Обеспечение устойчивого и безопасного функционирования технологических систем угольных шахт тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.02, доктор технических наук в форме научного доклада Диколенко, Евгений Яковлевич

• Диколенко, Евгений Яковлевич
• доктор технических наук в форме научного доклада
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме научного доклада Диколенко, Евгений Яковлевич

Диссертация, представленная в виде научного доклада, являет собой научное обобщение опубликованных в 1979— 1998 гг. работ автора по исследованию, разработке и реализации на шахтах СНГ прогрессивных технико-технологических решений, обеспечивающих надежную и безопасную отработку запасов уголь-ных месторождений в широком диапазоне горно-геологических условий.

Актуальность проблемы. Переход экономик стран СНГ на рельсы рыночных отношений предопределил необходимость коренных изменений в механизме функционирования секторов промышленных производств. В значительной мере эти изменения приходятся на долю угольной промышленности, в которой технический уровень производства, безопасность и экологично'сть разработки месторождений угля ранее практически напрямую зависели от степени государственной поддержки предприятий. Действовавшая в отрасли система экономических отношений отличалась целым рядом негативов и приводила к далеко не всегда обоснованной адресации инвестиций. Как правило, основным критерием эффективности работы угледобывающей отрасли многие годы являлись объемы производства при значительной абстрагированное™ от «цены» ошибок из-за несвоевременного технического перевооружения угледобывающих предприятий, необоснованных изменений в структуре шахтного фонда, игнорирования приоритетных направлений повышения уровней безопасности производства и полноты использования природных ресурсов.

В угольной промышленности России эти негативные процессы проявляются в виде ежегодного снижения добычи угля, отставания от высокоразвитых угледобывающих стран в 1,8.4 раза по уровню производительности труда, а по уровню нагрузки на очистной забой — в 2.5 раз.

Низкий уровень инженерных решений и обеспечения безопасности работ особенно в условиях высокого метановыделе-пия и пылеобразования, неудовлетворительный оперативный контроль за соблюдением пылегазового режима во многом являют собой причины крупных аварий, приводящих к травматизму со смертельным исходом и выводу из строя шахт на продолжительное время.

Программой реструктуризации угольной промышленности России определены стратегические направления вывода отрасли из кризисного положения. Так, в производственной сфере намечается, в частности, отказ от разработки особо неблагоприятных угольных пластов, снижение издержек производства, строительство высокоэффективных угледобывающих предприятий, улучшение потребительских свойств угольной продукции, реализуемой на рынке при наличии должной ее конкурентоспособности. В то же время эти меры государственного масштаба получат свою практическую реализацию на перспективных и стабильных шахтах при оптимальном планировании развития горных работ, поддержании требуемого уровня технической оснащенности производства, рациональном согласовании функциональных звеньев технологической системы шахты по их пропускной способности, локализации негативных проявлений геомеханических факторов в направлении обеспечения ритмичной работы предприятия и должного уровня охраны труда производственного персонала.

Таким образом, заключая вышеизложенное, можно утверждать о достаточной актуальности научных исследований, направленных на обоснование комплекса решений, обеспечивающих устойчивое и безопасное функционирование технологических систем угольных шахт.

Целью диссертации является выявление закономерностей функционирования элементов технологической системы шахты в различных горно-геологических, производственно-технических и организационных условиях для объективной выработки комплекса решений, обеспечивающих надежное и безопасное ведение подземных горных работ.

Основная идея работы заключается в реализации проблемно-ориентированного подхода к поэлементному снижению 'производственного риска в технологической системе угольной шахты в направлении вывода ее на режимы устойчивого и безопасного функционирования.

Методы исследований. За основу был принят комплекс методов исследований, включающий методы анализа и научного обобщения передового производственного опыта, технологическое моделирование, методы математической статистики и теории вероятностей, корреляционный и регрессионный анализ, аналитические, лабораторные и натурные исследования с использованием апробированных и специально разработанных автором методик.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Потребность горного производства в постоянном инженерном сопровождении и формировании системы надежного прогнозирования перспектив устойчивого его развития определяет собой проблемное поле оптимального проектирования угольных шахт [3, 4, 29, 30].

2. Реализация эффективной технологии тампонажных работ при сооружении капитальных горных выработок в обводненных породах и надежный оперативный контроль за их состоянием с использованием выявленных закономерностей формирования изоляционных завес в интервалах физического воздействия на массив во многом обеспечивают устойчивое и безопасное функционирование технологических систем угледобывающих предприятий [16, 17, 19].

3. Эффективное и безопасное использование выработанного пространства шахт как в процессе добычи угля, так и в по-слеэксплуатанионном периоде при сохранении высокого технического уровня производства обеспечивается за счет объективного учета закономерностей деформирования горного массива как основы для выработки рациональных технических и технологических решений по управлению им и размещению пороты и других промышленных отходов в шахте ¡"10, 25, 27, 33].

4. Эффективность управления газовой обстановкой в шахте определяется величиной изменения природной метанонос-ности пласта и количеством каптируемого газа, находящихся в зависимости от технологии дегазации запасов угля, темпов подвигания очистных и подготовительных забоев, а также степенью склонности пластов к газодинамическим проявлениям [23,36].

5. Прогноз динамических явлений в массиве горных пород может быть осуществлен с использованием выявленной закономерности изменения выхода ртути в атмосферу, показывающей возрастание концентрации ртути в атмосфере в периоды формирования зон очагов динамических явлений [14, 15].

6. Концентрация вредностей (примесей) в потоке шахтного воздуха формируется под влиянием комплекса различного рода факторов, в первую очередь коррелирует с аэродинамическими параметрами потока (длина вихря, интенсивность турбулентности, продольная скорость потока, угол сдвига фазы движения частицы и среды) [20].

7. Пылевая обстановка в очистном забое во многом определяется рабочей скоростью подачи выемочной машины. С увеличением скорости подачи комбайна запыленность воздуха р лаве снижается, что в первую очередь вызвано интенсификацией развития трешиноватости угольного массива различного влагосодержания, пористости и крепости впереди комбайна [13, 22, 24].

8. Эффективность гидродинамического воздействия на массив горных пород с целью заблаговременного снижения пыле-образования определяется условиями контакта зонально перемещающихся гидравлических полей. При взаимодействии однородных по свойствам зон воздействия момент их смыкания фиксируется равенством коэффициентов приемистости смежных активных и пассивных зон нагнетания рабочей жидкости [12, 18, 21, 26].

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются: удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и геофизических исследований в производственных условиях предложенного способа контроля за целостностью там-ио-нажных завес в процессе их формирования вокруг проводимой горной выработки (расхождение 8.15'%); экспериментальным подтверждением возможности формирования однородных по свойствам горных пород зон физических полей и площади участков угольных месторождений при гидродинамическом воздействии на массив, обеспечивающем эффективную и безопасную отработку запасов высокогазоносных, выбросо- и пожароопасных пластов, а также перевод их в категорию пониженной пыльности; положительным опытом внедрения предложенных технических и технологических решений по обеспечению устойчивых и безопасных режимов ведения подготовительных, очистных и транспортных работ на шахтах Донецкого и Львовско-Во-лынского бассейнов.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложены методические принципы оптимального проектирования угольных шахт, предусматривающие возможность учета изменений технического прогресса и экономических отношений в отрасли при сохранении должной совместимости элементов структур технологических систем [3, 4, 29, 30]; обоснованы технические и технологические решения по эффективному и безопасному использованию подземного пространства шахт как в процессе добычи угля, так и после такового [10, 27, 31]; разработаны методические принципы и способ контроля за качеством формирования тампонажных завес вокруг капитальных горных выработок, проводимых в обводненных породах [16, 17, 19]; выдвинута и физически обоснована гипотеза о возможности использования геохимического подхода к прогнозу газодинамических явлений ® горных выработках на основе оценки ртутоносности угольных пластов [14, 15]; аналитически описан процесс формирования концентрации вредных примесей в воздушном потоке в зависимости от соотношений плотностей вредностей и среды, удельной энергии входа вредностей в поток, вязкости среды, числа Шмидта и размеров частиц [20]; обоснованы условия проветривания очистных забоев и забоев тупиковых и спаренных горных выработок при их проведении на газоносных угольных пластах, а также технологические решения по устранению газового барьера [23, 36, 38]; выявлена закономерность изменения запыленности воздуха в лаве в зависимости от рабочей скорости подачи комбайна, конструктивных особенностей его исполнительного органа и состояния угольного массива в зонах гидродинамического воздействия на пласт [13, 22]; обоснован способ контроля за смыканием между смежными скважинами зон гидрообработки угольного пласта с целью заблаговременного снижения пылеобразования [18, 21, 26].

Значение работы. Научное значение диссертации состоит в выявлении закономерностей устойчивого и безопасного функционирования элементов технологических систем шахт для обоснования прогрессивных решений, минимизирующих негативные проявления природных, производственно-технических и организационных факторов.

Практическое значение работы: предложены прогрессивные технологические схемы интенсивной подготовки и отработки запасов маломощных угольных пластов, позволяющие повысить производительность и безопасность труда подземных рабочих [1, 2, 5, 6, 7]; разработаны и рекомендованы программы технического перевооружения шахт Львовско-Волынского бассейна в направлении обеспечения устойчивого и безопасного ведения горных работ в рамках производственных комплексов угледобывающих предприятий {8, 9]; предложена прогрессивная технологическая схема возведения околоштрековой бутовой полосы с устранением ручного труда, позволяющая существенно снизить выход породы из шахты и обеспечить безопасную и надежную охрану подготовительной выработки [10, 31]; разработан и реализован способ оперативного контроля за качеством тампонажных работ при проведении капитальных горных выработок в обводненных породах, обеспечивающий надежную и безопасную эксплуатацию их в течение всего срока службы [16, 17, 19]; предложены рекомендации по управлению газовыделением в выработки, обеспечивающие повышение уровней безопасности горных работ [23, 32, 36, 38]; разработаны технологические решения по улучшению пылевой обстановки при ведении горных работ на угольных шахтах [ 13, 22, 24, 26]; предложены решения по рационализации процесса гидродинамического воздействия на угольные пласты с целью заблаговременного снижения пылеобразования и способ контроля качества гидрообработки массива через наземные скважины [11, 12, 18, 22, 24, 26, 34, 35]; разработаны требования к переносным приборам нового поколения для контроля состава рудничной атмосферы [37].

Реализация работы. Технологические схемы транспорта угля с осредняющими емкостями внедрены на шахтах «Заря» и «Объединенная» ПО «Торезантрацит».

Разработаны и внедрены рекомендации по совершенствованию вентиляционной системы шахты «Объединенная».

Перевод шахт ПО «Торезантрацит» по предложению автора на отработку запасов выемочных полей по столбовым системам позволил более чем в 2 раза уменьшить число подготавливаемых горизонтов, на 25% снизить затраты на строительство горизонтов, а удельное проведение горных выработок довести с 13,7 до 12 м на 1000 т добычи угля.

Разработаны и эффективно внедрены комплексные программы технического перевооружения шахт ПО «Укрзапад-уголь».

Разработанный при непосредственном участии автора способ оперативного контроля за качеством формирования там-понажных завес успешно прошел промышленную проверку при сооружении стволов шахт «Вергелевская» ПО «Стаха-новуголь», «Краснокутская» ПО «Донбассантраиит» и АООТ «Шахта «Обуховская».

Промышленная проверка на шахте им. Скочинского ПО «Донецкуголь» подтвердила работоспособность и эффективность способа контроля за смыканием зон гидрообработки угольных пластов.

Методические рекомендации по оптимальному проектированию угольных шахт приняты к использованию институтом «Центрогипрошахт» и в учебном процессе Московского государственного горного университета.

Предложения автора по эффективному регулированию азрО'Пьтлегазовых режимов шахт получили реализацию в «Правилах безопасности в угольных шахтах», а также в «Типовом положении о системе управления охраной труда на предприятиях по добыче и переработке угля».

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на VI съезде НТО Горное (Москва, 1979), Международном симпозиуме «Интергаз-95» (Алабама, 1995), Международном симпозиуме «Применение компьютеров в горной промышленности», АРСОМ (Лондон, 1998), Международном симпозиуме по охране окружающей среды и захоронению отходов в энергетической и горной промышленности «5ШЕ'МР'98» (Анкара, 1998), научно-технической конференции «Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках» (Варна, 1998), Научном симпозиуме в рамках «Недели Горняка — 98» (Москва, 1998), на научно-технических совещаниях по выполнению комплексных программ «Недра России», «Уголь России» (Москва, 1992—1994), научно-технических совещаниях в Госгортехнадзоре РФ (Москва, 1993— 1997), научно-технических советах ПО «Торезантрацит» (Торез, 1979—1983), научно-технических советах ПО «Укрзапад-уголь» (Сокаль, 1984—1987), объединенном научном семинаре кафедр ТПУ и АОТ Московского государственного горного университета (Москва, 1998).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 38 опубликованных работах, в том числе 9 монографиях, 1 брошюре, 27 научных статьях, 1 авторском свидетельстве на изобретение.

Краткое содержание опубликованных работ

1. Обоснование рациональных технологических решений при проектировании угольных шахт [3, 4, 29, 30].

Опыт реализации проектных решений показывает, что существенные просчеты, допускаемые при проектировании, негативно сказываются на устойчивости, эффективности и безопасности функционирования технологических систем шахт. Во многом эти просчеты являются следствием идеализации природных условий. В итоге же имеет место необъективный учет факторов, определяющих качество формирования технологической системы, адекватность изменения ее характеристик изменениям горно-геологических условий, технического прогресса и экономических ситуаций в отрасли. Решение этих вопросов оказывается эффективным лишь на основе синтеза рационального варианта технологической системы шахты из наиболее предпочтительных в заданных условиях элементов ее структуры.

Методология конструирования рациональных вариантов технологических систем шахт была разработана автором совместно с учеными МГИ. Ее исходной посылкой является удовлетворение конечного результата конструирования комплексу требований в части высокого технического уровня, безопасности и экологичноети производства, концентрации и интенсификации горных работ, гибкого реагирования на изменение условий отработки запасов шахтного поля, унификации проектных решений с рекомендуемыми в качестве прогрессивных технологических решений.

Использование теории принятия решений позволяет выявить множество предпочтительных вариантов технологической системы шахты. Выделение же подмножества рациональных вариантов на основе реализации теории принятия решений практически невозможно, и выбор принимаемого в итоге проектирования варианта должен осуществляться по экономическим критериям. Особенностью решения задачи выбора рационального варианта технологической системы является то, что при варьировании качественных характеристик параметры элементов технологической системы изменяются дискретно.

Каждый вариант проектного решения на любом уровне оценивается по ряду критериев—чем большее число критериев включается в оценку, тем объективнее общее заключение по данному варианту проектного решения. С другой стороны, увеличение числа критериев повышает трудоемкость оценки. В связи с разновариантностью критериев оценки варианта но каждому из них устанавливаются верхние пределы и диапазоны балльной оценки.

Обобщенная сравнительная оценка рациональности того или иного варианта решения на каждом из уровней технологической системы шахты представляет из себя сумму балльных оценок по всем критериям:

ИИт1у= 2 В и -*- тах, (1) где [I — номер уровня элементов технологической системы; / — номер варианта; I — но>мер критерия; т — число критериев, учитываемых на каждом уровне системы;

В/у—балльная оценка /-го варианта по г-му критерию.

Однако удобнее пользоваться не суммарной балльной оценкой, а среднекритериальной:

Ж в>з ц = —- • (2)

Процедура выбора предпочтительных вариантов методом перебора для последующего экономико-математического моделирования довольно затруднительна. Эту задачу можно решать с использованием процедуры динамичеекого ¡программирования. В соответствии с этой процедурой выбор начинается с наиболее «стационарных» (долгоиспользуемых) элементов

•РОССЙЙСКАИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

Б1ШНШБКА технологической системы шахты (схема вскрытия, схема иод-готовки, система разработки и т. д.).

Основанием для отказа от дальнейшего рассмотрения того или иного решения может служить лишь значительная разница в интегральной относительной оценке (разница должна быть более 10%). В противном случае решения расцениваются как равнозначные и учитываются при последующих сравнениях вместе-с решениями последующего уровня., При этом необходимо проанализировать целесообразность решений предыдущего уровня в сочетании с решениями последующего уровня и наоборот.

Оптимизация параметров шахты осуществляется по выбранному экономическому критерию с учетом выявленных закономерностей совокупного влияния комплекса природных, горнотехнических и организационных факторов.

Большой потенциал в части повышения качества проектов горных предприятий заложен в методах системного анализа технологии, организации, методологии и информационной базы проектирования, объектов, на базе которых и формируются системы автоматизированного проектирования (САПР). Основу целевой направленности САПР составляют повышение качества проектных решений и технико-экономического уровня проектируемых объектов на всех этапах их функционирования, а также повышение производительности труда проектировщиков и сокращение сроков выполнения ¡проектных работ. При этом необходимыми условиями являются: повышение доли творческого труда проектировщиков за счет использования современных математических методов и средств вычислительной техники; переход на многовариантное проектирование; создание интегрированных банков данных, содержащих систематизированную информацию, необходимую для автоматизированного проектирования, и обеспечивающих поиск, обработку и передачу данных в автоматизированном режиме; унификация, стандартизация структурных элементов методического, информационного, программного и организационного обеспечения проектных работ.

Анализ опыта использования моделей в практике планирования и проектирования горных предприятий показывает, что статистические модели в качестве аспектов предпочтения характеризуются возможностью учета вероятностной природы процессов и явлений, имеющих место при ведении горных работ, а также многократного «проигрывания» их влияния на поведение оригинала. В то же время, следует считать, что в будущем при проектировании горных предприятий наибольшее распространение получат модели,, сочетающие аналитическую и статистическую «природу» формирования.

По мере развития САПР широко распространенная ныне многопроцедурная схема разработки и реализации экономикоматематических моделей горных предприятий будет существенно упрощаться путем сведения к сбору исходных данных (с использованием банков данных), разработке «дерева» расчетных вариантов, выбору программных средств, обеспечивающих реализацию модели, а также анализ результатов расчета и проектного решения.

Наиболее важной, да и чаще всего решаемой в практике проектирования задачей является вьгбор рационального варианта развития горных работ на действующей шахте, обеспечивающий высокий технико-экономический уровень предприятия на протяжении всего планируемого периода. В этой связи необходимо учитывать степень достаточности хозрасчетного дохода для нормального функционирования шахты и возможности самофинансирования. Целевая функция при этом имеет следующий вид: э= 2 2 {П}( + A,t - КМ\ + irl-x„ > max, (3) j = J t-т где Пjt —прибыль по шахте при /-м варианте развития в t-м году, тыс. руб.; А л —сумма амортизационных отчислений на реновацию основных фондов в t-м году планируемого периода по /-му варианту, тыс. руб.; i — ставка дисконтирования разновременных затрат; х¡1 —булева переменная, принимающая значение «1» при условии, если в I-м году планируемого периода реализуется /-й вариант развития шахты, либо значение «О» — в противном случае.

В качестве ограничений экономико-математической модели вводятся ограничения по объему добычи угля с учетом государственного заказа и (или) хозяйственных договоров, по величине прибыли, являющейся источником платежей в бюджет и реализации мероприятий по производственному и социальному развитию, по условию самофинансирования развития горных работ, по удовлетворению требований потребителей к качеству товарного угля, а также по альтернативности вариантов развития шахты.

Получила практическую реализацию задача расчета календарного плана отработки запасов шахтного поля, которая сводится к нахождению таких средиедействующих количеств лав в выемочных полях, которыми обеспечивалась бы заданная мощность шахты при .максимальном уровне концентрации горных работ и минимальном числе переходных периодов, а также последовательность отработки запасов полей в соответствии с заданными приоритетами. Запасы полей с наивысшим приоритетом отрабатываются в первую очередь.

Методика расчета календарного плана учитывает также задержки одних полей другими, когда по условиям лодработки или надработки пластов начало отработки запасов некоторых полей может задерживаться. В итоге расчета календарного плана определяются нагрузки на выемочные поля в каждый год, среднедействующее количество очистных забоев в каждом выемочном поле, а также сроки начала и окончания отработки запасов каждого выемочного поля. Эти результаты являются исходными данными для построения календарного плана ведения горно-подготовительных работ. Поскольку сеть горных выработок в модели формируется на весь период отработки, то, зная сроки начала и окончания отработки запасов выемочных полей, можно установить и сроки начала и окончания службы каждой вскрывающей и подготовительной выработки. Выходные данные проверяются, в результате чего возможно повторение расчетов после изменения очередности отработки запасов выемочных полей и ограничений по среднедействующему числу лав в выемочных полях.

2. Разработка и реализация технологических решений по обеспечению устойчивости и безопасности ведения горных работ на действующих и реконструируемых шахтах [1, 2, 5, б—

9,16,17,19].

При разработке программ технического перевооружения и технологического совершенствования шахт автор в качестве приоритетного рекомендовал комплексный подход, исключающий наличие «узких» мест в технологической системе предприятия. Естественно, исходным условием оставалось обеспечение реально достижимого технического уровня очистных работ и высокой нагрузки на каждую комплексно-механизированную лаву. В то же время безусловным являлось поддержание устойчивого функционирования процессов обеспечения очистных работ.

Опыт эксплуатации шахт Донецкого бассейна, разрабатывающих маломощные угольные пласты показывает, что внедрение очистных механизированных комплексов не дает должной отдачи прежде всего из-за целого ряда сложностей, определяемых горно-геологическими условиями. К ним относятся изменчивость мощностей пластов, наличие труднообру-шаемых кровель, высокое горное давление на глубоких горизонтах, негативные проявления температурного фактора и т. д. Кроме того, низкий уровень технико-экономических показателей функционирования очистных забоев является следствием неоправданно высокой сложности и аварийности технологических систем участкового и магистрального транспорта из-за деконцентрации горных работ.

Под руководством и при непосредственном участии автора был разработан и внедрен в производство целый ряд прогрессивных технологических решений в направлении повышения технического уровня шахт производственных объединений

Торезантрацит» и «Укрзападуголь», обеспечения устойчивого и безопасного их функционирования.

Так, на шахте «Червона Зирка» ПО «Торезантрацит» при отработке запасов выемочных полей по системе «парные штреки» было предложено отказаться от оставления межэтажных целиков, что в результате привело к снижению потерь угля на 10,1% и большей надежности систем проветривания очистных забоев и транспорта полезного ископаемого. Перевод шахты, как и ряда других предприятий в последующем на столбовую систему разработки пластов лавами по восстанию, позволил более чем в 2 раза уменьшить число подготавливаемых горизонтов и на 25% снизить капитальные затраты на их строительство. При этом удельный объем проведения выработок снизился с 13,7 до 12 м на 1000 т добычи угля. Темпы проведения погдотовительных выработок возросли на 25%, что было обусловлено конвейеризацией транспорта горной массы и бесцеликовой отработкой запасов угля. На шахте «Червона Зирка» среднемесячные темпы проведения подготовительных выработок составили 368 м. Это, естественно, явилось следствием серьезных научно обоснованных проработок на стадии технологической подготовки производства.

Способствовало этому и внедрение научной организации труда в проходческих бригадах. Показательным является пример бригады Д. Г. Хомича. Этой бригаде было поручено для восполнения выбывающей линии очистных забоев пройти сборный ходок по пласту К и имеющему мощность 0,6—0,65 м, с подрывкой песчаного сланца непосредственной почвы. Проведение ходка сечением в свету 5 = 9,2 м2 осуществлялось с использованием проходческого комплекса на базе погрузочной машины 1ПНБ-2. В течение марта 1979 г. бригада Д. Г. Хомича прошла 1117 м ходка, что являлось рекордным показателем для этих условий. Месячная производительность труда проходчиков составила 11,8 м.

Серьезные исследования и инженерные разработки были выполнены по изысканию возможности комплексной механизации очистных работ на тонких крутых и крутонаклонных пластах, разрабатываемых шахтами ПО «Торезантрацит». В результате в ш/у «Волынское» взамен молотковой технологии в 1979 г. был внедрен механизированный комплекс КГУ. На шахте «Речная» была внедрена комбайновая технология выемки угля на выбросоопаоном пласте с вынимаемой мощностью т =0,86 м и углом падения а= 52°. Управление кровлей лавы длиной 110 м осуществлялось способом полного обрушения. За август 1980 г. одной из передовых бригад было добыто 1'5,7 тыс. т угля при средней суточной нагрузке на лаву Лл=|541 т. Месячная скорость подвигания забоя лавы составила 72,8 м, а производительность труда рабочего очистного забоя — 21,7 т/вых.

В результате исследований автора и анализа производственного опыта было установлено, что устойчивая и производительная работа очистных забоев сдерживается низкой надежностью функционирования транспортной системы выемочного поля. В этой связи были разработаны и внедрены на шахтах «Объединенная» и «Заря» ПО «Торезантрацит» рекомендации по совершенствованию участковых транспортных систем. Так, было рекомендовано для повышения ритмичности работы транспортной системы шахты «Объединенная» сооружение аккумулирующего бункера емкостью 700 м3 и глубиной 135 м, соединившего технологическую цепочку пласта /С4 «Андреевский» и Лг «Дроновский». При этом длина плеча транспортирования угля сократилась до 600 м.

Применительно к шахте «Заря» автором было предложено соединить вертикальной аккумулирующей выработкой глубиной 130 м и промежуточной емкостью 600 м3 пласты к» «Фо-минокой» и Й7 «Кашеевский». В результате реализации этого технологического предложения значительно сократилась протяженность цепи транспортирования угля, а число рабочих, занятых на транспорте, снизилось до 15 человек в сутки.

Для обеспечения надежного проветривания очистных забоев шахты «Объединенная» было обосновано и реализовано решение о проведении вертикальной восстающей выработки длиной 45 м, соединяющей пласт К2 с пластом Яг2

Практика показывает, что надежностью эксплуатации вскрывающих и капитальных выработок во .многом определяются устойчивость и безопасность работы всего предприятия. Создание безопасных условий труда при сооружении горных выработок в сложных условиях обеспечивается путем предупреждения прорывов воды и снижения водопритоков в выработки с помощью специальных способов воздействия на обводненный породный массив: тампонирование, водопониже-ние, искусственное замораживание и др., каждый из которых имеет свою область применения, ограниченную -горно-геологическими условиями.

В последнее время принята ориентация на технологию тампонажа обводненных горных пород. Для защиты сооружаемого объекта формирование тампонажных завес осуществляют по отдельным горизонтам или группе горизонтов, объединенных в заходку. Величина заходки выбирается в зависимости от суммарной мощности входящих в нее обводненных горизонтов различных литологических толщ. Включение в одну заходку возможно, если значение коэффициентов проницаемости этих горизонтов разняться не более чем в 2,5 раза. Напоры подземных вод для каждой отдельной заходки определяются водоносным горизонтом с наибольшим напором.

С участием автора были проведены исследования по оценке качества тампонажных работ при сооружении западного вентиляционного ствола шахты «Красножутская» ПО «Доя-бассантрацит». Гидрогеологические условия сооружения ствола были сложные, что обусловлено наличием в разрезе большого числа водоносных горизонтов, резкой изменчивостью во-дообильности, связанной с неравномерностью трещи нов атости пород по площади. Прогнозный суммарный водоприток в ствол составил 192 м3/ч, из отдельных водоносных горизонтов— 10—20 м3/ч. В результате анализа фильтрационных свойств горизонты были объединены в 14 тампонажных за-ходок.

При расчете параметров формирования тампонажных завес по каждому интервалу учитывались их гидродинамические свойства: глубина залегания, мощность, напор подземных вод, коэффициент проницаемости, скважинность, трещинная пустотность горных пород, максимальное и минимальное раскрытие трещин, ожидаемый водоариток в ствол.

В качестве тампонажното раствора использовался глино-цементный раствор. Необходимое число точек нагнетания (скважин) для формирования изоляционных завес в каждом конкретном водоносном горизонте определялось графическим путем, исходя из о!бщих размеров завесы вокруг ствола, контура. распространения тампонажного раствора из отдельных скважин и др. с учетом допустимы« отклонений профилей тампонажных скважин и оптимального перекрытия расчетной изоляционной завесы вокруг ствола контурами завес из отдельных скважин. Всего было пробурено 9 скважин.

Эффективность формирования тампонажных завес оценивалась с использованием комплекса геофизических и гидродинамических методов. Анализ результатов исследований позволил выявить разрывы оплошности тампонажных завес в интервалах 35—42; 51,5—70; 220—261,5 м и слабые нарушения сплошности —338—350; 386—428; 485—513 м. В остальных интервалах можно условно считать смыкание отдельных тампонажных тел в единую завесу.

Полученные результаты исследований состояния тампонажных завес позволяют на стадии формирования завес корректировать параметры тампонажа для обеспечения сплошности завес в каждом водоносном горизонте.

Для контроля за качеством тампонажных завес в аспекте их сплошности были также проведены исследования на шахте «Вергелевская» ПО «Стахановуголь» при сооружении вспомогательного вертикального ствола. Работы по тамлони-■ рованию велись с использованием глиноцементного раствора. Для формирования тампонажных завес по водоносным горизонтам, пересекаемым стволом, использовались ¡2 пробуренных скважин, из них: три — глубиной 540 м, одна — 440, одна—370, одна —230, одна—160 и пять 70 м. Конструкция скважин была выбрана с учетом конкретных горно-геологических характеристик участка работ, принятой технологической схемы нагнетания тамтюнажного раствора. Качество тампонажа обводненных пород оценивалось по фактическим усредненным параметрам нагнетания раствора в каждый интервал вскрытого водоносного горизонта. В качестве критерия оценки был принят условный коэффициент приемистости интервала тампонажа с учетом других факторов.

Сопоставление выявленных нарушений сплошности тамло-нажных завес и фактических данных о водопритоках показало их удовлетворительную сходимость.

Условия формирования гамлонажных завес исследовались прироительствевола № 6 шахты «Обуховская». Ствол диаметром 6,5 м имел проектную глубину 741 Им было вскрыто 58 водоносных горизонтов, объединенных в 19 там-понажньгх заходок.

Для формирования гидроизоляционных завес было пробурено 17 тампоиажных скважин: четыре — глубиной 760 м; три — 620; две — 400; одна — 340; две — 130 и четыре — 90 м.

На основе выполненного комплекса исследований на стадии проектирования тампонажа обводненных горных пород и опыта проведения ствола № 6 выявлена сплошность тампо-нажных завес на водоносных горизонтах: 233—274 и 277— 299 м, обнаружены не только нарушения сплошности тампоиажных завес на водоносных горизонтах 84—1!29 м; 131 — 175 м; 527—565 м; 582—610 м, но и разрыв оплошности на водоносны« горизонтах 18—40 м; 40—60,5 м; 60,5—84 м; 618—651 м; 651—688 м. На других водоносных горизонтах (190—217 м; 308—339; 354—397; 412—448; 448—491; 492— 514; 693—714; 715—741 м) были опробованы предложенные технологические схемы тампонажа обводненных горных пород и способ оперативного контроля за качеством формирования тамлонажных. завес.

Таким образом, можно утверждать, что апробированные технологические решения по тампонажу обводненных горных пород и способ оперативного контроля за качеством их -практической реализации обеспечивают должное смыкание отдельных прискважинных тампонажных тел между собой путем управления на поверхности земли процессом формирования искусственных оболочек в массиве горных пород по критерию интегральной характеристики (коэффициент приемистости) активной и пассивной зон физического воздействия на массив. Выработки, подверженные таковому воздействию на стадии их проведения, будут являть собой надежные элементы технологической системы шахты в процессе задействования их в качестве транспортных или вентиляционных артерий.

3. Исследование и разработка технологических решений по рациональному использованию выработанного пространства шахт [10, 25, 27, 31, 33].

Опыт подземной добычи угля показывает, что получаемая при горных работах пустая порода обычно выдается на поверхность и складируется в терриконах и центральных породных отвалах, что отрицательно сказывается на экологической обстановке региона. К тому же усложняется система внутри-шахтного транспорта, нерационально используется технологическое подземное пространство. В основном объем породы, выдаваемой на поверхность, определяется мощностью пласта (рис. 1). Существуют два принципиально различных способа устранения этого техногенного воздействия: утилизация полученной породы, оставление пустой породы в шахте.

У каждого из способов имеются свои преимущества и недостатки. Их объективное сравнение требует серьезных технико-экономических расчетов с учетом специфики действия рыночных отношений в отрасли. Наиболее часто шахтная порода используется в качестве материала для отсыпки дамб, дорог и т. п., но для этих целей в большинстве случаев исходным сырьем служит только перегоревшая порода. Как показали первые опыты по получению строительных материалов из пустой породы угольных шахт, материалы имеют низкое качество из-за нестабильности характеристик исходного сырья и содержанием в нем вредных и токсичных компонентов. Очевидно, что эта порода может использоваться в качестве строительных материалов только в ограниченных объемах.

Более технологичным способом представляется оставление породы в шахте. При этом возможны два варианта: спуск выдаваемой породы вместе с отходами углеобогащения в шахту и захоронение ее в выработанном пространстве; размещение пустой породы в погашаемых выработках и выработанном пространстве лав.

Первый вариант представляется довольно проблематичным с целью реализации его на действующих шахтах, так как затраты на спуск, транспортирование и размещение в выработанном пространстве 1 т пустой породы сравнимы по значению таковых на добычу того же количества угля.

Второй же вариант является более перспективным, и работы по его реализации ведутся уже более трех десятилетий. При этом порода не выдается на поверхность, а после дальнейшего измельчения размещается в выработанном пространстве специальных закладочных лав. Назначение последних не столько добыча угля, сколько реализация технологии по размещению в выработанном пространстве пустой породы. Однако эти работы также достаточно дороги. Отсюда становится очевидной необходимость поиска эффективных технологических решений, позволяющих существенно снизить выход пустой породы при разработке тонких пологих пластов.

Снижение объемов подрывки пород кровли и почвы пластов при проведении подготовительных выработок может быть осуществлено по двум направлениям: резкое снижение числа подготовительных выработок за счет перехода на технологические схемы бесделиковой выемки у;гля при обеспечении возможности их повторного использования; переход на более рациональные конструкции крепи подготовительных выработок, в том числе с заменой арочной крепи тр апеци евидной.

Для снижения объемов проведения полевых подготовительных выработок необходимо совершенствование пространственно-планировочных решений, в том числе путем использования пластовых выработок сближенных пластов с расположением их в разгруженных от горного давления зонах. При ремонте и восстановлении горных выработок необходимо принимать решения, обеспечивающие строгую технологическую дисциплину. В первую очередь это относится к качественной установке крепи в забоях подготовительных выработок путем задания высокого начального распора, тщательной забутовки закрепного пространства и т. п.

Таким образом, можно констатировать факт наличия целого ряда технологических решений, снижающих выход породы в шахте, но в то же время достаточно большое количество ее необходимо размещать в выработанном пространстве. Как показывают исследования, объема погашаемых подготовительных выработок достаточно для размещения в них всей пустой породы.

Кроме погашаемых подготовительных выработок, для размещения пустой породы могут использоваться выработанное пространство действующих лав, старые выработанные пространства, специально сооружаемые в различного рода целиках или необходимые при их извлечении закладочные камеры.

Становление рыночных отношений в экономике страны в существенной мере повлияло на перспективы применения ранее прогрессивных технико-технологических решений по размещению пустой породы в шахте. Так, из-за значительных первоначальных затрат на подготовку выемочного поля при столбовой системе разработки ее интенсивно вытесняет сплошная система, особенно в варианте с одной повторно используемой выработкой при проведении второй вслед за забоем лавы. При этом появляется возможность размещения пород от подрывки кровли и почвы пласта в бутовой полосе. В настоящее время в комплексно-механизированных лавах участок забоя, находящийся в створе бутовой полосы, крепится индивидуальной крепью. Так как под защитой этой крепи возводится бутовая полоса, то большая часть крепи не извлекается, что ведет к излишнему расходованию лесоматериалов. Кроме того, производство работ на этом участке далеко небезопасно. Многооперационность технологии приводит к снижению нагрузки на очистной забой и производительности труда рабочих.

Для устранения отмеченных недостатков при непосредственном участии автора был предложен новый способ возведения околоштрековой бутовой полосы вслед за комплексно-механизированной лавой. Реализация этого способа обеспечивает повышение эффективности процесса возведения бутовой полосы за счет того, что перед началом очистных работ сзади механизированной крепи на ширину бутовой полосы монтируется дополнительный комплект секций, развернутых на 180° относительно основных секций механизированной крепи.

В выемочном поле 1 при этом проводятся две наклонных выработки 2 транспортная и вентиляционная (рис. 2). Запасы выемочного поля отрабатываются лавой 3, к которой примыкают две горизонтальные выработки, одна из которых является повторно используемой 4, вторая — возводимой 5. Для охраны наклонных выработок оставляются целики угля 6, ширина которых определяется расчетом. Лава оборудуется механизированной крепью 7.

Подрывка породы осуществляется проходческим комбайном избирательного действия или буровзрывным способом. Развернутые секции механизированной крепи 8 подключаются к общей гидросистеме комплекса. Часть лавы на фланге в контуре возводимой выработки крепится индивидуальной крепью 10 для обеспечения пропуска воздуха и запасного выхода. Размещение отбитой породы в бутовой полосе 9 осуществляется с помощью скреперной лебедки 11, устанавливаемой в возводимой выработке и периодически переносимой по мере подвигания забоя. Уплотнение породы в бутовой полосе производится скреперным ковшом 12 в направлении вдоль лавы и уплотняющими щитками 13 развернутых секций (перпендикулярно забою лавы).

В зависимости от конкретных горно-теологичес-ких условий развернутые секции могут соединяться с лавными и передвигаться одновременно с ними. При устойчивой непосредственной кровле пласта имеется возможность «развязывания» во времени работ по выемке угля и возведению бутовой полосы путем возведения временной призабойной крепи между лавными и завальными секциями.

Рабочие на сопряжении лавы с выемочными выработками все время находятся под прикрытием секций механизированной крепи, что в значительной мере повышает уровень безопасности их труда.

Предложенный способ способствует также существенному улучшению условий поддержания возводимой выработки. При передвижке линейных секций данной крепи давление на бутовую полосу не меняется, так как кровля поддерживается развернутой крепью. После передвижки лавной крепи и стабилизации процесса сдвижения боковых пород производится безраспорная передвижка развернутой крепи. При этом перераспределение напряжений не вызывает существенной усадки бутовой полосы, что благоприятно сказывается на условиях охраны штрека.

Рациональное использование подземного пространства шахты в послеэксплуатационный по добыче угля период требует серьезных горно-геологических обследований для формирования объективной геотехнической оценки эффективности реализации разрабатываемых планов мероприятий по устранению различных опасностей и обоснования технологических решений.

Особенностью мероприятий геомеханического характера является обеспечение и поддержание устойчивого состояния не всего выработанного пространства шахт, а лишь отобранного для будущих работ участка, соответствующего определенной глубине и расстоянию до шахтного ствола. При этом критерием устойчивости подземного пространства может служить требование в части того, что перемещение и деформации поверхности, околоствольного пространства и горных выработок не должны превышать предельные, которые вызывают при последующем развитии процессы в массиве с различной степенью опасности: нарушение сплошности, сильное тре-щинообразование и расслоение массива с выходом на поверхность, образование отдельных воронок и вывалов, образование главной мульды оседания земной поверхности. В этой связи выбор рабочего участка подземного пространства для дальнейшего использования по фактору геомеханической устойчивости может соответствовать условиям сохранения сплошности массива без образования зон обрушений и трещино-образований в течение всего периода послеэксплуатационно-го использования участка выработанного пространства.

Важным моментом при выборе глубины и места расположения рабочего участка для послеэксплуатационного использования является наличие или отсутствие водоносного слоя. При этом горные выработки могут находиться вне водоносного слоя, в пределах водоносного слоя и выше его уровня. Для каждого случая существуют свои горнотехнические решения, обеспечивающие гидрогеологическую безопасность при использовании подземных выработок. Например, в одном случае требуется ограждение рабочего участка выработанного пространства, шахтного ствола и размещаемых отходов от грунтовых вод, а в другом — необходимы лишь ограждения шахтных стволов, строительство перемычек и изоляция шахтных вод от грунтовых. В третьем же случае ограждение требуется лишь для транспортных выработок и ствола, а упаковка отходов малоцелесообразна.

Рабочий участок для захоронения отходов не должен подрабатываться лавой или другой выработкой нижележащего пласта. При каждой подработке места складирования отходов полная изоляция нарушается и возможно поступление воды через вновь образовавшиеся трещины, и разрывы.

На выбор технологических решений при размещении отходов в подземном пространстве существенное влияние оказывают виды отходов, их технологические свойства, характер и длительность транспортирования отходов с поверхности до места утилизации или хранения, формы захоронения отходов (с полной изоляцией, долговременным складированием или временным хранением). В первую очередь в подземном пространстве подлежат складированию отходы добычи, переработки и обогащения угля и другого минерального сырья, отходы сжигания угля. Кроме этих отходов, могут размещаться доменные шлаки, отходы стекольной и керамической промышленности, производства минеральных волокон и асбеста, пыль из электрофильтров, продукты мусоросжигания и т. д., которые относятся к безвредным веществам.

Опыт подземного захоронения производственных отходов указывает на целесообразность размещения в подземном пространстве шахт на первом этапе безвредных материалов.

В дальнейшем, естественно, следует предусматривать постановку исследований по расширению диапазона технологических решений по рациональному использованию подземного пространства шахт как важной составляющей ее ресурсного потенциала.

4. Исследования условий обеспечения безопасного функционирования технологических систем шахт [13, 14, 15, 20, 22—

25, 28, 32—37].

Газовыделение в подготовительные выработки зависит от природной метаноносности угольного пласта, времени и скорости проведения выработок. Исследование влияния этих факторов позволило получить аналитические выражения, описывающие процесс истечения метана из пласта и позволяющие осуществлять прогноз ожидаемого газовыделения.

Анализ экспериментальных данных показывает, что газообильность выработки при малых скоростях ее проведения обусловлена главным образом газовыделением с обнаженных поверхностей угольного пласта, а при больших скоростях основная роль в газовом балансе выработки принадлежит газовыделению из отбитого угля. Учитывая эти особенности газовыделения и необходимость непрерывной подачи воздуха в призабойное пространство для разбавления выделяющегося метана до неопасной концентрации в любой момент времени, целесообразнее производить расчет газообильности тупиковой части выработки и количества воздуха для ее проветривания по фактической рабочей скорости комбайна.

Таким образом, скорость проведения одиночной выработки по газоносным пластам определяется количеством воздуха, которое возможно подать в выработку вентилятором местного проветривания. При проведении спаренных выработок проветривание может осуществляться за счет общешахтной депрессии. В этом случае лимитирующим фактором является лишь качество проветривания тупиковой части выработки вентилятором местного проветривания, количество воздуха, необходимое для проветривания тупиковой части, зависит от ее длины, скорости проведения и газоносности пласта.

Результаты экспериментальных исследований характера выделения метана из угольных пластов и выработанного пространства в очистные выработки показывают, что абсолютное метановыделение зависит от многих факторов и прежде всего от движения выемочной машины в процессе извлечения угля.

Эффективная дегазация при проведении подготовительных выработок по угольному пласту обеспечивается извлечением метана из подземных скважин. Подземный способ дегазации неразгруженных от горного давления угольных пластов более эффективен по сравнению с наземным способом дегазации. С помощью скважин, пробуренных в плоскости пласта, извлекается до 1,5 м3 метана с тонны дегазируемых запасов угля при параллельных забою дегазационных и до 5,5— 5,6 м3/т — при использовании перекрещивающихся скважин.

Дальнейшее повышение объемов каптируемости метана из неразгруженных пластов возможно путем искусственного повышения газопроницаемости угольного массива и его газоотдачи в дегазационные скважины. Перспективными для достижения этой цели являются способы гидродинамического воздействия на угольный массив в импульсном режиме нагнетания рабочей жидкости, формирующей дополнительные трещины в угольном пласте.

Результатами внедрения на 9 шахтах способа дегазации угольного массива перекрещивающимися скважинами доказано, что этот способ в состоянии обеспечить снижение природной газоносности пласта до безопасной величины, при которой снижаются или становятся менее жесткими ограничения по производительности выемочной техники, по газовому фактору или по фактору выбросоопасности.

Основным способом снижения выделения метана в очистные выработки является дегазация угольных пластов, а также углепородного массива, нарушенного горными работами. Наибольший эффект достигается при извлечении метана как посредством скважин, пробуренных из подземных выработок, так и скважин, пробуренных с поверхности в зоны подработки (надработки) массива.

Опыт эксплуатации месторождений полезных ископаемых наглядно свидетельствует о том, что динамические явления в подземных горных выработках помимо опасности для жизни работающих сопряжены с уменьшением объемов добычи полезных ископаемых из-за остановок очистных забоев и изменения параметров систем разработки, с ростом потерь подготовленных к выемке запасов, с повреждением оборудования и его простоями, с уборкой, транспортированием и переработкой выброшенной горной массы и т. д.

Множество гипотез о причинах и природе выбросов обусловило многообразие методов прогноза выбросоопасности угля, соли, породы и газа, что свидетельствует о сложности этого до конца непознанного явления. Все разработанные методы прогноза, например, применительно к подготовительным забоям угольных шахт предусматривают периодическое опробование. В период между опробованиями ситуация в забое по существу не контролируется. Для выполнения профилактических мероприятий проходческий комбайн каждый раз выводят из забоя, монтируют буровое оборудование, насосы для предварительного увлажнения угля в массиве и т. д. Кроме того, при комбайновом способе проведения выработок имеет место неоправданное снижение скорости подвигания забоя выработки из-за остановок комбайна по причине проведения контроля за состоянием пласта, когда профилактические мероприятия будут выполняться на участках, где они не вызываются объективной необходимостью.

На основе накопленного опыта при разработке выбросо-опасных пластов для перевода их в неопасное состояние рекомендовано проблему внезапных выбросов угля, соли, породы и газа решать в трех направлениях: разработка теории газодинамических явлений в подземных выработках с учетом знаний о землетрясениях и горных ударах; дальнейшее совершенствование с целью повышения достоверности методов прогноза с применением средств автоматизации контроля, обработки информации и сигнализации; развитие способов предотвращения внезапных выбросов с использованием новых нетрадиционных и технологичных решений по воздействию на угольные и соляные пласты.

Особое внимание исследователей привлекают ртуть и ее соединения, которые характеризуются низкими значениями энергии связи с породообразующими минералами и высокими значениями коэффициентов диффузии в горных породах, хо

Коэффициент выдачи породы,% со № СС о о е. о ¿е-к

2 н-»

Я О X) О

13-I» О Тонкие 'пласты \\ \ \\\\\\\

Узел А

Узел А по В-В

Технологическая а схема возведем®? околсатрековой бутовой полосы за комплексно- механизирсгаииои ла?ои. рошей подвижностью, и, как правило, при сравнительно невысокой температуре ртутные минералы разлагаются, причем ртуть рассеивается, мигрируя от очага возникших напряжений. Исследование ртутоносности углей и соли связано не только с необходимостью комплексного их использования и санитарно-гигиеническими требованиями охраны окружающей среды от вредных содержаний ртути в атмосфере, но и возможностью прогнозирования динамических явлений в подземных выработках.

Формы нахождения ртути различные. Так, скопления киновари образуются под трещиноватыми линзами угля. Скопление металлической ртути приурочено к линзе в углисто-глинистых сланцах. В пластах каменного угля вблизи рудных тел металлическая ртуть накапливается и в гуминовых кислотах.

До сих пор не существует единого мнения о генезисе ртути в углях. Участки с повышенным содержанием ртути в угольных пластах совмещаются с ртутными линзами. Они тяготеют к узлам пересечения глубинных разломов, которые оказались наиболее благоприятными структурами для проникновения гидротермальных растворов и локализации орудне-ния в антиклинальных складках и купольных поднятиях, осложненных надвигами, сбросами и другими тектоническими нарушениями.

Выполненные исследования ртутоносности углей свидетельствуют о том, что независимо от степени их опасности ртутоносность и кинетику выхода паров ртути из образцов при их механическом нагружении можно рассматривать как геохимические основы прогноза динамических явлений в подземных выработках, которые целесообразно апробировать в промышленных условиях для подтверждения принятого критерия выбросоопасности пластов. Научное значение данного утверждения состоит в том, что имеется возможность подойти с новых позиций к развитию теории газодинамических явлений в подземных выработках и рассмотрению процессов, происходящих на потенциально опасных участках шахтопла-стов в периоды, предшествующие внезапным выбросам угля, породы и газа. Практическое значение оценки геохимических аномалий ртути во времени, заключается в том, что на ее основе формируется техническая база выявления стадии подготовки внезапных выбросов в подземных выработках.

С экономических позиций использование геохимических аномалий ртути позволит в значительной мере снизить объемы бупення прогнозных скважин (шпуров) для безопасного ведения горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа.

Известно, что технологические процессы, связанные с отделением от массива, транспортировкой и переработкой полезного ископаемого, сопровождаются выделением в атмосферу рабочих зон различного рода вредностей, приводящих к ухудшению санитарно-гигиенических условий труда. Удаление вредностей из анализируемых объемов или их аккумуляция, консервация в пределах заданного пространства — актуальная проблема как в научном, так и практическом отношениях.

Качественный и количественный состав вредностей ряда технологических процессов горного производства можно прогнозировать. Однако в имеющихся решениях воздушная среда рассматривается как пассивная физико-химическая субстанция, а ее основные параметры не определены. При условии подобия существования скоростей в замкнутых элементах (вихрях) и концентрации химических или физических элементов в них определяющим критерием становится число Шмидта, характеризующее соотношение диффузионного и конвективного переноса:

Sl=v■D-\ (4) где V — кинематическая вязкость среды; О — коэффициент диффузии.

Для определения концентрации вредности предложено следующее аналитическое выражение:

О,.(5) где Р — давление, создаваемое внешней силой для ввода частиц в поток;

1Г — диаметр диффузионных частиц; р и рч — соответственно плотность среды и материала частиц.

Сложность решения указанной проблемы состоит в том, что вредность (примесь) производит двойную деформацию потока. При условии постоянства давления на границе раздела среда — вредность, что отвечает критерию 'постоянства поступления вредности в поток,, можно воспользоваться теорией кавитации для определения давления вихря. В этом случае вредность в ноток вносится при потенциальном движении ■Колычевыми вихрями, что в свою очередь отвечает условиям практики.

В результате выполненных теоретических исследований установлено, что концентрация вредности (примеси) в потоке воздуха зависит от аэродинамических параметров потока: давление, длина вихря, степень турбулентности потока (интенсивность турбулентности), продольная скорость потока воздуха, угол сдвига фазы движения частицы и среды:

С,= —(6) г-О-у где Р — давление потока;

I — длина вихря; ср — угол сдвига фазы движения частицы и среды;

I — степень турбулентности потока; и — продольная скорость потока воздуха.

Концентрацию вредности в потоке можно определить на стадии проектирования технологических процессов, если известны аэродинамические параметры потока. При известной концентрации лыли в воздухе рабочей зоны можно выбрать способы и средства пылеподавления.

Исследования формирования пылевой обстановки в рабочих зонах очистных забоев позволили установить характер взаимосвязи запыленности воздуха и скорости подачи комбайна при выемке угля. Так, при интенсификации выемки угля запыленность воздуха в лаве снижается, что связано в основном с интенсивным развитием трещиноватости массива впереди выемочной машины.

На характер снижения запыленности воздуха при повышении нагрузки на комбайн влияют состояние массива и конструктивные особенности расположения шнеков комбайна.

Установлен также характер взаимосвязи запыленности воздуха впереди комбайна от расстояния до наземных скважин, влагосодержания и пористости угли.

Знание условий формирования уровня безопасности ведения подземных горных работ является основой для научно обоснованного выбора комплекса эффективных мер по устранению или локализации негативных проявлений различного рода вредностей. В этой связи автором рекомендован статистический подход к моделированию формирования аэрогазодинамических ситуаций в выработках выемочного участка. Реализацией предлагаемого подхода является имитационная модель, позволяющая «проигрывать» и оценивать различные способы регулирования концентрации метана в выработках выемочного участка.

5. Исследования эффективности воздействия на угле по родным массив с целью повышения интенсивности и безопасности ведения горных работ [11, 12, 18, 21, 22, 24—26, 34, 35, 37].

Анализ причин травматизма показывает, что наиболее часто аварии с большим числом человеческих жертв происходят на шахтах в связи со взрывами метановоздушных или мета-нопылевоздушных смесей. Взрывные концентрации пыли в атмосфере выработок создаются динамическими явлениями, сопровождающимися образованием взрывоопасных пылевых облаков. Наиболее опасны в этом отношении вызываемые различными причинами первичные взрывы метана, инициирующие цепную реакцию взрывов, распространяющихся по всем прилегающим запыленным выработкам.

Установлено, что запыленность воздуха при ведении горных работ определяется энергетическими показателями процесса разрушения, импульсным характером подвода энергии к разрушаемому массиву, способностью материала к разрушению, прогнозируемым классом аэрозоля, формой и параметрами пылевого потока. Ожидаемая концентрация пыли в атмосфере рабочей зоны определяется: технологическими параметрами — производительностью операции, прогнозируемым размером продукта разрушения; свойствами материала — плотностью, коэффициентом внутреннего трения; типом разрушающей нагрузки — критерием разрушаемо-сти материала, устанавливающим взаимосвязь между удельной поверхностной работой сил сцепления частиц материала, свойствами материала и воспринимаемым импульсом энергии.

Данные представления легли в основу детальной оценки результатов опытно-промышленной проверки эффективности по фактору снижения запыленности гидрорасчленения пластов, многостадийного воздействия на массив, включающего как стадии физико-химическое и микробиологическое воздействие, выполнявшейся Московским горным институтом при участии автора в Донецком и Карагандинском бассейнах. Сопоставление полученных результатов с прогнозной оценкой запыленности воздуха в горных выработках позволило уточнить ранее полученные оценки. Так, эффективность гидрорасчленения по пылевому фактору для условий шахты «Коммунист» ПО «Октябрьуголь» в среднем составила 68—69%, а в комплексе с типовой оросительной системой (TOC) — 91%, для шахты «Селезневская-Восточная» ПО «Первомайскуголь» при повышенном влагосодержании (от 4,5 до 12%)—от 70 до 93%. Эффективность пылеподавления наиболее пневмоко-ниозных частиц (менее 5 мкм) при гидрорасчленении составляет от 40 до 82%. На основании систематизации экспериментальных данных получена номограмма для определения остаточной запыленности воздуха в зоне гидрорасчленения при применении выемочных машин различных типов.

При трехстадийном воздействии на антрацитовый пласт (шахта «Коммунист») средняя эффективность пылеподавления колебалась по машинной дороге в пределах 80—83%, по людской дороге — 74,77%, с учетом применения TOC — 93— 95%, при двухстадийном воздействии (гидрорасчленение и физико-химическое воздействие)—57—74% без орошения и 87—91% при работе TOC.

Поскольку после проведения гидрорасчленения в последние годы осуществлялось активное освоение скважин с откачкой значительного количества рабочей жидкости, эффективность пылеподавления на участке радиусом 40—70 м у скважины существенно снижается. Для ликвидации указанных негативных последствий предложено после дегазации массива производить пятикратное дополнительное нагнетание рабочей жидкости в объеме доп = ".01 (1 - Л'ост)А„1/Л,ф, (7) где А\кг —доля перешедшей в связное состояние и оставшейся в пласте рабочей жидкости после дегазации;

К„ — коэффициент, учитывающий потери жидкости во вмещающих породах;

V — объем отрабатываемых запасов угля, м3;

9ф —эффективная пористость угля, %.

Для восстановления ранее раскрытых систем трещин нагнетание первой порции рабочей жидкости производят в режиме расчленения, а последующих порций — в режиме фильтрации, при котором происходит капиллярное влагонасыще-ние угля.

Время выдержки после нагнетания каждой порции жидкости (в сутках) определяется по формуле

0,17»лэф — 0,0б97«3ф — 1,

Ь-. = е--— . (8)

0,1167/7,,,,- 0, где / — порядковый номер цикла дополнительного нагнетания; е — основание натурального логарифма.

Достоинством этого способа является повышение смачиваемости дегазированных поверхностей фильтрующих каналов угля и коагуляции в них пыли «скольжения».

Структура угленосной толщи в окрестностях горных выработок непрерывно изменяется под действием сил горного давления, что приводит к росту скорости фильтрации жидкости по вновь образующимся порам и трещинам. При каждом последующем цикле нагнетания смачиваются все новые поверхности фильтрующих каналов, возрастают степень коагуляции пыли в них и эффективность воздействия жидкости на пласт.

Исследования показали, что наилучшие результаты по снижению запыленности воздуха после гидрорасчленения достигаются при контактировании воды с углем в течение трех лет. Однако такой срок выдержки не всегда приемлем по условиям развития фронта горных работ.

В этой связи для сокращенияс роков подготовки угольных пластов к безопасной отработке выполнен цикл исследований физико-химических свойств рабочих жидкостей, взаимодействия на границе раздела фаз «твердое тело — жидкость», степени проникновения растворов в трещинно-поровый объем угля, склонности углей к пылеобразованию.

В качестве рабочих жидкостей, используемых для насыщения угля, исследованы вода и водные растворы поверхностно-и химически активных веществ и адгезивов: 10%-ны;й водный раствор этилового спирта с добавлением 0,1%-ного смачивателя МЛ-51, растворы соляной кислоты с концентрацией от 1 до Ю%, растворы высокомолекулярных органических соединений: гцдролизоваиного поли акр ил амид а ПАА (концентрация от 0,05 до 3%) и поливинилового спирта ПВС в концентрациях от 0,5 до 10%, растворы лабомидов. Изучалнсь .плотность раствора, динамическая вязкость р,, поверхностное натяжение о, удельные сопротивление и электропроводность растворов. Установлено, что из растворов ПАВ наименьшими значениями ¡д, и о обладает водный раствор этилового спирта с добавлениями МЛ-6'1; небольшим а характеризуется также 0,5%-ный раствор смачивателя ДБ.

Растворы ПВС и ПАА отличаются от всех исследованных растворов большой вязкостью, резко возрастающей с увеличением концентраций. Максимальной электропроводностью, характеризующей подвижность раствора, отличаются растворы соляной кислоты, затем —растворы МЛ-¡51.

Растворы смачивателей ДБ, ДС-10 и МЛ-51 и соляной кислоты рекомендуются для первичной шдрообработки угольных пластов с целью снижения его пылеобра'зования, а растворы ПВС и ПАА — для вторичной обработки.

Произведена оценка исследованных рабочих жидкостей в аспекте пневмокониозоопасности. Исследования выполнялись на фракциях менее 50 мкм методом дисперсного анализа по общеизвестной методике на установке ПДА. Установлено, что наибольшей способностью связывать частицы пыли обладают растворы адгезивов (ПАА, ПВС). Это связано с образованием растворами этих веществ адсорбционной пленки на поверхности раздела фаз, способствующей коагуляции пыли, содержащейся в порах и трещинах, и агрегации вновь образующейся пыли при механическом разрушении угля. Это свойство адгезивов очень важно при многоэтапной обработке угольных пластов. При первичной обработке происходит раскрытие трещин и размыв включений в уголь, при последующих — выео-вовязкие жидкости проникают в раскрытые пустоты, смачивают их поверхности, «материнскую» пыль в них, повышают влагосодержание в массиве.

При отсутствии возможности проведения двух- или многоэтапной обработки угольного пласта ¡в режиме гидрораечле-нения обработку необходимо «проводить такой рабочей жидкостью, которая по своим свойствам удовлетворяла бы условиям дегазации пласта и минимизации выхода пыли при его механическом разрушении.

На основании лабораторных исследований определен критерий выбора рабочей жидкости для увлажнения углей как в режиме гидрорасчленения, так и в режиме фильтрации (насыщения) по выходу пыли фракции менее 70 мкм: апя = 1,31 + 0,038р. - 0,06а + 0,003» + 9,09Х + 0,047 - 0,01 (9) где ¡л — динамическая вязкость;

0 —поверхностное натяжение;

8 — краевой угол смачивания;

X — электропроводность;

Ш'р — влагосодержание; адгезионное напряжение.

Установлено, что величина а„л ¡предопределяется величиной а единственно правильным критерием выбора рабочих жидкостей по фактору ныли является адгезионное напряжение, для расчета которого необходимо и достаточно в ла-'бораторны-х условиях определить о и 0.

В последние годы среди многочисленных способов дегазации угольных пластов широкое распространение получили способы извлечения метана через скважины с поверхности. Однако высокая аварийность традиционно буримых вертикальных скважин при их подработке приводит к недобурива-нию их до рабочего пласта на 20—30 мощностей последнего и вследствие этого к снижению эффективности дегазации, а также не позволяет использовать такие скважины при глубинах свыше 400 м.

-Поэтому весьма актуальной становится задача обеспечения устойчивости дегазационных наземных скважин за счет перехода на бурение скважин пространственного типа. Автор в составе коллектива ученых принимал непосредственное творческое участие во внедрении наклонно-направленных скважин с бурением последнего их участка параллельно границе зоны- полного сдвижения пород, а также в проведении уникального эксперимента по бурению и гидроотработке скважины- с горизонтальным окончанием ствола (шахты им. Ско-чинского, им. Засядько ПО «Донецкуголь»). Горизонтальный участок скважины «Донбас-с-;1» на поле шахты им. Окочин-с-кого имел длину свыше 500 м и был сооружен -в выбросоопас-ной толще песчаника. Были созданы новые технические решения по вскрытию пласта из горизонтального участка, по технологии разобщения интервалов гидрообработки, а также разработаны рекомендации по обеспечению вопросов техники безопасности и промышленной санитарии.

Выполнена технико-экономическая оцен-ка подготовки панели с использованием скважин с горизонтальным окончанием ствола.

При опытно-промышленной проверке работоспособности скважины «Донбасс-!» осуществлялась поинтервальная гидрообработка углепородного .массива. Установелно, что такие технологические параметры, как давление на устье скважины, темп нагнетания рабочей жидкости в интервал вскрытия обсадной колонны, перепад давления вдоль трещины, коэффициент поглотительной способности рассматриваемого участка горизонтального ствола наклоннонаправленной скважины распределяются по нормальному закону, а объем нагнетания рабочей жидкости в интервал вскрытия — гамма-распределению.

Анализ показал, что при циклической закачке больших объемов рабочей жидкости (свыше 10000 м3) в каждый интервал вскрытия углепородного массива, в основном представленного песчаником, в условиях, близких к экстремальным значениям -предела текучести обсадных труб, а иногда с использованием резерва (коэффициента) запаса их прочности, внедрение текучего подчиняется фильтрации по нелинейному закону, а характерные особенности гидрорасчленения и гидроразрыва пласта отсутствуют. Поэтому утверждение о работоспособности этих режимов гидравлического воздействия при исследуемых условиях поинтервальной обработки углепородного массива неоспоримо.

На основании выполненного комплекса исследований технологических параметров поинтервального нагнетания рабочей жидкости через интервалы вскрытия обсадной колонны горизонтального участка ствола наклоннонаправленной скважины установлена связь между перепадом давления и темпом нагнетания, выявлены законы распределения технологических параметров гидрообработки углепородного массива. Показано, что при циклической закачке в углепородный массив внедрение рабочей жидкости подчиняется фильтрации по нелинейному закону.

Таким образом, можно констатировать, что в ходе промышленных испытаний способа гидрорасчленения через скважины наряду с его неоспоримыми достоинствами был выявлен основной его недостаток — отсутствие метода, позволяющего на поверхности земли в процессе внедрения в пласт расчетных объемов текучего оперативно контролировать по характерным параметрам процесса нагнетания наличие контакта зон, в частности влагонасыщения угля в массиве между смежными нагнетательньши скважинами и тем самым более равномерно и качественно увлажнять пласт, исключать в случае необходимости в межокважинном пространстве наличие «окон», представляющих потенциальную опасность ри входе в них горных работ. В этой связи были разработа : методы контроля, в основу которых положена величина коэффициента приемистости (нагнетательной способности) скважины.

Для оценки качества влагонасыщения пласта выдвинута гипотеза о возможности прогнозирования последствий гидродинамического воздействия в межскважинном пространстве. Выполнены расчеты в плане проверки работоспособности коэффициента приемистости скважин как критерия. Анализ полученных данных позволяет на поверхности земли по характерным параметрам нагнетания судить о наличии в пласте между смежными скважинами контакта зон гидродинамических воздействий. Вне и в зонах гидрорасчленения угольных пластов пылевая обстановка в замерных сечениях выемочных участков определялась путем отбора .проб на фильтры АФА с помощью рудничных аспираторов АЭРА.

Замерные сечения располагались через каждые 40—50 м по падению (восстанию) пласта. Периодичность проведенных пылевых съемок составила 20—25 м по простиранию пласта. Вблизи предполагаемой границы обработанного участка этот интервал был сужен до 10 м.

Обработка экспериментальных данных методом математической статистики позволила установить распределение зоны влаги в зоне гидрорасчлечения пласта. Данные распределения влаги по пласту наглядно иллюстрируют работоспособность критерия распознавания последствий гидрорасчленения угольного пласта в межскважинном пространстве. Экспериментально доказано, что при взаимодействии однородных по свойствам зоч физического воздействия момент их смыкания характеризуется равенством коэффициентов приемистости смежных активной и пассивной зон воздействия. При увеличении площади контакта коэффициент приемистости в активной зоне меньше, а при отсутствии контактов больше, чем в зоне пассивного воздействия. Подтверждена хорошая сходимость характеристик взаимовлияния зон физического воздействия на угольные пласты с расчетными значениями их коэффициентов приемистости.

Таким образом, широкая апробация в промышленных условиях предложенного метода контроля свидетельствует о том, что на поверхности по параметрам нагнетания рабочей жидкости в угольный пласт можно судить о наличии необработанных участков между смежными скважинами и в случае необходимости принять действенные меры по их ликвидации.

Исследованиями в Карагандинском бассейне установлена высокая эффективность использования водных растворов карбамидов, нагнетаемых в породы, вмещающие угольный пласт, в целях управления труднообрушающимися кровлями и ослабления пород в зонах нарушений разрывного типа. Как показала практика, давление нагнетания рабочей жидкости в ут-лепооодный массив соизмеримо с прочностью обсадной колонны. Экспериментально подтверждено, что при наличии 2,5% -ного раствора карбамида в углепородный массив давление нагнетания снижается в пределах 40%. Исходное давление обеспечивает сохранность обсадной колонны скважины в условиях экстремальных нагрузок и повышает приемистость скважины более чем в 20 ра'з.

Группой насосных агрегатов типа 4АН-700 в первый, второй и третий интервалы вскрытия обсадной колонны горизонтального участка ствола скважины «Донбасс-1» закачано соответственно М800, 12096 и 35695 м3 воды и 25, 25 и 75 т карбамида. В последующие четвертый и пятый интервалы вскрытия обсадной колонны горизонтального участка ствола «Донбасс-1» и вспомогательной вертикальной скважины., а также при проведении конвейерного уклона центральной панели было установлено, что общая щелочность воды в основном предопределяется содержанием в ней таких микрокомиго-нентов, как Mg2+, NH4+, НОО3-, С023 (г>0, г) и в меньшей степени Са2+, Na+, Cl~, К+, S042- (r>0,i5). Общую жесткость воды в большей степени определяют Са2+, Mg2+, S'042+ и в меньшей—Н003~, С0з2~, Cl2~, Na+, К+, Fe2+. Минерализация воды в большей степени зависит от содержания S042-, НСОз~, С1- и в .меньшей — К+, Na+, G032- NH4+, Mg2+„ Fe2+.

Выявлена весьма устойчивая овяэь между общими щелочностью и жесткостью воды и показателем рН, общей жесткостью и показателем рН, минерализацией Si02. Установлено также наличие аммония в пробах воды, отобранных при проведении конвейерного ходка разгрузочной лавы уклонного ноля центральной панели (28 мг/л). вентиляционного коренного ходка разгрузочной лавы (5,3—28 мг/л), первого возду-хоподатощего штрека (57 мг/!л), при бурении подземной технической скважины № 55 (22 мг/л), в водосборнике № 3 горизонта—1200 м (2,4 мг/л), в водоеме вблизи скважины «Донбасс-1» на поверхности шахты им. А. А. Скоч'инского (0,25 мг/л).

Выполненный комплекс исследований состава шахтной воды и анализ его результатов позволяют достаточно объективно утверждать то, что содержание аммония в пробах воды свидетельствует о наличии гидравлической связи между вспомогательной вертикальной скважиной и смежным интервалом обсадной колонны горизонтального участка ствола скважины «Донбасс-!» при проведении выработок в зоне силового воздействия на углепородный массив, что исключает необходимость дополнительного применения контрастных веществ и других средств. Снизить негативное воздействие на окружающую среду и водоносные горизонты можно путем очистки воды, откачиваемой на поверхность земли при освоении скважин.