Совершенствование подготовки фронта очистных работ угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях

Феофанов, Григорий Леонартович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование подготовки фронта очистных работ угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование подготовки фронта очистных работ угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях"

КОНТРОЛЬНЫ

ЭКЗЕМПЛЯР

ФЕОФАНОВ Григорий Леонартович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДГОТОВКИ ФРОНТА ОЧИСТНЫХ РАБОТ УГОЛЬНЫХ ШАХТ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (под-земная,

открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мдР 2012

г. Магнитогорск 2012 г.

005015055

Работа выполнена в ОАО «Научно-технический центр угольной промышленности по открытым горным разработкам - Научно-исследовательский и проектно-конструкгорский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом» (ОАО «НТЦ-НИИОГР»).

Научный руководитель: доктор технических наук

Артемьев Владимир Борисович

Официальные оппоненты: Мелышк Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет», г. Москва зав. кафедрой «Подземная разработка пластовых месторождений»

Голотвнн Алексей Дмитриевич

кандидат технических наук ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», г. Екатеринбург доцент кафедры «Горное дело»

Ведущая организация: Институт горного дела Уральского отделения

Российской академии наук (ИГД УрО РАН), г. Екатеринбург

Защита состоится 22 марта 2012 г. в «13-00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.02 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан «21» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета . доктор технических наук

Корнилов С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Освоение угольными шахтами России новых технологий и внедрение высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности позволило перейти к ведению горных работ 1-2 лавами с производительностью очистного забоя 3-4 млн.т угля в год. Однако такая организация производства затруднена на шахтах, отрабатывающих месторождения в сложных гидрогеологических условиях, присущих северовосточному и дальневосточному регионам страны. Эти условия характеризуются значительной неравномерностью водопротоков в горные выработки, обусловленной обводненностью массива, сезонностью атмосферных осадков и наличием вечной мерзлоты. Водоприток может изменяться в 2-2,5 раза в течение года и достигать 3000-3500 м3/ч.

Производственный опыт показывает, что интенсификация очистных работ предопределяет высокий уровень требований к таким процессам как подготовительные работы и водоотлив. Применение единичных технологических решений по поверхностному водоотведению, строительству гидросооружений, корректировке технологических параметров не приводит к ожидаемому результату - повышению эффективности и безопасности производства. В связи с этим актуальной становится разработка комплекса взаимосвязанных во времени и пространстве решений, позволяющего существенно сократить затраты на подготовку фронта очистных работ, что определило выбор темы и постановку цели диссертационной работы.

Целью работы является разработка комплекса организационно-технологических решений по совершенствованию подготовки фронта очистных работ для повышения эффективности и безопасности функционирования угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях.

Идея работы состоит в определении зависимостей скорости проведения горных выработок от водопротоков и сезонного характера их формирования в условиях вечной мерзлоты и их использовании при разработке решений по подготовке фронта очистных работ.

Объект исследования — процесс подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах, отрабатывающих месторождения в сложных гидрогеологических условиях.

Предмет исследования - влияние гидрогеологических условий на скорость проведения горных выработок при подготовке фронта очистных работ на угольной шахте.

Основные задачи исследования:

- анализ и обобщение опыта подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях;

- оценка влияния гидрогеологических условий на скорость подготовки фронта очистных работ при интенсификации отработки запасов;

- установление зависимости скорости проведения горных выработок от водопротока;

- разработка комплекса организационно-технологических решений, соответствующего гидрогеологическим условиям и обеспечивающего необходимую скорость, эффективность и безопасность подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах;

- апробация в производственных условиях разработанного комплекса решений, направленного на совершенствование подготовительных работ.

Положения, выносимые на защит}':

1. Основными факторами, определяющими технологические решения по обеспечению необходимой скорости подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях, являются структура и сезонность водопритоков, площадь, вовлеченная в отработку, а также наличие зоны вечной мерзлоты.

2. Скорость проведения нисходящих горных выработок в сложных гидрогеологических условиях при увеличении водопритока снижается-по логарифмической зависимости - от максимальной по техническим возможностям оборудования, до значения, при котором необходима разработка и реализация специальных организационно-технологических решений.

3. Обеспечение необходимой скорости, эффективности и безопасности подготовительных работ в сложных гидрогеологических условиях осуществляется комплексом решений, включающим меры по снижению водопритока на поверхности, применение технологических схем разработки пластов, учитывающих значительные водопритоки, планирование порядка проведения горных выработок с учетом пиковых водопритоков.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- выявлены и количественно оценены факторы, определяющие влияние гидрогеологических условий на скорость подготовки фронта очистных работ при интенсификации отработки запасов угольных шахт;

- установлена зависимость скорости проведения нисходящих горных подготовительных выработок от водопритока, имеющая логарифмический вид;

- разработан и обоснован комплекс организационно-технологических решений, обеспечивающий необходимую скорость проведения выработок в сложных гидрогеологических условиях и своевременную подготовку фронта очистных работ.

Методы исследований. В работе использован комплексный подход, включающий анализ параметров технологических процессов, календарное планирование подготовки фронта очистных работ, методы системного и структурно-функционального анализа, научного обобщения, математической статистики, экспертных оценок, экономико-математического моделирования.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных методов исследований, представительным объемом экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью теоретических положений и результатов с результатами практической реализации разработанного комплекса решений в условиях действующей шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь».

Практическая значимость работы состоит в увеличении на 25-30% скорости проведения подготовительных горных выработок, сокращении на 5-10% время окошуривания лавы в условиях шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь», за счет реализации разработанного комплекса организационно-технологических решений по совершенствованию подготовки фронта очистных работ.

Реализация работы. Результаты исследований использованы при разработке и внедрении рабочих проектов отработки месторождений и подготовки фронта очистных работ в ОАО «Ургалуголь», рекомендованы к применению во всех территориальных подразделениях ОАО «СУЭК».

Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения работы докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2011 г.), научных семинарах ОАО «НТЦ-НИИОГР» (Челябинск, 2007-2011 гг.), научно-технических советах предприятий и компаний ОАО «СУЭК», ОАО «Ургалуголь» и др.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 5 работах, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из ПО наименований и содержит 125 страниц машинописного текста, 23 рисунка, 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы научные положения, отмечены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе на основе анализа состояния и перспектив развития угледобычи на месторождениях в сложных гидрогеологических условиях определено влияние данных условий на скорость подготовки фронта очистных работ при интенсификации отработки запасов. Приведено краткое описание месторождений и шахт, осуществляющих добычу угля при повышенных водопритоках. Проанализирована научно-методическая база по направлению исследования.

Во второй главе приведены результаты исследования влияния водопротоков на скорость проведения горных выработок при подготовке фронта очистных работ на угольной шахте. Обоснованы организационно-технологические решения, обеспечивающие требуемую скорость проведения подготовительных работ в сложных гидрогеологических условиях посредством строительства поверхностного комплекса осушения, формирования технологических схем с водоотведением, уменьшения влияния структуры и сезонности водопритока и определения порядка проведения горных выработок. Разработанные решения систематизированы в виде комплекса.

В третьей главе представлен разработанный алгоритм подготовки фронта очистньк работ, определены принципы формирования комплекса решений и приведены результаты его реализации при подготовке фронта очистных работ в сложных гидрогеологических условиях.

В четвертой главе представлены результаты апробации разработанного комплекса решений в ОАО «Ургалуголь» и оценена эффективность и безопасность работ в сложных гидрогеологических условиях при интенсификации отработки запасов.

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Основными факторами, определяющими технологические решения по обеспечению необходимой скорости подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях, являются структура и сезонноапь еодопритоков, площадь, вовлеченная в отработку, а также наличие зоны вечной мерзлоты.

Вопросы технологии и повышения эффективности подземной угледобычи рассмотрены многими известными учеными и специалистами, такими как: К.А. Ардашев, Н.П. Бажин, A.A. Борисов, Ф.П. Бублик,

A.C. Бурчаков, Ф.Н. Воскобоев, В.Е. Зайденварг, В.П. Зубов, МА. Иофис, О.И. Казанин, О.В. Ковалев, ГЛ. Козовой, Г.И. Коршунов, ЮЛ. Кузнецов,

B.В. Мельник, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, JI.A. Пучков, В.В. Райский, М.А. Розенбаум, А.Д. Рубан, С.В. Сластунов, МЛ. Устинов, В.Н. Фрянов, BJM. Шик и др. Вместе с тем вопросы совершенствования параметров подготовки фронта очистных работ в сложных гидрогеологических условиях, особенно на шахтах с высокой степенью обводненности, отрабатывающих месторождения Анадырского, Беринговского, Южно-Якутского, Раздоль-ненского, Буреинского угольных бассейнов, требуют дополнительных исследований.

Согласно методическим руководствам, месторождения по степени сложности гидрогеологических условий разделяются на три тша: с простыми, сложными и очень сложными условиями.

Сложные и очень сложные гидрогеологические условия на шахтах характеризуются наличием: поверхностных водотоков или водоемов, с которыми распространенные на месторождении водоносные горизонта имеют непосредственную связь; водопроницаемых покровных отложений, оврагов, а также крупных тектонических нарушений, связанных с поверхностными водоемами и водотоками; напорных вод в подмерзлотной талой зоне. Считается, что приток воды в шахту может достигать 300-500 м3/ч.

Анализ работы угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях выявил, «по:

- водопритоки в сложных условиях существенно превышают значения, установленные по принятым классификациям, и фактически достигают 3600 MVH.

- на величину водопритока, при интенсивной отработке запасов существенное влияние оказывает площадь отработанного пространства, что подтверждается результатами корреляционного анализа. Так, увеличение в 4 раза вовлекаемой в отработку площади шахты «Северная» ОАО «Ургал-уголь» вызвало возрастание среднегодового водопритока в 2,8 раза - со 192 м /ч в 2005 г. до 533 м К в 2009 г. (рис. 1а). На аналогичных предприятиях наблюдается похожая динамика (рис. 1б,в,г).

- важным фактором, который необходимо учитывать при интенсивной отработке запасов в сложных гидрогеологических условиях, является структура водопритока - наличие поверхностных и подземных вод. Структуру водопритока, помимо разделения по источникам, целесообразно разделять на условно-постоянную и условно-переменную части.

Учет вышеперечисленных факторов позволяет дифференцировать решения по водоотведению на долговременные и оперативные и, соответственно, обоснованно устанавливать необходимые параметры системы водоотлива.

а) Шахта «Северная» ОАО «Ургалуголь», 2000-2010 гг.

<Зв,М!/ч

б) Шахта «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс», 2004-2010 гг.

0в,м3/ч

500 600

Н, тыс.м2/год

в) Шахта «Денисовская» ООО УК «Нерюнгриуголь», 2004-2009 гг.

<3в,м!/ч

700 ■

600 500 400 300 200 100 о

<2в-=0,065а- [,168 + 325,55 Я'= 0,85

г) ШУ «Восточное» ОАО «СУЭК», 2000-2009 гг.

дв.м1^

140 120 100 ■ 80 60 40 20 0

Ов=0,24Б+75,49 Я'=0,45

8,тыс.мг/год (2в - среднегодовой водоприток в шахту 8 - площадь, вовлекаемая в отработку

Рисунок 1 - Влияние отработанной площади на среднегодовой водоприток

150 200

Х,тыс.м3/год

Важным фактором, который необходимо учитывать при интенсивной отработке запасов в сложных гидрогеологических условиях, является структура водопритока - наличие поверхностных и подземных вод. Структуру водопритока, помимо разделения по источникам, целесообразно разделять на условно-постоянную и условно-переменную часта. Такое деление позволяет дифференцировать решения по водоотведению на долговременные и оперативные и, соответственно, обоснованно устанавливать необходимые параметры системы водоотлива.

Для шахт «Северная» и «Ургал», имеющих единый водоотлив, установлено, что условно-постоянный среднемесячный водоприток составляет 1500 м3/ч, максимальные значения равны 2500-3500 м^ч (рис. 2). Следовательно, изменяемая часть структуры водоотлива по мощности сопоставима с постоянной частью, а затраты на нее должны быть существенно (в разы) ниже, так как действует она менее половины календарного фонда времени.

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь нояорь декибрь Мссяц

Рисунок 2 - Динамика водопритоков по месяцам года (шахты «Северная» и «Ургал» ОАО «Ургалуголь», 2000-2009гг.)

Переменная часть водопритоков, как правило, связана с сезонностью. Реки и ручьи, находящиеся на площади отрабатываемого месторождения, являются источником формирования водопритоков в подземные горные выработки. Поток подземных вод на шахтных полях возникает в результате инфильтрации атмосферных осадков. В зависимости от размера площади, вовлекаемой в отработку, среднегодовая интенсивность инфильтрации достигает 2-Ю"3 м/сут. В период максимального оттаивания вечной мерзлоты интенсивность инфильтрации увеличивается. Наличие вечной мерзлоты смещает период максимальных водопритоков: существенное увеличение водопритока в горные выработки шахт происходит не в паводковый период, а спустя 2-3 месяца после его окончания (рис. 3).

(?в, м3/ч

Количество осадков, мм/мес. - 200

3000

2000 •■

2500 -1

1500 -

180 160 140 120 100

1000 -

60 40 20 0

500

0 +

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрьоктябрь ноябрь декабрь Месяц

Рисунок 3 - Среднегодовое количество осадков и среднегодовой водоприток (шахты «Северная» и «Ургал» ОАО «Ургалуголь», 2000-2009 гг.)

Зоны вечной мерзлоты первоначально оказывают положительное влияние, являясь дополнительной защитой для шахтного поля от прямого попадания поверхностных вод в горные выработки. Однако при отработке угольных пластов с полным обрушением, зона вечной мерзлоты оттаивает, разрушается и ее благоприятное влияние заканчивается. Возрастание во-допроводимости ведет к увеличению объема поверхностных вод, попадающих в шахту.

Таким образом, структуру и сезонность водопритока, наличие зоны вечной мерзлоты, а также влияние размера отрабатываемой площади на величину водопритока необходимо учитывать при разработке технико-технологических и организационных решений по подготовке фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях.

2. Скорость проведения нисходящих горных выработок в сложных гидрогеологических условиях при увеличении водопритока снижается по логарифмической зависимости - от максимальной по техническим возможностям оборудования, до значения, при котором необходима разработка и реализация специальных организационно-технологических решений.

Анализ работы шахт в сложных гидрогеологических условиях показал, что период максимальных водопритоков приводит к усложнению технологических условий и, как следствие, в общем случае - к уменьшению объема проведения горных выработок (рис. 4).

-водоприток -осадки

Среднемесячный водопроток, м3/ч Проходка, пог.м/мес.

ми 1000

400 300 642.6 727,5 610,1 -- 589,8, —А-- 647,4 —-А-—_ -Г8 Т'7 А -А--д.- 604^_¡£8'3 800 ■ 600

200 - в- - 155,5 196,7 „ IV- - фА. 400

100 ■ 200

0 ■ 0

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь # — -водоприток —А— -проходка

Рисунок 4 - Динамика водопритоков и объема проходческих работ (шахта «Северная» ОАО «Ургалуголь», 2000-2009 гг.)

Влияние водопритока на скорость проведения нисходящих горных выработок можно проиллюстрировать на примере проховдения вентиляционной печи лавы 26-2 шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь» (табл.1).

Таблица 1 - Показатели подготовительных работ при прохождении вентиляционной печи на шахте «Северная»__

Объект Месяц Итого за 6 месяцев 2009 г.

апрель май июнь июль август сентябрь

Объем проходки при проведении вентиляционной печи, м 115 90 70 - - 20 295

Объем проходки при проведении водосборников по печи,м 25 10 30 70 87 30 252

Суммарный объем проходки, м 140 100 100 70 87 50 547

Средний водоприток, м3/ч 5 10 25 25 30 50 24,2

Корреляционный анализ связи между скоростью проведения выработок и водопротоком. проведенный по результатам замеров в других подготовительных забоях, показал наличие логарифмической зависимости. Скорость проведения нисходящих выработок сокращается с 500 до 120-150 м/мес. при увеличении водопритока от 0 до 5-7 м3/ч. Установленная зависимость достаточно надежна и подтверждается результатами анализа по представительному ряду примеров, характерных для таких месторождений (рис. 5). Если в подготовительном забое водоприток не позволяет транспортировать горную массу по коммуникациям шахты, для дальнейшей работы разрабатываются и реализуются специальные мероприятия по уменьшению водопритока в забой.

О 10 20 30 40 50 60

Упр - скорость подготовительных работ Ов, м'/ч

(Зв-водопрнток

Рисунок 5 - Зависимость скорости проведения горных выработок от водопритока в забой

Количественное описание выявленной связи позволяет на стадии планирования и проектирования разрабатывать технические, технологические и организационные решения для обеспечения необходимой скорости подготовки фронта очистных работ и отработки выемочных участков.

Таким образом, для своевременной подготовки фронта очистных работ и увеличения темпа проходческих работ необходимо учитывать особенности условий работы шахты, и, в первую очередь, негативное влияние увеличивающегося в отдельные периоды времени водопритока. •

Для уменьшения влияния поверхностных вод на поле шахты, отрабатывающей запасы угля в сложных гидрогеологических условиях, необходимо оконтуривание поверхности шахтного поля путем строительства поверхностного комплекса осушения, а так же выполнение мероприятий по осушению и водоотведению. Такие мероприятия включают в себя:

- строительство гидросооружений, отвод ключей и других водных объектов с шахтной поверхности;

- отвод воды дренажными канавами с прилегающих площадей, водосбор с которых попадает на отрабатываемый участок за счет рельефа и перепада высот.

С учетом сложных гидрогеологических условий и возможностей современного оборудования, позволяющего интенсивно отрабатывать запасы, необходимо совершенствовать существующие технологические схемы. Обоснованные рекомендации по совершенствованию технологических схем, наиболее пригодных для сложных гидрогеологических условий, представлены в таблице 2. Достоинства и недостатки усовершенствованных технологических схем отражены в таблице 3.

Таблица 2 - Рекомендации по выбору и совершенствованию технологических схем разработки пластов на угольных тахтах в сложных гидрогеологических условиях

Угод падения пласта, град. Способ подготовки шахтного поля Подготовка оласта Система разработка Порядок отработка выем, участков Способ управления кровлей Способ охраны Возможность применения существующих традиционных схем Предлагаемое совершенствование технологических схем

основных выработок выемочных выработок

До 35е Паисльвый Брсмс берговымк односторонними панелями Палевая а пластовая для панелей, пластовая для ярусов Длинными столбами ло простиранию Нисходящий последовательный Восходящий последовательный Полное обрушение Целиками угля и расположением выработок в разгруженной зоне Искусственными сооружениями Приемлемы схемы отработки столбов с восходящим последовательным порядком отработки выемочных участков 1. Расположение столбов в панели с уклоном 1-7° от центральных стволов (уклонов, бремсбергов) к фланговым 2. Проведение выемочных в ыра-боток спаренными забоями с но* следующим погашением (рис. б)

Уклонными односторонними панелями Пластовая для панелей и ярусов Н ИСХОДЯЩИЙ через столб Восходящий через столб Целиками угля Погашением вслед за лавой

Уклонными двусторонними панелями с фланговыми выработками Полевая для панелей, пластовая для ярусов Нисходящий последовательный Восходящий последовательный Целиками угля или расположением выработок I разгруженной зоне Искусственными сооружениями

До 10е Погоризонтный Полевая для бремсбергов ого поля я пластовая для выемочных участков Длинными столбами по палению Последовательный Целиками угля или рясл сложением выработок в разгруженной зоне Искусственными сооружениями' Схемы приемлемы. Ограничением являются: - полевая подготовка пласта; - максимальная длина столбов 2000 м Проведение выемочных выработок восходящее (рис. 7)

Полевая для уклонного поля и пластовая для выемочных столбов Длинными столбами по восстанию Последовательные двусторонний, односторонний

Горизонтально - волнистое залегание Панельный - Длинными столбами Через 1-2 столба я последовательный Целиками угля 1. В целиках-дополнительной крепью в зоне опережающего горного давления. 2. В присечке — дополнительной крепыо при проведения выработок и в зоне опережающего горного давления Схемы неприемлемы без сети водтерепускнш: выработок При подготовке блока строительство водосборников осуществлять на вижс-пежащих горизонтах с сетью дренажных выработок; позво-гяющих перепускать воду с любой точки блока (рис. 8)

Таблица 3 - Оценка применения технологических схем разработки пластов на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях

Угол падения пласта, град. Способ подготовки шахтного поля Качественная характеристика усовершенствованных схем

До 35° Панельный Достоинства: - перепуск воды при подготовительных и очистных работах со всего столба к водосборникам без дополнительных промежуточных станций и дополнительных дренажных штреков; - возможность планирования подготовительных работ по восстанию на длительный период времени (до 80% от общего объема выработок); - эффективная работа горно-подготовительного и очистного оборудования; - наиболее длинные выемочные столбы (до 4 км); - минимальное количество породных выработок при подготовке пласта

До 10° Погоризоптпый Достоинство — высокопроизводительная работа подготовительных и очистных забоев Недостатки: ' полевая подготовка пласта; - ограничение по углу до 10°; - длина столбов до 2000 м

Горизонтально -волнистое залегание Панельный Достоинство — эффективная высокопроизводительная работа очистных забоев. Недостаток — увеличение объемов полевой подготовки пласта в 2 раза по сравнению с существующими технологическими схемами

Усовершенствованные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях представлены на рисунках 6,7, 8.

до 4000 м

Вентиляционный штрек д= ру

вттт I

~5г—я—

е-1-7- /1

8т9= (0,003*Кз)/1апа Кз - коэффициент запаса; а - угол падения пласта, град.

г±

Вентиляционный шгрек

Конбеоершй штрек

§=1-7' /Т

Вентиляционный ищзек

Водосборник

35=

Рисунок 6 - Принципиальная схема разработки пластов с углом падения до 35"

Рисунок 7

- Принципиальная схема разработки пластов с углом падения до 10°

Ьодосбфсм 1

тс^-* Дрвчлжмый хнеритаг

Водосборшпс

Рисунок В - Принципиальная схема разработки пластов горизонтально-волнистого залегания

Для эффективной подготовки фронта очистных работ необходимо развивать горные работы по схеме проведения всех подготавливающих и вскрывающих выработок по восстанию пласта. При таком развитии проведение сложных нисходящих выработок будет составлять не более 15-20% от общего количества горных выработок.

Учитывая большую трудоемкость проходки нисходящих выработок в обводненных условиях, их проведение необходимо осуществлять в период минимальных водопритоков в течение года.

При пересечении наклонными выработками горно-геологических нарушений или зон повышенной трещиноватости, сопровождающихся увеличением водопротока с кровли и боков выработки, в работе предложено проведение ряда мероприятий, направленных на осушение забоя, снятие напора из забоя:

1. Отгоняется комбайн и проводится водосборник на длину 8-12 м.

2. Буровым станком в кровлю выработки бурятся скважины в сторону нарушения и устанавливаются кондуктора с задвижками.

3. После окончания работ по бурению, вода со скважин отводится в специальную емкость, откуда насосом выкачивается в ближайший водосборник.

4. В забое проводимой выработки бурятся шпуры и устанавливаются инъекционные анкеры для подачи полимерной смолы.

5. Через инъекционные анкеры нагнетается полимерная смола, которая упрочняет массив, склеивает трещины, предотвращая капеж с кровли и боков выработки.

Технологическая схема проведения наклонной выработки в зоне горногеологического нарушения и повышенной обводненности (водопроток непосредственно в забое - более 10 м3/ч) представлена на рисунке 9. После выполнения указанных мероприятий работы по проходке выработки возобновляются.

Для практического использования разработанного комплекса решений по подготовке фронта очистных работ угольной шахты в сложных гидрогеологических условиях разработан алгоритм действий (рис. 10).

1 С КснбеОер СР-7СЮ5 и~1

лШрз {ртг*^^ .................."Т.................................... ~

Тру&трАад ¡оЗйаялида

\ \ \ ч \ лД \\\ч-

.....х \ х \ V \

Снякпь д/т с^ора Ьоды Бщсёш скЪахшы

сечение 6ыра5ашки

\ \ \\чч^Ь^Т^»!

ч \ \ \ \ \ \ М \ \ ^¿Шг \ \ \\ \\\ \ \ \ \ \ \ \\

\\\\\Чч\\\ч

\ \ \ \ \ \ \ \ \

Рисунок 9 — Технологическая схема проведения наклонной выработки в зоне горно-геологических нарушений и повышенной обводненности проходческого забоя

Анализ факторов, влияющих на водоприток в проходческий забой, шахту

Расчет объема и определение структуры водопротока

Анализ факторов, изменяющих водопроток

Объем поверхностных вод -1

Объем подземвых вод

Отрабатываемая площадь

Вечная мерзлота

Сезонность водопршока

Расчет максимально возможных водапритоков (Ов, шах) в проходческие забои, шахту

Определение скорости а объема проходческих работ, требуемых для своевременной подготовки фронта очистных работ

Да

Прогнозные

"водопротоки приемлемы для обеспечения своевременной подготовки фронта очистныхработ?

Нет

Разработка решений по направлениям совершенствования

+ +

Отведение воды на поверхности шахтного поля Планирование горных работ с учетом шах и тш водопротоков Совершенствование технологических схем

1 1

Формирование комплекса организационных, технических в техволотических решений

Расчет возможного сокращения водопротока по периодам подготовки фронта очистных работ

Разработанные решения обеспечивают своевременную ~ „подготовку фрогта очистных робот, эффективность и безопасность^ угледобычи?

Нет

ГДа

Реализация разработанного комплекса решений

Обеспечение своевременной подготовки фронта очистных работ

Обеспечение требуемой эффективности и безопасности угледобычи

Рисунок 10 - Алгоритм подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях

Реализация разработанного комплекса решений по предложенному алгоритму позволяет повышать темп проведения подготовительных работ, интенсивность отработки и сокращать эксплуатационные затраты. Своевременная подготовка фронта очистных работ способствует повышению эффективности использования вложенных средств и работы предприятия в целом.

Оценка результатов реализации комплекса решений на шахте «Северная» ОАО «Ургалуголь» в 2010 г. показала, что внедрение предложенных мероприятий обеспечило получение экономического эффекта ресурсов в размере 175 млн. руб. в год (табл. 4).

Таблица 4 - Экономическая оценка рекомендуемого комплекса решений по подготовке фронта очистных работ в условиях шахты «Северная», 2010 г.

Рекомендация Реализованное мероприятие Экономический эффект, млн. руб.

Строительство поверхностного комплекса осушения Отведение двух ключей с поверхности шахтного поля и строительство двух дамб и водоотводных канав 40

Учет сезонности водопритоков при составлении календарных планов работ Прохождение нисходящих вскрывающих выработок в период минимальных водопритоков 35

Проектирование выемочных столбов с уклоном от 1 до 7° Проведение выработок на поле шахты «Северная» с уклоном для перепуска воды по технологическим штрекам 100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи разработки научно-обоснованных технологических решений по совершенствованию подготовки фронта очистных работ, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности функционирования угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях, имеющей существенное значение для угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Обеспечение конкурентоспособности российских угольных шахт возможно при условии возрастания нагрузки на лаву до 3-4 млн.т угля в

год, что требует проведения горных выработок в объеме 15-25 км, в то время как на шахтах со сложными гидрогеологическими условиями устойчиво достигается скорость 10-12 км/год. Решение задачи увеличения скорости проходки на шахтах дальневосточного и северовосточного регионов осложняется наличием вечной мерзлоты, значительным объемом поверхностного водопротока и его сезонной неравномерностью.

2. Анализ работы шахт показал, что период максимальных водо-притоков приводит к усложнению технологических условий и, как следствие, к уменьшению объема проведения горных выработок. Для обеспечения требуемой скорости проходки на таких шахтах помимо общепринятых мер необходима реализация комплекса технических, технологических и организационных решений, снижающих негативное влияние сложных гидрогеологических условий.

3. Исследование факторов, обусловливающих определяющее влияние гидрогеологических условий на скорость подготовительных работ, показало, что основными являются структура и сезонность водопритоков, площадь, вовлеченная в отработку, а также наличие зоны вечной мерзлоты.

4. Установлено, что на угольных шахтах со сложными гидрогеологическими условиями увеличение в 3-4 раза площади, вовлекаемой в отработку, приводит к возрастанию водопротока в горные выработки в 2,1-2,8 раза. Наличие вечной мерзлоты в сочетании со структурой и сезонностью водопритоков, характерными для таких месторождений, смещает максимальный водоприток на 2-3 месяца относительно паводкового периода.

5. Корреляционный анализ связи между скоростью проведения нисходящих выработок в сложных гидрогеологических условиях и водопри-током показал их логарифмическую зависимость. Скорость проведения нисходящих выработок снижается с 500 до 120-150 м/мес. при увеличении водопритока от 0 до 5-7 м3/ч непосредственно в забое.

6. Анализ опыта работы по подготовке фронта очистных работ в сложных гидрогеологических условиях на шахтах северовосточного и дальневосточного регионов станы показал, что для своевременной подготовки фронта очистных работ посредством увеличения теша проходки должен быть реализован следующий комплекс мер:

- оконтуривание поверхности шахтного поля путем строительства поверхностного комплекса осушения и водоотведения;

- проведение уклонов и вскрывающих горных выработок в период минимальных водопритоков;

- применение усовершенствованных технологических схем разработки пластов для пропуска воды по технологическим штрекам.

7. Проведение нисходящих (вскрывающих) выработок в сложных гидрогеологических условиях следует производить в период минимальных водопритоков. Это позволяет повысить производительность труда проходчиков на 20-30%, сократить себестоимость погонного метра выработки на 10-15%, снизить риски отказов машин и механизмов, что обеспечит своевременную подготовку фронта очистных работ.

8. Реализация комплекса решений по совершенствованию подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях позволяет увеличить на 25-30% скорость проведения подготовительных горных выработок, на 5-10% сократить время оконту-ривания лавы и обеспечить требуемую эффективность и безопасность добычи угля. Это подтверждается апробацией и освоением разработанных комплексов решений в ОАО «Ургалуголь» и полученным экономическим эффектом 175 млн.руб. (в ценах 2010 г.).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

в изданиях аннотированных ВАК РФ:

1. Феофанов Г.Л. Особенности подготовки очистного фронта в сложных гидрогеологических условиях // Уголь. - 2010. - №12. - С.24-27.

2. Феофанов Г.Л. Динамика увеличения водолритока в подземные горные выработки и его прогноз при отработке Ургальского месторождения / В.Б. Артемьев, А.А. Сальников и др. Инновационные подходы к повышению эффективности и безопасности производства // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2010. - №12. - С. 5-22.

3. Феофанов Г.Л. Технологические решения по подготовке очистного фронта на Ургальском месторождении / А.И. Добровольский, Г.Л. Феофанов, А.Л. Жуков // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2011. - №3. - С. 46-48.

4. Феофанов Г.Л. Возможности повышения эффективности и безопасности производства в ОАО «Ургалуголь» / А.И. Добровольский, Г.Л. Феофанов, В.В Лисовский и др. // Уголь. - 2011. - №7. - С.49-52.

в прочих изданиях:

5. Феофанов Г.Л. О подходах к формированию комплекса решений по подготовке фронта очистных работ на угольной шахте в сложных гидрогеологических условиях / Препринт НИИОГР. - 2009. - 16 с.

Подписано в печать 20.02.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 127.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Феофанов, Григорий Леонартович, Магнитогорск

ОАО «Научно-технический центр угольной промышленности по открытым горным разработкам - Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом» (ОАО «НТЦ-НИИОГР»)

61 12-5/2654

На правах рушписи

ФЕОФАНОВ Григорий Леонартович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДГОТОВКИ ФРОНТА ОЧИСТНЫХ РАБОТ УГОЛЬНЫХ ШАХТ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д-р техн. наук, Артемьев В.Б.

г. Магнитогорск 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. АНАЛИЗ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.....................................8

1.1. Анализ опыта работы угольных шахт в сложных гидрогеологических

.......................8

условиях..........................................................................................................

1.2.Научно-методическая база исследований..............................................................37

1.3.Цель, задачи и схема диссертационного исследования....................................42

Выводы по первой главе......................................................................................................

2. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕШЕНИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ

ФРОНТА ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ...................................46

2.1. Влияние сложных гидрогеологических условий на скорость

подготовки очистного фронта....................................................................................46

2.2. Разработка технологических схем подготовки очистного фронта на угольных шахтах со сложными гидрогеологическими условиями..............59

2.3. Разработка и обоснование решений по снижению водопритока на поверхности шахты и режимам проведения выработок...................................67

Выводы по второй главе:.....................................................................................................

3. ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА РЕШЕНИЙ ПО

ПОДГОТОВКЕ ФРОНТА ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.........79

. 3.1. Методические принципы формирования комплекса решений по подготовке очистного фронта угольной шахты в сложных гидрогеологических условиях и рекомендации по их использованию.......79

3.2. Разработка и реализация организационных решений для обеспечения своевременной подготовки фронта очистных работ........................................85

3.3. Разработка и реализация технико-технологических решений для обеспечения своевременной подготовки фронта очистных работ...............92

3.4. Рекомендации по совершенствованию подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах в сложных гидрогеологических условиях........99

102

Выводы по главе 3...............................................................................................................

4. ОЦЕНКА РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЛЕКСА РЕШЕНИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ ФРОНТА ОЧИСТНЫХ РАБОТ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ................ЮЗ

4.1. Оценка реализации комплекса решений для условий шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь»...............................................................................103

4.2. Экономическая оценка результатов реализации комплекса решений по подготовке фронта очистных работ на в условиях шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь».......................................................................................................108

113

Выводы по 4 главе...............................................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................................116

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Освоение угольными шахтами России новых технологий и внедрение высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности позволило перейти к ведению горных работ 1-2 лавами с производительностью очистного забоя 3-4 млн.т угля в год. Однако такая организация производства затруднена на шахтах, отрабатывающих месторождения в сложных гидрогеологических условиях, присущих северовосточному и дальневосточному регионам страны. Эти условия характеризуются значительной неравномерностью водопритоков в горные выработки, обусловленной обводненностью массива, сезонностью атмосферных осадков и наличием вечной мерзлоты. Водоприток может изменяться в 2-2,5 раза в течение года и достигать 3000-3500 м /ч.

Идея работы состоит в определении зависимостей скорости проведе-' ния горных выработок от водопритоков и сезонного характера их формирования в условиях вечной мерзлоты и их использовании при разработке решений по подготовке фронта очистных работ.

Объект исследования - процесс подготовки фронта очистных работ на угольных шахтах, отрабатывающих месторождения в сложных гидрогеологических условиях.

Предмет исследования - влияние гидрогеологических условий на

скорость проведения горных выработок при подготовке фронта очистных работ на угольной шахте.

Основные задачи исследования:

- установление зависимости скорости проведения горных выработок от

водопритока;

Положения, выносимые на защиту:

также наличие зоны вечной мерзлоты.

3. Обеспечение необходимой скорости, эффективности и безопасности подготовительных работ в сложных гидрогеологических условиях осуществляется комплексом решений, включающим меры по снижению водо-притока на поверхности, применение технологических схем разработки пластов, учитывающих значительные водопритоки, планирование порядка проведения горных выработок с учетом пиковых водопритоков.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- установлена зависимость скорости проведения нисходящих горных подготовительных выработок от водопритока, имеющая логарифмический

вид;

- разработан и обоснован комплекс организационно-технологических ' решений, обеспечивающий необходимую скорость проведения выработок в

сложных гидрогеологических условиях и своевременную подготовку фронта очистных работ.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных методов исследований, представительным объемом экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью теоретических положений и результатов с результатами практической реализации разработанного комплекса решений условиях действующей шахты «Северная» ОАО «Ургалуголь».

Практическая значимость работы состоит в увеличении на 25-30% скорости проведения подготовительных горных выработок, сокращении на 56

10% времени оконтуривания лавы в условиях шахты «Северная» ОАО «Ур-галуголь», за счет реализации разработанного комплекса организационно-технологических решений по совершенствованию подготовки фронта очистных работ.

ОАО «Ургалуголь» и др.

1 АНАЛИЗ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИИ ' В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

1.1. Анализ опыта работы угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях

Уголь является стратегически важным сырьем в энергетическом и

индустриальном комплексах России и зарубежных стран. Стремительный

рост металлургической и химической промышленности и увеличение

потребления электроэнергии, особенно, в странах с высокой долей

использования угля в структуре потребления первичной энергии, влечет за

собой повышение роли угля в мире.

Уголь занимает одну из ведущих ролей в системе энергетической

безопасности стран, не обладающих значительными запасами

углеводородного сырья. За период 2000-2010 гг. объем добычи угля в мире

увеличился примерно на 58 %, что вызвано значительным увеличением

объема его потребления (рис. 1.1.).

Мировое потребление угля*, млн 4000

Добыча угля*,млн. г**

2000

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

2000

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

* - в нефтяном эквиваленте (ТОЕ) ** - каменный уголь и антрацит

Рисунок 1.1.-Добыча и потребление угля в мире [106]

Основные мировые запасы угля сосредоточены в США (28,9% разведанных мировых запасов), России (19 % разведанных мировых запасов), Китае (13,9 % разведанных мировых запасов), Австралии (9,2 % разведанных мировых запасов) и Индии (7,1 % разведанных мировых запасов).

Россия является одним из крупнейших производителей угля (рис. 1.2). Сейчас она занимает пятое место среди угледобывающих держав мира и

третье место, после Австралии и Индонезии, в международной торговле углем.

Таблица 1.1. - Доля России и других стран мира

Страна Добыча угля в мире, %

Китай 37,9

США 17,5

Индия 7,3

Австралия 6,3

Россия 5,1

Прочие 25,9

Технологическое состояние мировой энергетики и развитие угольной промышленности свидетельствует о том, что в ближайшие 20 лет доля угля в энергетике и соответственно его добыча, особенно энергетического

направления использования, будет расти.

В перспективе до 2020 г. внутренний спрос на уголь со стороны электроэнергетики может утроиться. Значительный рост прогнозных потребностей российской энергетики в российском угле -до 342 млн. т в 2020 г. (по максимальному варианту), стимулируют угольщиков к наращиванию угледобычи более высокими темпами [31, 43, 93, 104].

Уголь составляет почти 70% всех извлекаемых ресурсов органического топлива в мире и остается одним из самых доступных энергоресурсов во всех частях света. Ежегодно в мире добывается более 7 млрд.т угля [106,107, 108]. Уровень добычи угля в России в 2010 г. составил 323 млн.т., а в

2011 г.увеличился на 4% и составил 336,3 млрд.т.

Спрос на сырье и энергоносители в мире быстро растет. При этом в период с 2000 по 2005 гг. на первом месте по темпам прироста потребления -■ 34% - находился уголь (рисунок 1.2). За доступ к ресурсам идет международная гонка, число участников которой в ближайшем будущем еще увеличится. К известным ведущим промышленным странам присоединились теперь Китай и Индия.

Прочие возобновляемые виды энергии

Гидроэнергия Атомная энергия Природный газ Нефть Уголь

15%

14%

10%

Рисунок 1.2. - Прирост потребления первичных энергоносителей в мире

с 2000 по 2005 гг. [2]

В результате резкого возрастания спроса на мировом рынке регистрируются новые рекордные взлеты цен на сырье, и не только на нефть и газ, но

теперь уже и на уголь.

В перспективе объемы добычи угля в стране будут определяться не столько производственными возможностями предприятий угольной промышленности, сколько величиной спроса на уголь и угольную продукцию внутри страны и за рубежом и способностью угледобывающих предприятий выдержать конкуренцию с производителями угля, , находящимися в более благоприятных по географическому положению и

запасам состоянию.

Концентрация, интенсификация и рационализация добычи угля, проводимые угольными компаниями с целью снижения издержек производства, будут осуществляться одновременно с мероприятиями природоохранного характера и соблюдением правил, связанных с безусловным обеспечением техники безопасности ведения горных работ [5, 7, 14,22, 105].

В современных условиях функционирования угольных шахт факторами, создающими возможность для высокой производительности, являются , наличие запасов с благоприятными горно-геологическими условиями и стабильный спрос на этот уголь у потребителя.

Угледобывающие предприятия по роду и условиям своей деятельности характеризуются рядом природных, технических, экономических, организационных и других особенностей, определяющих специфику производствен-

ных процессов и управления предприятием в целом (таблица 1.2.) [4,11,12, 52,109,1Ю].

Таблица 1.2. - Отличительные особенности угледобывающих предприятий _

Тип особенностей

Особенности

Географический

Удаленность и необжитость территории, что определяет необходимость создания транспортных коммуникаций и производственной инфраструктуры____

. Гидрогеологический

Количество водоносних горизонтов, их мощность, напоры, гидравлическая связь с поверхностными водами, изменение водопроницаемости пород с глубиной и др.

Небольшая толщина угольных пластов, их высокая обводненность. ___

Сезонность притоков, площадь месторождения, вечная мерзлота

. Технический

Высокая степень зависимости выбора основного оборудования от горно-геологических условий.

Жесткие условия эксплуатации и быстрый износ оборудования

Зависимость технологии геологических условий.

ведения горных работ от горно-

4. Технологический

Уникальные горно-геологические условия на каждом предприятии. _____

Вероятностный характер параметров технологических процессов. Влияние климатических условий на технологические процессы

5. Охрана труда, промышленная безопасность и экология

Особо опасные условия работы персонала и оборудования. Высокий уровень профессиональных заболеваний._

Необратимое изменение природных ландшафтов и экосистем вследствие ведения горных работ.

6. Экономический

7. Социальный

Государственное регулирование и контроль недропользования. Высокая фондоемкость и капиталоемкость горного производства.

Значительный объем капиталовложений, необходимый на этапе освоения и эксплуатации месторождения. __

Для воспроизводства необходима высокая прибыльность продаж. Исчерпаемость запасов месторождений

Высокие требования к психологической, физической и квалификационной готовности и мотивации персонала

8. Организация и управление

Постоянное изменение условий и мест производства работ Недостаток сведений о качестве, структуре, свойствах рудных образований и вмещающих пород.

Высокая динамика изменения параметров объекта управления

Одной из ключевых особенностей угледобывающих предприятий является функционирование и развитие предприяти�

Информация о работе

Феофанов, Григорий Леонартович
кандидата технических наук
Магнитогорск, 2012
ВАК 25.00.22

Диссертация

Совершенствование подготовки фронта очистных работ угольных шахт в сложных гидрогеологических условиях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы