Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологических решений эффективного освоения угольных месторождений малыми угледобывающими предприятиями

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологических решений эффективного освоения угольных месторождений малыми угледобывающими предприятиями"

На правах рукописи

Степанов Юрий Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЭФФЕКТИВНОГО ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МАЛЫМИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

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 «Сибирский государственный индустриальный университет»

Ведущая организация - ФГУП Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности (НЦ ВостНИИ)

Защита состоится 19 февраля 2004г. в 15— на заседании диссертационного совета Д 212.252.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г.Новокузнецк, ул.Кирова, 42, факс (3843) 46-57-92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «[?■» О'/ 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Научный руководил ель - кандидат технических наук,

доцент Чубриков А. В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Сенкус В.В.

кандидат технических наук Горшков М.Д. .

доктор технических наук

2004-4 24265

М9 УЗ/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реструктуризация >гольной промышленности России привела к сокращению производственных мощностей угольных шахт за последние 10 лет в 1,7 раю. Это связано с отставанием темпов ввода новых мощностей от намеченных программой реструктуризации из^ необеспеченности финансовыми ресурсами. Надежды на привлечение отечественных и иностранных инвестиций в новое строительство инфраструктуры крупных угледобывающих предприятий при освоении новых уюль-ных месторождений не оправдались из-за длительного периода (до 20 лет) окупаемости затрат.

Одним из путей расширения шахтного фонда является строительство малых шахт при минимальных удельных капитальных затратах и окупаемости их в течение 3-5 лет. По опыту зарубежных стран (США, ЮАР, КНР) эффективность работы небольших угледобывающих предприятий достигается за счет применения малозатратных технологий угледобычи, адаптированных к условиям шахтных полей с ограниченными запасами, неправильной геометрической формой, переменной гипсометрией угольных пластов и др.

Расширение шахтного фонда за счет строительства малых шахт сдерживается отсутствием научно обоснованных технологических и технических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных пластов в пределах шахтных полей. Известные в угольной промышленности зарубежных стран технологические решения для отработки запасов угля на малых шахтах не могут быть механически применены на шахтах России, где отсутствуют отечественные машины и оборудование, обеспечивающие эффективную реализацию зарубежных тсхноло! ий.

В связи с изложенным, актуальной научно-практической задачей является обоснование технологических решений и требований'для создания новой горной техники и оборудования эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Сибирского государственного индустриально! о университета в 1996-2002гг., в том числе по региональной программе Кемеровского научно-образовательною комплекса (тема №27-6. roc.pci. №01970004330), Федеральной целевой программе «Интеграция» (контрам №564, го^г №01990000622), гранту №78 Министерства образования РФ.

Целью работы является научное обоснование технологических решений и требований к горной технике для эффективной разработки локальных участков угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт, обеспечивающие 'м^'пимии виеп^х^пводство производственных мощностей уиюдобыв

Идея работы заключается в дифференцированном использовании адаптированных к горно-геологическим и горнотехническим условиям малых шахт малозатратных технологий угледобычи, разработанных на основе синпЛза )лементов традиционных и нетрадиционных технологий. Основные задачи исследований:

ра {работать методику обоснования структуры и параметров малых угледобывающих предприятий для отработки участков угольных месторождений по малозатратным технологиям;

разработать варианты технологических схем малых угольных шахт для отработки участков угольных месторождений по малозатратным технологиям,

установить зависимости геомеханических параметров камерно-столбовой системы разработки локальных участков угольных месторождений от основных горно-геологических и горнотехнических факторов,

обосновать технологические и геомеханические параметры систем разработки локальных участков угольных месторождений длинными столбами по простиранию по малозатратным технологиям;

обосновать технологические решения и требования для создания новой горной техники эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий*

анализ показателей работы угледобывающих предприятий Кузбасса для разработки методики синтеза оптимальной структуры малой шахты;

системный анализ опыта работы угледобывающих предприятий для разработки технологических схем малых шахт;

математическое моделирование и шахтные исследования для установления зависимости смещений пород кровли от основных горногеологических и горнотехнических факторов и обоснования параметров камерно-столбовых систем разработки,

научное обобщение производственного опыта и результатов исследований для обоснования выводов и рекомендаций работы

Основные научные положения, выносимые на защиту. критериями формирования оптимальной структуры и обоснования' параметров малого угледобывающего предприятия, адаптивного к рыночным условиям, являются: минимизация численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств при максимальной производственной мощности предприятия,

технологические схемы малых угольных шахт по сравнению с технологическими схемами традиционных шахт отличаются следующими признаками и элементами максимальное использование инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт и разрезов, отработка геометрически

неправильных участков угольных месторождений в предохранительных целиках, в зонах геологических нарушений; применение камерно-столбовой системы разработки;

смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной гаходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласга. мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины рафаботки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика и шага обрушения пород непосредственной кровли:

технологические и геомеханические параметры камерно-столбовых систем разработки взаимозависимы: увеличение ширины камер и площади очистных заходок при прочих равных условиях требует увеличения количества или ширины угольных целиков при одновременном росте непроизводительных затрат на крепление пород кровли в зоне расположения оборудования и людей;

технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных месторождений классифицируются по условиям применения механического, самотечного гидравлического и гравитационного транспорта и включают создание дистанционно управляемого выемочного агрегата, средств поточного транспорта и управления кровлей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации

подтверждается:

представительным объемом показателей работы 107 угледобывающих предприятий-Кузбасса втечение 1999-2002гг., использованных для обоснования критериев создания оптимальной структуры и параметров малых шахт;

положительным, опытом применения разработанных технологических схем малых шахт ЗАО «Юбилейное» в пределах горных отводов действующих (шахты «Есаульская», «Новокузнецкая», «Абашевская») и ликвидированной шахты «Нагорная» в Кузбассе с объемом годовой добычи 160-200гыс.т/год;

удовлегворитеиьной сходимостью результатов моделирования ICOMC-ханически.х процессов с фактическими параметрами короткозабойных систем разработки: отклонение ширины камеры не превышает 12%. а ширины угольных целиков 17%.

Научная новизна результатов исследований'заключается в следующем:

методика синтеза оптимальной структуры малой шахты с использованием критериев минимума численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств и максимальной производи конной мощности и прибыли предприятия;

максимальное использование инфраструктуры действующих горных предприятии при разработке вариантов малозатратных технологических схем малых там,

в уравнение баланса веса нодраГкланных пород кровли и несущей способности уюльных неликов включена дополнительная функция, учитывающая снижение веса подработанных пород кровли за счет их зависания на краевых участках офабатываемого пласта

предельное отношение межту шириной угольных целиков и камер выражается 4epcj максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при заданном комплексе горно-геологических условий недопустимо по условиям безопасности горных работ,

технологические требования к новой горной технике классифицированы по условиям применения механического, самотечного гидравлического и гравитационного транспорта горной массы Личный вклад автора выражается в

систематизации и анализе передового опыта работы шахт и разрезов для разработки алгоритма обоснования структуры и параметров малых шахт;

разработке и реализации технологических схем малых шахт для отработки локальных участков угольных месюрождений по малозатратным технологиям с использованием инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт,

установлении но результатам моделирования геомеханических процессов зависимости смещений пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки от основных горно-геологических и технологических параметров,

обосновании'технологических требований для создания трех комплектов горной техники для отработки локальных участков угольных месторождений

Практическая ценность работы заключается в том. что методика обоснования ируктуры и параметров угледобывающих предприятий позволяем на папе ра«работки бижес-планов выделять участки угольных месторождений, блаюириятные для рентабельной отработки но малозатратным технологиям малыми шахтами,

технологические схемы малых шахт обеспечивают повышение коэффициента извлечения запасов угля за счет рентабельной отработки нетсх-нологичных оля длинных комплексно-механизированных забоев участков угольных пластов,

зависимость смешений пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки позволяет выбирать при разработке проектной документации оптимальные параметры камер и угольных целиков с ограничениями по

предельным смещениям для ооеспечения безопасных условий горных работ.

Реализация практических выводов и результатов работы. Полученные научные результаты, выводы и практические рекомендации использованы при:

обосновании рентабельности отработки, участков шахтных полей шахт «Есаульская», «Нагорная» и «Абашевская» по малозатратным технологиям малыми шахтами ЗАО «Юбилейное» в Кузбассе:

отработке нетехнологичных для длинных г комплексно-механизированных забоев участков шахтных полей действующих и ликвидированных четырех шахт Кузбасса с дополнительной добычей на этих шахтах более 500тыс.тугля;

разработке проектов строительства трех малых шахт ЗАО «Юбилейное» с общими промышленными запасами 2,6млн.т;

курсовом и дипломном проектировании студентами Сибирского государственного индустриального университета-

Апробация работы.' Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались на и и VII Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк. 1907 и 2002п\), технических советах УК «Южкузбассуголь» (1996-2002п\), технических советах шахт «Юбилейная», «Есаульская»» «Новокузнецкая», ЗАО «Юбилейное» УК «Южкузбассуголь» (1996-2002гг.), кафедре разработки месторождений полезных ископаемых СибГИУ (1996-2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения,- четырех разделов и заключения, изложенных на 190 страницах машинописного текста, включает 11 таблиц, 46 рисунков и список литературы из 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе проведен анализ применяемых и перспективных технологий угледобычи и обоснованы их элементы, адаптивные к условиям малых шахт.

Применяемые на рентабельных шахтах России и за рубежом современные способы и средства подземной угледобычи направлены на реализацию концепции максимального использования технологии отработки выемочных полей и участков шахтных полей длинными комплексно-механизированными- очистными забоями1 (КМЗ) с нагрузкой более 5тыс.т/сутки, Такая технология и технические средства для ее реализации сенданы на основе ре*ультатов научных исследований, проведенных веду-

в

щими научными и производственными коллективами в России, Украине, Казахстане, Германии, СШЛ, Австралии и др. Среди отечественных ученых и пракшков заслуживают особого внимания труды А.А.Борисова, В.Ь.Брашна. Б.Ф.Братченко. Л.С.Бурчакова, Г.И.Грицко, Ю.В.Громова, П.В.Егорова, С.И.Калинина. С.Т.Кузнецова, В.СЛудзиша, О.В.Михеева, В.В.Сенкуса, А.В.Суркова. В.Н.Фрянова, В.Д.Ялевского и др.

В подавляющем большинстве работ технология отработки угольных пластов длинными КМЗ в структуре крупных шахт с производственной мощностью 1,8-3,0млн.т/г. рассматривается как основной вариант подземной технологии угледобычи. Фактически в России отсутствуют эффективные технологии подземной угледобычи, альтернативные технологии длинных КМЗ. В настоящее время 77% вскрытых на действующих шахтах запасов угольных пластов характеризуются условиями, неблагоприятными для отработки высокопроизводительными длинными КМЗ.

Попытки применить альтернативные технологии угледобычи на базе импортной техники не привели к положительным результатам из-за высокой ее стоимости и низкой адаптивности к горно-геологическим условиям и инфраструктуре действующих шахт.

Развитие шахтного фонда посредством строительства новых крупных шахт сдерживается ограничениями инвестиций и длительным периодом их окупаемости.

В сложившейся ситуации в угольной промышленности России одним из путей воспроизводства шахтного фонда и рационального использования вскрытых запасов на рабочих горизонтах действующих и ликвидированных шахт является строительство малых шахт при минимальных удельных капитальных затратах и окупаемости их в течение 3-5 лет. Такой опыт воспроизводства шахтного фонда широко применяется в США, КНР, ЮАР. Эффективность работы малых угледобывающих предприятий достигается за счет применения малозатратных технологий угледобычи, адаптированных к условиям шамных полей с ограниченными запасами, неправильной геометрической формы, переменной гипсометрии угольных пластов и др.

Расширение области применения малозатратных технологий в струк-iype малых шахт сдерживается отсутствием научно обоснованных технологических и технических решений по оптимизации параметров малых шахт, вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных пластов в пределах шахтных полей, созданию технических средств для реализации малозатратных технологий угледобычи.

На основе выполненного анализа сформулированы цели н задачи исследований.

Во втором разделе разработана методика обоснования структуры и параметров малых шахт и малозатратных техноло1ий отработки «пасов угольных месторождений. На основе концепции развития малого предпри-

нимательства в России и личного производственною опыта строительства и эксплуатации малых шах г выделены следующие основные • факторы влияющие на параметры малых шахт количество рабочих мест, производственная мощность предприятия, стоимость одного рабочего места, удельная стоимость приобретения или аренды технических средств

По результатам анализа показателей работы 107 угледобывающих предприятий Кузбасса установлена эмпирическая зависимость максимальной численности трудящихся малой шахты от основных технологических и экономических параметров

где N - максимальная численность трудящихся малой шахты, чел ; D -производственная мощность малой шахты, тыс.т/г., 250<D<ЮOO, P - средняя заработная плата одного работника шахты, руб /мес, Ц - цена реализации угля, руб/г, К - капитальные затраты на строительство малой шахты, руб.; Z - промышленные запасы шахтного поля, т

Установлено, что рентабельность работы малых шахт по традиционным технологиям у1ледобычи при численности трудящихся менее 300 человек возможна в условиях Кузбасса только при отработке угольных пластов с ценными коксующимися углями, а при применении малозатратных технологий рентабельность предприятия обеспечивается в случае добычи энергетических углей при следующих соотношениях добычи ф, тыс.т/г.) и цены угля (Ц, рубУт, цены 2000-2001 гг.) D>250, Ц>300; D>500, Ц>265, D>1000,U>215.

Установлено, что при строительстве и эксплуатации малых шахт срок службы последних не регламентируется и может быть меньше периода амортизации основных фондов за счет применения зданий и строений модульного типа, приобретения оборудования по лизингу с последующей реализацией их по остаточной стоимости или использования на других малых угледобывающих предприятиях

По результатам анализа разработана методика обоснования структуры и параметров малой шахты, базирующаяся на следующих принципах:

максимальная адаптивность элементов технологии угледобычи к горно-геологическим и геометрическим параметрам шахтного поля, минимизация капитальных и эксплуатационных затрат, никальность технологической схемы малой шахты на основе синтеза прогрессивных элементов традиционной и гидравлической технологий угледобычи.

(1)

В третьем разделе разработаны варианты технологических схем малых угольных шахт для отработки локальных участков угольных месторождений.

По результатам аналиы состояния шахтного фонда действующих и ликвидированных шахт и новых угольных месторождений Кузбасса обоснованы классификационные признаки и выделены группы запасов угольных пластов, блаюприятных для отработки малыми шахтами по малозатратным технологическим схемам (таблица 1).

Обоснованы следующие альтернативные варианты систем разработки, адаптивных к условиям малых угольных шахт (рис.1):

длинными столбами с полным обрушением пород кровли и выемкой угля в длинном или коротком комплексно-механизированном забое;

короткими столбами с управлением кровлей угольными целиками в коротком забое с механической, механогидравлической или гидравлической выемкой угля;

комбинированная система разработки.

Разработаны технологические схемы малых угольных шахт, отрабатывающих запасы базовых действующих, ликвидируемых или ликвидированных шахт. Технологические и технические решения, на основе которых разработаны технологические схемы малых шахт, отличаются: максимальным использованием инфраструктуры базовых шахт; отработкой вскрытых и частично подготовленных запасов угля в угольных целиках, недоработанных выемочных столбах, в зонах геологических нарушений и на участках неправильной геометрической формы.

Основными технологическими и техническими решениями, обеспечивающими эффективную отработку участков угольных месторождений на границе с действующими угледобывающими предприятиями, являются:

максимальное использование поверхностного технологического комплекса и инфраструктуры базовых угледобывающих предприятий;

вскрытие шахтных полей наклонными стволами из открытых горных выработок разрезов или подюмных выработок действующих, ликвидируемых или ликвидированных шахт;

применение комбинированных систем разработки, включающих элементы камерно-столбовой системы разработки, систем разработки длинными столбами с прямым порядком их отработки посредством разделения выемочных полей на блоки и секции:

повторное использование подготовительных выработок камерно-столбовой системы разработки при оконтуривании длинных выемочных столбов для выемки угля длинными комплексно-механизированными забоями;

Таблица 1 - Классификация шахтных полей и запасов угля малых Шахт

Классификационные признаки

, положение малой шахты ; относительно базового предприятия степень вскрытия запасов малой шахты на начало ее строительства степень подготовленности запасов малой шахты на начало ее строительства

| 1. Нсгсхнологлчные на действующей базовой шахте запасы ) гольных п,иетп 1. Вскрытые поддерживаемыми выработками 2. Вскрытые ликвидированными выработками 1. Подготовленные 2 Не подготовленные 3. Оконт) репные ликвидированными выработками .

2 Запасы угля ликвидированных или находящихся в стадии шквидацин ' шахт или блоков 1 1. Вскрытые по,исржннаомымн выработками 2. Вскрытые ликвидированными выработками 1. Подгоювленные 2. Не полгоюв 1СННЫС 3. Оконту репные ликвидированными выработками

3. Запасы угля в приконтурной зоне | уюльных разрезов 1. Вскрытые открытыми выработками 1. Неподготовленные

| 4. Участки угольных месторождений, распо южеиных на 1 ранние с базо-1 выми шахтами 1. Невскрытые 2 Вскрытые подземными выработками соседних базовых шахт 1. Не подготовленные

! 5 Обособленный ччасток;ю 1ьного месторождения 1. Не вскрытые 1. Неподготовленные

^До25» В

КМЗ

-

¡ДОЮ-

-V/ '/У.

1 /

— _1

до 25*

кмз: §

7-777'7

///////л

\

ДО 25°

' • ' у у

. - ' / / /

•• •• ./ у /

' /' / - ,• - Л/ /

КМЗ

Рисунок 1 - Варианты. систем разработки шахтных полей малых угледобывающих предприятий:

а - длинными столбами с выемкой угля длинными КМЗ; б - длинными столбами с выемкой угля короткими КМЗ; в - короткими столбами с механической выемкой угля;-г - короткими столбами с механогидравлической выемкой угля; д - короткими столбами с гидравлической выемкой угля; е - комбинированная

использование открытых горных выработок в качестве подготовительных выработок и монтажных камер для подготовки и открыто-подземной отработки угольных пластов.

Разработаны следующие технологические требования к те\ноло1ичс-ским схемам малых шахт, отрабатывающих обособленные учааки уюль-ных месторождений:

простейшая инфраструктура на земной поверхности: угольный склад, погрузочный пункт, вентиляторные и калориферные установки, система энергоснабжения. Административно-бытовое обслуживание трудящихся, ремонт оборудования осуществляются в арендуемых зданиях и сооружениях других предприятий;

вскрытие шахтного поля наклонными стволами с поэтапной углубкой до горизонта очередного подготавливаемого выемочного участка, при проведении возлухоподаюшего ствола по пласту угля, склонного к самовозгоранию, проводится герметизация поверхности пласта изолирующими несгораемыми материалами, например Tekflcx фирмы Carbotech Fosroc GmbH (Германия);

применение временных схем транспорта, вентиляции, водоотлива. В четвертом разделе установлены зависимости параметров систем разработки угольных пластов в пределах горного отвода малых шахт и обоснованы технологические и технические требования для создания новой техники и оборудования эффективного освоения угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт.

Обоснованы и рекомендуются для условий малых шахт следующие параметры систем разработки угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями: длина выемочного столба 300-1000м, длина лавы 60- 150м, вынимаемая мощность пласта-слоя 1,3-4,2м, ширина угольных целиков между выемочными столбами б-20м, нагрузка на КМЗ - 1200-ЗОООт/сут.

Установлено, что при отработке угольных пластов короткими забоя ми увеличение ширины камер и площади выемочных захолок при прочих равных условиях не приводит к повышению коэффициента и (влечения >ыя и эффективности производства из-за необходимости увеличения количества и ширины угольных целиков при одновременном росте непроизводительных затрат на крепление пород кровли в зоне расположения машин и людей для обеспечения их безопасности.

Для каждого комплекса горно-геологических и горнотехнических условий существует максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при любом количестве, форме и размерах угольных целиков недопуспшо по условию безопасности ведения горных работ (рис 2)

Уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков не соответствует реальной геомеханической

Рисунок 2 - Графики зависимости коэффициента извлечения от прочности угля и глубины разработки (Н) при отработке угольного столба камерно-столбовой системой разрабо 1 ки

Рисунок 3 - Графики изменения максимального коэффициента извлечения при отработке угольного пласта камерно-столбовой системой разработки I - при распределении всего веса подработанных пород кровли на угольные целики; 2-е учетом частичного распределения веса подработанных пород кровли на краевые участки угольного пласта

ситуации, так как чааь веса подработанных пород передается на краевые участки отрабатываемого угольного столба (рис.3), при этом расче! ширины угольных целиков следует провотить по алгоритму соответавия допускаемых деформаций и допускаемой жесткости целиков.

Критерием качества вариантов камерно-столбовой системы ралработ-ки является максимальный коэффициент извлечения угля при ограничениях по предельным напряжениям в угольных целиках и допускаемым деформациям угольных целиков и пород кровли в зоне расположения машин и людей.

Алгоритм расчета (еомеханических параметров систем разработки с короткими забоями базируется на решении пространственной задачи гсо-механики численным методом с учетом пространственно-временного движения системы очистных коротких забоев, накопления повреждений в угле целиков и породах кровли и корректировке расчетных параметров по результатам геомониторинга.

Особенности проявления горного давления при отработке уюльного пласта длинными и короткими забоями, при прочих равных условиях, заключаются в следующем:

вертикальные смещения порол кровли в 9-10 раз меньше над угольными целиками по сравнению со смещениями в выемочной камере при коэффициенте извлечения соответственно 0,3-0,8;

над каждым угольным целиком в кровле возникает зона сжимающих напряжений.

Установлена эмпирическая зависимость смещений пород кровли oг основных горно-геологических факторов (2), согласно которой смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, uiaia обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольною целика, шага обрушения пород непосредственной кровли.

где - смещения пород кровли ближайшей к угольному массиву камеры, м; а - угол падения пласта, град; m - вынимаемая мощность пласта, м; Ьлк - мощность пород ложной кровли, м; к - коэффициент концентрации вертикальных напряжений в краевой части пласта; у - плотность горных пород, кг/м\ - предел прочности угля на сжатие, МПа; а* - ширина камеры, м; Ь„ - ширина целика, м, И - глубина разработки, Н<600м; - шаг обрушения пород основной кровли, м; Р - коэффициент упрочнения пород

кровли анкерами, 1<Р<1,3; 1„„ - шаг обрушения пород непосредственной кровли, м.

Технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков уюльных пластов классифицируются по условиям применения механического транспорта (угол падения пластов до 12°), самотечного гидротранспорта (угол падения пластов от 13 до 35°) и гравитационного транспорта (угол падения пластов более 35°) горной массы. Соответственно разработаны требования к трем комплектам'оборудования, включающим дистанционно управляемый выемочный агрегат, средства транспорта и управления геомеханическими процессами.

Результаты исследований внедрены в виде проектов строящихся и технологических схем действующих малых шахт с экономическим эффектом 17,2млн.руб./год, долевое участие автора составляет 83%, т.е. 14,28млнруб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены обоснованные технологические решения и требования для создания новой 1 орной техники эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт, имеющие существенное значение для угольной промышленности страны.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Разработана методика синтеза оптимальной структуры малой шахты с использованием критериев минимума численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств и максимальной производственной мощности и прибыли предприятия,-

2. Рентабельная работа малой шахты с традиционными технологиями угледобычи при численности трудящихся менее 300 человек возможна в условиях Кузбасса при отработке пластов с ценными коксующимися углями, а при применении малоштрашых технологий эффективность добычи-коксующихся и энер| етических уитеи обеспечивается при следующих соотношениях добычи Б (тыс.т/г.) и цены умя Ц (руО.Д): Б>250, Ц>300; Б -500, Ц>265; Б>1000. Ц>215 (иены 2000-2001гг.).

3. Технологические требования к технологическим схемам рентабельных угольных шахт включают:

максимальное использование инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт;

вскрытие шахтного ноля наклонными стволами с поэтапной углубкой их до горизонта очередного подготавливаемого выемочного участка;

создание и поэ1апноо развитие временных мобильных схем поверхностного комплекса, транспорта, вентиляции и водоотлива.

4. Участки угольных месторождений, адаптивные к «ехно.кмическим схемам малых шахт, по отношению к действующим и ликвидированным угледобывающим предприятиям, классифицируются следующим образом:

нетехнологичные для высокопроизводительных длинных комплексно-механизированных забоев на действующих и ликвидированных предприятиях;

в приконтурной зоне угольных разрезов, на границе с горными отводами действующих и ликвидированных шахт;

обособленные или нарушенные дитьюнктивами геологические блоки угольных месторождений.

5. Для каждого комплекса горно-геологических и горнотехнических условий существует максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при любом количестве, форме и размерах угольных целиков недопустимо по условию безопасности ведения горных работ.

6. Уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несушей способности угольных целиков не соответствует реальной I еомеханической ситуации,- так как часть веса подработанных пород передается на краевые участки отрабатываемого угольного столба, при этом расчет ширины угольных целиков следует проводить по алгортму соответствия допускаемых деформаций и допускаемой жесткости целиков.

7. Особенности проявления горного давления при отработке угольного пласта длинными и короткими забоями, при прочих равных условиях, заключаются в следующем:

вертикальные смещения пород кровли в 9-10 раз меньше над угольными целиками по сравнению со смещениями в выемочной камере при коэффициенте извлечения соответственно 0,3-0,8:

над каждым угольным целиком в кровле возникает зона сжимающих напряжений.

8. Установлена эмпирическая зависимость смещений пород кровли <>г основных горнр-геологических факторов, согласно ко юрой смешения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика, шага обрушения пород непосредственной кровли.

9. Технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных пластов классифицируются по условиям применения механического транспорта (угол падения пластов до 12"), самоучкою 1идротранспорта (угол падения пластов до 13-35") и гравитационного транспорта (угол падения пластов более 35°) горной массы

Соответственно разработаны требования к грем комплектам оборудования, включающим дистанционно управляемый выемочный агрегат, средства транспорта и крепления вырабоюк.

10. Результаты исследований внедрены в виде проектов строящихся и техножмических схем действующих малых шахт с экономическим эффектом 17,2млн руб./год, долевое ) частие автора составляет 83%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

ГСтепанов ЮВ Разработка методики выбора оптимальных параметров и режимов управления механизированными крепями при отработке пологих угольных пластов / Ю В Степанов // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. докл. II Междунар. конф.- Новокузнецк: СибГГМА, 1997.-С. 18-19.

2. Степанов Ю.В. Разработка способа повышения надежности механизированной крепи угольных шахт / Ю.В Степанов // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений > полезных ископаемых: Сб. докл. II Междунар. конф. - Новокузнецк: СибГГМА, 1997. -- С.20-21.

3. Степанов Ю В. Совершенствование технологии отработки угольных пласюв малыми шах им и / Ю.В.Сюпанов, А.В.Чуориков // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. научи, тр. №19. - Кемерово: НТЦ «Кузбассугле-технология», 2002. - С.97-101.

4. Степанов Ю.В. Перспективные технологические схемы малых угледобывающих предприятий / Ю.В.Степанов // Совершенствование технологических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых: Сб. научн. тр. №19. - Кемерово: НТЦ «Кузбассуглетехнология», 2002. -С.101-103.

5. Степанов Ю В. Перспективы добычи и использования метана при отработке пластов Байдаевского месторождения Кузбасса / Ю.В.Степанов, В.В.Карпов // Совершена вовлше техноло1 ических процессов при разработке месторождений иолешых ископаемых: Сб. научн. тр. №15. - Кемерово: И ГЦ «Кузбассуглетехноло! ия». 1999. С 89-92.

6. Степанов Ю.В. Разработка методики обоснования проектной мощности малой угольной шахты ' Ю.В.Степанов // Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. докл. VII Междунар. конф. - Новокузнецк: СибГИУ, 2002. - С.73-75.

7. Степанов Ю.В. Обоснование параметров вскрытия, подготовки и отработки локальных участков угольных месторождений / Ю.В.Степанов // Нетрадиционные и интенсивные технологи разработки месторождений полезных ископаемых: Сб. докл. VII Междунар. конф. - Новокузнецк: СибГИУ. 2002. -С.75-78

Степанов Юрий Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЭФФЕКТИВНОГО ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ МАЛЫМИ УГЛЕДОБЫВАЮЩИМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

Автореферат

Изд. лиц. №01439 от 05.04.2000 Подписано в печагь

Форматбума1 и 60x84 1/16 Бумага писчая. Ризография Усл.печ.л. 1,10 Уч.-издл. 1,24 Тираж 100экз. Заказ4

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г.Новокузнецк, ул.Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ

• 2095»

РНБ Русский фонд

2004-4 24265

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Степанов, Юрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

1.1. Анализ технологических схем действующих угольных шахт

1.1.1. Анализ технологических схем отечественных угольных шахт

1.1.2. Анализ технологических схем зарубежных угольных шахт

1.2. Анализ направлений развития прогрессивных технологических схем угольных шахт

1.3. Обоснование актуальности создания технологических схем малых угольных шахт

1.3.1. Анализ эффективности технологических схем малых угледобывающих предприятий

1.3.2. Анализ методического обеспечения по обоснованию параметров малых угледобывающих предприятий

1.3.3. Обоснование актуальности создания технологических схем малых угольных шахт

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАЛЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ И МАЛОЗАТРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОТРАБОТКИ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

2.1. Классификация угольных месторождений и участков, благоприятных для отработки малыми шахтами, характеристика объекта исследований

2.2. Разработка методики обоснования основных параметров малой угольной шахты

2.3. Разработка методики обоснования параметров вскрытия, подготовки и отработки локальных участков угольных месторождений

Выводы

3. РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ МАЛЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ДЛЯ ОТРАБОТКИ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

3.1. Классификация шахтных полей малых угольных шахт на период начала их строительства

3.2. Разработка технологической схемы малой шахты, отрабатывающей запасы угля в пределах горного отвода действующей или ликвидированной шахты

3.3. Разработка технологической схемы малой шахты, отрабатывающей запасы угля на границе с действующим угледобывающим предприятием

3.4. Разработка технологических схем малых шахт, отрабатывающих обособленные участки угольных месторождений

3.5. Совершенствование систем разработки локальных участков угольных месторождений

Выводы •

4. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ПРЕДЕЛАХ ГОРНОГО ОТВОДА МАЛЫХ ШАХТ

4.1. Обоснование технологических параметров систем разработки локальных участков угольных месторождений

4.2. Разработка алгоритма расчета геомеханических параметров систем разработки угольных пластов короткими столбами 120 4.2.1. Постановка задачи и выбор метода ее решения

4.2.2. Разработка алгоритма расчета геомеханических параметров систем разработки угольных пластов короткими столбами

4.3. Обоснование геомеханических параметров систем разработки угольных пластов короткими столбами

4.3.1. Программа исследований геомеханических процессов при отработке угольных пластов короткими столбами

4.3.2. Исследование геомеханических процессов при отработке угольного пласта короткими забоями

4.3.2.1. Особенности проявления горного давления при отработке угольных пластов длинными и короткими забоями

4.3.2.2. Исследование влияния глубины разработки на распределение напряжений и деформаций в окрестности короткого забоя

4.3.2.3. Исследование влияния угла падения пласта на геометрические параметры камер и угольных целиков

4.3.2.4. Исследование влияния ширины угольных целиков и камер на их устойчивость

4.4. Методика расчета параметров систем разработки угольных пластов малых угольных шахт

4.5. Реализация результатов исследований в условиях малых шахт и обоснование технологических требований для создания новой горной техники эффективной отработки угольных месторождений малыми угледобывающими предприятиями

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологических решений эффективного освоения угольных месторождений малыми угледобывающими предприятиями"

Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России привела к сокращению производственных мощностей угольных шахт за последние 10 лет в 1,7 раза. Это связано с отставанием темпов ввода новых мощностей от намеченных программой реструктуризации из-за необеспеченности финансовыми ресурсами. Надежды на привлечение отечественных и иностранных инвестиций в новое строительство инфраструктуры крупных угледобывающих предприятий при освоении новых угольных месторождений не оправдались из-за длительного периода (до 20 лет) окупаемости затрат.

Одним из путей расширения шахтного фонда является строительство малых шахт при минимальных удельных капитальных затратах и окупаемости их в течение 3-5 лет. По опыту зарубежных стран (США, ЮАР, КНР) эффективность работы небольших угледобывающих предприятий достигается за счет применения малозатратных технологий угледобычи, адаптированных к условиям шахтных полей с ограниченными запасами, неправильной геометрической формой, переменной гипсометрией угольных пластов и др.

Расширение шахтного фонда за счет строительства малых шахт сдерживается отсутствием научно обоснованных технологических и технических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных пластов в пределах шахтных полей. Известные в угольной промышленности зарубежных стран технологические решения для отработки запасов угля на малых шахтах не могут быть механически применены на шахтах России, где отсутствуют отечественные машины и оборудование, обеспечивающие эффективную реализацию зарубежных технологий.

В связи с изложенным, актуальной научно-практической задачей является обоснование технологических решений и требований для создания новой горной техники и оборудования эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Сибирского государственного индустриального университета в 1996-2002гт., в том числе по региональной программе Кемеровского научно-образовательного комплекса (тема №27-6, гос.рег. №01970004330), Федеральной целевой программе «Интеграция» (контракт №564, гос.рег. №01990000622), гранту №78 Министерства образования РФ.

Целью работы является научное обоснование технологических решений и требований к горной технике для эффективной разработки локальных участков угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт, обеспечивающих частичное воспроизводство производственных мощностей угледобывающих предприятий России.

Идея работы заключается в дифференцированном использовании адаптированных к горно-геологическим и горнотехническим условиям малых шахт малозатратных технологий угледобычи, разработанных на основе синтеза элементов традиционных и нетрадиционных технологий.

Основные задачи исследований: разработать методику обоснования структуры и параметров малых угледобывающих предприятий для отработки участков угольных месторождений по малозатратным технологиям; разработать варианты технологических схем малых угольных шахт для отработки участков угольных месторождений по малозатратным технологиям; установить зависимости геомеханических параметров камерно-столбовой системы разработки локальных участков угольных месторождений от основных горно-геологических и горнотехнических факторов; обосновать технологические и геомеханические параметры систем разработки локальных участков угольных месторождений длинными столбами по простиранию по малозатратным технологиям; обосновать технологические решения и требования для создания новой горной техники эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий: анализ показателей работы угледобывающих предприятий Кузбасса для разработки методики синтеза оптимальной структуры малой шахты; системный анализ опыта работы угледобывающих предприятий для разработки технологических схем малых шахт; математическое моделирование и шахтные исследования для установления зависимости смещений пород кровли от основных горногеологических и горнотехнических факторов и обоснования параметров камерно-столбовых систем разработки; научное обобщение производственного опыта и результатов исследований для обоснования выводов и рекомендаций работы.

Основные научные положения, выносимые на защиту: критериями формирования оптимальной структуры и обоснования параметров малого угледобывающего предприятия, адаптивного к рыночным условиям, являются: минимизация численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств при максимальной производственной мощности предприятия; технологические схемы малых угольных шахт по сравнению с технологическими схемами традиционных шахт отличаются следующими признаками и элементами: максимальное использование инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт и разрезов; отработка геометрически неправильных участков угольных месторождений в предохранительных целиках, в зонах геологических нарушений; применение камерно-столбовой системы разработки; смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика и шага обрушения пород непосредственной кровли; технологические и геомеханические параметры камерно-столбовых систем разработки взаимозависимы: увеличение ширины камер и площади очистных заходок при прочих равных условиях требует увеличения количества или ширины угольных целиков при одновременном росте непроизводительных затрат на крепление пород кровли в зоне расположения оборудования и людей; технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных месторождений классифицируются по условиям применения механического, самотечного гидравлического и гравитационного транспорта и включают создание дистанционно управляемого выемочного агрегата, средств поточного транспорта и управления кровлей.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом показателей работы 107 угледобывающих предприятий Кузбасса в течение 1999-2002гг., использованных для обоснования критериев создания оптимальной структуры и параметров малых шахт; положительным опытом применения разработанных технологических схем малых шахт ЗАО «Юбилейное» в пределах горных отводов действующих (шахты «Есаульская», «Новокузнецкая», «Абашевская») и ликвидированной шахты «Нагорная» в Кузбассе с объемом годовой добычи 160-200тыс.т/год; удовлетворительной сходимостью результатов моделирования геомеханических процессов с фактическими параметрами короткозабойных систем разработки: отклонение ширины камеры не превышает 12%, а ширины угольных целиков -17%.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем: методика синтеза оптимальной структуры малой шахты с использованием критериев минимума численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств и максимальной производственной мощности и прибыли предприятия; максимальное использование инфраструктуры действующих горных предприятий при разработке вариантов малозатратных технологических схем малых шахт; в уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков включена дополнительная функция, учитывающая снижение веса подработанных пород кровли за счет их зависания на краевых участках отрабатываемого пласта; предельное отношение между шириной угольных целиков и камер выражается через максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при заданном комплексе горно-геологических условий недопустимо по условиям безопасности горных работ; технологические требования к новой горной технике классифицированы по условиям применения механического, самотечного гидравлического и гравитационного транспорта горной массы. Личный вклад автора выражается в: систематизации и анализе передового опыта работы шахт и разрезов для разработки алгоритма обоснования структуры и параметров малых шахт; разработке и реализации технологических схем малых шахт для отработки локальных участков угольных месторождений по малозатратным технологиям с использованием инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт; установлении по результатам моделирования геомеханических процессов зависимости смещений пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки от основных горно-геологических и технологических параметров; обосновании технологических требований для создания трех комплектов горной техники для отработки локальных участков угольных месторождений.

Практическая ценность работы заключается в том, что: методика обоснования структуры и параметров угледобывающих предприятий позволяет на этапе разработки бизнес-планов выделять участки угольных месторождений, благоприятные для рентабельной отработки по малозатратным технологиям малыми шахтами; технологические схемы малых шахт обеспечивают повышение коэффициента извлечения запасов угля за счет рентабельной отработки нетехнологичных для длинных комплексно-механизированных забоев участков угольных пластов; зависимость смещений пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки позволяет выбирать при разработке проектной документации оптимальные параметры камер и угольных целиков с ограничениями по предельным смещениям для обеспечения безопасных условий горных работ.

Реализация практических выводов и результатов работы. Полученные научные результаты, выводы и практические рекомендации использованы при: обосновании рентабельности отработки участков шахтных полей шахт «Есаульская», «Нагорная» и «Абашевская» по малозатратным технологиям малыми шахтами ЗАО «Юбилейное» в Кузбассе; отработке нетехнологичных для длинных комплексно-механизированных забоев участков шахтных полей действующих и ликвидированных четырех шахт Кузбасса с дополнительной добычей на этих шахтах более 500тыс.т угля; разработке проектов строительства трех малых шахт ЗАО «Юбилейное» с общими промышленными запасами 2,6млн.т; курсовом и дипломном проектировании студентами Сибирского государственного индустриального университета.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались на II и VII Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1997 и 2002гг.), технических советах УК «Южкузбассуголь» (1996-2002гг.), технических советах шахт «Юбилейная», «Есаульская», «Новокузнецкая», ЗАО «Юбилейное» УК «Южкузбассуголь» (199б-2002гг.), кафедре разработки месторождений полезных ископаемых СибГИУ (1996-2003гг.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 7 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 190 страницах машинописного текста, включает 11 таблиц, 46 рисунков и список литературы из 99 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Степанов, Юрий Владимирович

Выводы и рекомендации

1. Обоснованы и рекомендуются для условий малых шахт следую-♦ щие параметры систем разработки угольных пластов длинными комплексно-механизированными забоями: длина выемочного столба 300-1000м, длина лавы 60-150м, вынимаемая мощность пласта-слоя 1,3-4.2м, ширина угольных целиков между выемочными столбами 6-20м, нагрузка на КМЗ 1200-3ОООт/сут.

2. Установлено, что при отработке угольных пластов короткими забоями увеличение ширины камер и площади выемочных заходок при про

•(♦ чих равных условиях не приводит к повышению коэффициента извлечения угля и эффективности производства из-за необходимости увеличения количества и ширины угольных целиков при одновременном росте непроизводительных затрат на крепление пород кровли в зоне расположения машин и людей для обеспечения их безопасности.

3. Для каждого комплекса горно-геологических и горнотехнических условий существует максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при любом количестве, форме и размерах угольных целиков недопустимо по условию безопасности ведения горных работ.

4. Уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков не соответствует реальной геомеханической ситуации, так как часть веса подработанных пород передается на краевые участки отрабатываемого угольного столба, при этом расчет ширины угольных целиков следует проводить по алгоритму соответствия допускаемых деформаций и допускаемой жесткости целиков.

5. Критерием качества вариантов камерно-столбовой системы разработки является максимальный коэффициент извлечения угля при ограничениях по предельным напряжениям в угольных целиках и допускаемым деформациям угольных целиков и пород кровли в зоне расположения машин и людей.

6. Алгоритм расчета геомеханических параметров систем разработки с короткими забоями базируется на решении пространственной задачи геомеханики численным методом с учетом пространственно-временного движения системы очистных коротких забоев, накопления повреждений в угле целиков и породах кровли и корректировке расчетных параметров по результатам геомониторинга.

7. Особенности проявления горного давления при отработке угольного пласта длинными и короткими забоями, при прочих равных условиях, заключаются в следующем: вертикальные смещения пород кровли в 9-10 раз меньше над угольными целиками при коэффициенте извлечения 0,5; над каждым угольным целиком в кровле возникает зона сжимающих напряжений; коэффициент концентрации вертикальных напряжений в краевой части пласта при управлении кровлей полным обрушением выше коэффициента концентрации при управлении кровлей угольными целиками.

8. Установлена эмпирическая зависимость смещений пород кровли от основных горно-геологических факторов, согласно которой смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика, шага обрушения пород непосредственной кровли.

9. Технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных пластов классифицируются по условиям применения механического транспорта (угол падения пластов до 12°), самотечного гидротранспорта (угол падения пластов от 13 до 35°) и гравитационного транспорта (угол падения пластов более 35°) горной массы. Соответственно разработаны требования к трем комплектам оборудования, включающим дистанционно управляемый выемочный агрегат, средства транспорта и управления геомеханическими процессами.

10. Результаты исследований внедрены в виде проектов строящихся и технологических схем действующих малых шахт с экономическим эффектом 17,2млн.руб./год, долевое участие автора составляет 83%, т.е. 14,28мл н.руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены обоснованные технологические решения и требования для создания новой горной техники эффективной разработки угольных месторождений по малозатратным технологиям в структуре малых шахт, имеющие существенное значение для угольной промышленности страны.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Разработана методика синтеза оптимальной структуры малой шахты с использованием критериев минимума численности трудящихся, стоимости одного рабочего места, удельной стоимости технических средств и максимальной производственной мощности и прибыли предприятия;

2. Рентабельная работа малой шахты с традиционными технологиями угледобычи при численности трудящихся менее 300 человек возможна в условиях Кузбасса при отработке пластов с ценными коксующимися углями, а при применении малозатратных технологий эффективность добычи коксующихся и энергетических углей обеспечивается при следующих соотношениях добычи D (тыс.т/г.) и цены угля Ц (руб./т): D>250, Ц>300; D>500, Ц>265; D>1000, Ц>215 (цены 2000-2001гг.).

3. Технологические требования к технологическим схемам рентабельных угольных шахт включают: максимальное использование инфраструктуры действующих и ликвидированных шахт; вскрытие шахтного поля наклонными стволами с поэтапной углуб-кой их до горизонта очередного подготавливаемого выемочного участка; создание и поэтапное развитие временных мобильных схем поверхностного комплекса, транспорта, вентиляции и водоотлива.

4. Участки угольных месторождений, адаптивные к технологическим схемам малых шахт, по отношению к действующим и ликвидированным угледобывающим предприятиям, классифицируются следующим образом: нетехнологичные для высокопроизводительных длинных комплексно-механизированных забоев на действующих и ликвидированных предприятиях; в приконтурной зоне угольных разрезов, на границе с горными отводами действующих и ликвидированных шахт; обособленные или нарушенные дизъюнктивами геологические блоки угольных месторождений.

5. Для каждого комплекса горно-геологических и горнотехнических условий существует максимальный коэффициент извлечения угля, увеличение которого при любом количестве, форме и размерах угольных целиков недопустимо по условию безопасности ведения горных работ.

6. Уравнение баланса веса подработанных пород кровли и несущей способности угольных целиков не соответствует реальной геомеханической ситуации, так как часть веса подработанных пород передается на краевые участки отрабатываемого угольного столба, при этом расчет ширины угольных целиков следует проводить по алгоритму соответствия допускаемых деформаций и допускаемой жесткости целиков.

7. Особенности проявления горного давления при отработке угольного пласта длинными и короткими забоями, при прочих равных условиях, заключаются в следующем: вертикальные смещения пород кровли в 9-10 раз меньше над угольными целиками по сравнению со смещениями в выемочной камере при коэффициенте извлечения соответственно 0,3-0,8; над каждым угольным целиком в кровле возникает зона сжимающих напряжений.

8. Установлена эмпирическая зависимость смещений пород кровли от основных горно-геологических факторов, согласно которой смещения пород кровли на сопряжении камеры и очистной заходки возрастают при увеличении ширины камеры, угла падения пласта, мощности пласта, шага обрушения пород основной кровли, глубины разработки и уменьшаются при увеличении предела прочности угля на сжатие, ширины угольного целика, шага обрушения пород непосредственной кровли.

9. Технологические требования для создания новой горной техники отработки локальных участков угольных пластов классифицируются по условиям применения механического транспорта (угол падения пластов до 12°), самотечного гидротранспорта (угол падения пластов до 13-35°) и гравитационного транспорта (угол падения пластов более 35°) горной массы. Соответственно разработаны требования к трем комплектам оборудования, включающим дистанционно управляемый выемочный агрегат, средства транспорта и крепления выработок.

10. Результаты исследований внедрены в виде проектов строящихся и технологических схем действующих малых шахт с экономическим эффектом 17,2млн.руб./год, долевое участие автора составляет 83%.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Степанов, Юрий Владимирович, Новокузнецк

1. Ардашев К.А. Основные положения оценки технологичности шахтных полей и разработки регламента высокопроизводительной работы лав с мехкомплексами / К.А.Ардашев, М.А.Розенбаум, С.Г.Баранов // Уголь. - 1999. - №10. - С.20-22.

2. А.с. 1259008 СССР, МКИ Е21С 41/04. Способ отработки месторождений полезных ископаемых / В.В.Ржевский, А.Е.Гонтов, Б.П.Синюков и др. №3894640; Заявл. 07.05.85; Опубл. Б.И., 1986, №35.

3. Атрушкевич А.А. Экологически чистая, высокоэффективная технология добычи угля с подземным обогащением / А.А.Атрушкевич // Уголь. 1999. - №4. - С.33-34.

4. Атрушкевич В.А. Научные основы, конструирование и прогноз геомеханических параметров интенсивной технологии подземной гидромеханизированной разработки крутых угольных пластов с открытых горных выработок / В.А.Атрушкевич. М.: МГГУ, 1997. - 153с.

5. Australia's longwalls // Australia's Mining Monthly. March 1998.

6. Бате H. Численные методы анализа и численный метод конечных элементов / Н.Бате, Е.Вилсон. М.: Стройиздат, 1982. - 448с.

7. Бурчаков А.С. Выбор технологических схем угольных шахт / А.С.Бурчаков, В.А.Харченко, Л.А.Кафорин. М.: Недра, 1975. - 274с.

8. Бурчаков А.С. Научные основы проектирования угольных шахт / А.С.Бурчаков, А.С.Малкин. -М.: Наука, 1971. 150с.

9. Бурчаков А.С. Проектирование шахт: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп / А.С.Бурчаков, А.С.Малкин, М.И.Устинов. М.: Недра, 1985.-399с.

10. Ворохалина JI.A. Финансово-кредитные механизмы регулирования малого бизнеса / Л.А.Ворохалина // Вопросы экономики. 1996. - №7. - С.83-87.

11. Воспроизводство вскрытых и подготовленных запасов угля нашахтах / М.И.Устинов, В.П.Федоров, А.И.Шор и др. М.: Недра, 1990. -352с.

12. Временная инструкция по установлению основных параметров технологических схем очистной выемки для пластов пологого падения гидрошахт Кузбасса. — Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1977.- 149с.

13. Гонтов А.Е. Динамическое проектирование, строительство и эксплуатация гидрошахт / А.Е.Гонтов // Уголь. 1986. - №5. - С.45-48.

14. Гонтов А.Е. Исследование технологических схем очистных работ способом гидромеханизации на пластах пологого падения (на примере Байдаевского района): Дис. канд. техн. наук. М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1975.- 197с.

15. Гонтов А.Е. 300 т угля в месяц на рабочего — основная задача 10-й пятилетки на гидрошахте «Юбилейная» / А.Е.Гонтов // Гидромеханизация горных работ (межвузовский сб.). — Кемерово: КузПИ, 1977. С.202-213.

16. Горбачев Д.Т. Перспективы продления сроков службы действующих шахт / Д.Т.Горбачев, М.М.Смиренский, Е.Е.Хаустов // Уголь. -1992.-№2.-С. 19-22.

17. Гринько Н.К. Обеспечение нагрузки на очистной забой 2-3 млн. т угля в год на шахтах России / Н.К.Гринько, Л.Н.Гапанович, О.Б.Батурин // Уголь. 1998.- №5.- С.15-18.

18. Даубер К. Объемы и технология добычи каменного угля в Австралии / К.Даубер // Глюкауф. 1986. - №4. - С.48-50.

19. Егоров П.В. Технологические и геомеханические параметры камерно-столбовой системы отработки мощного пологого пласта / П.В.Егоров, С.И.Калинин, Б.П.Агудалин // Физ.-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. 2001. - №5. - С.30-32.

20. Зайденварг В.Е. Угольная промышленность за рубежом / В.Е.Зайденварг. М.: Горная промышленность, 1993. - 390с.

21. Зарубежная панорама. // Уголь. 1994. - №9. - С.48.

22. Зауэр В.Л. Концептуальные основы создания малых угледобывающих предприятий / ВЛ.Зауэр // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. -2001.- №3. С. 170-173.

23. Златицкий А.Н. Исследование конструктивных элементов систем разработки пологих угольных пластов средней мощности с выемкой угля дистанционно-управляемыми механогидравлическими машинами: Дис.канд.техн.наук. Новокузнецк, 1974.- 188с.

24. Ивашкевич В.П. Развитие гидравлической добычи угля в Кузбассе один из важнейших путей повышения эффективности производства /

25. B.П.Ивашкевич, С.П.Костовецкий / Труды ВНИИгидроугля. Вып. 39. — Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1977. С.23-29.

26. Инструкция по расчету производственных мощностей действующих предприятий по добыче и переработке угля (сланца). М.: ЦНИЭИуголь, 1993.-99с.

27. Исабек Т.К. О проблеме локальных участков угольных пластов в карагандинском бассейне / Т.К.Исабек // Топорков, чтения: Междунар. науч. горно-геол. конф. Вып.4. Рудный, 1999. - С.295-298.

28. Исследования прочности и деформируемости горных пород / А.И.Берон, Е.С.Ватолин, М.И.Койфман и др. М.: Наука, 1973. - 207с.

29. Итоги работы угольной промышленности России за первый квартал 2002 года // Уголь. 2002. - №7. - С.38-44.

30. Кариман С.А. Гидрорезная очистная машина «ГРОМ-1» / С.А.Кариман // Уголь. 1999. - №5. - С.30-33.

31. Каут П. Каменноугольная шахта "Бейли" в Пенсильвании / П.Каут, Н.Батцель // Глюкауф. 1986. - №4. - С.34-39.

32. Килячков А.П. Вскрытие и системы разработки угольных месторождений / А.П.Килячков. М.: Недра, 1976. - 360с.

33. Коваленко В.А. К вопросу определения понятия «подзавальный целик» при отработке угольных пластов камерно-столбовой системой /

34. B.А.Коваленко // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах. Материалы V Междунар. науч.-пр. конф. — Кемерово: Куз-ГТУ, 2002. С.90-91.

35. Колесников А.П. Некоторый опыт по оценке деформационных свойств угольных целиков / А.П.Колесников // Напряженное состояние породных массивов. Сб.науч.тр. Новосибирск: Сиб.отд. АН СССР, 1978. - С.141-143.

36. Колмаков В.Е. Гидромониторная выемка угля на шахте «Байда-евская-Северная» №1 / В.Е.Колмаков // Вопросы гидравлической добычи угля. Вып. 12.- Новокузнецк, 1968. С.84-86.

37. Магдыч В.И. Обоснование технологии вскрытия, подготовки и отработки участка Казанковский №2 блок-стволами / В.И.Магдыч,

38. C.В.Мелехин // Вскрытие и отработка шахтного поля блок-стволами, обеспечивающими снижение объемов горных работ. М.: МГИ, 1987. -С.16-21.

39. Малышев Ю.Н. Новые технологические и технические решения подземной угледобычи / Ю.Н.Малышев, О.В.Михеев. М.: МГГУ, 1993. -72с.

40. Малышев Ю.Н. Угольная промышленность России на пороге и в начале XXI века / Ю.Н.Малышев, К.Н.Трубецкой // Уголь. 2001. - №2. -С. 16-20.

41. Методика выбора рациональных параметров технологических схем очистной выемки пологих угольных пластов гидрошахт Кузбасса /

42. А.П.Колесников, А.Н.Златицкий, В.Н.Фрянов, В.В.Соин. Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1988.- 139с.

43. Методические положения выбора оптимальных технологических решений в проектах шахт с учетом изменчивости горно-геологических факторов. М.: Центрогипрошахт, 1985. - 86с.

44. Методология проектирования горных предприятий: Справочник / И.К.Станченко и др. М.: Недра, 1989. - 429с.

45. Методы оптимального проектирования угольных шахт /

46. A.М.Курносов, М.И.Устинов, И.П.Набродов и др. М.: Недра, 1974. -368с.

47. Михеев О.В. Новые технологические решения по вскрытию, подготовке и отработке угольных месторождений Кузбасса / О.В.Михеев,

48. B.В.Некрасов, М.П.Попков. М.: МГИ, 1993. - 147с.

49. Михеев И.О. О критерии отнесения предприятий к субъектам малого предпринимательства (малым предприятиям) / И.О.Михеев // Лизинг-ревю. 1998. - №3. - С.З 8-39.

50. Михеев О.В. Разработка угольных месторождений с использованием техногенных выемок: Учебное пособие / О.В.Михеев, В.А.Атрушкевич, А.Г.Саламатин. М.: Ml 1 У, 1995. - 45с.

51. Мухтаров Т.М. Комбинированный способ разработки месторождений полезных ископаемых / Т.М.Мухтаров. М.: Наука, 1988. - 231 с.

52. Мучник B.C. Опыт подземной добычи гидравлическим способом и пути его совершенствования / В.С.Мучник. М.: Углетехиздат, 1956. -30с.

53. Мучник B.C. Подземная гидравлическая добыча угля / В.С.Мучник, Э.Б.Голланд, М.Н.Маркус. М.: Недра, 1986. - 223с.

54. Мышляев Б.К. Результаты работы очистных забоев на шахтах РФ и ФРГ / Б.К.Мышляев // Уголь. 1994. - № 10. - С. 11 -15.

55. Никонов Г.П. Разрушение горных пород струями высокого давления / Г.П.Никонов, И.А.Кузьмич, Ю.А.Гольдин. М.: Недра, 1986. -143с.

56. Нормы продолжительности и уровня освоения проектных мощностей и экономических показателей вводимых в действие предприятий и объектов. М.: Госплан СССР, 1985. - 69с.

57. Нормы технологического проектирования угольных и сланцевых шахт, разрезов и обогатительных фабрик. ВНТП 22-81. М.: Центроги-прошахт, 1981.- 123с.

58. Оден Д. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред / Д.Оден. М.: Мир, 1976. - 464с.

59. Открытые горные работы. Справочник / К.Н.Трубецкой, М.Г.Потапов, К.Е.Виницкий и др. М.: Горное бюро, 1994. - 590с.

60. Павлова Л.Д. Математическое моделирование геомеханического состояния углепородного массива в окрестности сопряжений горных выработок / Л.Д.Павлова, Т.В.Петрова, В.Н.Фрянов. Новокузнецк: Сиб-ГИУ, 2002.-202с.

61. Пешерс X. Особенности техники транспорта и подъема на каменноугольных шахтах США / Х.Пешерс И Глюкауф. 1992. - №3. - С.48-50.

62. Попков М.П. Новые системы разработки пологих и наклонных пластов / М.П.Попков, Б.Г.Никишичев, А.И.Евтушенко // Уголь. 1991. -№4. - С.30-31.

63. Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах (Сборник документов) / Колл. авт. М.: Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. -320с.

64. Проект выемочного участка лавы №832 пласта Сычевского 1. -Белово: ЗАО «Ростпром», 2002. — 30с.

65. Проект строительства объединенного блока №3 пласта Румян-цевского Анжерского угольного месторождения. — Кемерово: Проектный и технологический институт конверсии угольной промышленности Кузбасса (Конверскузбассуголь), 2001. 300с.

66. Прочность и деформируемость горных пород / Ю.М.Карташов, Б.В.Матвеев, Г.В.Михеев, А.Б.Фалеев. М.: Недра, 1979. - 269с.

67. Расчетные методы в механике горных ударов и выбросов / И.М.Петухов, А.А.Линьков, В.С.Сидоров и др. М.: Недра, 1992. - 256с.

68. Сводные данные по длинным очистным забоям США к началу 1992г. // Уголь. 1993. - №6. - С.52.

69. Свойства горных пород и методы их определения / Е.И.Ильницкая, Р.И.Тедер, Е.С.Ватолин, М.Ф.Кунтыш. М.: Недра, 1969. -392с.

70. Семенихин А.Я. Пути совершенствования системы разработки мощных пологих пластов при гидродобыче / А.Я.Семенихин, Г.В.Манжелевский / Труды ВНИИгидроугля. Вып. 39. Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1977. — С.41-46.

71. Совершенствование техники и технологии комбинированной разработки на основе гидромеханизации / Л.А.Пучков, О.В.Михеев, В.А.Атрушкевич, О.А.Атрушкевич // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. 1998. - Вып. №2. - С.45-47.

72. Технологические схемы комплексного использования недр при подземной разработке угольных месторождений. М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1988.- 121с.

73. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть I. Технологические схемы. М.: Минуглепром СССР, ИГД им. А.А. Скочинского, 1991. -206с.

74. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Часть II. Набор модулей и пояснительная записка. М.: Минуглепром СССР, ИГД им. А.А. Скочинского, 1991.- 423с.

75. Технология очистных работ на пологих и наклонных пластах гидрошахт (рекомендации). Новокузнецк: ВНИИГидроуголь, 1982. -134с.

76. Угольная промышленность США глазами немецких специалистов // Уголь, 1997. №3, С.69-74.

77. Управление геомеханическими процессами при отработке угольных пластов короткими забоями / В.Н.Фрянов, П.В.Егоров, В.А.Ковалев, В.Д.Славников. — Кемерово: Академия горных наук, 1999. — 110с.

78. Устинов М.И. Развитие теории и практики оптимального проектирования угольных шахт / М.И.Устинов // Уголь. 1992. - №12. — С.34-37.

79. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике /

80. A.Б.Фадеев. -М.: Недра, 1987. -221с.

81. Философский энциклопедический словарь / Гл. редакция: Л.Ф.Ильичев, П.Н.Федосеев, С.М.Ковалев, В.Г.Панов. М.: Сов. энциклопедия, 1983.-840с.

82. Фрянов В.Н. Многовариантные технологии угледобычи /

83. B.Н.Фрянов // Опыт и перспективы наукоемких технологий в угольной промышленности Кузбасса: Сб. научн. тр. Кемерово: ИУУ СО РАН, 1998. — С.80-84.

84. Хабенихт X. Камерная и камерно-столбовая системы разработки угольных пластов / Х.Хабенихт // Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых. Межвуз. науч.-техн. сборник. Вып. 3. -Новокузнецк: СибГГМА, 1997. С.75-87.

85. Чубриков А.В. Анкерное крепление на шахтах Австралии / А.В.Чубриков // Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Материалы VI Международной научно-практической конференции. -Новокузнецк: СибГИУ, 1999. С. 174-177.

86. Чубриков А.В. Технология доработки запасов угля действующих шахт короткими столбами / А.В. Чубриков // Перспективы технологии разработки и использования минеральных ресурсов: Труды VIII Между-нар. науч.-пр. конф. Новокузнецк: СибГИУ, 2001. - С.182-184.

87. Шведские экономисты о развитии малого и среднего предпринимательства в России // Малое предприятие. — 1997. №1. — С.22.

88. Ялевский В.Д. Модульные горнотехнологические структуры вскрытия и подготовки шахтных полей Кузбасса (Теория. Опыт. Проекты) / В.Д.Ялевский, В.А.Федорин. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. - 223с.

89. Ялевский В.Д. Новые схемы вскрытия и подготовки месторождений / В.Д.Ялевский, А.А.Мясников, М.П.Попков // Уголь. 1986. - №4. -С.11-12.

90. Ялевский В.Д. О концепции создания крупных угольных технологических модульных комплексов в Кузбассе / В.Д.Ялевский // Уголь. -1988. -№2.-С.З-5.

91. Ялевский В.Д. Угледобывающие предприятия нового типа в Кузбассе / В.Д.Ялевский // Шахтное строительство. — 1989. №3. - С.1-3.

92. Яновский А.Б. Опыт реструктуризации угольных отраслей зарубежных стран / А.Б.Яновский // Уголь. 1996. - №7. - С. 10-17.