Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Региональные технологические решения по охране окружающей среды при выемке угольных пластов в сложных гидрологических условиях

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Лукьянова, Галина Викторовна, Владивосток

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВА ГАЛИНА ВИКТОРОВНА

РЕГИОНАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ВЫЕМКЕ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ (НА ПРИМЕРЕ ШКОТОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРИМОРСКОГО КРАЯ).

Специальность: 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: | доктор технических наук,

профессор Нисковский Ю.Н.

ладивосток -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 3

1. АНАЛИЗ ОПЫТА РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОД

ВОДНЫМИ ОБЪЕКТАМИ.

1.1. Краткий анализ разработки угольных месторождений под водными объектами России....................................................................12

1.2. Анализ опыта разработки месторождений под водоемами на шахтах Дальневосточного региона............... .........................................16

1.3. Зарубежный опыт подработки водных объектов..............................23

1.4. Анализ опыта работ под водоемами в ближнем зарубежье................28

ВЫВОДЫ..................................................................................33

2. ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРА ДЕФОРМАЦИИ И ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ У Г ЛЕВ МЕЩ А ЮЩИ X ПОРОД.

2.1. Краткое геологическое строение Шкотовского месторождения угля... .34

2.2. Исследования гидрогеологических и фильтрационных свойств вмещающих пород..................................................................45

2.3. Исследования физико-механических свойств пород........................49

2.4. Исследование характера деформации пород на моделях из эквивалентных материалов.......................................................54

2.5. Исследование внезапных прорывов воды и пульпы, их причины, разработка гипотезы прорывов на Шкотовском месторождении.........66

2.6. Анализ экономического ущерба от внезапных прорывов воды и пульпы по шахте им. Артема......................................................80

ВЫВОДЫ..................................................................................88

3. ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ОХРАНУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, НЕДР И БЕЗОПАСНОСТЬ УСЛОВИЙ РАЗРАБОТКИ (ДЛЯ ШКОТОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ).

3.1 . Разработка угольных пластов методом СГД.................................89

3.2 . Общая организация работ.........................................................97

3.3 . Разработка угольных работ методом НГУ...................................107

3.3.1. Краткий анализ опыта работы станции «Подземгаз».....................107

3.3.2. Горно-геологическая характеристика пласта VI...........................110

3.4.3. Технологические аспекты ПГУ................................................112

ВЫВОДЫ..................................................................................И 7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................119

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................133

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. На современном этапе рыночных отношений в угольной промышленности возникли региональные диспропорции, обуславливающие необеспеченность угольным топливом тепло- и электростанции. Таким регионом является Дальний Восток и в частности Приморский край, в котором имеются достаточно большие запасы угля и в то же время недостает энергоресурсов.

Возникла задача более полного освоения собственных угольных месторождений и развития добычи угля в Приморье. Решение этой задачи зависит от многих факторов среди них рассмотрение взаимосвязи понятий «устойчивое развитие» и «безопасность». Таким образом, проблема повышения технологической безопасности с позиций устойчивого развития горнодобывающей отрасли должна базироваться на разработке регионального комплекса технических решений, учитывающих геоструктурные особенности месторождений Дальнего Востока. При интенсивном освоении угольных месторождений большую актуальность приобретает задача увеличения полноты использования недр с учетом безопасного ведения горных работ, их экономической целесообразности и экологических последствий. На осуществление природоохранных мероприятий в угольной промышленности Приморья в 1997 году затрачено капитальных вложений в действующих ценах 7 млрд. рублей. Экологические платежи по угольной промышленности Приморья за 1996 год составили 1358 млн.рублей (130 рублей на 1 тонну добычи угля). Основную часть платежей в пределах установленных нормативов составили выплаты за допустимые выбросы вредных веществ в атмосферу - 31%, выплаты за загрязнение водных объектов и выбросы (сбросы) сверх установленных нормативов - 73%.

В условиях рыночных отношении плата за невыполнение мероприятии по природоохранной деятельности тяжелым бременем ложится на предприятие. Необходимо по-новому решать вопросы охраны и безопасности труда, реально

оценивать материальные возможности и техническую эффективность принимаемых решений, совершенствовать старые и создавать новые технологии выемки.

Нами детально рассмотрен вопрос аварийности на шахте им.Артема по прорывам воды и породы в горные выработки. Затопление горных выработок, 1% от всех подобных аварий, - шахта им.Артема. Из всего количества эндогенных пожаров на шахту им. Артема падает 36,4% (в 1995 году затраты по ликвидации 3 эндогенных пожаров составили 308млн. рублей). Все это не способствовало охране окружающей среды и рациональному использованию недр.

Один из путей решения этой проблемы лежит в плоскости исследования возможности извлечения законсервированных запасов угля под водными объектами, к числу которых относятся водоемы и водотоки на поверхности, а также мощные водоносные горизонты в подрабатываемой толще пород. Проблема разработки угольных месторождений под водными объектами особенно актуальна для Дальнего Востока, изобилующего озерами и реками, имеющего шельфовую зону большой протяженности и площади. По оценке Ю.Н.Нисковского [27] на шахтах Дальневосточного региона под различными водными объектами сосредоточено свыше 200мл и. т разведанных запасов угля.

Наибольшую опасность при разработке угольных пластов в сложных гидрогеологических условиях представляют собой внезапные прорывы воды в горные выработки, угрожающие здоровью и жизни людей. Во многих случаях недопустимыми являются также значительные притоки воды в выработки шахт, поскольку они ухудшают санитарно-гигиенические условия труда, требуют дополнительных затрат на водоотлив, снижают производительность добычных механизмов и приводят к их преждевременному износу.

Подработка водных объектов связана с решением целого ряда вопросов, важнейшим из которых является определение безопасной глубины ведения

горных работ, при которой зона водопродящих трещин, образующаяся над выработанным пространством, не достигает нижней границы водного объекта. Условия безопасной выемки угля под водными объектами регламентируется «Правилами охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [52] , однако они недостаточно учитывают комплекс горно- и гидрогеологических условий конкретного месторождения.

Анализ опыта разработки угольных месторождений под водными объектами показывает, что литологический состав и физико-механические свойства горных пород при использовании различных технологических схем выемки оказывают различное влияние на высоту зоны водопроводя щих трещин. Так, при обладании в кровле пласта крепких горных пород типа песчаников и известняков и при достаточно больших размерах выработанного пространства, соответствующих условиям полной подработки, зона водопроводящих трещин распространяется на большую высоту, чем в случае преобладания слабых глинистых пород. В то же время, при небольших размерах выработанного пространства, когда создаются условия для зависания крепких горных пород, зона водопроводящих трещин при преобладании таких пород может иметь значительно меньшую высоту, чем в слабых породах [39,40,41,42]. Таким образом, использование несущей способности мощных и прочных породных слоев (пород-мостов) при применении камерных систем разработки позволяет значительно уменьшить безопасную глубину подработки водных объектов и сократить потери в предохранительных целиках.

Безопасность и экономическая эффективность применения камерных систем разработки определяются в первую очередь шириной камеры и междукамерных целиков. Имеющиеся методы расчета этих параметров либо недостаточно учитывают многофакторность условий деформирования подрабатываемой породной толщи, либо вследствие громоздкости математического аппарата не находят практического применения. Кроме того, ни в одном из расчетных

методов не рассматриваются условия его использования при разработке угольных месторождений под водными объектами. Это приводит к тому, что в производственных условиях решение о геометрических параметрах камерных систем разработки часто принимается произвольно или на основании опыта ведения горных работ на других участках шахтного поля.

Такой подход нельзя признать обоснованным ввиду крайнего разнообразия свойств утлепородного массива.

На безопасность подработки водных объектов весьма значительное влияние оказывает тектоническая нарушенность, в той или иной мере свойственная всем угольным месторождениям. Это влияние сказывается в изменении характера деформирования углепородного массива и способности тектонических нарушений являться проводниками водного потока в выработки шахт.

В практике разработки как угольных, так и рудных месторождений в сложных гидрогеологических условиях накоплен определенный опыт применения различных методов и приемов технологического характера, позволяющий повысить устойчивость обнажений и увеличить безопасность труда. К таким приемам относятся, прежде всего, определенный порядок отработки одиночного пласта и свиты, регулирование устойчивости элементов системы разработки за счет оптимизации ее параметров.

Анализ опыта работы горнодобывающих предприятии в этих условиях показывает, что несмотря на отдельные научно-технические разработки здесь отсутствует единый комплекс научно обоснованных методических положений по проектированию технологии разработки месторождений в сложных гидрогеологических условиях.

Создание такого методического комплекса и внедрение его в практику проектирования составляет актуальную народнохозяйственную проблему, решение которой позволит значительно повысить безопасность и эффективность горного производства, снизить потери полезного ископаемого.

Цель диссертационной работы. Научно обосновать и разработать региональный комплекс технологических решений по охране труда и окружающей среды, обеспечивающих безопасную и эффективную разработку месторождений под водоемами и в сложных гидрогеологических условиях, рациональное использование природных ресурсов.

Сформулированная цель работы определила постановку и решение следующих основных задач:

- разработка расчетного метода определения геометрических параметров выемки угля под водными объектами, достаточно полно отражающего характер деформирования горного массива и доступного для использования в производственных условиях;

- установление зависимостей величин напряжении, возникающих в утлепородном массиве при использовании камерных систем разработки, от комплекса влияющих факторов;

- разработка новых бесшахтных способов добычи угля в сложных гидрогеологических условиях, позволяющих снизить потери угля и повысить использование природных ресурсов.

Методы исследований. Для решения перечисленных задач применялись следующие методы исследований: анализ научно-технической и нормативной литературы, научное обобщение опыта разработки угольных пластов под водными объектами, методы математического моделирования на ЭВМ, метод теории упругости, метод промышленных и лабораторных экспериментов.

Идея работы заключается в том, что основная цель может быть достигнута созданием новой методики расчета безопасных параметров существующих технологий добычи угля. Их усовершенствование, исключающее критические деформации пород и прорывы воды (пульпы). Создание новых технологий безлюдной выемки, обеспечивающих безопасную и эффективную разработку месторождений под водными объектами.

Научная новизна и значимость работы заключается в:

- разработке новой методики расчета параметров выемки угольных пластов в сложных гидрогеологических условиях, позволяющей учитывать при деформации породных слоев кривизну излома и их проскальзование;

- выборе исходных данных и комплексной оценке гидрогеологических, экологических, социальных и экономических условий освоения угольных месторождений скважинной технологией;

- разработке гипотезы пульсирующих прорывов воды из обводненных песчаников, с обрушением межслоевых толщ пород и вовлечением в прорыв вышележащих водоносных горизонтов, способствующей безаварийной отработке угольных пластов, рациональной их отработке.

Научные положения, выносимые на защиту:

- гипотеза технологической безопасности, обеспечивающаяся оптимальными параметрами устойчивости массива, исключающими прорывы воды (пульпы), нарушение экологического состояния окружающей среды и поверхности при подработке;

- методика аналитического исследования напряженного состояния горного массива для определения устойчивых пролетов пород покрывающей толщи и размеров междукамерных целиков при разработке угольных месторождений под водными объектами;

- новые бесшахтные технологии разработки одиночного пласта и свиты пластов в сложных гидрогеологических условиях.

Научные положения разработанные лично соискателем:

1. Метод оценки технологической, социальной и экологической безопасности разработки угольных пластов в сложных гидрогеологических условиях.

2. Расчетный метод определения геометрических параметров выемки угля под водными объектами, который позволяет определять критические деформации породных слоев и учитывать искривление поперечных сечений и проскальзывание слоев.

3. Гипотеза импульсивных прорывов воды (пульпы) при подработке слоистых песчаных линз и меры борьбы с прорывами, обеспечивающих безопасность работ, исключение потерь полезного ископаемого, рациональное использование топливных ресурсов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждаются:

- значительным объемом шахтных, лабораторных и инструментальных

исследований характера деформации пород и углевмещающего массива;

- обоснованностью принятых в теоретических исследованиях рассуждений, не оказывающих существенного влияния на результаты расчета напряжений в горном массиве;

удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментально определенных параметров деформированного состояния кровли очистных выработок;

внедрением предлагаемых технических и технологических решений при отработке лав по пластам IV и VI шахты им. Артема, проектом применения скважинной технологии на законсервированных запасах шахты им. Артема. Практическая ценность работы:

- предложены методы определения геометрических параметров системы разработки угольных пластов, позволяющие значительно повысить безопасную выемку полезного ископаемого под водными объектами, обеспечивая рациональное использование недр Шкотовского утольного месторождения, в том числе на поле бывшей шахты им. Артема и шельфе Амурского залива;

- разработаны практические рекомендации на выемку одиночного наклонного пласта и свиты угольных пластов в сложных горногеологических условиях Шкотовского и Северного Партизанского месторождений. Применен метод скважинной технологии, исключающих проявление вредных факторов

(прорывы воды, пульпы, взрыв угольной пыли, самовозгораемость угля, травматизм), имевших место при подземных работах.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы при выполнении программ научно-исследовательских работ по темам: 46 - 96-2 «Исследование и обоснование возможности отработки запасов по пласту п2в выше горизонта 140м под поймой реки на шахте «Авангард»; 46-97-2 «Исследование и определение рациональных параметров разработки пласта п2б на участке Белореченский» шахты «Авангард»; ГБ 53.2.4.98 «Новые процессы максимального извлечения полезных ископаемых на шельфе». Внедрение результатов исследований позволило извлечь свыше Ютыс. тонн угля из предохранительного целика под поймой р. Белая на шахте «Авангард» ОАО «П риморскугол ь».

Теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе Горного института Дальневосточного Государственного технического университета в программе курса «Управление состоянием массива горных пород», в курсов