Обоснование параметров системы разработки с подэтажной гидроотбойкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат технических наук Сидоренко, Андрей Александрович

• Сидоренко, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидоренко, Андрей Александрович

Введение.

1. Современное состояние и перспективы разработки Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.

1.1. Специфика горно-геологических условий разработки Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.

1.2. Современное состояние и перспективы разработки Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.

1.3. Оценка приоритетных направлений совершенствования технологических схем отработки крутонаклонных и крутых пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения.

1.4. Современное состояние и перспективы совершенствования технологических схем с подэтажной гидроотбойкой.

Выводы по главе

2. Исследование влияния горно-геологических факторов на напряженно

- деформированное состояние в краевых частях пласта.

2.1. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на напряженно-деформированное состояние массива 43 горных пород в окрестностях очистных выработок.

2.2. Исследование влияния горнотехнических факторов на ширину зоны интенсивного разрушения угля при системе разработки с 58 подэтажной гидроотбойкой.

2.3. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на степень разрушения угля в пределах зоны 70 отжима.

2.4 Выводы по главе.

3. Исследования напряженно-деформированного состояния горного массива в окрестностях очистных камер при использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой.

3.1. Выбор метода проведения исследования.

3.2. Обоснование горно-геомеханической модели и расчетных схем.

3.3. Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

3.5. Выводы по главе.

4. Рекомендуемые технологические схемы отработки мощных крутых пластов.

4.1. Требования к технологическим схема гидравлической отработки мощных крутых пластов.

4.2. Определение оптимальных параметров рекомендуемых технологических схем.

4.3. Оценка области рационального использования рекомендуемых технологических схем.

4.4. Технико-экономическая оценка рекомендуемых технологических схем.

4.5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров системы разработки с подэтажной гидроотбойкой»

Актуальность работы. В условиях рыночных отношений при отсутствии внешних инвестиций и государственной поддержки жизнеспособность подавляющего большинства российских угольных шахт может быть обеспечена только за счет реализации их внутренних резервов для повышения производительности и снижения себестоимости добываемого угля. Наиболее сложно решить вопросы повышения конкурентоспособностиi шахт при отработке мощных крутых пластов.

В условиях отработки мощных крутых пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса к числу наиболее перспективных технологических схем, создающих объективные предпосылки для решения данной сложной задачи, относятся технологические схемы: с: использованием подэтажной гидроотбойки. На шахтах, использующих систему разработки с подэтажной гидроотбойкой; производительность труда в 1,6 раза выше; а себестоимость добычи угля в 1,4 раза ниже, чем на шахтах с другими системами разработки. В настоящее время доля добычи угля с использованием данной системы разработки составляет 25-30 % общей добычи шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения.

Проблеме повышения эффективности системы разработки с подэтажной гидроотбойкой посвящено большое число работ, выполненных ИГД им. Сочинского, ВНИМИ, СПГГИ (ТУ), КузНИУИ, МГГУ и другими организациями. В результате этих исследований решены многие принципиальные вопросы, связанные с обоснованием рациональных параметров технологических схем. Однако, как показывает практический опыт, применяемые технологические схемы имеют ряд существенных недостатков, к числу которых относятся: большие объемы нарезных работ (удельная протяженность подготовительных выработок составляет 30-40 м на 1000 тонн добычи); значительные потери угля, достигающие 40 % балансовых запасов; повышенная опасность ведения горных работ, следствием чего являются неоднократные групповые несчастные случаи со смертельным исходом. Большинство групповых несчастных случаев связаны с динамическими обрушениями угля и пород кровли в выработанном пространстве отрабатываемых подэтажей. При этом образуется воздушная волна, распространяющаяся со значительной скоростью по выработкам и приводящая к разрушению их крепи и травмированию горнорабочих.

К числу основных параметров системы разработки с подэтажной гидроотбойкой, в значительной степени влияющих как на технико-экономические показатели работы шахты, так и на безопасность горных работ, относится высота подэтажа.

Цель работы: Повышение технико-экономических показателей отработки мощных угольных пластов с углами падения более 35° при использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой.

Идея работы: Высоту подэтажей при использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой необходимо определять с учетом рабочей длины струи гидромонитора, стадии отработки выемочного блока, закономерностей формирования зоны разрушения краевых частей угольного массива горным давлением и предельных обнажений угольных пачек, расположенных в кровле очистных камер.

Основные задачи работы:

1. Оценка состояния и перспектив использования известных технологических схем на базе системы разработки с подэтажной гидроотбойкой.

2. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на параметры зоны опорного давления, формирующейся у краевых частей угольного массива.

3. Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в окрестностях очистных камер, для типовых горнотехнических ситуаций.

4. Определение предельной мощности угольной пачки оставляемой в кровле заходки, при снижении которой исключаются опасные зависания угля и пород в выработанном пространстве.

5. Разработка методики определения рациональной высоты подэтажа, обеспечивающей максимальное снижение издержек производства при обеспечении безопасных условий труда горнорабочих.

Защищаемые научные положения:

1. При использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой основной причиной опасных динамических обрушений угля и пород кровли в выработанном пространстве отрабатываемых подэтажей является оставление в кровле заходок пачек угля, способных зависать в выработанном пространстве на значительных пролетах. Формирование указанных потолочин возможно в случаях, когда фактическая высота подэтажа превышает рабочую длину струи гидромонитора.

2. При выемке мощного крутого пласта с использованием системы разработки с подэтажной гидроотбойкой максимально допустимую высоту подэтажей следует принимать меньше суммы следующих трех параметров: рабочей длины струи гидромонитора, ширины зоны естественного разрушения краевой части угольного массива горным давлением и предельной мощности угольной пачки, при снижении которой не происходит ее опасного зависания в выработанном пространстве.

3. Наиболее существенное влияние на величину предельных значений мощности угольной пачки, оставляемой в кровле, заходки, оказывают: мощность пласта, расстояние от верхней границы отрабатываемого подэтажа до межэтажного целика, угол падения пласта. Предельные значения мощности защитной пачки, при снижении которой происходит ее разрушение, определенные при различных сочетаниях указанных факторов, могут отличаться в 2,5-3,5 раза.

Достоверность научных положений и рекомендаций. Достоверность защищаемых положений обеспечивается соответствием прогнозируемых качественных и количественных характеристик исследуемых процессов результатам, полученным при проведении шахтных наблюдений; использованием современных апробированных методов исследований; значительным количеством данных, полученных при проведении шахтных исследований.

Научная новизна.

Установлены зависимости величин и характера распределения напряжений в угольной потолочине, оставляемой в кровле заходки при подэтажной системе разработки, от основных геологических и горнотехнических факторов.

Разработана методика определения рациональной высоты подэтажей при использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой, учитывающая параметры зон естественного разрушения краевой части угольного массива горным давлением и предельную мощность угольной пачки, при снижении которой не создаются ее опасные зависания в выработанном пространстве.

Методы исследований. Для решения поставленных задач был использован комплексный метод, включающий: анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблемам отработки мощных крутых пластов с использованием гидравлического способа добычи; шахтные исследования процессов деформирования и разрушения краевых частей угольного массива и пород на контуре очистных и подготовительных выработок; аналитические исследования напряженно деформированного состояния горного массива для типовых горнотехнических ситуаций; экспертную оценку основных выводов и рекомендаций с привлечением инженерно-технического персонала шахты "Тырганская".

Практическая значимость работы.

Разработаны рекомендации по определению рациональной высоты подэтажа при использовании систем разработки с подэтажной гидроотбойкой для условий отработки пластов: Мощный, Двойной и IV Внутренний, Горелый.

Разработана рациональная технологическая схема выемки угля гидромонитором в пределах заходки, реализация которой позволяет уменьшить эксплуатационные потери угля на 10-15 %.

Разработан патентоспособный способ отработки подэтажей, позволяющий исключить опасные динамические обрушения угольных пачек и пород кровли в выработанном пространстве отрабатываемого подэтажа. Установлены предельно допустимые значения мощности угольной пачки оставляемой в кровле заходки с учетом стадии отработки этажа.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГИ(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2003^ 2004 гг.), "Восьмой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов" (2003 г.), научных семинарах кафедры «Разработки месторождений5 подземным способом» СПГГИ(ТУ), технических советах ОАО шахта "Тырганская".

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика; и проведены шахтные и аналитические исследования; выполнена интерпретация полученных результатов, сформулированы основные научные положения.

Публикации. Основные: результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объем работы; Диссертационная работа общим объемом 160 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 80 источников, включает 78 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Сидоренко, Андрей Александрович

4.5. Выводы по главе

1. Выбор схем расположения участковых подготовительных выработок и гидромонитора при ведении очистных работ должен осуществляться с учетом угла падения и мощности разрабатываемого пласта по критериям обеспечения более полного и эффективного извлечения запасов заходки, а так же и минимальных затрат на подготовку подэтажей.

2. На предельные значения угольной пачки, формирующейся в кровле заходки по мере отработки и не разрушаемой опорным давлением и струей гидромонитора, существенное влияние оказывает стадия отработки подэтажа. Значения данного параметра в начальный и завершающий период отработки подэтажа могут отличаться в 2 раза более.

3. Определение ширины зоны интенсивного разрушения следует производить дифференцировано с учетом неравномерности распространения влияния эксплуатационного опорного давления по длине выемочного участка. Ширину зоны интенсивного разрушения, при определении высоты подэтажа по формуле (1.12) следует принимать равной минимальной из определенных для различных частей по длине выемочного участка. Для увеличения ширины зоны интенсивного разрушения подэтажа в частях с минимальными значениями указанной зоны может быть применен способ предварительного разупрочнения в верхней части подэтажа (Патент № 2205954).

4. Высоту подэтажа рекомендуется определять с использованием зависимости 1.12 для различных частей по длине выемочного участка. Максимально допустимая высота подэтажа должна приниматься равной, либо меньшей минимальной из определенных.

5. Предлагаемые технологические схемы подэтажной гидроотбойки угля могут быть применены в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий. Ограничениями для эффективного применения этих схем являются: отработка пластов с углями повышенной крепости (f>l ,8 по шкале М.М. Протодьяконова), отработка участков, кровля которых представлена неустойчивыми породами.

6. Предложенная методика определения параметров технологических схем с подэтажной гидроотбойкой позволяет: повысить технико-экономические показатели работы добычных участков за счет сокращения числа подготовительных выработок и обеспечить безопасные условия труда горнорабочих, благодаря исключению динамических явлений, связанных с обрушениями пород и угля в выработанном пространстве отрабатываемых подэтажей.

7. Внедрение предложенных технологических схем при отработке средней мощности и мощных крутонаклонных и крутых пластов позволяет: в 1,1-1,2 раза увеличить нагрузку на очистной забой и на 20-40 % снизить затраты на подготовительные работы.

8. Использование способа разработки мощных крутых пластов, созданного в процессе работы над диссертацией (Патент № 2205954. 2003 г.), обеспечивает безопасность очистных работ в подэтажах при увеличении высоты подэтажа в 1,5-2 раза. Ожидаемый экономических эффект, связанный с уменьшением удельной протяженности подготовительных выработок при внедрении предлагаемого способа на шахте "Тырганская", составляет более 7 млн. рублей в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой содержится решение актуальной задачи повышения технико-экономических показателей и безопасности отработки мощных угольных пластов с углами падения более 35° при использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1.К числу перспективных технологических схем, создающих объективные предпосылки для обеспечения конкурентоспособности шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, отрабатывающих пласты Мощный, Двойной, IV Внутренний, в рыночных условиях, относятся технологические схемы, основанные на использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой. При реализации данных технологических схем себестоимость добываемого угля в 1,2-1,6 раза ниже, а производительность труда горнорабочих в 1,3-2,1 раза выше, чем на шахтах использующих традиционные "сухие" технологии.

2. Научно обоснованы геомеханические модели процессов деформирования и разрушения* краевых частей угольного массива, угольной потолочины, оставляемой в кровле заходок при отработке мощных крутых пластов с использованием систем разработки с подэтажной гидроотбойкой и перепуском обрушившихся пород из вышерасположенного подэтажа в отрабатываемый подэтаж.

3.Разработана методика определения максимально допустимой высоты подэтажей при использовании системы разработки с подэтажной гидроотбойкой; учитывающая, в отличие от известных отраслевых методик, параметры зон естественного разрушения горным давлением краевой части угольного массива и предельно допустимую мощность угольной потолочины, оставляемой в кровле очистных камер, при снижении которой не создаются ее опасные зависания в выработанном пространстве. Различия рассчитанных значений данного параметра и фактических не превышает 25 %.

4. Опасные динамические обрушения угля и пород в выработанном пространстве отрабатываемых подэтажей связаны с оставлением в кровле камер между призабойным пространством и обрушенными породами в вышерасположенном подэтаже угольных потолочин, способных создавать значительные зависания. При возникновении таких ситуаций объемы одновременно обрушающихся пород и угля достигают 7 тыс. м3 и более, возникающая при этом воздушная волна способна разрушать крепь подготовительных выработок на расстоянии более 100 м.

5. К числу факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на величину предельных значений мощности угольной потолочины, оставляемой в кровле заходки, относятся: мощность пласта, расстояние от верхней границы отрабатываемого подэтажа до межэтажного целика или краевой части угольного массива и угол падения пласта.

6. Параметры зоны естественного разрушения краевой части угольного массива горным давлением в значительной степени зависят от угла падения пласта. В условиях отработки пластов Мощный и Двойной изменение угла падения пласта от 35-45° до 60-80° приводит к увеличению ширины данной зоны с 1,5-2,5 м до 3-3,5 м.

7. Механизм деформирования и разрушения угольной потолочины, оставляемой в кровле заходки и методика расчета предельных значений ее мощности, зависит от величины отношения мощности угольной пачки к мощности пласта.

8. Использование способа разработки мощных крутых пластов, созданного в процессе работы над диссертацией (Патент № 2205954. 2003 г.), обеспечивает безопасность очистных работ в подэтажах при увеличении высоты подэтажа в 1,5-2 раза. Ожидаемый экономических эффект, связанный с уменьшением удельной протяженности подготовительных выработок, при внедрении предлагаемого способа на шахте "Тырганская" составляет более 7 млн. рублей в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидоренко, Андрей Александрович, 2004 год

1. Авершан С.Г. Горные удары. М.: Углетехиздат, 1955, 235 с.

2. Авершин С.Г. Расчет деформации массива горных пород под влиянием подземных выработок. Ленинград: Издание ВНИМИ, 1960, 87 с.

3. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. М. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. Недра, 1975.

4. Ардашев К.А. Управление горным давлением при разработке тонких и средней мощности угольных пластов наклонного и крутого падения. Кемерово, 1967, 176 с.

5. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследования проявления горного давления. М.: Недра, 1981, 128 с.

6. Ардашев К.А., Крылов В. Ф., Куксов Н.И. Совершенствование управления горным давлением при разработке наклонных и крутых пластов. М.: Недра, 1967,289 с.

7. Ардашев К.А., Куксов Н.И., Шалыгин А.С. Совершенствование управления горным давлением при разработке наклонных и крутых угольных пластов. М;: Недра, 1975, 232 с.

8. Арене В.Ж., Исмагилов Б.В., Шпак Д.Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых. М.: Недра, 1980, 229 с.

9. Бич Я.А., Баженов А.И. Результаты натурных испытаний угля Кемеровского и Прокопьевского районов Кузбасса. Уголь, 1963, № 3.

10. Ю.Бич Я.А., Емельянов Б.И., Муратов Н.А. Управление состоянием массива горных пород. Владивосток, Издательство Дальневосточного университета, 1988, 261 с.

11. М.Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980, 360 с.

12. Вопросы горного давления. Вып. 22, Новосибирск, 1964, 82 с.

13. Вопросы горного давления. Вып. 9, Новосибирск, 1961, 110 с.

14. Воскобоев Ф.Н., Распопов В.И., Остапенко А.Ф., Аносов А.С., Южанин И.А. Управление горным давлением в механизированных очистных забоях. М.: Недра, 1983, 199 с.

15. Геомеханические процессы и проявления горного давления. Вопреосы горного давления. Вып. 40, Новосибирск, 1982, 108 с.

16. Гефт Ю.Б., Мясников А.Б., Плетнев О.Н., Хазов Л.МОценка влияния некоторых технологических операций на производительность гидромонитора.

17. Гидравлическая технология подземной угледобычи на шахтах Кузбасса. Новокузнецк, Сборник научных трудов ВНИИгидроуголь, 1983.

18. Гидродобыча и гидротранспорт угля на шахтах Англии. М.: 1962.

19. Гидродобыча и экономика. Донецк.: Донбасс, 1977.

20. Гидродобыча угля на шахтах Донбасса. Толстых Н.Н., Переберзев М.П. Киев, 1965,42 с.22.Геология СССР. 1979.23.Геология СССР. 1985.

21. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 33). Новокузнецк 1974.

22. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 34). Новокузнецк 1974.

23. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 35). Новокузнецк 1975.

24. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 36). Новокузнецк 1975.

25. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 37). Новокузнецк 1976.

26. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 38). Новокузнецк 1976.

27. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 42). Новокузнецк 1979.

28. Гидромеханизация и гидротранспорт на угольных шахтах (выпуск 44). Новокузнецк 1979.

29. Ъ2.Бренер В.А., Жабин А.Б., Пушкарев Е.А. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Издательство Академии горных наук, 2000, 343 с.

30. Горное давление на мощных крутых пластах. Новосибирск, Наука, 1967, 214 с.

31. Грицко Г.И., Власенко Б.В. Экспериментально-аналитический метод определения напряжений в массиве горных пород. Новосибирск: Наука, 1976, 190 с.

32. Методика определения устойчивости угольного массива для пластов Прокопьевско-Киселевского района. Прокопьевск, 1979, 22 с.

33. Методика расчета гидромониторной выемки угля. Новокузнецк, ВНИИГидроуголь, 1969.

34. Методика расчета производительности основных технологических процессов (звеньев) гидрошахт. М.: 1985, 46 с.

35. Методы и средства решения задач горной геомеханики. М., 1987, 246 с.

36. Механика динамического разрушения. Асатур K.F., 1992 .

37. Мучник В. С., Голланд Э. Б., Маркус М. Н. Подземная гидравлическая добыча угля. М.: Недра, 1986, 223 с.

38. Нурок Т.А. Технология и проектирование гидромеханизации горных работ. М.: Недра, 1965, 580 с.480 крупности угля добываемого гидравлическим способом. Сталинск, 1960.

39. Опыт отработки удароопасных мощных пологих пластов на шахтах южного Кузбасса. Обзор/ ЦНИЭИуголь. М. 1988.

40. Опыт подготовки шахтных и выемочных полей Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. М: 1971, 36 с.

41. Основные направления совершенствования; техники и технологии отработки мощных крутых пластов. Прокопьевск, 1988, 114 с.

42. Основные направления совершенствования техники и технологии отработки мощных крутых пластов. Прокопьевск, 1988.

43. Отработка гидравлическим способом выемочных полей Прокопьевско-Киселевского месторождения. Прокопьевск, 1998.

44. Охрименко В.А. Куприн А.И. Ищук И.Г. Подземная гидродобыча угля: Ml: Недра, 1974,312 с.

45. Паспорт выемочного участка пласта «Двойного» шахта "Тырганская".

46. Перечень конкурентоспособных разработок института ВНИИГидроуголь. Новокузнецк, 1990.

47. Проведение горных выработок способом гидромеханизации. М. 1971, 184 с:

48. Проведение подготовительных выработок способом гидромеханизации по выбросоопасным пластам. Ищук И.Г. М: 1970.

49. Разработка месторождений полезных ископаемых. Новосибирск, 1964, 231 с.

50. Разработка мощных крутопадающих пластов Кузбасса, Новосибирск, Наука, 1968, 180 с.

51. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Голъдин Ю.А Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М.: Недра, 1986, 143 с.

52. Рекомендации по разработке мощных угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса. М., 1966, 243 с.

53. Совершенствование способов и средств гидравлической добычи угля. Сб. научн. Ст. 1989, 204 с.

54. Совершенствование технологии и средств механизации и автоматизации гидродобычи угля. Сб. научн. Ст., 1988, 150 с.

55. Совершенствование технологии отработки мощных угольных пластов Кузбасса и Дальнего Востока. Прокопьевск, 1989 г,

56. Совершенствование технологии подземной разработки угольных пластов. Сб. Кемерово, 1984, 129 с.

57. Совершенствование технологии разработки крутых пластов Кузбасса. Сб. №25. Прокопьевск, 1979, 261 с.

58. Совершенствование технологических схем и оборудования гидродобычи угля. Новокузнецк, 1987, 156 с.

59. Совершенствование технологических схем отработки мощных крутых угольных пластов. Прокопьевск, 1983, 180 с.

60. Техно логические процессы и механизация отработки угольных пластов Кузбасса. Прокопьевск, 1990, 251 с.

61. Томашевский JI. П., Петров А. И., Михеев О.В., Шахурдин С.А. Технологии разработки мощных крутых пластов. Теория, эксперимент, практика. Прокопьевск, 1996.

62. Труды ВНИИгидроугля. Выпуск 29, Новокузнецк, 1973.

63. Труды ВНИИгидроугля. Выпуск 31, Новокузнецк, 1973.

64. Труды ВНИИгидроугля. Выпуск 35, Новокузнецк, 1975, 160 с.

65. Управление труднообрушаемой кровлей. Широков А.П. М.: 1984, 30 с. 19.Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М.:1. Недра, 1976, 272 с.

66. Широков А.П. Методические рекомендации по обоснованию параметров управления труднообрушаемой кровлей при щитовой системе разработки в условиях шахт Кузбасса., Прокопьевск, 1981, 47 с.