Разработка технологических схем отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах

Елькин, Вячеслав Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологических схем отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологических схем отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах"

На правах рукописи

ЕЛЬКИН Вячеслав Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ГАЗОВЫХ ШАХТАХ

Специальность 25.00.22 -Геотехнология {подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с [.:;.;"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005017159

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный горный университет, профессор кафедры строительства горных предприятий и подземных сооружений

кандидат технических наук, ЗАО «ВНИИ Галургии», ведущий инженер

Ведущее предприятие - ОАО «ГИПРОШАХТ».

Защита состоится 24 мая 2012 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2 (boguslEI@yandex.ru), ауд. 1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Зубов Владимир Павлович

Официальные оппоненты:

Долгий Иван Емельянович

Уразов Денис Владимирович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

БОГУСЛАВСКИЙ Э.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Экономическая эффективность и безопасность горных работ на угольных шахтах в значительной степени предопределяются принятой технологией отработки пластов. Задача правильного выбора этой технологии приобретает особое значение для газовых шахт при отработке пластов угля, склонного к самовозгоранию.

В течение последних 15-20 лет на шахтах Кузнецкого бассейна широкое распространение получили технологические схемы, основанные на использовании системы разработки длинными столбами с оставлением между выемочными участками не извлекаемых целиков угля в сочетании с комбинированными схемами проветривания выемочных участков, при которых часть воздуха поступает из лавы в выработанное пространство для изолированного отвода ме-тановоздушной смеси на поверхность.

К числу недостатков этих технологических схем относятся: значительные эксплуатационные потери (до 10-12%) угля в целиках, величины которых возрастают при переходе горных работ на более глубокие горизонты; увеличение числа (до 76%) эндогенных пожаров, связанных с оставлением целиков угля и поступлением воздуха в выработанное пространстве лавы; повышенная выбросо- и ударо-опасность пластов; существенное осложнение горнотехнических условий отработки сближенных пластов.

Большой вклад в решение проблемы создания ресурсосберегающих экономически эффективных и безопасных технологий подземной разработки угольных пластов в сложных горногеологических условиях внесли A.A. Борисов, Ю.В. Громов, Н.П Бажин, В.В. Райский, В.В. Мельник, К.А. Ардашев, В.П. Зубов, Ю.Н. Кузнецов, A.B. Джигрин, Г.И. Козовой, А.Д. Рубан, Н.К. Гринько, В.Е. Зайденварг, В.В. Соболев и др. исследователи.

Вместе с тем, практический опыт работы угольных шахт свидетельствуют о том, что вопросы, связанные с созданием новых и совершенствованием известных ресурсосберегающих технологий отработки склонных к самовозгоранию угольных пластов на газовых шахтах, обеспечивающих возможность достижения высоких нагрузок на очистной забой, являются актуальными, а их решение имеет

большое практическое значение.

Цель работы. Разработка технологических схем выемки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах, обеспечивающих снижение эксплуатационных потерь полезного ископаемого и высокие нагрузки на очистной забой при использовании современных очистных механизированных комплексов.

Основные задачи исследований:

1. Оценка известных технологических схем с точки зрения эффективности их использования для отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах.

2. Исследование влияния горно-геологических горнотехнических факторов на величину нагрузки на очистной забой при использовании рекомендуемой технологии ведения работ.

3. Исследование влияния параметров системы разработки длинными столбами на эффективность применения комбинированных схем проветривания выемочных участков и их эндогенную по-жароопасность.

4. Исследование влияния уплотненности обрушенных пород на аэродинамическое сопротивление выработанного пространства.

5. Определение области рационального использования рекомендуемой технологии.

Идея работы. Для снижения потерь угля и достижения высоких нагрузок на очистной забой следует применять системы разработки длинными столбами в сочетании с возвратноточной схемой проветривания выемочного участка, включающей подготовку столба сдвоенными выработками с последующей отработкой целиков угля между этими выработками после выполнения целиками возложенных на них функций.

Методы исследований. При выполнении работы принят комплексный метод исследований, включающий в себя: анализ и научное обобщение ранее опубликованных в горнотехнической литературе работ по вопросам разработки мощных пологих угольных пластов; аналитические исследования влияния горнотехнических факторов на величину максимально допустимой нагрузки на очистной забой; шахтные исследования влияния системы разработки на распределение воздуха в пределах выемочного участка; лаборатор-

ные исследования процессов фильтрации воздуха через обрушенные породы.

Научная новизна:

• установлена зависимость максимально допустимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой при использовании рекомендуемой технологии с отработкой целика, оставляемого между подготовительными выработками, на одной линии с очистным забоем, от параметров метановоздушной смеси, поступающей на верхнее сопряжение лавы из выработанного пространства;

• установлена гиперболическая зависимость максимально допустимой нагрузки на лаву по газовому фактору от сечения воздуховода, расположенного на границе угольного массива и выработанного пространства смежного выемочного участка.

Основные защищаемые положения:

1. К числу основных причин постоянного увеличения в течение последних 10-15 лет эксплуатационных потерь угля, числа эндогенных пожаров в выработанных пространствах лав, снижения эффективности опережающей отработки защитных сближенных пластов относится широкое использование технологий с оставлением целиков угля в выработанном пространстве в сочетании с комбинированными схемами проветривания выемочных участков. В настоящее время на шахтах Кузнецкого бассейна эксплуатационные потери, связанные с оставлением целиков между выемочными столбами, достигают 10-12% балансовых запасов.

2. При использовании технологии с отработкой целика угля на одной линии с очистным забоем и отводом отработанной струи из концевого участка лавы по воздуховоду, расположенному на границе выработанного пространства, максимально допустимая среднесуточная нагрузка на лаву зависит от концентрации метана в газовоздушной смеси, поступающей из выработанного пространства смежного выемочного участка на верхнее сопряжение лавы, и отношения дебита этой смеси к расходу воздуха в лаве. Снижение максимально допустимой среднесуточной нагрузки на очистной забой по данному фактору может достигать 20-30% и более.

3. Использование рекомендуемой технологии разработки мощных пологих угольных пластов, включающей подготовку вы-

емочного столба сдвоенными выработками с последующей отработкой целиков угля на одной линии с очистным забоем в сочетании с возвратноточной схемой проветривания выемочного участка, обеспечивает достижение на газовых шахтах среднесуточных нагрузок на очистной забой, сопоставимых с нагрузками, достигаемыми при оставлении неизвлекаемых целиков угля между выемочными столбами, и снижение эксплуатационных потерь полезного ископаемого на 10-12% и более.

Практическая значимость работы:

■ разработана методика расчета максимально допустимой нагрузки на лаву при использовании технологических схем с отработкой межстолбовых целиков на одной линии с очистным забоем;

■ установлены пределы изменения максимально допустимой нагрузки на лаву по газовому фактору, при различных параметрах газовоздушной смеси, поступающей на верхнее сопряжение лавы из выработанного пространства смежного выемочного участка;

■ разработана патентоспособная технология выемки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах, обеспечивающая снижение эксплуатационных потерь полезного ископаемого и высокие нагрузки на очистной забой.

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается использованием современных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении шахтных и лабораторных исследований; удовлетворительной сходимостью результатов, полученных при проведении аналитических и лабораторных исследований, с данными шахтных наблюдений.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы недропользования глазами молодых» (Москва, 2010 г.); ежегодной Международной конференции в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2010 г.); международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2010, 2011 гг.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные, лабораторные и аналитические исследования, сформулированы основные научные положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России, получен патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа объемом 190 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 93 источников, включает 77 рисунков и 28 таблиц.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей идеи работы и интерпретации полученных данных и сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу практического опыта отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах. Проведен обзор нормативных документов, регламентирующих оставление целиков угля. Проанализирован опыт применения известных систем разработки угольных пластов на газовых шахтах. Выполнена оценка способов охраны повторно используемых выработок при бесцеликовой отработке мощных пологих угольных пластов.

Вторая глава посвящена исследованию влияния горнотехнических факторов на величину нагрузки на очистной забой при использовании рекомендуемой технологии ведения работ. Изложены принципы использования схемы проветривания с частичным удалением исходящей струи по воздуховодам. Приведены результаты расчета максимально допустимой нагрузки на лаву по газовому фактору при рекомендуемой технологии. Получены зависимости максимально допустимой нагрузки на лаву от размеров воздуховода.

В третьей главе приведены шахтные исследования распределения утечек воздуха по длине лавы при схемах проветривания с частичным удалением исходящей струи на фланговую выработку или ближайшую заднюю сбойку (скважину).

Четвертая глава посвящена исследованиям процессов фильтрации воздуха через обрушенные породы при различной степени их уплотнения в результате восстановления горного давления.

В пятой главе проведена технико-экономическая оценка применения разработанной технологии выемки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах при использовании современных очистных механизированных комплексов.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых научных положений:

Интенсивное внедрение в 1995-2010гг. на угольных шахтах высокопроизводительных очистных механизированных комплексов привело к необходимости поиска более эффективных, соответствующих возможностям этого оборудования, технологических схем подготовки и отработки выемочных участков.

Основные изменения технологических схем были связаны с увеличением длины столбов, способов проведения участковых подготовительных выработок, схем проветривания выемочных участков, вида основной крепи участковых подготовительных выработок и способов их охраны.

Так в течение указанного периода оптимальная длина выемочных столбов увеличилась до 2-3 км и более. Широкое распространение в качестве основной крепи участковых подготовительных выработок получила анкерная крепь, что, в свою очередь, явилось основной причиной оставления между выемочными участками не извлекаемых целиков угля. Ширина целиков, определяемая из усло-

вия обеспечения технологически удовлетворительного состояния вентиляционных штреков, достигает в настоящее время при отработке мощных пологих пластов 20-30 м и более. Данные целики, как правило, в настоящее время не отрабатывают.

Эксплуатационные потери угля в целиках составляют 1012% и более балансовых запасов выемочного участка. В абсолютных величинах невосполнимые потери ценного полезного ископаемого при отработке столба длиной 2,5-3 км превышают 0,5 млн. т.

Использование технологий с оставлением целиков угля в выработанном пространстве в сочетании с комбинированными схемами проветривания выемочных участков, при которых часть воздуха поступает из лавы в выработанное пространство для изолированного отвода метановоздушной смеси на поверхность, создает условия для самовозгорания разрушенного горным давлением угля в краевых частях целиков, оставленных в выработанном пространстве.

Анализ опыта отработки склонных к самовозгоранию пластов показал, что до 76% общего числа пожаров, зафиксированных в выработанных пространствах лав, связано именно с этим фактором.

По данным исследований, проведенных ВостНИИ, возникновение эндогенного пожара возможно, если удельные утечки воздуха из призабойного пространства в выработанное находятся в интервале от ОД до 0,9 м3/(мин-м2). С учетом этого критерия были выполнены шахтные исследования распределения воздуха в пределах выемочных участков при комбинированных схемах их проветривания в условиях шахт «Красноярская» (лава 1306), им. С.М. Кирова (лава 2454), им. 7 Ноября (лава 1384), «Комсомолец» (лава 1740) ОАО «СУЭК-Кузбасс» и «Распадская-Коксовая» (лава 0-4-4бис) ЗАО «Распадская». Кровли исследуемых участков относятся к типам Нб и IV по классификации ВНИМИ.

Данные о величинах удельных утечек воздуха в выработанное пространство по длине лавы представлены на рисунке 1.

Как следует из рисунка 1, во всех исследованных лавах наиболее опасной по рассматриваемому фактору является средняя часть лавы, для которой значения удельных утечек находятся в интервале 0,1-0,9 м3/(мин м2).

Целики, оставленные в выработанном пространстве, являют-

ся причиной возникновения в подрабатываемом и надрабатываемом массивах областей с высокой концентрацией напряжений, что осложняет отработку сближенных пластов. По данным исследований, выполненных во ВНИМИ, СПГГУ и других организациях, при ведении горных работ в надрабатываемых пластах в зонах влияния целиков объемы работ на поддержание подготовительных выработок могут возрастать в несколько раз, снижение нагрузок на лаву из-за вывалов пород кровли составляет до 50% и более, существенно возрастает вероятность внезапных выбросов и горных ударов.

_4 _!_-—-

Рис. 1. Результаты шахтных исследований утечек воздуха из лавы в выработанное пространство при использовании комбинированной схемы проветривания: 1 - им. С.М. Кирова; 2 - «Распадская-Коксовая»; 3 - им. 7 Ноября; 4 - «Комсомолец»; 5 - «Красноярская».

Отмеченные выше факты указывают на необходимость более объективного определения областей использования технологий, включающих оставление между выемочными участками не извлекаемых целиков угля в сочетании с комбинированными схемами проветривания выемочных участков.

пустимая среднесуточная нагрузка на лаву зависит от концентрации метана в газовоздушной смеси, поступающей из выработанного пространства смежного выемочного участка на верхнее сопряжение лавы, и отношения дебита этой смеси к расходу воздуха в лаве. Снижение максимально допустимой среднесуточной нагрузки на очистной забой по данному фактору может достигать 20-30% и более.

Исключение эксплуатационных потерь угля в целиках при применении системы разработки длинными столбами, включающей подготовку столба сдвоенными подготовительными выработками, достигается при отработке данного целика угля на одной линией с очистным забоем (рис. 2). Отработанная струя воздуха после прохождения участка ВС отводится по специальному воздуховоду, расположенному на границе с выработанным пространством.

Недостатком данной технологии является поступление (подсос) газовоздушной смеси из выработанного пространства смежного отработанного участка в призабойное пространство работающей лавы. Для оценки степени отрицательного влияния этих поступлений на максимально допустимую нагрузку на очистной забой по газовому фактору необходимо знать сопротивления выработанных пространств отрабатываемого и отработанного выемочного участков.

Сопротивление выработанных пространств с различной степенью уплотнения обрушенных пород изучалось в лабораторных условиях на специально созданном стенде (рис. 3).

Обрушенные породы размещаются в емкости I. Сверху емкость (металлический ящик) закрывается крышкой 10, способной перемещаться в направлении действия пригружающих сил со стороны верхней плиты пресса 3. Емкость 1 ставится на нижнюю плиту пресса 2. В качестве источника тяги используется вентилятор 4 с двигателем 5. Емкость соединена с всасывающим каналом вентилятора трубой 6 с дросселем 7 для регулировки расхода воздуха и отверстием 8 для замера его разрежения. Со стороны входа струи в емкость установлен конфузор 9 для замера скорости воздуха. Таким образом, при включении вентилятора воздух поступает сначала в конфузор, затем в емкость, далее по трубе мимо отверстия 8 через дроссель 7 поступает в вентилятор и удаляется наружу.

свежая струя воздуха исходящая струя воздуха направление подвиганиялавьц;

Рис. 2. Система разработки мощного пологого пласта с выемкой целика угля между выемочными участками на одной линии с очистным забоем.

--------х- h^n / X

\ 2

Рис. 3. Принципиальная схема стенда для исследования фильтрации воздуха через обрушенные породы выработанного пространства.

Методика исследований заключалась в поэтапном сжатии породы в емкости и вычислении расхода воздуха и депрессии при нескольких положениях дросселя на каждом этапе сжатия.

В качестве эквивалентных материалов использовались: цемент марки 100, алевролит непосредственной кровли пласта Байка-имского шахты «Красноярская», цемент марки В25, уголь пласта 67 шахты «Талдинская-Западная-1».

В результате лабораторных исследований установлено, что закон сопротивления при движении воздуха через обрушенные породы, моделируемые в емкости, имеет вид:

Ь = К"02 + Л'е, (1)

где Ъ - депрессия, Па; О - расход воздуха, м3/с; Я"- квадратичное сопротивление выработанного пространства, кг/м ; Л1- линейное сопротивление, кг/(м4 с).

В результате обработки результатов эксперимента была получена зависимость удельных квадратичного г" (кг/м4) и линейного г' (кг/(м3-с)) сопротивлений от пустотности П (доли ед.):

г"= 14Д-1018/7~9,39 И г'= 73,3• 1012/7-6,9. (2)

Пустотность - отношение объема пустот в каком-либо пространстве к объему этого пространства. Учитывая, что пустотность связана с величиной коэффициента разрыхления к зависимостью:

Я = (к-1)/Л, (3)

можно рассчитать удельное сопротивление.

Для оценки подсосов метановоздушной смеси из выработанного пространства в воздуховод определяется полное квадратичное и линейное сопротивления выработанного пространства отрабатываемого столба (сектор 2 на рис. 4) и смежного отработанного (сектор 1), пустотность которых различна. В соответствии с рекомендуемой технологической схемой подсосы воздуха в воздуховод распределены в секторе 1 на угле я и в секторе 2 на угле я/2.

В соответствии с принятой схемой для сектора 1 получим:

(4)

11"=

(я7и„)2и К) " г

для сектора 2:

{ятв)г и а) И ят. Г ; (5)

где тв - вынимаемая мощность, м; г - расстояние от входа в

воздуховод до обрушенных пород, м; Ы - расстояние от входа в воздуховод до границы зоны влияния воздуховода, м.

В качестве величины разрежения, создающего депрессию в выработанном пространстве, примем скоростной напор струи воздуха на входе в воздуховод.

В соответствии с распределением аэродинамических характеристик выработанных пространств при различных породах кровли, полученных при расчетах, эти породы можно разделить на следующие группы по сопротивлению: I - малого: песчаники, сланцы с к>1,6; II - среднего: аргиллиты, алевролиты, песчаники, известняки с к=1,45...1,6; III - большого: мергель, известняк с к=1,2...1,45.

Рис. 4. Схема к расчету сопротивлений выработанных пространств при использовании рекомендуемой системы разработки.

С достаточной для практических расчетов точностью можно принять, что подсосы воздуха 0пр связаны с депрессией выработанного пространства относительно верхней точки лавы Ь прямой зависимостью с коэффициентом К:

где Б - площадь поперечного сечения воздуховода, м2; р - плотность воздуха, кг/м3.

Значения коэффициента К для различных пород в соответствии с принятой классификацией приведены в таблице.

Выработанное пространство отработанного столба - сектор 1

Выработанное пространство отрабатываемого столба - сектор 2

(6)

Таблица

Значения коэффициентов пропорциональности К

Группа породы по аэродинамическому сопротивлению Коэффициент разрыхления Коэффициент К

I более 1,6 (3,28-7,12)-103

II 1,45-1,6 (1,36-1,92) -Ю"3

III 1,2-1,45 (0,24-0,48) -10"'

Подсосы воздуха из выработанного пространства в выражении относительно расхода воздуха в концевом участке лавы характеризуются коэффициентом подсосов кпр:

кпр=1 +

КрОм 28 2

(7)

С учетом результатов лабораторных исследований были выполнены расчеты максимально допустимой нагрузки на лаву по газовому фактору (рис. 5.) при различных концентрациях метана в струе, поступающей в лаву из выработанного пространства.

14000 -- 3' -

^ 8000

т га

¡1 6000

(О

| 4000 >>

го 2000

0 10 20 30

Концентрация метана, % Рис. 5. Зависимости нагрузки на лаву от концентрации метана в выработанном пространстве.

Номера кривых на рисунке 5 соответствуют условиям: 1 и Г породы кровли I группы, сечение просека 4 и 10 м2; 2 и 2' - II груп-

пы, сечение 4 и 10 м2; 3 и 3' - III группы, сечение 4 и Юм2.

Как видно из рис. 5, концентрация метана в выработанном пространстве смежного отработанного столба, сечение воздуховода и проницаемость пород кровли оказывают значительное влияние на допустимую нагрузку на лаву.

Снижение максимально допустимой среднесуточной нагрузки на очистной забой при наиболее вероятной концентрации метана в метановоздушной струе, поступающей из выработанного пространства в лаву, может достигать 20-30% и более.

3. Использование рекомендуемой технологии разработки мощных пологих угольных пластов, включающей подготовку выемочного столба сдвоенными выработками с последующей отработкой целиков угля на одной линии с очистным забоем в сочетании с возвратноточной схемой проветривания выемочного участка, обеспечивает достижение па газовых шахтах среднесуточных нагрузок на очистной забой, сопоставимых с нагрузками, достигаемыми при оставлении неизвлекаемых целиков угля между выемочными столбами, и снижение эксплуатационных потерь полезного ископаемого на 10-12% и более.

При отработке целика между сдвоенными выработками на одной линии лавой необходимо обеспечивать надежное проветривание призабойного пространства не только на участке лавы между откаточным и вентиляционным штреками, но и в концевом участке лавы, равном ширине отрабатываемого целика (участок ВС, рис. 2).

Фактический расход воздуха в концевом участке лавы зависит от соотношения сопротивлений выработок выемочного участка и воздуховода, расположенного на границе выработанного пространства. В качестве воздуховодов могут быть использованы ходки шириной до 2,5 м, охраняемые со стороны выработанного пространства органной крепью, либо ставы металлических труб диаметром 0,6-1,4 м, укладываемые за лавами при отработке предыдущих смежных столбов. В качестве средств регулирования воздухорас-пределения между участком ВС (рис. 2) и другими выработками предполагается использовать вентиляторы ВЦГ-7М, УВЦГ-9, УВЦГ-15 и вентиляционные двери с окнами изменяемого сечения.

Струя воздуха может перемещаться вдоль целика по всей

длине столба или через ближайшую к лаве сбойку в целике поступать в исходящую струю в вентиляционном штреке. При использовании рекомендуемой схемы в качестве воздухоподающей выработки могут использоваться откаточный и вентиляционный штреки.

При различных сочетаниях влияющих горнотехнических факторов были разработаны рациональные схемы проветривания выемочного участка, для каждой из которых рассчитана максимально допустимая нагрузка на лаву. Требуемый расход воздуха определялся с учетом направления движения и степени свежести струи. В качестве примера на рисунках 6 а и б приведены графики зависимостей максимально допустимой по газовому фактору нагрузки на лаву, рассчитанной для условий шахты «Котинская» при отсутствии дегазации выработанного пространства, от параметров воздуховода.

Номера кривых на рисунке 6 а соответствуют следующим схемам: 1 - отработка лавы с оставлением целиков между выемочными столбами и проветриванием по возвратноточной схеме; 2 -проветривание по трубопроводу до ближайшей сбойки при установке в вентиляционном штреке 1 перемычки с окном сечением 0,5 м2; 3 - то же с использованием в качестве источника тяги вентилятора ВЦГ-7М; 4 - проветривание по трубопроводу до конца столба при установке в вентиляционном штреке 1 перемычки с окном сечением 0,5 м2; 5 - то же с использованием в качестве источника тяги вентилятора УВЦГ-9; 6 - то же с УВЦГ-15; 7 - то же с ВЦГ-7М.

Номера кривых на рисунке 6 б соответствуют следующим схемам: 1 - проветривание с подачей воздуха по вентиляционному штреку; 2 - отработка лавы с оставлением целиков между выемочными столбами и проветриванием по возвратноточной схеме; 3 -проветривания по просеку до ближайшей сбойки при установке в вентиляционном штреке 1 перемычки с окном сечением 0,5 м2; 4 -проветривание по просеку до конца столба при установке в вентиляционном штреке 1 перемычки с окном сечением 0,5 м2.

Как следует из графиков на рисунках 6 а и б, в горногеологических условиях, где система разработки с оставлением целиков угля между выемочными столбами позволяет вести отработку с максимально допустимой по газовому фактору нагрузкой на очистной забой 15000 т/сут, система разработки без оставления целиков

при различных параметрах технологической схемы обеспечивает нагрузку по данному фактору в интервале 2000-17000 т/сут.

16000

0,6 0,8 1 1,2 Диаметр трубопровода, м

4 6 8

Сечение просека, м2

Рис. 6. Графики зависимостей максимально допустимой нагрузки на лаву от параметров воздуховода.

Максимальная нагрузка - 17000 т/сут. достигается при схеме проветривания выемочного участка с подачей свежей струи по вентиляционному штреку и удалением исходящей по конвейерному штреку и просеку на границе с выработанным пространством.

Экономический эффект при использовании рекомендуемых схем только за счет уменьшения эксплуатационных потерь угля достигает 100 млн. руб. на один выемочный столб длиной 2000 м.

Социальный эффект при использовании данных технологических схем связан с повышением безопасности труда горнорабочих, что обусловлено применением возвратноточной схемы проветривания выемочного участка, характеризующейся минимальными утечками воздуха в выработанное пространство, а следовательно и минимальной вероятностью возникновения подземных пожаров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи - разработка технологических схем выемки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах, обеспечивающих снижение эксплуатационных потерь полезного ископаемого и высокие нагрузки на очистной забой при использовании современных

очистных механизированных комплексов.

1. К числу существенных недостатков получивших широкое распространение на шахтах Кузнецкого бассейна технологических схем с оставлением целиков угля в выработанном пространстве относятся: значительные эксплуатационные потери (до 10-12%) угля в целиках; увеличение числа (до 76%) эндогенных пожаров, связанных с оставлением целиков угля и поступлением воздуха в выработанное пространстве лавы.

2. При использовании рекомендуемой технологической схемы отработки мощных пологих угольных пластов, включающей выемку целиков на одной линии с лавой в сочетании с возвратноточ-ной схемой проветривания, максимально допустимую нагрузку на очистной забой по газовому фактору необходимо определять с учетом: характеристик метановоздушной смеси, поступающей из выработанного пространства ранее отработанного выемочного участка на верхнее сопряжение работающей лавы; группы обрушившихся пород кровли пласта по воздухопроницаемости; скорости воздуха на входе в воздуховод. Нагрузки на лаву, определенные с учетом и без учета данных факторов, могут отличаться в несколько раз.

3. Распространенные в настоящее время на шахтах Кузбасса комбинированные схемы проветривания выемочных участков в случае применения их при отработке пластов с кровлями Нб и IV типов по классификации ВНИМИ создают условия для возникновения пожароопасных удельных утечек (0,1-0,9 м3/мин-м2) в выработанное пространство, способствующих процессу самонагревания и дальнейшего самовозгорания угля, очагом которого в большинстве случаев являются целики, оставляемые между выемочными столбами.

4. Максимальные нагрузки на очистной забой при использовании рекомендуемой бесцеликовой технологии отработки мощного полого пласта обеспечиваются при проветривании концевого участка лавы, прилегающего к выработанному пространству, по схеме с подачей свежей струи по вентиляционному штреку. Величины среднесуточных нагрузок на лаву, достигаемые при использовании данной схемы, сопоставимы с величинами нагрузок при использовании широко распространенных в Кузбассе технологических схем с оставлением целиков угля в выработанном пространстве.

5. Областью рационального использования рекомендуемых технологических схем, являются пласты мощностью 3,5-4,5 м, с углами падения до 18°, имеющие смежные рабочие пласты на расстоянии 30-40 м по нормали к напластованию, склонные к самовозгоранию, внезапным выбросам угля и газа.

6. Использование рекомендуемых технологических схем позволяет вести отработку мощного пологого угольного пласта в условиях газовых шахт с суточной нагрузкой на очистной забой от 8 до 17 тыс. т. Экономический эффект от внедрения рекомендуемой технологии, получаемый за счет добычи и реализации дополнительных запасов, в пределах крыла панели оценивается в 150-500 млн. руб.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Елькин B.C. Оценка потенциальных возможностей бесце-ликовой системы разработки мощных пологих пластов // Горная промышленность. №3. М. 2011. с. 46-49.

2. Елькин B.C. Проблемы безопасного повышения нагрузки на очистной забой // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. №2. М. 2012. с.33-37.

3. Елькин B.C. Повышение эффективности проветривания очистного забоя при бесцеликовой технологии отработки пласта // Записки Горного института. Том 195. С-Пб. 2012 г. с.95-97.

В прочих изданиях:

4. Елькин B.C. Особенности проветривания выемочных участков при бесцеликовой технологии отработки пологих мощных угольных пластов на газовых шахтах // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 8-й научно-практической конференции - Воркута. 2010.С.201-205.

5. Елькин B.C. Воздухораспределение на выемочном участке при использовании фланговых скважин // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: Материалы 7-ой научной школы молодых ученых и специалистов - Москва. 2010.С.337-340.

6. Патент №2441160 России, МПК7 Е21 С 41/18. Способ подземной разработки угольных пластов. / В.П. Зубов, B.C. Елькин -Опубл. 27.01.12.

РИЦ СПГГУ. 19.04.2012. 3.268 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Елькин, Вячеслав Сергеевич, Санкт-Петербург

61 Т1-ЪГ6Ь2и

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет

На правах рукописи

ЕЛЬКИН Вячеслав Сергеевич

Разработка технологических схем отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

I. АНАЛИЗ ПРАКТИЧЕСКОГО ОПЫТА ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ГАЗОВЫХ ШАХТАХ............................................................................................8

1.1. Анализ опыта применения известных систем разработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах...........................................................................................................8

1.1.1. Системы разработки и схемы проветривания выемочных участков..........................8

1.1.2. Оценка требований нормативных документов, регламентирующих оставление целиков при отработке пологих угольных пластов.............................................................15

1.2. Анализ опыта охраны повторно используемых участковых подготовительных выработок при бесцеликовой отработке пласта.......................................................................17

1.3. Влияние параметров системы разработки и горно-геологических условий на нагрузку на очистной забой при отработке пологих угольных пластов................................................34

1.4. Опыт применения бесцеликовых систем разработки пологих угольных пластов.........50

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1..................................................................................................................54

II. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВЕЛИЧИНУ НАГРУЗКИ НА ЛАВУ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ.....................56

2.1. Основы и принципы работы схемы проветривания с частичным удалением исходящей струи по воздуховодам................................................................................................................56

2.2. Проветривание за счет общешахтной депрессии по схемам а и д рис. 2.2....................62

2.3. Проветривание за счет общешахтной депрессии по схемам б, е и з рис. 2.2.................68

2.4. Проветривание с помощью вентилятора по схеме в рис. 2.2...........................................69

2.5. Проветривание с помощью вентилятора схеме г рис. 2.2................................................71

2.6. Проветривание за счет общешахтной депрессии по схеме ж рис. 2.2...........................72

2.7. Влияние схемы проветривания выемочного участка на величину нагрузки на лаву при отработке мощных пологих угольных пластов........................................................................73

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.................................................................................................................93

III. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОВЕТРИВАНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ЛАВ ПРИ ОТРАБОТКЕ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ...............................................97

3.1. Методика исследований.......................................................................................................98

3.2. Характеристика горно-геологических условий отработки пластов на участках проведения исследований.........................................................................................................102

3.3. Результаты шахтных исследований распределения воздуха в лавах............................117

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.............................................................................................................138

IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТЬ ОБРУШЕННЫХ ПОРОД......................................................140

4.1. Известные методы оценки аэродинамического сопротивления выработанного пространства..............................................................................................................................140

4.2. Методика лабораторных исследований влияния горнотехнических факторов на воздухопроницаемость обрушенных пород............................................................................143

4.3. Результаты исследований фильтрации воздуха через обрушенные породы................146

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.............................................................................................................168

V. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕКОМЕНДУЕМОЙ БЕСЦЕЛИКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ.................170

5.1. Рекомендуемая технологическая схема и ее параметры................................................170

5.2. Методика расчета экономической эффективности применения рекомендуемой технологии..................................................................................................................................172

5.3. Результаты расчета экономической эффективности применения рекомендуемой технологии..................................................................................................................................175

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ V...............................................................................................................178

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...............................................................................................................180

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних 15-20 лет на шахтах Кузнецкого бассейна широкое распространение получили технологические схемы, основанные на использовании системы разработки длинными столбами с оставлением между выемочными участками не извлекаемых целиков угля в сочетании с комбинированными схемами проветривания выемочных участков, при которых часть воздуха поступает из лавы в выработанное пространство для изолированного отвода мета-новоздушной смеси на поверхность.

Использование данных технологических схем обычно мотивируется необходимостью снижения затрат на поддержание участковых подготовительных выработок, повышения эффективности проветривания лав с целью достижения высоких нагрузок на лаву по газовому фактору и изоляции эндогенных пожаров, возникающих в выработанных пространствах.

К числу недостатков этих технологических схем относятся: значительные эксплуатационные потери (до 10-12%) угля в целиках, величины которых возрастают при переходе горных работ на более глубокие горизонты; увеличение числа (до 76%) эндогенных пожаров, связанных с оставлением целиков угля и поступлением воздуха в выработанное пространстве лавы; повышенная выбро-со- и удароопасность пластов; существенное осложнение горнотехнических условий отработки сближенных пластов.

Большой вклад в решение проблемы создания ресурсосберегающих экономически эффективных и безопасных технологий подземной разработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях внесли A.A. Борисов, Ю.В. Громов, Н.П. Бажин, В.В. Райский, К.А. Ардашев,

В.П. Зубов, Ю.Н. Кузнецов, М.И. Устинов, Г.И. Козовой, А.Д. Рубан, Н.К. Гринько, В.Е. Зайденварг и др. исследователи.

Основные задачи исследований:

5. Определение области рационального использования рекомендуемой технологии.

Методы исследований. При выполнении работы был принят комплексный метод исследований, включающий в себя: анализ и научное обобщение ранее опубликованных в горнотехнической литературе работ по применяемым системам разработки мощных пологих угольных пластов; теоретические исследования распределения расходов воздуха по выработкам и воздуховодам участка, концентрации метана и максимально допустимой нагрузки на очистной забой по фактору проветривания; шахтные исследования воздухораспределения в выработках выемочного участка; лабораторные исследования процессов фильтрации воздуха через обрушенные породы при различной величине горного давления.

Научная новизна:

Практическая значимость работы:

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается их соответствием результатам, полученным при проведении шахтных и лабораторных исследований; использованием современных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении шахтных и лабораторных исследований.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобр-науки России, получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 190 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 93 источников, включает 77 рисунков и 28 таблиц.

I. АНАЛИЗ ПРАКТИЧЕСКОГО ОПЫТА ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА ГАЗОВЫХ ШАХТАХ

1.1. Анализ опыта применения известных систем разработки мощных пологих

угольных пластов на газовых шахтах

1.1.1. Системы разработки и схемы проветривания выемочных участков

Наибольшее распространение в Кузбассе при отработке пологих пластов угольных пластов мощностью до 5 м получила система разработки длинными столбами по простиранию в варианте «лава-ярус» (рис. 1.1). При данной системе разработки подготовка столбов заключается в проведении ярусных штреков от основных подготовительных выработок панели до границ панели с последующей отработкой столба обратным ходом. На участках с газообильностью до 10 м /мин применяют возвратноточную схему проветривания, выемочные выработки проходят вприсечку к выработанному пространству [1].

—»И—

Рис. 1.1. Система разработки длинными столбами по простиранию.

На пологих пластах мощностью 2,5-5 м подготовку выемочных столбов производят одиночными или спаренными штреками с последующим погашением временного целика угля шириной 20-30 м, оставляемого между штреками (рис. 1.2). При отработке выемочного столба на пластах с достаточно устойчи-

вой кровлей вентиляционный просек проводят вприсечку участками по 100-150 м через сбойки навстречу лаве. Это позволяет сократить затраты на его поддержание.

Рис. 1.2. Бесцеликовая система разработки с проведением просеков навстречу лаве: 1 и 2 - конвейерные и вентиляционные штреки.

Использование спаренных штреков позволяет поддерживать впереди лавы два вентиляционных штрека, один из которых находится в благоприятных условиях поддержания и по нему проходит основная часть исходящей из лавы вентиляционной струи воздуха. Однако при этом увеличивается объем проведения подготовительных выработок и возникают трудности при переходе лавой сбоек, особенно на пластах, опасных по горным ударам.

На шахте «Распадекая» [2, 3, 4] при отработке пласта 7-7а мощностью 3,9-5 м с труднообрушаемыми породами основной кровли возникли сложности с поддержанием просека, проводимого вприсечку к угольному массиву впереди забоя лавы. Поэтому при подготовке выемочного столба отказались от его проведения. В порядке эксперимента стали проветривать верхнюю тупиковую часть лавы с отводом исходящей струи воздуха через выработанное пространство с помощью вентилятора ВМЦГ-7 (рис. 1.3). Газообильность выемочного участка при этом не превышала 5 м3/мин. В лаве длиной 120 м применяли механизированный комплекс оборудования типа КМ 142 с комбайном. Средняя нагрузка на лаву в течение 1989-1990 гг. составила 4050 т/сут., производительность труда рабочего очистного забоя - 65 т/смену, эксплуатационные потери угля не превышали 5-6%. Однако данный вариант не может рассматриваться

как перспективный, поскольку движение воздуха в выработанном пространстве создает большую опасность самовозгорания угля.

Рис. 1.3. Бесцеликовая система разработки с проветриванием тупикового участка лавы через выработанное пространство.

Как указывают авторы [5], в Кузбассе в 2003 г. наивысшие показатели были достигнуты при отработке средней мощности и мощных пластов, подготовленных спаренными выработками с широкими целиками между ними, отрабатываемых впоследствии на одной линии с лавой при комбинированной схеме проветривания (рис. 1.4). По такой схеме работал участок 5а-6-16 на шахте «Распадская», где с помощью комплекса оборудования фирмы «Джой» было добыто 2378,3 тыс. т/год. Существует также вариант данной системы разработки с восходящим движением воздуха по лаве (рис. 1.5).

Применяют также вариант системы разработки длинными столбами по простиранию с охраной выработок целиками угля шириной 10-15 м на глубинах, где горное давление не превышает несущую способность этих целиков, и возвратноточной схемой проветривания [1].

Системы разработки с оставлением целиков угля между выемочными столбами применяются на всех шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», в том числе разрабатывающих мощные пласты - шахта им. 7 Ноября, №7, Талдинская-Западная-1, Котинская. На данных шахтах целики оставляются для удаления метановоздушной смеси из выработанного пространства, прилегающего к при-

забойному, в дренажную выработку, параллельную вынимаемому столбу, через ближайшую заднюю сбойку или скважину в целике (рис. 1.6). В дальнейшем дренажный штрек используется в качестве конвейерного.

Рис. 1.4. Бесцеликовая система разработки длинными столбами по простиранию при прямоточной схеме проветривания выемочного участка.

Рис. 1.5. Бесцеликовая система разработки с разделением воздушных потоков в

выработанном пространстве.

Либо возмо�

Информация о работе

Елькин, Вячеслав Сергеевич
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2012
ВАК 25.00.22

Диссертация

Разработка технологических схем отработки мощных пологих угольных пластов на газовых шахтах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы