Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование подземной разработки угольных пластов с геологической нарушенностью и труднообрушаемой кровлей в условиях криолитозоны

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

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование подземной разработки угольных пластов с геологической нарушенностью и труднообрушаемой кровлей в условиях криолитозоны"

На правах рукописи

Васильев Петр Назарович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ НАРУШЕННОСТЫО И ТРУДНООБРУШАЕМОЙ КРОВЛЕЙ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Специальность 25.00.22 - "Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск - 2004

Работа выполнена в Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Шерстов Валерий Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Викулов Михаил Александрович доктор технических наук Клишин Владимир Иванович

Ведущая организация - ОАО ХК «Якутуголь»

Защита состоится 7 июля 2004 г. в 10 °° час. на заседании диссертационного совета КР 003.020.27 при Институте горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. 678980, г. Якутск, ГСП, пр. Ленина 43.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 678980, г. Якутск, ГСП, пр. Ленина 43 Тел./факс: (4112) 33 59 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГДС им. Н.В. Черского

СО РАН

Автореферат разослан

2004 Г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Ткач С.М.

Введение

Основной сырьевой базой коксующихся углей на Северо-Востоке России является Южно-Якутский каменноугольный бассейн. Разрез «Нерюнгринский» - главный поставщик таких углей, в ближайшие годы отработает свои запасы. Для замены выбывающего предприятия предполагается разработка Чульмакан-ского и Денисовского месторождений. По горно-геологическим условиям основная часть запасов подлежит разработке подземным.способом. Учитывая сложную тектонику и залегание в многолетнемерзлых породах, неизбежно придется столкнуться с трудностями разработки этих месторождений, характеризующихся геологическими нарушениями и труднообрушаемыми многолетне-мерзлыми кровлями.

Переход геологических нарушений механизированными комплексами связан с осложнениями по управлению секциями крепи, необходимостью при-сечки боковых пород, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей: снижению нагрузки на очистной забой и повышению себестоимости добычи 1т. угля.

Управление труднообрушаемыми кровлями при прогрессивной системе разработки с полным их обрушением на угольных шахтах области многолетней мерзлоты затрудняется тем, что мерзлые вмещающие породы являются зависающими, трудноуправляемыми, особенно при первичных посадках.

Большое значение при этом имеет правильно выбранный тепловой режим шахты, обеспечивающий безопасную работу при приемлемых микроклиматических условиях.

Все это свидетельствует об актуальности решаемой в диссертации научно-практической задачи изыскания эффективных технологий подземной разработки угольных пластов с геологической нарушенностью и труднообрушаемы-ми кровлями в условиях многолетней мерзлоты.

Объекты исследований - угольные месторождения области многолетней мерзлоты, разрабатываемые подземным способом.

Цель работы - разработка эффективных и безопасных технологий освоения перспективных угольных месторождений, обеспечивающих безопасность очистной выемки, устойчивость вскрывающих выработок и улучшение гигиенических условий труда горнорабочих.

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, выполненных автором по планам НИР АН СССР и РАН. по отоаслевым

программам НИОКР Министерства угольной промышленности СССР, реструктуризации угольной промышленности РФ, социально-экономического развития РС(Я).

Основная идея работы заключается в повышении эффективности технологии подземной разработки угольных месторождений области многолетней мерзлоты, характеризующихся геологической нарушенностью пластов и труд-нообрушаемыми кровлями, путем применения технических способов и решений, в основе которых лежит управление геомеханическими и тепловыми процессами в мерзлом массиве, окружающем горные выработки.

Основные задачи исследований: дать оценку состояния минерально-сырьевой базы угольных месторождений Якутии и выявить перспективные, предназначенные для подземного способа разработки месторождения;

- изучить и обобщить горно-геологические условия эксплуатации разрабатываемых и перспективных месторождений, установить особенности их строения;

- обосновать рациональные способы и схемы перехода геологических нарушений в условиях прочных и ослабленных вмещающих пород; разработать эффективные способы первичной посадки труднообрушаемых кровель и методы расчета их основных технологических параметров; разработать рациональные способы теплоизоляции вскрывающих выработок и методы ее расчета.

Методы исследований: анализ проблемы по литературным и патентным источникам, обобщение опыта подземной разработки угольных месторождений, математическое моделирование тепловых процессов, натурные наблюдения и промышленные эксперименты в производственных условиях, обработка аналитических и экспериментальных данных статистическими методами с использованием ПЭВМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- эффективность подземной разработки нарушенных угольных пластов шахт области многолетней мерзлоты механизированными комплексами повышается за счет применения способов перехода, основанных на механическом и тепловом воздействии на массив в зоне геологических нарушений;

- принцип теплового воздействия на мерзлые породы для управления первичной посадкой труднообрушаемой кровли позволяет создать свободные полос-

ти по линиям обрушения породной плиты, что значительно уменьшает размеры обнаженного пространства и повышает безопасность очистной выемки;

- повышение устойчивости вскрывающих выработок достигается применением теплоизоляции с использованием в качестве теплоизоляционного заполнителя вспученного перлитового песка;

- разработанная методика расчета теплового режима,теплоаккумулирующих выработок с учетом плотности и влажности дисперсных пород (песок, супесь, суглинки) позволяет оптимизировать их параметры при регулировании теплового режима при подземном и комбинированном способах разработки угольных месторождений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается представительным объемом материалов для анализа проблемы, корректностью и сходимостью результатов натурных экспериментов с аналитическими расчетами по разработанным методикам, использованием современных методов обработки результатов исследований, математическим и программным обеспечением расчетов, апробацией результатов исследований в промышленных условиях, достигнутой эффективностью применения разработанных технологий в производственных условиях. Научная новизна и значимость выполненных исследований:

- усовершенствована классификация геологических нарушений и способов их перехода механизированными комплексами;

- определены оптимальные расстояния между упрочняющими скважинами в мелкозернистых мерзлых породах с учетом трещиноватости кровли при переходе нарушений с ослабленными горными породами;

- установлены зависимости изменения радиуса протаивания скважин, предназначенных для обрушения труднообрушаемой кровли в зависимости от температуры подаваемого воздуха;

- получены закономерности изменения температурного поля пород вокруг вскрывающих выработок при различных теплофизических свойствах пород кровли и бортов выработки с теплоизоляцией и без нее;

- установлена зависимость изменения температуры воздуха на выходе из теп-лоаккумулирующих выработок от плотности и влажности пород, толщины затяжки;

- предложена методика определения температуры нагрева воздуха на выходе из калорифера в зависимости от длины, диаметра воздухопровода и температуры воздуха в выработке.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- предложены новые способы перехода геологических нарушений механизированными комплексами в условиях прочных и ослабленных вмещающих пород;

- разработана новая технология перехода механизированными комплексами геологических нарушений с большой амплитудой;

- предложены новые технические решения по перемещению и перемонтажу механизированного комплекса;

- разработаны новые способы первичной посадки труднообрушаемых кровель, предусматривающие использование саморазрушающегося целика, а также тепловое воздействие на мерзлые породы кровли;

- предложен новый способ теплоизоляции горных выработок с применением в качестве теплоизоляционного материала вспученного перлитового песка.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, оценке минерально-сырьевой базы угольных месторождений Якутии и Магаданской области и обобщении горно-геологических условий их эксплуатации, анализе современного состояния проблемы, в постановке тешюфизических задач и установлении оптимальных конструктивных параметров технологии очистной выемки механизированными комплексами и прогнозных величин теплового режима, в разработке, испытании и внедрении разработанных технических решений на угольных шахтах Якутии и Магаданской области.

Реализация результатов работы. Предложенные способы перехода геологических нарушений механизированными комплексами и технология перемонтажа механизированного комплекса внедрены на шахте «Беринговская» ПО «Северовостокуголь» в 1986 г. с общим экономическим эффектом 1352 тыс. руб. (в ценах до 1992 г.), разработанные способы отработки пластов с трудно-обрушаемыми кровлями с использованием механизированных крепей - на шахте «Сангарская» ПО «Якутуголь» в 1985 г. с экономическим эффектом 813 тыс. руб. «Руководство по определению глубины протаивания горных пород вокруг капитальных и подготовительных выработок шахт области многолетней мерзлоты» и «Технологические схемы очистных и подготовительных работ для шахт области многолетней мерзлоты», составленные коллективом авторов, в разработке которых принимал участие диссертант, утверждены Минуглепро-мом СССР в 1982-1984 гг. и рекомендованы для использования на угольных шахтах Севера. Указанные практические результаты исследований переданы ГУП «Якутуголь» для использования при разработке ТЭО на разработку Чуль-

маканского и Денисовского месторождений, а также институту «Востсибги-прошахт» для составления проекта шахты «Джебарики-Хая».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на конференциях ВДНХ в 1976, 1977, 1986 и 1987 гг. и отмечены 4 медалями (серебряной и бронзовыми); на технических совещаниях в Мин-углепроме СССР и Госгортехнадзоре СССР в 1983 г; на научно-практической конференции угледобывающей отрасли в г.Нерюнгри, 1999 г; на семинарах «Недели горняка», г. Москва, (2000-2002 гг.), на республиканской научно-практической конференции, г.Нерюнгри, 2000 г., на научной конференции «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых», г. Новосибирск, 2001 г; на УТЛ международной научно-практической конференции «Современные перспективные технологии разработки и использования минеральных ресурсов», г. Новокузнецк, 2003 г; на республиканской научно-практической конференции, 2003 г., г.Якутск. Публикации. Всего опубликовано 45 статей и получено 95 авторских свидетельств и патентов, касающихся совершенствования технологии разработки угольных и рудных месторождений, в том числе по теме диссертации - 12 статей, получено а.с. - 18, патентов РФ - 5, свидетельств на полезную модель -3.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 165 страницах машинописного текста, включая 45 рисунков, 16 таблиц, приложений и список использованной литературы из 95 наименований.

Автор выражает благодарность и признательность докт. техн. наук В.А.Шерстову за научное руководство, к.т.н. Ю.А. Хохолову за оказанную помощь в проведении теплофизических расчетов, к.т.н. В.П. Зубкову, к.т.н. |А.П. Ефремову!., д.т.н. И.Н. Лось и д.т.н. Ф.М.Киржнеру за организацию в проведении исследований, В.В.Шикову, [Р.Ф.Уманцев>|, Ю.А.Захарову и другим работникам объединений «Якутуголь» и «Северовостокуголь», принимавшим участие в шахтных испытаниях, промышленной проверке и внедрении результатов исследований, а также сотрудникам лаборатории проблем рационального освоения минерально-сырьевых ресурсов ИГДС СО РАН Т.В.Серебренниковой, Т.М.Иудиной и А.И.Тарасову за оказанную помощь в оформлении диссертации.

Основное содержание работы

В первой главе даны оценка и характеристика минерально-сырьевой базы угля в Республике Саха (Якутия), а также проведен анализ состояния изученности проблемы.

Основная часть угольных запасов Дальневосточного региона залегает в районах распространения многолетней мерзлоты. В последние годы произошли существенные изменения в представлениях о самих угольных бассейнах, запасах и ресурсов в них. Это, в первую очередь, касается Зырянского, Ленского, Южно-Якутского бассейнов, расположенных в Республике Саха (Якутия). Особенно значительные запасы угля находятся в Южной Якутии.

В таблице приведены данные о балансовых запасах категорий A+B + Q по угольным бассейнам Якутии и ориентировочные оценки запасов для подземных работ. Как видно из таблицы, на долю запасов для подземных работ приходится около 70 %.

Согласно плану перспективного развития угольной промышленности РС(Я), потребность в угле до 2010 г. прогнозируется в объеме 31,7 млн.тУгод, в том числе на вывоз в другие районы - 14,8 млн.т., на экспорт - 9,1 млн.т.

Балансовые запасы угольных бассейнов Якутии

Таблица

Угольные Балансовые запасы Доля запасов Основные месторождения для

бассейны А+В+Сь млн.т. для подзем. подземных работ

Якутии Всего в т.ч. для позем, работ работ, %

Зырянский 164,0 130.0 79 Буор-Кемюксское

Ленский 4951,0 3500.0 70.7 Джебарики-Хайское, Сангарское

Южно- 4500,0 2900.0 64.4 Чульмаканское

Якутский Денисовское

Всего по Яку- 9615,0 6530.0 68

тии

Анализ условий эксплуатации Джебарики-Хайского, Чульмаканского, Денисовского месторождений и шахты «Беринговская», которые предназначены для подземного способа разработки, свидетельствует о том, что горногеологические и горнотехнические условия этих месторождений близки по своим параметрам, все пласты пологого залегания и находятся в тектонически на-

рушенных зонах мощностью 0,9-3 м., глубина залегания 200-500 м., вмещающие породы представлены песчаниками, аргиллитами, алевролитами.

По прочностным свойствам породы угленосного комплекса рассматриваемых месторождений относятся к категории прочных и весьма прочных. Кроме того, разрабатываемые и перспективные месторождения относятся к тектонически нарушенным, при этом геологические нарушения весьма разнообразны: от мелкоамплитудных до нарушений с амплитудами 100-200 м.

Эти особенности усложняют разработку месторождений с применением новой высокопроизводительной выемочной техники и требуют разработки эффективных способов перехода геологических нарушений механизированными комплексами.

Вместе с тем имеющиеся технические способы и решения по переходу геологических нарушений и управлению горным давлением не отвечают в достаточной степени полно условиям эксплуатации угольных месторождений области многолетней мерзлоты и нуждаются в дальнейшем совершенствовании, этим вопросам и посвящена настоящяя работа.

Касаясь изученности проблемы совершенствования технологии подземной разработки угольных месторождений области криолитозоны, необходимо отметить, что для обеспечения возможности использования комплексной механизации в очистных и подготовительных забоях и безопасных условий труда подземных горнорабочих институтами ИГД им. Скочинского, ИГДС, ВНИМИ, ВостНИИ и др. совместно с работниками шахт и объединения «Якутуголь» был выполнен большой объем исследований по совершенствованию технологии подземной разработки угольных месторождений области многолетней мерзлоты. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли: Ю.Д. Дядькин, А.Ф. Зильберборд, В.К. Куренчанин, В.Н. Скуба, Е.А. Ельчанинов, А.И. Шор, М.А. Розенбаум, Ю.В. Громов, А.Е. Слепцов, Ф.М. Киржнер, М.А. Викулов, Е.Н. Чемезов, А.П. Ефремов, И.Н. Лось, А.Ф. Галкин, В.П. Ким, А.Н. Быков и др. Разработанные ими рекомендации позволили внедрить современную механизацию очистных работ и рациональные способы регулирования теплового режима на угольных шахтах Крайнего Севера.

Во второй главе разработаны классификация геологических нарушений и рациональные способы их перехода механизированными комплексами.

Анализ литературных источников показал, что вопросами классификации способов перехода геологических нарушений механизированными комплексами в условиях многолетней мерзлоты занимался Ф.М. Киржнер. Следует отме-

тить, что в предложенной им классификации не в полной мере рассмотрены случаи расположений геологических нарушений по отношению к линии очистных забоев. Кроме того, в классификации не нашли отражения способы манипулирования механизированным комплексом при разных видах геологических нарушений и способы воздействия на вмещающие породы.

Разработанная нами классификация позволяет в зависимости от расположения геологического нарушения к очистному забою дать более полную информацию о способах перехода геологического нарушения механизированным комплексом, а также методах манипулирования им при переходе этого нарушения (рис. 1).

Для случая перехода геологических нарушений со слабыми нарушенными вмещающими породами в условиях многолетней мерзлоты разработан комбинированный способ подготовки зоны нарушения к переходу механизированным способом, сущность которого заключается в следующем (рис. 2).

Рис 1 Классификация геологических нарушений и способов их перехода механизированными комплексами.

До подхода забоя лавы к геологическому нарушению проходят по нарушению выработку с присечкой боковых пород на пути перехода комплекса. Из выработки в кровлю бурят шпуры длиной 3-4 м с пересечением плоскости сдвига, которые размещают вдоль выработки на расстоянии не более 3-4 м друг от друга. Устье шпуров изолируют герметизаторами, на концы которых навинчены вентили с напорными шлангами, подающими упрочняющий раствор в породы приамплитудной зоны. В качестве упрочняющего раствора может быть использован состав на основе карбамидоформальдегидной малотоксичной смолы КФ-МТ и отвердителя — водного раствора кристаллического хлорного железа.

Нагнетание производят циклично с изменением дисперсности состава раствора. С увеличением дисперсности состава снижают давление нагнетания раствора с целью исключения гидроразрыва, которое может привести к образованию дополнительных трещин.

Для определения технологических параметров упрочнения нарушенных пород полимерными материалами необходим расчет расстояния между скважинами.

Расстояние между скважинами можно определить по выражению:

где: Кн - коэффициент, учитывающий трещиноватость нарушенной зоны; г о — радиус скважины, м; Р — давление нагнетания, Па; п - пористость нарушенной зоны; Кп - коэффициент проницаемости, м2;//„— начальная вязкость

раствора, - скорость увеличения вязкости раствора,

м

Определим расстояние между шпурами при следующих параметрах среды и процесса нагнетания упрочняющего раствора:

При этих условиях расстояние между шпурами составит 1,3 м, а при - соответственно 1 м.

Кц= 1,8, А77=1014м2, Р=21 ■ 106 Па, го=0,02 м; Яо=210"3-^; л=1,5 10'2; а=0.4-10-3с'.

,-зЯ-С.

Мг '

Рис. 2. Комбинированный способ подготовки зоны геологического нарушения 1 к переходу очистным механизированным комплексом:

1 - забой лавы; 2 - геологическое нарушение; 3 - выработка; 4 - присекаемые породы при проведении выработки; 5 - скважины (шпуры); 6 - плоскость сдвига

На основе изучения опыта использования технологий перехода геологических нарушений механизированными комплексами предложены новые способы перехода нарушений с разворотом комплекса в плоскости пласта и в вертикальной плоскости для случаев как с крепкими вмещающими многолетне-мерзлыми породами, так и с ослабленными породами кровли и почвы. Предложен способ предварительного определения начала подъема (опускания) механизированного комплекса с учетом амплитуды геологического нарушения.

Для случаев непереходимых геологических нарушений разработан способ, предусматривающий перемещение всего механизированного комплекса из демонтажной камеры в монтажную на специальных платформах по предложенной технологической схеме. Кроме того разработан способ быстрого перемонтажа механизированного комплекса.

При проектировании подземных горных работ шахты, особенно при раскройке шахтного поля, важно знание расположений геологических нарушений. С этой целью разработан способ определения местоположения геологического нарушения пластового месторождения, сущность которого заключается в том, что по разведочным скважинам, находящимся на линии, совпадающей с простиранием пласта полезного ископаемого, строят разрез с уточнением отметок пласта полезного ископаемого, по которым можно определить наличие геологического нарушения между скважинами.

В третьей главе рассмотрены новые способы первичной посадки трудно-обрушаемых кровель.

На основании анализа имеющихся способов первичной посадки трудно-обрушаемых кровель была разработана их классификация применительно к условиям многолетней мерзлоты, предусматривающая разделение всех способов на две группы, в одну из которых включены способы первичной посадки кровель с воздействием на труднообрушаемые породы с применением ВВ, гидроразрыва, теплового или электрохимического способа.

Ниже рассмотрены разработанные нами, способы первичной посадки труднообрушаемых кровель шахт области многолетней мерзлоты, вошедшие в группу способов, не предусматривающих воздействия на породы кровли, а также способы, основанные на воздействии на породы кровли.

Один из предложенных способов первичной посадки основной кровли без воздействия на нее основан на формировании саморазрушающегося целика, снимающего с механизированного комплекса разрушающие нагрузки (рис. 3).

4

г

Рис. 3. Способ отработки пластов угля с труднообрушаемой кровлей. 1 - граница выемочного столба; 2 - монтажная камера; 3 - механизированный комплекс; 4 - саморазрушающийся целик

Способ осуществляют следующим образом. Участок, длина которого от границы выемочного столба и разрезной печи до места размещения монтажной камеры равна предельному пролету основной кровли, отрабатывают лавой с. индивидуальной крепью. Перед проведением монтажной камеры предварительно рассчитывают ширину саморазрушающегося целика по методикам ВНИМИ и определяют длину диагональных участков 1 в зависимости от расстояния участка, на котором нагрузка на саморазрушающийся целик изменяется от максимальной до минимальной величины по выражению: ; = >/(0,31<, + н/гп)1+ь!, 13

где длина диагональных участков целика, м; предельный пролет ос-

новной кровли, м; И- глубина разработки, м; м- угол наклона трещин, Ь максимальная ширина саморазрушающегося целика, м; оптимальные параметры I составляют 15 - 20 м.

Монтажную камеру проходят, оформляя целик угля с приданием ему трапециевидной формы.

По окончании отработки выемочного участка и подвигания забоя к границе саморазрушающегося целика производят первичное обрушение непосредственной кровли в пределах отработанного участка выемочного столба, для чего извлекают индивидуальную крепь в отработанном пространстве. При движении механизированного комплекса от монтажной камеры на расстояние 4-6 м происходит саморазрушение целика и обрушение непосредственной, а затем основной кровли.

Данный способ защищен авторским свидетельством и внедрен на шахте «Сангарская» ПО «Якутуголь» с фактическим экономическим эффектом 813782 руб.

Для управления первичной посадкой труднообрушаемой кровли разработан способ теплового воздействия на мерзлые породы кровли, в результате чего создаются свободные полости по линиям расчетного обрушения, что значительно уменьшает размеры обнаженного пространства и позволяет исключить аварийные ситуации (рис. 4).

Сущность способа заключается в следующем. В подготовленный к отработке выемочный столб в район предполагаемой первичной посадки кровли бурят с поверхности скважины по линиям, одна из которых располагается у границы столба, а другая - около того положения очистного забоя, где ожидается первичная посадка кровли. В скважины затем опускают трубы с отверстиями в стенках с заглушённым нижним концом таким образом, чтобы перфорированная часть труб находилась в районе расчетного свода обрушения горных пород при первичной посадке кровли. После этого в трубы подают под давлением теплоноситель - горячий воздух или пар. Оттаявший слой многолетнемерзлых пород вокруг скважины падает в отработанное пространство лавы. Когда образование полостей в скважинах будет закончено, извлекают индивидуальную крепь из отработанного пространства и производят первичную посадку кровли. В случае, если посадки не произошло, в полости скважин помещают ВВ и взрывают.

Рис. 4. Технология первичной посадки кровли в условиях многолетней мерзлоты

1- выемочный столб; 2 -многолетнемерзлые породы; 3 - скважины; 4 - ожидаемый свод обрушения; 5 - полости; 6 - органная крепь

На основании математического решения теплофизической задачи для определения радиуса протаивания пород вокруг скважины получено следующее дифференциальное уравнение:

где: г - время, с; Я— коэффициент теплопроводности мерзлых пород, Вт/(м-К); q—теплота фазовых переходов, Дж/кг, влажность грунта, доли ед., р—плотность мерзлых пород, кг/м3; — диаметр отверстия, м; Я; — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К); С - расход подаваемого воз духа м3/с; ¿2 - диаметр насадки, м; ^„—количество отверстий на 1 мтрубы; V— скорость вытекающей воздушной струи, м/с; Рг - число Прандтля; температура теплоносителя, 0 С.

Данное уравнение решается численным методом Рунге-Кутта с помощью ПЭВМ.

На рис. 5 дан пример расчета радиуса протаивания в зависимости от времени, расхода горячего воздуха и температуры горячего воздуха 7г. Из рисунка 5 видно, что за 30 сут. при Г=80°С радиус протаивания полости составит 2,0 м, т.е. диаметр полости скважины будет равным 4 м, что вполне достаточно при 23 скважинах для разупрочнения горных мерзлых пород и обеспечения нормальной первичной посадки кровли.

В четвертой главе рассматриваются способы регулирования теплового режима угольных шахт Севера, основанные на применении в качестве теплоизоляции местных природных материалов и локального кондиционирования-шахтного воздуха.

2.50

О 5 10 15 20 25 30 Время, сут

Рис. 5. Зависимость радиуса полости от времени при разных температурах воздуха при расходе С=2 м3/сек.

В частности, предложен способ теплоизоляции горных выработок, включающий нанесение теплоизоляционного слоя на крепь или стенки выработки, при этом в состав теплоизоляционного слоя в качестве заполнителя рекомендуется применение вспученного перлитового песка. Для определения оптимальной толщины теплоизоляционной крепи разработана методика ее расчета с учетом теплоизоляционных свойств местных природных материалов. Результатами расчетов установлено, что содержание перлита в теплоизоляционном слое по мере удаления от устья выработки следует уменьшить с соответствущим увеличением содержания песка.

Одним из основных способов регулирования теплового режима угольных шахт области многолетней мерзлоты является использование специальных теп-

лообменных (теплоаккумулирующих) выработок, предназначенных для подогрева (зимой) или охлаждения (летом) до -3-5°С воздуха, поступающего в очистные или подготовительные забои до естественной температуры окружающих горных пород.

На основе положительного опыта использования теплообменных (TAB) выработок разработана технология сооружения вентиляционных выработок для регулирования теплового режима шахты при комбинированной разработке, которая планируется на первоначальном этапе освоения Чульмаканского и Денисовского месторождений.

С учетом того, что крепь TAB и засыпка ее пустыми породами производится на дневной поверхности, есть возможность выбора пустых пород с наилучшими теплофизическими свойствами, обеспечивающими более эффективный теплообмен, что приведет к сокращению общей протяженности TAB.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что повышение плотности пород увеличивает их теплоаккумулирующую способность. При этом у песка теплоаккумулирующая способность выше, чем у других 2 видов (супесь, суглинок) пород. Последняя объясняется тем, что за счет относительно высокой теплопроводности песок аккумулирует больше энергии, хотя объемные теплоемкости у 3 видов пород почти одинаковы.

Создание комфортных условий труда в подземных выработках, применение горных машин на гидроприводе и воды для пылеподавления и пожаротушения на шахтах Крайнего Севера возможны при подогреве шахтного воздуха. Однако подогрев воздуха сопровождается снижением относительной влажности на выходе калорифера до 40—50%, что приводит к повышению пылеоб-разования на всех процессах добычи угля.

Так, с уменьшением относительной влажности воздуха с 95 до 50% концентрация пыли в воздухе увеличивается в 3- 5 раз. В связи с этим, наряду с подогревом шахтного воздуха необходимо его увлажнять, т. е. осуществлять локальное кондиционирование.

На основании разработанной методики расчета температуры воздуха на выходе из трубопровода вентилятором местного проветривания составлена номограмма для определения исходной температуры нагрева воздуха калорифером в зависимости от длины, диаметра воздухопровода и температуры воздуха в выработке. Номограмма построена для заданного количества нагнетаемого в выработку воздуха Q= 150 м3/ мин и конечной температуры воздуха на выходе из трубопровода tg = 2°С (рис.6).

Необходимая относительная влажность воздуха после его подогрева может быть достигнута распылением подогретой воды с помощью форсунок. Согласно нашим исследованиям, полное насыщение воздуха парами воды обеспечивается при расходе воды:

д=АТ-0,051+5,2 л/мин.,

где А - влажность воздуха, равная 0,95 при Т>0°С и 0,50 при Т<0°С; Г— температура воздуха, °С; /—температура воды, °С.

Указанные методы расчета исходных значений температуры воздуха и расхода воды на его увлажнение могут быть использованы при составлении проектов комплексного обеспыливания шахт Южной Якутии.

Рис. 6. Номограмма для определения исходной температуры нагрева воздуха

Заключение

В диссертационной работе на основе проведенных автором исследований предложены решения научно-технической задачи совершенствования технологии выемки нарушенных угольных пластов с труднообрушаемыми кровлями в условиях многолетней мерзлоты с применением очистных механизированных комплексов. Основные выводы по работе заключаются в следующем: 1. Установлено, что Республика Саха (Якутия) и Магаданская область обеспечены в достаточной степени полно минерально-сырьевой базой угля и обладают высокими потенциальными возможностями для Российской Федерации и

экспорта высококачественных углей. При этом около 70% всех запасов пригодны для выемки их подземным способом. Наиболее перспективными месторождениями являются Чульмаканское и Денисовское в Южной Якутии, которые по горно-геологическим условиям схожи с разрабатываемыми Джебарики-Хайским месторождением и Бухты Угольная (шахта «Беринговская»).

2. Разработаны новые способы перехода нарушенных зон механизированными комплексами и определены оптимальные параметры технологий добычи угля из нарушенных пластов в условиях многолетней мерзлоты, позволившие дополнить имеющуюся классификацию способов перехода геологических нарушений по следующим признакам: основным видам геологических нарушений, видам манипулирования механизированным комплексом, способам воздействия на вмещающие породы.

3. Разработаны способы и определены технологические параметры для проведения первичных посадок кровель в условиях многолетней мерзлоты, основанные как на тепловом воздействии на мерзлые породы кровель, так и связанные с проведением подготовительных выработок в кровле пласта.

4. Предложен метод расчета параметров предварительного разупрочнения мерзлых горных пород кровли за счет цикличного их оттаивания. Выбор параметров упрочняющих скважин для укрепления неустойчивых пород в зоне нарушения следует производить по разработанному методу, учитывающему тре-щиноватость нарушенной зоны, давление нагнетания, радиус скважины, вязкость раствора, пористость нарушенной зоны.

5. Разработана методика расчета теплоаккумулирующих выработок с учетом плотности и влажности местных природных материалов (песок, супесь, суглинки), позволяющая оптимизировать их параметры при регулировании теплового режима при подземном и комбинированном способах разработки угольных месторождений. Оптимизированы основные параметры способов теплоизоляции вскрывающих воздухоподающих выработок по их длине и сечению.

6. Предложена и использована на шахте «Джебарики-Хая» схема локального кондиционирования воздуха с использованием электрокалорифера, что позволило применить механизированный комплекс на очистной добыче, обеспечить бесперебойную работу средств борьбы с пылью на выемочном комбайне. Разработана методика расчета исходной температуры нагрева воздуха на выходе из нагнетательного трубопровода вентилятора, совмещенного с электрокалорифером.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Локальное кондиционирование воздуха на угольных шахтах Крайнего Севера // Колыма.-1981.-№9.- С.23-25 (Соавторы: И.П. Петров, И.П. Гуревич, Ю.Е. Батурин, Р.Ф. Уманцев).

2. Руководство по определению глубины протаивания горных пород вокруг капитальных и подготовительных выработок угольных шахт и рудников в области многолетней мерзлоты.- М.:ЦНИЭИуголь, 1984.-13 с. (Соавторы: Р.Ф. Уманцев, А.В. Комзолов).

3. А.с. № 1149015 (СССР). Способ перехода геологических нарушений механизированным комплексом / Ф.М. Киржнер, В.Н. Скуба, П.Н. Васильев, А.И. Украинский, Н.И. Красько; Заявл. 14.10.83; Опубл. 07.04.85 // Открытия. Изобретения.-1988.-№13.

4. А.с. № 1176085 (СССР). Способ предварительного ослабления массива в зоне геологического нарушения /Ф.М. Киржнер, А.Ф. Галкин, П.Н. Васильев, Г.П. Довиденко.; Заявл. 23.02.84; Опубл. 30.08.85 // Открытия. Изобретения,-1985.-№32. .

5. А.с. № 1182175 (СССР). Комбинированный способ подготовки зоны геологического нарушения к переходу очистным механизированным комплексом • / П.Н. Васильев, Ф.М. Киржнер, И.Н. Лось; Заявл. 08.06.83; Опубл. 30.09.85 // Открытия. Изобретения. -1985.-№ 36.

6. А.с. №1184941 (СССР). Способ отработки пластов угля с труднообрушаемой кровлей / П.Н. Васильев, Ф.М. Киржнер, Р.Ф. Уманцев и др.; Заявл. 10.08.84; Опубл. 15.10.85 // Открытия. Изобретения. -1985.-№ 38.

7. А.с. №1227813 (СССР). Способ создания теплоизоляционного покрытия горных выработок / Ф.М. Киржнер, П.Н. Васильев, В.Ю. Изаксон и др.; Заявл. 13.07.84; Опубл. 30.04.86 // Открытия. Изобретения. -1986.-№ 16.

8. А.с. №1416707 (СССР). Способ перемонтажа механизированной крепи у геологического нарушения / П.Н. Васильев, Ф.М. Киржнер; Заявл. 29.04.85; Опубл. 15.08.88 // Открытия. Изобретения. -1988.-№ 30.

9. А.с. № 1624156 (СССР). Способ подготовки зоны геологического нарушения к переходу лавой с механизированным комплексом / П.Н. Васильев, Ф.М. Киржнер; Заявл. 01.02.89; Опубл. 30.01.91 // Открытия. Изобретения. -1991.-№4.

Ю.А.с. №1710748 (СССР). Способ перехода геологических нарушений механизированным комплексом / П.Н. Васильев, Ф.М. Киржнер, С.Д. Головня, А.А. Кац; Заявл. 02.04.90; Опубл. 07.02.92 // Изобретения.-1992.-№ 5.

11.Патент РФ №2121959. Устройство для перемещения механизированного комплекса / П.Н. Васильев, СМ. Огнев; Заявл. 15.12.96; Опубл. 20.11.98 // Изобретения.-1998.-№ 32.

12.Способ перехода геологического нарушения механизированным комплексом //Колыма.-1998.-Xo4.-C. 18-19 (Соавторы: А.П. Ефремов, СМ. Огнев).

13.Новые технологические решения перемещения механизированного комплекса // Колыма.-1998.-№3.-С24-26 (Соавторы: А.П. Ефремов, СМ. Огнев, М.Л. Чернуха).

14.Переход механизированным комплексом геологического нарушения с большой амплитудой // Колыма.-1999.-№1.-С25-26 (Соавторы: А.П. Ефремов, СМ. Огнев).

15.Классификация геологических нарушений и способов их перехода механизированным комплексом //Колыма.- 1999.-№2.-С.44-46 (Соавторы: А.П. Ефремов, СМ. Огнев).

16.Патент РФ №2184240. Способ монтажа механизированного комплекса и ведение очистных работ. / П.Н. Васильев, А.П. Ефремов; Заявл. 25.05.00; Опубл. 27.06.02 // Изобретения. Полезные модели. -2ОО2.-№ 18.

П.Новые технологии для освоения перспективных угольных месторождений Южной Якутии // Колыма - 2002.-№2-С42-44. (Соавторы: А.П. Ефремов, Т.В. Серебренникова)

18.Патент РФ №2199663. Способ определения местонахождения геологического нарушения пластового месторождения / П.Н. Васильев, В.П. Зубков; Заявл. 18.05.01.; Опубл. 27.02.03 // Изобретения. Полезные модели. -2ООЗ.-№ 6.

19.Патент РФ № 2198294. Способ регулирования теплового режима шахты./ П.Н. Васильев, Ю.А. Хохолов; Опубл. 10.02.03 // Изобретения. Полезные модели.- 2003.- № 4.

20.Совершенствование способов регулирования теплового режима шахты криолитозоны теплоаккумулирующими выработками // Современные технологии освоения минеральных ресурсов: Сборник научных трудов. Вып. 1.-Красноярск, 2003.- С.84-88 (Соавтор Ю.А. Хохолов).

21.Технические решения по переходу геологических нарушений при освоении перспективных угольных месторождений Южной Якутии // Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых: Мате-

риалы республиканской научно-практической конференции. Часть 1.-Якутск, 2003.- С.29-32 (Соавтор В.А. Шерстов). 22.Совершенствование подземной разработки угольных месторождений Якутии с дезъюнктивной нарушенностью пластов // Наука и образование.-2004.- №1.- С.9-13 (Соавтор В.А. Шерстов).

Лицензия серии ПД № 00840 от 10.11.2000 г.

Формат 60x84 У16. Бумага офсетная №2. Печать офсетная. Усл.п.л. 1,05. Тираж 100 экз. Заказ № 101.

ЯФ ГУ «Издательство СО РАН»

677891, г. Якутск, ул. Петровского, 2, тел/факс: (411-2) 36-24-96 E-mail: kuznetsov@psb.ysn.ru

04- 1 3793