенции боковых пород в соответствии с допустимой конструктивной податливостью крепи

Шахтные исследования геомеханических процессов в угленородном массиве позволили разработать технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения восстающих выработок с использованием существующих средств механизации

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно-обоснованные технологические и технические решения проведения, крепления и поддержания восстающих выработок, базирующиеся на усыновленных закономерностях проявлении горного давления при индивидуальном и интегральном влиянии горно-геологических и горнотехнических факторов имеющие существенное значение для повышения эффективности подземной разработки угольных месторождений с крутым залеганием пластов

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Систематизированы горно-геологические и горнотехнические условия и технологии проведения восстающих выработок на шахтах Кузбасса, на основании которых установлено, что общее количество пластов без перегиба составляет 23,4%, с одним перегибом - 26,6%, с двумя перегибами - 16%, с тремя и более 14%. В пластах со спокойным залеганием (прямолинейных, без перегибов) проведение восстающих выработок по схеме с бурением скважины на всю высоту этажа возможно только в 20% от общего объема (200 км).

2. На эффективность принятия технологических и технических решений по проведению, креплению и поддержанию восстающих выработок в различных горно-геологических и горнотехнических условиях основное влияние оказывают факторы, которые ранжируются следующим образом: глубина разработки - 30%, угол падения пласта - 28%, устойчивость боковых пород - 27%, мощность пласта - 15%.

3. Декомпозиция существующих технологических схем проведения восстающих выработок показала, что к наиболее трудоемким процессам относятся: при буровзрывной проходке - бурение шпуров и погрузка горной массы (78%); при механизированной - бурение скважин и их крепление (93%). Установлено, что прогрессивные технологические схемы проведения, и поддержания восстающих выработок базируются на следующих элементах традиционных и новых технологий: бурение передовых скважин механическими или гидравлическими способами, проветривание за счет общешахтной депрессии, самотечная транспортировка горной массы, безремонтное поддержание выработок вне и в зоне влияния выработанного пространства.

4. Установлены закономерности интенсификации геомеханических процессов в углепородном массиве над восстающими выработками с учетом влияния горно-геологических и горнотехнических факторов. Смещения углепородного массива нал восстающими выработками в зоне остаточного опорного давления в 2 3 раза превышают аналогичные параметры в нижней части выработки и в зависимости oт мощности пласта составляют 300-400 мм. Смещения в окрестности восстающих выработок тесно коррелируют с коэффициентами концентрации остаточного опорного давления. Коэффициент концентрации остаточного опорного давления под влиянием выработанного пространства верхнего горизонта по высоте этажа экспоненциально убывает, а коэффициент концентрации эксплуатационного опорного давления изменяется по периодической функции. На очистные работы приходится более 70% всех смещений углепородного массива независимо от изменения горногеологических и горнотехнических условий

5. Установлены величины расслоения пород кровли, которые происходят до глубины 2-5 м от восстающей выработки в глубь массива, при этом максимальные расслоения зафиксированы на глубине до 0,5 м - 40 70 мм/м, на глубине 0,5-2,5 м-30-50 мм/м и на глубине 2,5-6 м-25-35 мм/м. Активизация проявления горного давления происходит при погашении

восстающих выработок, где нагрузки на крепь увеличиваются до 70,0-80,0 кН/м, а сближения вмещающих пород достигают 400 мм. Нагрузка на крепь экспоненциально возрастает при увеличении мощности пласта и гиперболически снижается при увеличении угла падения, расстояния до очистного забоя, а также крепости угля и боковых пород.

6. Разработаны технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения восстающих выработок, с использованием следующих средств механизации: для проведения печей три машины в комплексе увязанных между собой БГА, ПВВ и установка УВТ; для проведения скатов в смешанных и породных забоях проходческий комплекс КС-4 с комбинированной крепью, состоящей из спецпрофиля, дерева и анкеров; подвесная проходческая клеть ППК (при наличии пробуренной скважины специальным расширителем - машиной БГЛ диаметром 300-500 мм) с опускающейся решеткой и демпфирующими опорами; мощной породной буровой машины 2КВ2 с установкой для подачи тюбингов вслед за расширителем (диаметр скважины 1800 мм).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сухорукое В.В. Анализ технологии и технических средств проведения скатов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района / В.Л. Сухорукое, В.Н. Колесников, Б В. Шенгерей, В.В. Сухорукое. // Теория и практика отработки угольных пластов: Сб. научи, тр. / КузНИУИ. -Прокопьевск, 1997.-С. 94-102.

2. Сухорукое В.В. Исследования и направления повышения эффективности проведения подготовительных выработок в условиях Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса / В.В. Сухорукое, В.Н. Фрянов, В.А. Сухорукое // Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Труды IV Междунар.научн.-практ. конф. / СибГИУ. - Новокузнецк, 1997. - С. 146-149.

3. Сухорукое В.В. Исследования технологических схем проведения скатов в условиях шахт Кузбасса /ВВ. Сухорукое, В.В. Севостьянов, В \ Сухорукое // Совершенствование подземной отработки угольных пластов Кузбасса: Сб. научн. тр. / КузНИУИ. - Прокопьевск, 1998. - С. 31-36.

4. Сухорукое В.В. Исследования проявлений горного давления и направление совершенствования крепления восстающих выработок в условиях Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. / В.В. Сухорукое, Б.В. Шенгерей. В.А. Сухорукое, // Совершенствование подземной отработки угольных пластов Кузбасса: Сб. научн. трудов / КузНИУИ. - Прокопьевск, 1998. - С. 47-53.

5. Сухорукое В.В. Технология проведения скатов и исследование процессов деформирования их крепи на шахтах Прокопьевско-Киселевскою района Кузбасса / В.В. Сухорукое // Труды Международной конференции / СибГИУ. - Новокузнецк, 1999. - С. 70-73

6. Сухорукое В.В. Особенности деформирования массива горных пород в окрестности ската под влиянием очистных работ / В Н. Фрянов, ВВ.

Сухорукое '' Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III гыс: Труды VII Международной научно-практической конференции в III тысячелетии / СибГИУ. - Новокузнецк. 2000 - С. 74-76.

7. Сухорукое В.В. Совершенствование технологии монтажа и очистных работ с применением агрегата ЩРИМ / ВВ. Сухорукое, А.В. Севостьянов, С.Б. Зайнулин, ИМ. Огнев // Перспективы развития горнодобывающей промышленности в ill тысячелетии; Труды Междунар. науч.-практ. конф. / СибГИУ. - Новокузнецк, 2000. - С. 109-1 П.

8. Сухорукое В.В. Прокопьевско-Киселевский район - проблемы и перспективы развития ресурсосберегающих технологий добычи угля / В.А. Сухорукое, В Н. Фрянов, С.Б. Зайнулин, В.В. Сухорукое, А.В. Севостьянов // Проблемы электроснабжения энергосбережения на горнорудных и металлургических предприятиях Кузбасса: Труды Всерос. науч.-практ. конф. / СибГИУ. - Новокузнец, 2000. - С. 93-101.

9. Сухорукое В.В. Проявление горного давления на сопряжении лава-штрек при управлении кровлей твердеющей закладкой / В.В. Сухорукое,. В.В. Севостьянов, А.Е. Родионов, А.В. Севостьянов, // Вопросы отработки угольных пластов Кузбасса: Сб. науч.. тр. / КузНИУИ. - Прокопьевск, 2001. - С 19-27.

10. Сухорукое В. В. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах ООО «НПО Прокопьевскуголь» / Сухорукое В. В, В И. Аксененко; Кузнецкий научно-исследовательский угольный институт, ООО «НПО «Прокопьевскуголь». - Прокопьевск, - 2002.

11. Сухорукое В. В. Методика выбора рациональных технологических схем проведения и поддержания восстающих выработок для условий шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса / В. В. Сухорукое // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Труды VII Междунар. конф. / СибГИУ. - Новокузнецк. 2002. - С. 35-38.

Издлиц. №01439 от 05.04.2000 Подписано в печать" Форма бумаги 60x84 1/16 Бумага писчая. Ризография. Усл.печ.л 0,99 Уч.-изд.л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 5

•-2824

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сухоруков, Владислав Владимирович

Введение.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОВЕДЕНИЯ, КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК

В ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ.

1.1. Анализ существующих технологий проведения восстающих выработок при отработке крутых угольных пластов и залежей подземным способом. J

1.1.1. Опыт проведения восстающих выработок на шахтах Куз-у басса.

1.1.2 Опыт проведения восстающих выработок при подземной отработке рудных месторождений.

1.1.2.1. Буровзрывной способ проведения восстающих выработок.

1.1.2.2. Буровой способ проведения восстающих выработок.

1.2. Анализ способов и средств механизации для крепления восстающих выработок.

1.3. Анализ производственного опыта и научно-исследовательских работ по технологии проведения и взаимодействию крепи восстающих выработок с массивом горных пород.

1.4 Выводы и обоснование актуальности работы.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И УСТАНОВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРОВЕДЕНИЯ, КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ

ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК НА КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ.

2.1. Методика выполнения научных исследований.

2.1.1. Методика конструирования вариантов технологических схем проведения, крепления и поддержания восстающих выработок.

2.1.2. Методика исследований геомеханических процессов при проведении и эксплуатации восстающих выработок.

2.2. Характеристика объекта исследования.

2.3. Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок.

Выводы.

КОНСТРУИРОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОВЕДЕНИЯ, КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК.

3.1. Декомпозиция существующих технологических схем проведения и крепления восстающих выработок.

3.2. Синтез альтернативных вариантов прогрессивных технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок.

Выводы.

ИЗУЧЕНИЕ В ШАХТНЫХ УСЛОВИЯХ ГЕОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРЕПИ ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК С УГЛЕПОРОДНЫМ МАССИВОМ ВНЕ И В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА.

4.1. Шахтные исследования проявлений горного давления при проведении и эксплуатации печей.

4.2. Шахтные исследования проявлений горного давления при проведении и эксплуатации скатов.

4.3. Обобщение результатов шахтных исследований.

4.4. Установление корреляционных зависимостей параметров проявления горного давления от основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

Выводы.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ И ТРЕБОВАНИЙ К ТЕХНИЧЕСКИМ СРЕДСТВАМ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ПРОВЕДЕНИЯ, КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК.

5.1. Разработка технологических решений для интенсификации процессов проведения восстающих выработок.

5.2. Разработка технологических решений для интенсификации процессов крепления восстающих выработок вне и в зоне влияния выработанного пространства.

5.3. Выбор рациональных технологических схем проведения, крепления и поддержания восстающих выработок для типичных условий шахт Прокопьевско-Киселевского района и требования к техническим средствам.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и научное обоснование технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса"

Актуальность работы. Одним из направлений повышения конкурентоспособности шахт Прокопьевско-Киселевского района, разрабатывающих крутые пласты, является снижение затрат на добычу угля, в том числе на проведение, крепление и поддержание подготовительных выработок. Подготовительные выработки при отработке крутых пластов, как правило, проводятся буровзрывным способом, который характеризуется низкими темпами проведения, а также высоким уровнем трудоемкости и травматизма, особенно при проходке восстающих выработок.

На выдержанных по углу падения участках пластов проведение восстающих выработок осуществляется по углю и породе по предварительно пробуренной скважине, наличие которой облегчает погрузку и транспорт горной массы, вентиляцию, а также дренаж воды и газа. При переменном угле залегания пластов до 70% скважин не удается выбурить на всю высоту этажа, вследствие чего восстающие выработки проводятся тупиковым забоем. Темпы проведения при этом резко снижаются и составляют: по углю 30-40 м/месяц, по породе до 25 м/месяц, что в 2-3 раза ниже темпов проведения горизонтальных выработок такого же сечения.

Проведенные ранее исследования КузНИУИ, ИГД им. А.А.Скочинского, ИГД СО РАН, КузГТУ, ВНИМИ и др. в восстающих выработках, в основном, ограничивались разработкой рекомендаций по применению новых средств механизации без учета геомеханических особенностей отработки крутых пластов.

Большой угол наклона (55-90°) и длина (70-150 м), малое сечение (2-8 м2 в проходке), отсутствие научно обоснованных технологических и технических решений, а также методики прогноза параметров геомеханических процессов обусловили высокую стоимость проведения восстающих выработок, низкую производительность и опасные условия труда.

В связи с вышеизложенным, разработка и научное обоснование технологических и технических решений проведения и поддержания восстающих выработок в течение всего периода их эксплуатации вне и в зоне влияния выработанного пространства является актуальной научной задачей на современном этапе развития технологии угледобычи на крутых пластах.

Диссертация выполнена по результатам научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ Сибирского государственного индустриального университета в 1996-2003 гг., в том числе по программе № 006 Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области топлива и энергетики», проект № 26-6 «Разработка компьютерной системы геомониторинга и оперативного прогноза геомеханических параметров выемочных полей и участков угольных шахт» № гос. регистрации 04200008299; программой Кузбасского НОК-1, подпрограммой «Недра Кузбасса», проект №27-6 «Разработка системы прогноза параметров высокоинтенсивных технологий угледобычи действующих шахт Кузбасса», № гос. регистрации 01970004330.

Цель работы. Разработать технологические решения и требования для совершенствования и создания способов и комплексов проходческого оборудования, обеспечивающих проведение, безремонтное поддержание восстающих выработок при отработке крутых угольных пластов.

Идея работы заключается в использовании закономерностей прогрессирующего снижения устойчивости пород кровли в зоне влияния очистного забоя с учетом формы, площади поперечного сечения восстающей выработки, а также структуры и свойств вмещающих пород.

Задачи исследований:

- установить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность технологических и технических решений проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на крутых угольных пластах;

- синтезировать альтернативные варианты технологических схем проведения и крепления восстающих выработок на основе прогрессивных элементов традиционной технологии, адаптивных к условиям залегания крутых и крутонаклонных пластов;

- установить закономерности изменения смещений углепородного массива в окрестности восстающих выработок с учетом динамики опорного давления вне и в зоне влияния очистного выработанного пространства;

- установить закономерности изменения нагрузок на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок в широком диапазоне горногеологических и горнотехнических условий залегания крутых и крутонаклонных пластов;

- разработать технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применен комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение производственного опыта и результатов предшествующих научных исследований; декомпозицию существующих технологических схем проведения и крепления восстающих выработок; натурный эксперимент и обобщение результатов исследований; экспертные оценки.

Научные положения, выносимые на защиту:

- прогрессивные технологические схемы проведения и поддержания восстающих выработок базируются на следующих элементах традиционных и новых технологий: бурение передовых скважин механическим или гидравлическим способами, проветривание забоев за счет общешахтной депрессии, самотечный транспорт горной массы, а также безремонтное поддержание восстающих выработок;

- смещение углепородного массива в окрестности восстающих выработок тесно коррелируют с коэффициентами концентрации остаточного и эксплуатационного опорного давления, причем коэффициент концентрации остаточного опорного давления под влиянием выработанного пространства верхнего горизонта по высоте отрабатываемого этажа экспоненциально убывает, а коэффициент концентрации эксплуатационного опорного давления в зоне влияния очистных работ отрабатываемого горизонта изменяется по периодической функции;

- нагрузка на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок в условиях залегания крутых и крутонаклонных пластов экспоненциально возрастает при увеличении мощности пласта и гиперболически снижается при увеличении угла падения, расстояния до очистного забоя, а также крепости угля и боковых пород;

- эффективность разработанных технологических решений и требований к техническим средствам проведения и крепления восстающих выработок обеспечивается применением: механических и гидравлических машин для бурения скважин большого диаметра по углю (500-1300 мм); проходческих комплексов для смешанных и породных забоев, подвесной проходческой клети, а также мощной буровой машины (сечение выработок 1,8-8 м ); средств механизации для крепления восстающих выработок, адаптивных к условиям их поддержания и эксплуатации на шахтах, разрабатывающих крутые пласты.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, обеспечиваются, и подтверждаются:

- достаточным объемом (более 200 визуальных и инструментальных) наблюдений в шахтных условиях и положительным производственным опытом применения интегрированных в альтернативные варианты технологических схем проведения и крепления восстающих выработок;

- соответствием расчетных смещений углепородного массива и распределений нагрузок на крепь при проведении и поддержании восстающих выработок установленным зависимостям изменения остаточного и эксплуатационного опорного давления;

- использованием для разработки технологических решений и требований к техническим средствам проведения восстающих выработок, проверенных на практике: рабочего органа машины ПВВ, погрузочной машины комплекса КС-4 (шахта им. Ворошилова), направляющего фонаря бурового става расширителей РК-1300, РД-1300 (шахта им. Калинина), подвесной клети и мощной буровой машины 2 КВ-2 (шахта им. Дзержинского), комплекса УВТ для крепления выработок тюбингами из углепласта (шахта им. Калинина), буровых машин БГА (шахты Кузбасса).

Научная новизна работы заключается в:

- синтезе эффективных технологических схем проведения восстающих выработок, базирующихся посредством интеграции технологии бурения передовой скважины, проветривании за счет общешахтной депрессии, самотечном транспорте горной массы и безремонтном поддержании, адаптивных к условиям залегания крутых и крутонаклонных пластов;

- установлении закономерностей изменения смещения углепородного массива в окрестности восстающих выработок при прогрессирующем снижении его устойчивости и увеличения нагрузок на крепь при увеличении мощности пласта, а также уменьшении угла падения пласта и расстояния до очистного забоя;

- разработке технологических решений и требований к конструкции технических средств для бурения скважин большого диаметра по углю (5001300 мм), проходческому комплексу, для смешанных забоев и породы, подвесной проходческой клети, а также мощной буровой машине (сечение выработок 1,8-8 м ), средствам механизации крепления, для интенсификации процессов проведения восстающих выработок в условиях шахт Кузбасса.

Личный вклад автора состоит в:

- обосновании прогрессивных элементов традиционных и новых технологий проведения восстающих выработок и установлении закономерностей изменения смещения углепородного массива в их окрестности, а также увеличении нагрузок на крепь при уменьшении угла падения пласта и расстояния до очистного забоя;

- разработке технологических решений и требований к применению машин для бурения и крепления скважин большого диаметра по углю (500— 1300 мм) машинами ПВВ, БГА и УВТ, проходческих комплексов, для смешанных забоев и породы (КС-4 с использованием комбинированной крепи), подвесной проходческой клети с опускающейся решеткой и демпфирующими опорами, а также мощной буровой машины с установкой для подачи тюбингов вслед за расширителем, для интенсификации процессов проведения восстающих выработок.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:

- использовать закономерности прогрессирующего снижения устойчивости углепородного массива и увеличения нагрузок на крепь при уменьшении угла падения пласта, расстояния до очистного забоя, крепости угля и боковых пород, а также увеличении мощности пласта, для принятия адекватных решений при составлении проектной документации крепления восстающих выработок;

- использовать технологические решения и требования к проходческим комплексам, подвесной клети и расширителям скважин по углю для конструирования машин нового уровня, обеспечивающих интенсификацию процессов проведения, крепления и поддержания восстающих выработок на шахтах Кузбасса.

Реализация работы. Основные научные положения и результаты исследований были приняты при составлении проектов на отработку пластов крутого падения и паспортов крепления восстающих выработок на шахтах им. Дзержинского, «Тырганская» и им. Ворошилова, а также в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.

Результаты шахтных исследований использованы при разработке инструкции по расчету и применению анкерной крепи на шахтах ООО НПО «Про-копьевскуголь», а также технологических требований на создание эффективных средств комплексной механизации проведения восстающих выработок.

Апробация работы.

Основное содержание работы, а также отдельные положения и разделы, обсуждены и доложены на ученом Совете КузНИУИ (1998-2001 гг.); техническом Совете ООО «НПО «Прокопьевскуголь» (1999-2002 гг.); Международной выставке - ярмарке «Уголь России» (г. Новокузнецк, 23-26 апреля, 1996 г.); IV Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», (г. Новокузнецк, 14-15 мая, 1997);

Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых», г. Новокузнецк, 16-17 ноября 1999 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы электроснабжения и электросбережения на горнорудных и металлургических предприятиях Кузбасса», 11-12 апреля 2000 г.; VII международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии», 6-9 июня 2000 г., г. Новокузнецк; на семинарах СибГИУ, а также на расширенных технических совещаниях шахт «Тыр-ганская», им. Дзержинского и др. (1997-2003 гг.)

Публикация.

Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе две работы без соавторов.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и содержит 150 страниц машинописного текста, в том числе 19 таблиц и 42 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Сухоруков, Владислав Владимирович

Выводы

1. Для проведения восстающих выработок по углю буровым способом в благоприятных горно-геологических условиях рекомендуется расширитель типа РУП, а для нарушенных пластов машина ПВВ в комплексе с буровой машиной БГА обеспечивающей подачу рабочего органа на забой и исключающей обрыв бурового става.

2. Для проведения восстающих выработок по породе по схеме «снизу вверх по скважине» рекомендуется подвесная клеть, а по схеме «сверху вниз тупиковым забоем» комплекс КС-4.

В пластах без нарушений, выдержанных по углу падения предлагается восстающие выработки по породе проводить буровым способом комплексом 2 KB 2.

3. Для крепления печей предлагается использовать крепи из спецпрофиля и металлической сетки, а в благоприятных условиях тюбинговая крепь.

4. Для крепление скатов по породе рекомендуется анкерная и деревянная крепи, а в смешанных забоях и на слабых углях комбинированная состоящая из металлических рам из спецпрофиля и дерева.

5. На основании проведенных исследований сформулированы основные требования к техническим средствам для проведения скатов и печей. Перечисленные средства механизации увязаны с технологическими схемами, а также горно-геологическими и горнотехническими условиями применения. К учету были приняты конвергенции боковых пород в соответствии с допустимой податливостью крепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалифицированной работой, в которой изложены научно-обоснованные технологические и технические решения проведения, крепления и поддержания восстающих выработок, базирующиеся на установленных закономерностях проявлений горного давления при индивидуальном и интегральном влиянии горно-геологических и горнотехнических факторов, имеющие существенное значение для повышения эффективности подземной разработки месторождений с крутым залеганием пластов.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Систематизированы горно-геологические и горнотехнические условия и технологии проведения восстающих выработок на шахтах Кузбасса, на основании которых установлено, что общее количество пластов без перегиба составляет 23,4%, с одним перегибом - 26,6%, с двумя перегибами - 16%, с тремя и более - 14%. В пластах со спокойным залеганием (прямолинейных, без перегибов) проведение восстающих выработок по схеме с бурением скважины на всю высоту этажа возможно только в 20% от общего объема (200 км).

2. На эффективность принятия технологических и технических решений по проведению, креплению и поддержанию восстающих выработок в различных горно-геологических и горнотехнических условиях основное влияние оказывают факторы, которые ранжируются следующим образом: глубина разработки - 30%, угол падения пласта - 28%, устойчивость боковых пород -27%, мощность пласта - 15%.

3. Декомпозиция существующих технологических схем проведения восстающих выработок показала, что к наиболее трудоемким процессам относятся: при буровзрывной проходке - бурение шпуров и погрузка горной массы (78%); при механизированной - бурение скважин и их крепление (93%). Установлено, что прогрессивные технологические схемы проведения, и поддержания восстающих выработок базируются на следующих элементах традиционных и новых технологий: бурение передовых скважин механическими или гидравлическими способами, проветривание за счет общешахтной депрессии, самотечная транспортировка горной массы, безремонтное поддержание выработок вне и в зоне влияния выработанного пространства.

4. Установлены закономерности интенсификации геомеханических процессов в углепородном массиве над восстающими выработками с учетом влияния горно-геологических и горнотехнических факторов. Смещения углепородного массива над восстающими выработками в зоне остаточного опорного давления в 2 - 3 раза превышают аналогичные параметры в нижней части выработки и в зависимости от мощности пласта составляют 300 - 400 мм. Смещения в окрестности восстающих выработок тесно коррелируют с коэффициентами концентрации остаточного опорного давления. Коэффициент концентрации остаточного опорного давления под влиянием выработанного пространства верхнего горизонта по высоте этажа экспоненциально убывает, а коэффициент концентрации эксплуатационного опорного давления изменяется по периодической функции. На очистные работы приходится более 70% всех смещений углепородного массива независимо от изменения горногеологических и горнотехнических условий.

5. Установлены величины расслоения пород кровли, которые происходят до глубины 2 - 5 м от восстающей выработки в глубь массива, при этом максимальные расслоения зафиксированы на глубине до 0,5-40-70 мм/м, на глубине 0,5 — 2,5 м - 30 - 50 мм/м и на глубине 2,5 - 6 м - 25 - 35 мм/м. Активизация проявления горного давления происходит при погашении восстающих выработок, где нагрузки на крепь увеличиваются до 70,0 - 80,0 кН/м, а сближения вмещающих пород достигают 400 мм. Нагрузка на крепь экспоненциально возрастает при увеличении мощности пласта и гиперболически снижается при увеличении угла падения, расстояния до очистного забоя, а также крепости угля и боковых пород.

6. Разработаны технологические решения и требования к техническим средствам для интенсификации процессов проведения восстающих выработок, с использованием следующих средств механизации: для проведения печей три машины в комплексе увязанных между собой БГА, ПВВ и установка УВТ; для проведения скатов в смешанных и породных забоях проходческий комплекс КС - 4 с комбинированной крепью, состоящей из спецпрофиля, дерева и анкеров; подвесная проходческая клеть ППК (при наличии пробуренной скважины специальным расширителем - машиной БГА диаметром 300-500 мм) с опускающейся решеткой и демпфирующими опорами; мощной породной буровой машины 2КВ2 с установкой для подачи тюбингов вслед за расширителем (диаметр скважины 1800 мм).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сухоруков, Владислав Владимирович, Новокузнецк

1. Арсенов Н.С. Совершенствование техники и технологии проведения печей на крутых пластах // Уголь. 1982. - №1. - С. 23-25.

2. Сухоруков В.А., Звягин В.П. Снижение запыленности и отвод шлама при бурении восстающих по углю // Безопасность труда в промышленности. — 1983. -№3. с. 57-59.

3. Зворыгин Л.В. Крепление углеспускных печей и анализ зависания угля при щитовой системе разработки // Вопросы горного давления: Сб. научн. тр. ИГД СО АН СССР, вып. 20. Новосибирск, 1964.47 С.

4. Инструкция по применению щитовой системе разработки. Прокопьевск, 1973, 34 С.

5. Ардашев К.А. Управление горным давлением при разработке тонких и средней мощности угольных пластов наклонного и крутого падения. Кемерово.-1967. 275 С.

6. Белан Н.И., Колесников М.А. Шахтные испытания бурового става для прямолинейного бурения скважин // Экспресс информация ЦНИЭИ-Уголь. - № 18.- 1973.-211 С.

7. М.С. Сафохин, Б.А. Катанов, Н.Ф. Логунов, Е.Н. Барканов, Буросбо-ечные машины и буровой инструмент / М., 1962. 112 С.

8. Технологические схемы очистных и подготовительных работ на угольных шахтах. М.: Недра, 1977. 68 С.

9. П.И. Баранников, Л.Г. Куратова, М.А. Колесников и др. Руководство по технологии проведения подготовительных выработок на угольных шахтах Кузбасса / Прокопьевск, 1973, 36 С.

10. Сухоруков В.Л. Разработка технологии и технических средств эффективной подготовки и отработки крутых пластов. Автореферат диссертации. М.: 1996. С. 57.

11. Основные требования и направления по повышению безопасности работ на действующих и реконструированных шахтах Кузнецкого бассейна / Управление Кузнецкого горного округа, Кемерово, 1973.

12. Колесников М.А. и др. Выбор технологии и обоснование основных параметров проходческого комплекса для проведения скатов на шахтах Кузбасса // Сб. КузНИУИ №24, Прокопьевск, 1972.

13. Сухоруков В.А., Колесников В.И. и др. Анализ технологии и технических средств проведения скатов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района // Теория и практика отработки угольных пластов: Сб. научн. тр. / КузНИУИ. Прокопьевск, 1997. - С. 94-102.

14. Комплекс оборудования КС-4. Новое горно-шахтное оборудование и аппаратура: Испытания и опыт эксплуатации. Э.И. ЦНИЭИУголь, 1981, №7, С. 7.

15. Белан Н.А., Сухоруков В.А., Лизунов А.П. Промышленные испытания комплекса КС-4 // Комплексная механизация и автоматизация при разработке угольных пластов Кузбасса и дальнего Востока: Сб. научн. тр. / КузНИУИ. Прокопьевск, 1982, - С. 80-85.

16. Проходческий комплекс для проведения вертикальных восстающих выработок по породе, требующих крепления; НИПИГормаш, отчет по работе №64, Свердловск, 1969. 132 С.

17. Разработка технических средств организация работ при проведении восстающих выработок по углю: Отчет КузНИУИ, Прокопьевск, 1975.

18. Арсененко С.А., Сухоруков В.А., Звягин В.П. Проведение восстающих по углю на шахтах Кузбасса // Безопасность труда в промышленности. -1980.-№5.-С. 14-18.

19. Дубынин Н.Г., Шапошников В.Д. и др. Опыт проходки восстающих выработок секционным взрыванием глубоких скважин. «Горный журнал», 1970, №5.

20. Глазунов В.Н., Овинников М.Н. Современные способы проведения восстающих выработок. Госгортехиздат, 1963. — С. 25-36.

21. Лацкий В.И. и др. Анализ эффективности проведения восстающих выработок с применением комплексов КПВ 1. В кн. «Горные машины». Сб. научн. трудов НИПИГормаш .NV7, Свердловск, 1969. - С. 34-39.

22. Барон Л.И., Овинников М.Н. Механизация проходки восстающих. «Недра», М.: 1973.- 187 С.

23. Борисенко С.Т., Тарасов Л.Я., Ковалев И.А. Проходка восстающих. Госгортехиздат, 1962.

24. Зюбин В.М. и др. Комплекс для проведения наклонных восстающих выработок, Горный журнал, №3, 1977.

25. Бахштрем Р.Х. Горное оборудование на Ганноверской выставке. «Глюкауф», 1988, №13.

26. Кремер Ю.И. и др. Скоростная проходка вертикальных восстающих выработок с помощью КПВ-1. Горный журнал, №4, 1967.

27. Акт приемочных (междуведомственных) испытаний опытного образца буровой установки Б-68. Донгипроуглемаш, Донецк, 1971.

28. Трескен К. Шарошечное бурение скважин большого диаметра на шахтах Рурского бассейна. «Глюкауф», 1961, №14.

29. Шурман И. Применение шарошечного расширителя в скважинах большого диаметра на шахтах Рурского бассейна. «Глюкауф», 1969, №9.

30. Белан И.А., Лившиц В.И., Смолин М.М. Развитие средств бурения скважин на крутых пластах // Уголь, №2, 1986. С. 38-41.

31. А.с. 1617147, СССР, МКИ Е 21 Д 3/00. Способ проходки шахтных стволов / Р.С. Сайдинов, Н.Р. Умков. №4398276 / 24-03; Заявлено 28.03.88; Опубликовано 30.12.90, Бюл. №48.

32. Передовой опыт проходки вертикальных стволов на отечественных и зарубежных шахтах / Ягодский Ф.И. // Обз. инф. строительство предприятий угольной промышленности / ЦНИИ экон. и НТИ угольной промышленности. -1992.-№1.-1-156.

33. А. с. 1079846 СССР, МКИ Е 21 Д 3/00. Установка проходки восстающих выработок / Сухоруков В.А., Звягин В.П., Серебряков А.П. (СССР). -№3538847/22-03; 3аявлено14.01.83; Опубл. 15.03.84, Бюл. №10.

34. А. с. 1177516 СССР, МКИ Е 21 Д 11/11. Клиновый замок / Н.С. Арсенов, В.В. Никитин, В.А. Сухоруков (СССР). №3687112; Заявлено 05.01.84, Опубл. 07.09.85, Бюл. №33.

35. Механизированное проведение восстающих выработок / Медведев В.И. // Безопасность труда в промышленности. 1990. - №10. - С. 33-35.

36. О проведении восстающих выработок по углю вращательно-штанговыми буровыми станками / Сафохин М.С., Богомолов И.Д., Начев К.В. // Уголь. 1991. - №9. - С. 35-37.

37. О новой технологической схеме сооружения восстающих выработок / Богомолов И.Д., Цехин A.M. //Сб. научн. тр. / Ассоц. «Кузбассуглетехног», -№9, Кемерово, 1995. - С. 96-100.

38. Белан Н.А., Смухоруков В.А., Звягин В.П. Испытание расширителей, оснащенных резцами РКС-1 // Новое горно-шахтное оборудование и аппаратура.-М.: ЦНИЭИуголь, 1981, №10.-С. 11-13.

39. Кремер Ю.И., Петро К.Ю. и др. Скоростная проходка вертикальных восстающих выработок с помощью КПВ-1В. Горный журнал, №4, 1967.

40. Усовершенствование средств механизации проведения печей с применением тюбинговых крепей: Без отчета / КузНИУИ; Руководитель Медведев В.И.-ГР 01890057592.

41. Безопасные способы проходки горных выработок / Нечаев Х.Х. и др. // Безопасность труда в промышленности. 1995, № 12. - С. 19-21.

42. Комплекс оборудования КС-4. Новое горно-шахтное оборудование и аппаратура. Испытания и опыт эксплуатации. Э.И. ЦНИЭИуголь, 1981, №7.-С. 7.

43. Система «Алимак Граунхог» для проведения выработок под углом от 0 до 40°. World Mining №2, 1972.

44. Вылегжанин В.Н., Егоров П.В., Мурашов В.Н. Структурные модели горного массива в механизме геомеханических процессов. Новосибирск: Наука, Сиб. Отделение, 1990. - 195 С.

45. Карасев В.А. Разработка и обоснование параметров многозвенной спиральной крепи восстающих горных выработок / Автореферат диссертации, Кемерово, 1998.

46. Сухоруков В.В. Технология проведения скатов и исследование процессов деформирования их крепи на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса / В.В. Сухоруков // Труды Международной конференции / Новокузнецк: СиьГИУ, 1999. С. 70-73.

47. Аринов А.С., Петров А.Н., Широков А.П. Разработка угольных пластов в сложных горно-геологических условиях / Кемерово, 1984. С. 190.

48. Мельдяков И.С., Жингель И.Н., Гуляев Ю.В. Зависимости деформационных свойств горных пород от петрографического состава. В кн.: Труды КузНИУИ, сб. №18, «Недра», 1966.

49. Румянцев B.C. Тектонические нарушения, наблюдающиеся на северо-западной окраине Кузбасса, и их объяснение (опыт приложения теории сопротивления материалов к тектонике). Горный журнал. 1928, №10, 11.

50. Долгополова Т.И. Исследование влияния складчатого залегания пластов в Кузбассе на условии возникновения горных ударов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Прокопьевск, 1971.

51. Разработка методов оценки и классификация углей и вмещающих пород по разрушаемости инструментов. Отчет КузНИУИ, Прокопьевск, 1969.

52. Коврижин А.К., Крылов В.Ф., Запреев С.И. Управление кровлей в очистных забоях на шахтах Кузбасса / М.: «Недра», 1969.

53. Ардашев К.А. Совершенствование управления горным давлением. М.: «Недра», 1967.

54. Исследования технологических схем проведения скатов в условиях шахт Кузбасса / В.А. Сухоруков, В.В. Севостьянов, В.В. Сухоруков // Сб. научн. тр. Совершенствование подземной отработки угольных пластов Кузбасса / Прокопьевск: КузНИУИ, 1998. С. 31-36.

55. Методика определения экономической эффективности научно-исследовательских работ в угольной промышленности. М., 1968.

56. Определение крепости угля Прокопьевского района Кузбасса резанием и классификация их по разрушаемости. Отчет, тема 25, арх. №2595, КузНИУИ. Болдырев П.И. и др., Прокопьевск, 1966. С. 87.

57. Клопов В.И., Черемнов В.М., Егошин В.В. Применение буровой машины «Стрела-68» для проведения восстающих выработок по породе. Проектирование и строительство угольных предприятий №5, 1975.

58. Ушаков И.А. Исследования проведения восстающих выработок по углю в условиях крутопадающих пластов Кузбасса. Автореферат диссертации. Томск, 1961.

59. Грицко Г.Н. и др. Прогнозирование и расчет проявлений горного давления / Новосибирск, «Недра», Сибирское отделение, 1980.

60. Ардашев К.А. Управление горным давлением при разработке тонких и средней мощности угольных пластов наклонного и крутого падения / Кемерово, 1967.- С 251.

61. Мурзин Г.С. К оценке податливости крепей углеспускных печей при щитовой системе разработки // Совершенствование технологии разработки мощных пластов угля. Новосибирск, 1973. — С. 23-27.

62. Курленя М.В. Результаты экспериментальных исследований напряженного состояния угольных массивов Кузбасса / Напряженное состояние земной коры. М.: «Наука». - С. 128-134.

63. Горное давление на мощных крутых пластах / Г.Н. Грицко, Г.Е. Посохов, В.Н. Цыцаркин и др. Новосибирск: «Наука», 1967. - 213 С.

64. Правила безопасности в угольных шахтах. Самара: Дом печати, 1995.-242 С.

65. Проходка восстающих / С.Г. Борисенко, Л.Я. Тарасов, И.А. Ковалев, С.Ф. Протоноков. М.: Госгортехиздат, 1962. - 272 С.

66. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и различное крепление. М., Л.: Новосибирск: Гос. науч. - тех. горн. Издательство, 1933. — 223

67. Методические указания по расчету и совершенствованию крепей для восстающих выработок на мощных крутых пластах / Г.Е. Посохов и др. Новосибирск, 1982.-С. 43.

68. Совершенствование управления горным давлением при разработке наклонных и крутых угольных пластов / К.А. Ардашев, Н.И. Куксов, А.С. Ша-лыгин и др. М.: Недра, 1975. - 324 С.

69. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. — М.: Недра, 1965.-285 С.

70. Комплекс оборудования КС-4. Новое горно-шахтное оборудование и аппаратура. Испытания и опыт эксплуатации. Э.И. ЦНИЭИУголь, 1981, №7, 7 С.

71. Белан Н.А., Колесников М.А., Клопов В.И. Выбор технологии и средств механизации проведения восстающих по породе / В сб. Шахте нового технико-экономического уровня для условий Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса//Прокопьевск, 1976, С" 118-124.

72. Белан Н.А., Сухоруков В.А., Звягин В.П. Испытание расширителей, оснащенных резцами РКС-1 // Новое горно-шахтное оборудование и аппаратура. -М.: ЦНИЭИУголь , 1981, №10. С. 11-13.

73. Новый рекорд бригады В.И. Банщикова 60144 т. угля в месяц из-под щита. / В.М. Тищенко, Н.З. Дьяченко, И.И. Доценко и др. - Уголь, 1965, №2, С. 8-11.

74. Аксененко В.Н. и др. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах ООО НПО «Прокопьевскуголь». Прокопьевск, - 2002 ФГУПВНИМИ Сибирский филиал, КузНИУИ, ООО НПО «Прокопьевск-уголь».