Обоснование рациональных технологических параметров очистных забоев длинностолбовой системы разработки пологих и наклонных метаноносных угольных пластов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат наук Метельков Алексей Александрович

• Метельков Алексей Александрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Метельков Алексей Александрович

Оглавление

№№

Наименование Страница

разделов

1

Введение

1 Современное состояние и проблемы развития длинностолбовой системы подземной разработки пологих и наклонных метаноносных угольных пластов

1.1 Современное состояние и перспективы развития угольной отрасли в России

1.2 Обзор исследований по оценке рациональных технологических параметров очистных работ длинностолбовой системы разработки метаноносных угольных пластов

Выводы по главе

2 Разработка методических положений по расчету рациональной длины и производительности очистного забоя по горно-геологическим и технологическим факторам

2.1 Обоснование нелинейной зависимости производительности очистного комбайна от мощности и угла падения пласта

2.2 Общий подход к оценке производительности очистного забоя по технологическим факторам

2.3 Нелинейные зависимости производительности комбайна от длины очистного забоя

2.4 Расчет нагрузки на очистной забой по пропускной способности забойного скребкового конвейера

2.4.1 Расчет технической производительности заданного типа скребкового конвейера

2.4.2 Расчет производительности скребкового конвейера в зависимости от скорости подачи очистного комбайна

2.4.3 Расчет производительности очистного забоя в зависимости от скорости выемки и погрузки угля на скребковый конвейер при переменной длине лавы

2.5 Расчет производительности очистного забоя по технически возможной скорости передвижки секций механизированной крепи

2.6 Расчет производительности очистного забоя по технической производительности очистного комбайна

1

2.7 Трехштрековая технологическая схема подготовки очистного забоя

Выводы по главе

3 Методические положения по расчету метановыделения в

высокопроизводительных очистных забоях

3.1 О неравномерности движения воздушного потока в очистном забое

3.2 Аналитическая зависимость концентрации метана в очистном забое от длины лавы

3.3 Обоснование допускаемой длины и производительности очистного забоя по газовому фактору

3.4 Циклическая динамика изменения концентрации метана, выделяемого в очистном забое из отбитого угля на скребковом конвейере

3.5 Фоновый уровень метановыделения в очистном забое в ремонтную смену

3.6 Шахтные замеры параметров аэрогазового потока в очистном забое шахты «Костромовская»

3.7 Циклическое метановыделение в очистном забое шахты «Костромовская» в рабочую смену

Выводы по главе

4 Оптимизация длины и производительности очистного забоя по экономическим критериям

4.1 Оптимизация длины лавы и производительности очистного забоя по критерию максимума годовой прибыли шахты

4.2 Оптимизация длины лавы и производительности очистного забоя по критерию максимума чистого дисконтированного дохода шахты за период отработки панели

Выводы по главе

5 Расчет оптимальной длины и производительности на примере очистного забоя шахты «Костромовская»

5.1 Основные горно-геологические и технологические параметры очистных работ шахты «Костромовская»

5.2 Экспериментальная проверка фрагмента программы «ПРОЗА-3.1» для расчета производительности очистного забоя по технологическим факторам

5.3 Оптимизация длины и производительности комплексно-механизированного очистного забоя по условию максимума годовой прибыли

2

3

5

Оптимизация технологических параметров очистных и

подготовительных работ в панели шахты

«Костромовская» по критерию максимума

дисконтированного дохода

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложения

Акты внедрения методического обеспечения программы «ПРОЗА» и протокол технического совещания

119

124

125

139

1

1

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных технологических параметров очистных забоев длинностолбовой системы разработки пологих и наклонных метаноносных угольных пластов»

Актуальность проблемы

Стратегией развития угольной промышленности России до 2035 г. Запланировано повышение добычи угля свыше 500 млн т/год. В России в последние годы происходит интенсивное её развитие.

По подсчётам Росстата, по итогам 2020 года добыча угля в России сократилась с 439,2 млн. т до 401,4 млн т (-8,1% г./г.), в том числе энергетических марок - 311,6 млн т (-7,9% г./г.), коксующихся марок - 89,8 млн т (-8,4%). По сравнению с 2019 г. общий объем добычи угля в Кузбассе в 2020 году снизился с 250,1 млн т до 220,7 млн т, в том числе произошло снижение добычи угля открытым способом с 164,4 млн т до 139 млн т и подземным способом с 85,7 млн т до 81,7 млн т. Динамика добычи угля в России с 2011 по 2020 гг. представлена на рисунке 1.

Причиной снижения объема добычи угля в Кузбассе является ряд объективных обстоятельств, к числу которых относится отсутствие заинтересованности у инвесторов по строительству новых и реконструкции действующих шахт и разрезов, вызванное снижением эффективности эксплуатации горнодобывающих предприятий на глубоких горизонтах, отработкой наиболее ценных запасов угля, повышением метаноносности угольных пластов и др. При этом часто допускается эксплуатация высокопроизводительных очистных комплексов не в оптимальном режиме, вызванное отсутствием в практике проектирования шахт современных методик по обоснованию оптимальных технологических параметров очистных работ при отработке метаноносных пологих и наклонных угольных пластов длинностолбовой системой разработки.

Таким образом, основная тенденция повышения эффективности добычи при подземной разработке угольных месторождений связана с повышением производительности очистных забоев и обоснованием оптимальных технологических параметров добычи угля.

Рисунок 1

Вместе с тем в практике проектирования угольных шахт в настоящее время существует несоответствие между достигнутыми в очистных забоях высокими показателями объемов добычи угля, оснащенных, главным образом, импортными высокопроизводительными механизированными комплексами, и существующими методиками, и инструкциями расчета производительности очистных забоев.

Проблема заключается в том, что эти методики [3,4,5] разрабатывались в 7080-е годы прошлого столетия и ориентировались, в основном, на применение отечественных комплексов с низкой производительностью очистных комбайнов.

В методиках, разработанных в ИГД им. А.А. Скочинского, многие показатели ориентированы на скорость подачи очистного комбайна не более 6 м/мин. Соответственно расчетные показатели метановыделения в очистном забое по этой причине также часто не соответствуют фактическим значениям, зафиксированным на шахтах средствами аэрогазового контроля. Как отмечает А.М. Тимошенко [72]: «Несмотря на объективно безопасные по газовому фактору условия отработки выемочных участков с нагрузками на очистные забои до 10-15 тыс.т/сут, а в отдельных случаях и до 30 тыс.т/сут, проектирование выемочных участков с данной производительностью является недопустимым даже на негазоносных угольных пластах, поскольку вступает в противоречие с отдельными требованиями «Руководства по проектированию вентиляции угольных шахт», разработанного в 1989 г. На базе научных исследований, выполненных в 60-70-е годы прошлого столетия».

Следует учесть, что большинство эксплуатируемых шахт в Кузбассе по газообильности относится к III-й категории и сверхкатегорным (свыше 15 м3/т). Поэтому совершенствование методики оценки метановыделения в высокопроизводительном очистном забое с учетом неравномерности воздушного потока и утечек воздуха в выработанное пространство является актуальной задачей.

Следует также отметить необходимость и актуальность совершенствования системы автоматизированного проектирования угольных шахт с использованием современных вычислительных средств и методов оптимизации сложных систем.

Таким образом, разработка современных методических положений для автоматизированного проектирования и обоснования рациональных технологических параметров очистных работ с применением высокопроизводительных шнековых комбайнов для подземной отработки

метаноносных угольных пластов с учетом оценки динамики метановыделения в очистном забое является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности и безопасности очистных работ при подземной разработке пологих и наклонных метаноносных угольных пластов путем обоснования рациональных технологических параметров высокопроизводительных очистных забоев.

Идея работы заключается в постановке и решении комплексной задачи обоснования оптимальных технологических параметров очистных забоев с учетом влияния на производительность очистных забоев горно-геологических и технико-экономических факторов, с использованием методов анализа и моделирования динамических, нелинейных процессов циклического метановыделения при выемке угля шнековыми комбайнами.

Задачами исследования являются:

- обоснование зависимостей производительности очистного забоя от вынимаемой мощности пласта и длины лавы при различных технологических схемах выемки угля шнековыми комбайнами,

- разработка методики расчета производительности очистного забоя с учетом пропускной способности лавного скребкового конвейера, скорости передвижки механизированной крепи и циклического метановыделения из отбитого комбайном угля,

- проведение шахтных исследований метановыделения в очистном забое и разработка методики обоснования допускаемой длины и производительности очистного забоя по газовому фактору с учетом неравномерности воздушного потока в лаве и утечек воздуха в выработанное пространство,

- разработка методики оптимизации длины лавы и производительности очистного забоя по условиям максимума годовой прибыли и чистого дисконтированного дохода шахты за период отработки панели.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Скорость подачи и техническая производительность шнекового комбайна изменяются по гиперболическим зависимостям от мощности пласта и длины лавы, формируя области рационального применения односторонней и челноковой технологических схем выемки угля. Для условий шахты «Костромовская» при отработке лавы 19-12 с мощностью пласта 3 м и длине лавы до 200 м максимум производительности очистного комбайна К-500 достигается при односторонней технологической схеме, а при длине лавы более 200 м - при использовании челноковой технологической схемы.

2. С увеличением газоносности пласта уменьшается допускаемая по газовому фактору длина лавы и изменяется технологическая схема выемки пласта. Для условий шахты «Костромовская» изменение газоносности пласта с 10 м3/т до 20 м3/т на нижних горизонтах приводит к уменьшению допускаемой длины лавы с 300 до 200 м и применение односторонней технологической схемы выемки пласта становится более рациональной по производительности забоя по сравнению с челноковой схемой.

3. Длина лавы и производительность очистного забоя оптимизируются в подсистеме «панель шахты» совместно с оптимизацией количества выемочных столбов, конвейерных и вентиляционных штреков, потерь угля в охранных межлавных целиках по критерию максимума чистого дисконтированного дохода за период отработки панели.

Новизна выполненных исследований и научных положений заключается в следующем:

1. Установлены нелинейные гиперболические зависимости скорости подачи и производительности очистного комбайна от мощности пласта и длины лавы, позволившие установить рациональные области применения односторонней и челноковой технологических схем выемки угля шнековым комбайном по условию максимума производительности очистного забоя.

2. Установлено, что вследствие вязкого трения воздушной струи и потерь воздуха через секции механизированной крепи в выработанное пространство концентрация метана в очистном забое имеет нелинейную, параболическую зависимость от длины лавы и для различных технологических схем выемки угля формирует различные ограничения на длину лавы по газовому фактору.

3. Установлено, существование максимума чистого дисконтированного дохода за период отработки панели шахты, формирующего оптимальные технологические параметры очистных и подготовительных работ в панели: извлекаемые промышленные запасы угля в панели, количество выемочных столбов, количество конвейерных и вентиляционных штреков, потери угля в предохранительных целиках, длину и производительность очистного забоя.

Теоретическая значимость выполненных исследований заключается в установлении основных закономерностей и зависимостей технологических параметров очистных работ от горно-геологических и технико-экономических факторов, позволивших разработать методику по обоснованию оптимальных технологических параметров очистных работ при подземной разработке метаноносных угольных пластов.

Практическая значимость выполненных исследований заключается в том, что разработанные методические положения вошли в программы «ПРОЗа-3.1», «ПРОЗа-4.1», которые находятся в промышленной эксплуатации в ЗАО «Гипроуголь» и использованы для обоснования технологических параметров очистных работ в проектах шахт Кузбасса: «Костромовская», «Кыргайская», «Тагарышская», «Южная Глубокая», «Жерновская», им. Тихова, им. В.Д. Ялевского, «Талдинская-Западная», а также шахт Южно-Якутского угольного бассейна: «Восточная Денисовская», «Денисовская», «Инаглинская».

Методы, использованные при выполнении исследований: анализ и обобщение мирового опыта эксплуатации шахт и исследований в области оптимизации технологических параметров очистных забоев длинностолбовой

системы разработки метаноносных пологих и наклонных угольных пластов, численное моделирование технологических параметров очистных работ, методы оптимизации сложных систем, нелинейные аналитические модели производительности очистных забоев и метановыделения из отбитого угля, методы математической статистики и теоретической механики.

Степень достоверности результатов:

Степень достоверности научных положений и рекомендаций подтверждается шахтными замерами, математическим моделированием, многочисленными компьютерными экспериментами, критериями математической статистики, положительными результатами промышленной эксплуатации программ: «ПРОЗА-3.1», «ПРОЗа 4.1» в ЗАО «Гипроуголь» и патентом РФ №2472939, E21F 7/00, БИ №2, 2013 г.

Личный вклад автора заключается в:

- установлении аналитических зависимостей скорости подачи и производительности очистного забоя от мощности пласта и длины лавы при различных технологических схемах выемки угля;

- разработке запатентованной трехштрековой технологической схемы подготовки и дегазации угольного пласта;

- проведении шахтных замеров метановыделения в очистном забое №19-12 шахты «Костромовская» и установннии статистических и теоретических зависимостей концентрация метана от длины очистного забоя;

- разработке методики определения оптимальных технологических параметров очистных и подготовительных работ по условию максимума годовой прибыли при отработке выемочного столба и чистого дисконтированного дохода за период отработки панели шахты.

Реализация работы.

Результаты проведенных исследований и научные рекомендации вошли в:

- «Методическое и программное обеспечение для расчета производительности комплексно-механизированных очистных забоев по технологическим факторам». Новосибирск, ИГД СО РАН. -2011. - 205 с.;

- «Методические обеспечение программы «ПРОЗА-4.1» для комплексной оптимизации технологических параметров очистных и подготовительных работ в панели шахты». Новосибирск, ИГД СО РАН. -2015. -106 с.;

- программу «ПРОЗА-3.1», «ПРОЗа 4.1», которые приняты в промышленную эксплуатацию в ЗАО «Гипроуголь» с 2012 г.

- в обоснование оптимальных технологических параметров очистных и подготовительных работ в проектах шахт Кузбасса: «Костромовская», «Кыргайская», «Тагарышская», «Южная Глубокая», «Жерновская», им.Тихова, им. В.Д. Ялевского, «Талдинская-Западная», а также шахт Южно-Якутского угольного бассейна: «Восточная Денисовская», «Денисовская», «Инаглинская».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на совещаниях в ЗАО «Гипроуголь», при прохождении проектов шахт в государственных экспертизах, на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов», г. Новокузнецк, 2012, -с.14-20; ««Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды». Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. - с. 117-123. Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. Новосибирск: ИГД им. СО РАН, 2014. - с. 273-279; «Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий». Санкт-Петербург, НМСУ «Горный», 2017.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 4 статьи в сборниках трудов Международных и Всероссийских научно-технических конференций, 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 102 наименований и двух приложений, выполнена объемом 164 с., включая 34 рисунка и 18 таблиц.

Диссертация выполнена в соответствии с направлением фундаментальных исследований РАН № 132 «Комплексное освоение и сохранение недр Земли, инновационные процессы разработки месторождений полезных ископаемых и глубокой переработки минерального сырья», по проекту ФНИ 1Х.132.4.1. «Развитие научных основ и разработка физико-технической геотехнологии освоения месторождений твердых полезных ископаемых в сложных горногеологических и геомеханических условиях на основе интенсификации и совмещения производственных процессов» № гос. рег.АААА-А17-117092750075-0.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ДЛИННОСТОЛБОВОЙ СИСТЕМЫ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ МЕТАНОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

1.1. Современное состояние и перспективы развития угольной отрасли в России.

Угольная промышленность, обладая значительными разведанными и прогнозными запасами угля, имеет все возможности для эффективного их извлечения и использования в целях стабильного обеспечения внутренних потребностей в угольной продукции и развития экспортных поставок.

За последнее десятилетие продолжилось развитие традиционных центров угледобычи - Кузнецкого, Канско-Ачинского, Горловского и Минусинского бассейнов, а также освоение угольных месторождений в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке и в Арктической зоне Российской Федерации.

По итогам 2020 года, объем добычи угля в России сократился с 439,2 млн. т до 401,4 млн т (-8,1% г./г.), в том числе энергетических марок - 311,6 млн т (7,9% г./г.), коксующихся марок - 89,8 млн т (-8,4%).

Увеличение объёма добычи угля по отношению к прошлому году произошло в Южном (+82,9 тыс. т, +1,5%), Северо-Западном (+76,8 тыс. т, +0,7% к 2019 г.) и Дальневосточном (+1 832,3 тыс. т, +2,4%) федеральных округах. Снижение добычи угля отмечено в Центральном (-86,7 тыс. т, -54,3%) и Сибирском (-42 581,3 тыс. т, -12,2%) федеральных округах. Основной вклад в добычу угля по Российской Федерации вносит Сибирский федеральный округ (76,4% от общего объема добычи угля в России). Если в Хакасии и Красноярском крае по итогам 2020 г. был зафиксирован рост добычи, то основной угледобывающий регион страны Кузбасс свои позиции потерял.

Так, угледобывающие предприятия Кемеровской области в 2020 г. сократили добычу по сравнению с 2019 г. с 250,1 млн т до 220,7 млн т., в том

числе произошло снижение добычи угля открытым способом с 164,4 млн т до 139 млн т и подземным способом с 85,7 млн т до 81,7 млн т.

Основные показатели угольной отрасти России представлены на рисунке 2.

336.7

439.3 441.4

385 7 -402 1

354.9 352.0 359.0 3740 гу,--гО^

274.6

282,5 274.7 279,3

345,1 342.9 290.8 301,1 326 2 313'4

62.1 72.4 77,3 79.7 83.2 84.6 85.0 94.2 98.5 88.7

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

• Уголь для коксования

' Энергетический уголь

Рисунок 2

В настоящее время угольная промышленность представлена 58 шахтами и 133 разрезами, почти половина из которых введена после 2000 года. Новые предприятия оснащены высокопроизводительной техникой, и на них используются самые современные технологии угледобычи. По прогрессивной технологии "шахта-лава" работают 42 шахты, или 76 процентов общего числа действующих шахт.

На шахтах среднесуточная добыча из одного очистного забоя за 10 лет выросла в среднем по отрасли в 2,2 раза (с 2211 до 4883,7 т/сутки, годовая производительность одноковшовых экскаваторов на разрезах увеличилась в 1,3 раза (с 1438 до 1843,3 тыс. куб. метров). Более 70 процентов угледобычи сегодня обеспечивают шахты и разрезы со среднегодовой мощностью 1,6 и 3 млн. тонн

соответственно. В результате в отрасли растет производительность труда работников в основном производстве, которая с 2008 года увеличилась в 1,5 раза, а среднемесячная производительность рабочего по добыче угля выросла за этот период почти в 2 раза (с 202 до 380 т/чел. в мес).

Распоряжением Правительства РФ от 13 июня 2020 года за №1582-р принята новая Программа развития угольной промышленности России на период до 2035 года. Программа предусматривает увеличение объема добычи угля до 668 миллионов и соответствует генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики на период до 2035 года, а также прогнозируемой конъюнктуре цен на энергетические угли.

Такой уровень добычи планируется обеспечить крупными разведанными запасами в 196 миллиардов тонн. Ежегодно предполагается пополнять запасы дефицитных марок углей в среднем на 500 миллионов тонн. Сырьевая база будет создаваться в новых центрах угледобычи - Республиках Тыва, Якутия, в Забайкалье и Арктической зоне. С нуля планируется построить 14 шахт и 15 разрезов, ввести в строй более 20 обогатительных фабрик, еще восемь подвергнуть модернизации.

Согласно целям Программы, в угольной промышленности продолжатся структурные преобразования. Будут осуществляться поэтапный вывод из эксплуатации неэффективных производственных мощностей по добыче и переработке угля с низкой производительностью труда, модернизация стабильных и перспективных предприятий отрасли путем использования эффективных технологий и высокопроизводительного оборудования для добычи, переработки и комплексного использования угля, оптимизация численности занятых в угледобыче, в том числе путем внедрения аутсорсинга. Все это позволит к 2035 году кратно (в 3-4 раза) повысить производительность труда занятых на добыче угля (в основном производстве), тем самым достичь по этому показателю уровень развитых угледобывающих стран мира.

1.2. Обзор исследований по оценке рациональных технологических параметров очистных работ длинностолбовой системы разработки метаноносных угольных пластов.

В мире проведено большое количество различных исследований в области оптимального проектирования технологических параметров угольных шахт [1 -

7].

В России основоположником аналитических расчетов в этой области следует считать профессора Б.И.Бокия, опубликовавшего в 1914 г. практический и в 1929 г. аналитический курсы горного искусства [8 - 9]. В дальнейшем аналитические методы в проектировании угольных шахт использовали Л. Д. Шевяков, С. М. Липкович, П. З. Звягин, А. М. Курносов, С. Цой, Е. И. Рогов, К. Н. Адилов, А. С. Астахов, Н. В. Дронов, В. Н. Вылегжанин, В. И. Штеле, Г. А. Стрекачинский, В. А. Федорин и многие другие [10 - 32].

Существует также большое количество публикаций в области оптимизации длины и производительности очистного забоя, размеров выемочного поля и панели шахты [11, 13, 20, 26 - 32]. Особенно следует выделить работу С. М. Липковича [11], являющегося основоположником моделирования технологических параметров и применения аналитических методов для решения горнотехнических задач при проектировании угольных шахт.

В большинстве работ, посвященных решению данной задачи, в качестве критерия оптимальности использовался минимум себестоимости добычи угля в очистном забое [11, 13, 20]. Так, в [11] рациональная длина (L) лавы, оборудованной комплексом, определяется путем минимизации функции себестоимости добычи угля в виде: C

f (L) = С + C2L + С, ^ min,

L (1)

где С1, С2, С3 - стоимостные коэффициенты, учитывающие все виды эксплуатационных затрат в очистном забое.

Следует заметить, что удельным критериям оптимальности типа себестоимости добычи угля (1) присущи существенные недостатки, заключающиеся в широкой области субоптимальных решений и отсутствии системного подхода. В частности, в модели (1) отсутствует весьма важный показатель - оптовая цена угля, зависящая от его качества: марки угля, зольности, влажности, выхода летучих веществ и др. По этой причине среди экономистов давно сложилось мнение, что «...удельные показатели можно использовать только в том случае, если расчет по ним дает тот же результат, что и по суммарным критериям оптимальности» [54, с. 185]. Но при достижении одинаковых результатов, безусловно, вообще теряется смысл составления оптимизационных моделей технологических процессов по удельным показателям.

В работе [61] для оптимизации длины лавы предлагалось использовать в качестве критерия оптимальности интегральные показатели: минимум суммарных амортизационных отчислений на полное восстановление механизированного комплекса и максимум интегральной прибыли, полученной из очистного забоя. Однако последний критерий - максимум прибыли - приведен в [61] только в самой общей, постановочной форме.

Таким образом, несмотря на большое количество опубликованных работ, посвященных оптимизации длины комплексно-механизированного очистного забоя (КМЗ), исследование этой задачи с использованием системных, интегральных критериев оптимальности является актуальным.

В первой части этой статьи поставлена задача исследования основных зависимостей производительности комплексно-механизированного очистного забоя от длины лавы по горно-геологическим и горнотехническим факторам.

Затем в рамках подсистемы «очистной забой» поставлена и решена задача оптимизации длины лавы по условию максимума годовой прибыли шахты.

Фактические объемы метановыделения на угольных шахтах в России, в среднем, составляют 18^20 м3/т. В Кузбассе 40 из 66 действующих в настоящее время шахт разрабатывают угольные пласты с природной метаноносностью более 15 м3/т и относятся к сверхкатегорным по газу. По этой причине эффективность проветривания высокопроизводительных очистных забоев в России часто является неудовлетворительной, о чем свидетельствует большое количество загазований в очистных и подготовительных выработках: 840-890 случаев в год [71].

Существующие методики и руководства по проектированию вентиляции угольных шахт имеют определенные недостатки [46,74-77]. В них не учитывается турбулентность и неравномерность движения потока воздуха в лаве по ее контуру и длине, фракционный состав отбитого угля, утечки воздуха из лавы в выработанное пространство. Поэтому, сравнительный анализ фактических показателей и проектных оценок метановыделения в высокопроизводительных очистных забоях показывает их существенное различие [73,78,80,94,97].

Существуют и в той или иной мере изучены следующие основные закономерности динамики воздушного потока и метановыделения в длинном очистном забое шахты:

- режим движения воздушного потока является турбулентным и неравномерным, максимальная скорость достигается в средней точке сечения лавы и минимальная, близкая к нулю, в граничных точках сечения по контуру лавы вследствие вязкого трения пограничных слоев воздуха;

- в соответствии с неравномерным распределением скорости воздушного потока концентрация метана по контуру лавы распределена также неравномерно, достигая максимума в верхней части груди забоя;

- концентрация метана возрастает вдоль лавы по закону, близкому к линейному, но в конце лавы возможен ее более быстрый рост, обусловленный выходом метана из выработанного пространства [70];

- при недостаточно высокой скорости движения воздушного потока в верхней части очистного забоя могут создаваться слоевые скопления метана повышенной концентрации;

- вследствие утечек воздуха в выработанное пространство через секции механизированной крепи скорость воздушной струи линейно уменьшается от начала к концу лавы и, как следствие, нелинейно, по гиперболической зависимости возрастает концентрация метана;

- после обрушения кровли часть воздушной струи вместе с метаном может поступать из выработанного пространства в очистной забой через секции механизированной крепи, дополнительно увеличивая в конце лавы концентрацию метана,

- очистной комбайн представляет собой подвижное аэродинамическое сопротивление воздушной струе, значительно уменьшая площадь сечения лавы в свету, увеличивая скорость и, соответственно, утечки воздушного потока через секции механизированной крепи в выработанное пространство, эта область максимальных утечек воздуха через секции крепи является подвижной и перемещается вместе с очистным комбайном,

- метановыделение из отбитого угля, транспортируемого скребковым конвейером и лежащего на почве пласта, вследствие движения комбайна носит циклический характер, периодически создавая пики концентрации метана [97];

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Метельков Алексей Александрович, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Коровкин Ю.А., Савченко П.Ф., Бураков В.А. О производительности комплексно-механизированных забоев, оснащаемых по инвестиционным проектами договорам лизинга / «Уголь», № 5. -2001.

2. Демура В.Н., Артемьев В.В., Ясюченя С.В. и др. Технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».т.3. Подземные горные работы / М., 2014. -240 с.

3. Нагрузки на очистные забои действующих угольных шахт при различных горно-геологических условиях и средствах механизации выемки / М., ИГД им. Скочинского, 1996. 48 с.

4. Методические документы по определению нагрузок на очистные забои угольных шахт / М., ИГД им. А. А. Скочинского, 1980. 140 с.

5. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах, М., ИГД им. А.А.Скочинского,1979г.

6. Плотников В.П. Вывод формулы для расчета производительности очистных комбайнов со шнековым, барабанным или корончатым исполнительным органом. Уголь, № 9, 2009. С.5-7.

7. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов / М.: Недра, 1982.

8. Липкович С.М. Основы проектирования угольных шахт / М., Недра. -1967. -230 с.

9. Временные указания по управлению горным давлением в очистных забоях на пластах мощностью до 3,5 м и углом падения до 35° / Л.:ВНИМИ, 1982. - 136 с.

10. Методическое и программное обеспечение для расчета рентабельной производительности комплексно-механизированного очистного забоя / ИГД СО РАН, г.Новосибирск, 1996. -242 с.

11. Методическое обеспечение для расчета производительности комплексно-механизированных очистных забоев по технологическим факторам / ИГД СО РАН, г.Новосибирск, 2012. -205 с.

12. Методическое обеспечение программы «ПРОЗА-4.0» для комплексной оптимизации очистных и подготовительных работ в панели шахты приподземной отработке пологих и наклонных угольных пластов / ИГД СО РАН.-2015.-106 с.

13. Ордин А.А., Метельков А.А. К вопросу об оптимизации длины и производительности комплексно-механизированного очистного забоя // ФТПРПИ, - 2013. - № 2, с.100-112.

14. Ордин А.А., Никольский А.М., Метельков А.А. Моделирование и оптимизация технологических параметров очистных и подготовительных работ в панели угольной шахты // ФТПРПИ, - 2013. - № 6, с.117—127.

15. Александров Б.А., Кожухов Л.Ф, Антонов Ю.А. и др. Горные машины и оборудование подземных разработок / Кемерово, КузГТУ, 2006.113 с.

16. Технологические схемы разработки пологих и наклонных пластов Кузнецкого бассейна / КузНИУИ, г.Прокопьевск, 1989. 77 с.

17. Методические указания по выбору механизированных комплексов для отработки пологих пластов с тяжелой кровлей на шахтах Кузбасса и мероприятий по повышению эффективности их работы / КузНИУИ, г.Кемерово, 1985.

18. Указания по разработке паспортов крепления очистных забоев с индивидуальной крепью. Прокопьевск, 1981. - 68с.

19. Методические указания по выбору механизированных комплексов для отработки угольных пластов, опасных по горным ударам. Прокопьевск, 1997. - 27с.

20. Нормативы нагрузки на очистные забои и скорости проведения подготовительных выработок на шахтах / ДонУГИ, г. Донецк. 2007.

21. Кондрашин Ю.А., Колояров В.К., Ястремский С.И. и др. Рудничный транспорт и механизация вспомогательных работ //М.: Горная книга, 2010. - 534 с.

22. Евневич А.В. Транспортные машины и комплексы // М.: Недра, 1975. - 415 с.

23. Расчет конвейеров: http://new.atsystem.ru/calc.html

24. Лекции по расчету конвейеров: http: //www. detalmach.ru/lect27 .htm

25. Скребковые конвейеры: http://www.soproteh.ru/documentation/detail.php?ID=512

26. БорисовА.А. Механика горных пород и массивов. М.: Недра, 1980.- 360с.

27. Крепи механизированные для лав. Основные параметры. Общие технические методы испытаний. ГОСТ Р-52152-2003.

28. Рекомендации по определению необходимой толщины защитной угольной пачки, оставляемой в кровле и почве пластов шахт Карагандинского бассейна. Караганда, 1977. - 18с.

29. Механика горных пород и устойчивость выработок шахт Кузбасса (Под редакцией проф. В.Г. Кожевина). Кемерово, 1973. - 348с.

30. Игнатьев А.Д., Беляев В.С., Карленков А.А. и др. Струговая выемка угля / М.: Недра, 1978. 237 с.

31. Игнатьев А.Д., Карленков А.А., Лотарь В.Н. и др. Основы выбора параметров струговых установок для угольной промышленности / М.: Наука, 1980. 166 с.

32. Разумов М.В., Волкова Л.П., Костин В.Н. Концепция алгоритма автоматизированного проектирования струговых установок / Сб. трудов симпозиума «Неделя горняка». № 21. М.: 2007. с.358-360.

33. Мышковский М., Пашедаг У. Разработка длинными очистными забоями угольных пластов средней мощности. Сравнение эффективности

струговой и комбайновой выемки в сопоставимых условиях эксплуатации / «Глюкауф», № 4. 2010 с.17-27.

34. Мышковский М., Пашедаг У. Струговая установка или очистной комбайн / «Глюкауф», № 3. 2009 с. 12-15.

35. Баукман Ш., Соболев В.В. Струговая установка или очистной комбайн / «Уголь», № 8, 2009. - с.20-22.

36. Луганцев Б.Б., Аверкин А.Н. Повышение адаптивности струговых механизированных комплексов к изменяющимся условиям ведения очистных работ как важнейший фактор обеспечения их высокопроизводительной работы / «Уголь», № 3, 2009. - с.28-30.

37. Лаврик Г.В., Дюпин А.Ю., Ногих С.Р., Дурнин М.К. Результаты шахтного эксперимента по применению технологии струговой выемки в глубоких шахтах Кузбасса / «Уголь», № 5. 2006. - с. 26-28.

38. Ярембаш И.Ф., Мороз В.Д., Шаповал С.Н. Практикум по курсу «Процессы подземных горных работ / Донецк, ДонНТУ, 2008.

39. Автоматизированные струговые установки. Принцип работы и условия применения, DBT, http: //bergmaster.narod.ru/DBT/DBT .pdf

40. Луганцев Б.Б., Ошеров Б.А., Файнбурд Л.И. и др. Расчет и конструирование струговых установок. М., Горная книга.2011.-291 с.

41. Ремезов А.В., Бубнов К.А., Храмцов В.И. Анализ работы струговых установок на шахтах Кузбасса / Сб.научных статей Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. Уголь и Майнинг». 2010.- с. 181.

42. КалининС.И., КолмогоровВ.М.. Геомеханическое обеспечение эффективной выемки мощных пологих пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами. Кемерово, Кузбассвузиздат, 2002. - 113с.

43. Каталог горно-геологических факторов, влияющих на устойчивость подготовительных выработок шахт Кузбасса. Кемерово, 1983. - 70с.

44. Ордин А.А., Никольский А.М. Оптимизация ширины захвата и производительности очистного комбайна при подземной отработке угольных пластов // ФТПРПИ. -№1, 2018.

45. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. Л.,ВНИМИ.- 1991. - 102с.

46. Приказ Минприроды РФ № 325 от 08.10.2009 «Об утверждении инструкции по применению схем проветривания выемочных участков угольных шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок».

47. Ордин А.А., Клишин В.И. О рентабельной производительности комплексно-механизированного очистного забоя.// ФТПРПИ, № 6, Новосибирск, 1996.

48. Ордин А.А., Клишин В.И., Лисковец С.А. Влияние скоростей очистных и подготовительных работ на оптимальные размеры панели шахты.// ФТПРПИ, № 1, Новосибирск, 1998.

49. Косьминов Е.А., Ремезов А.В., Ордин А.А., Клишин В.И. Автоматизированный поиск рентабельной производительности комплексно-механизированного очистного забоя / «Уголь», 1997 № 10.

50. Малеев Г.В., Гуляев В.Г., Бойко Н.Г. и др. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов / М., Недра, 1988. 368 с.

51. Мышляев Б.К. Результаты работы очистных забоев на шахтах РФ и ФРГ.// Уголь, № 10. 1994 г.

52. Ялевский В.Д., Смирнов Д.В., Сараев В.Г. и др. Современные технологические решения при освоении новых угледобывающих районов / Экологические проблемы угледобывающей отрасли в регионе при переходе к устойчивому развитию. Кемерово, 1999.

53. Хорин М.Конструирование механизированных крепей / М., Недра. 1989.

54. Burger K.E., Ericsion E. The optimization of coal mine production schedules using linear programming: an example that determines the effects of reclamation costs and interest rates // Mining Sci., and Technol. -1984. -№1.

55. Lizotte Y., Elbrond J. Choice of mine-mill capacities and production schedules using open-ended dynamic programming // CIM Bull., 1982. vol.75.-March.

56. Corbyn J.A. Optimum life of a resourse depleting project // Mining Engineering. -1985. -№ 3.

57. Sturgul J.R. Optimum life of mine: declining production case // Int. J. Mining Engineering. -1985. -№3.

58. Li Z. A theoretical approach to determination of mine life and design capacity //Int. J. Surf. Mining. -1989. - vol.3.

59. Fuentes S.S. Going to an underground mining method. Proceedings of Mass Min.Conf. Santiago,Chile,2004.

60. Димитракопулос Р.Стохастическая оптимизация стратегического проектирования шахт: десятилетие разработок и исследований // ФТПРПИ, -2011. -№ 2.

61. Ордин А. А. Аналитическое решение задачи оптимизации длины комплексно-механизированного очистного забоя // Вопросы совершенствования горных работ на шахтах и карьерах Сибири. -Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990.

62. Ордин А.А., Зырянов С.А., Никольский А.М. и др. Основные закономерности расчета производительности комплексно-механизированных очистных забоев по технологическим факторам в программном комплексе «Проза-3.0» // Сб. науч. статей Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов». Новокузнецк. - 2012. с.14-20.

63. Кодола В.В., Ордин А.А. Оптимизация технологических параметров при проектировании участка подземных горных работ на действующем разрезе «Сибиргинский» / Уголь. -2000. - № 8. с.33-35.

64. Ордин А.А., Клишин В.И. О рентабельной производительности комплексно-механизированного очистного забоя / ФТПРПИ. -1996. -№6.

65. Ордин А. А., Клишин В. И. Оптимизация технологических параметров горнодобывающих предприятий на основе лаговых моделей. Новосибирск, Наука. 2009. - 166 с.

66. Местер Д.И. Совершенствование методов расчета нагрузок очистных забоев при организационных ресурсах на основе эвристической самоорганизации поиска оптимальных решений. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Караганда.-1982.

67. Ройзман И., Шахназаров А., Гришина И. Оценка эффективности инвестиционных проектов: учет региональных рисков.// Инвестиции в России, № 10. 1998. с.13-20.

68. Типовые схемы вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов для шахт Российской Федерации. Подред. М.И. Щадова. Федеральной агентство по энергетике. М. 2001. - 222 с.

69. Трубецкой К.Н., А.Д.Рубан, Забурдяев В.С. Методология обоснования способов и параметров дегазации угольных шахт // ФТПРПИ. -2011.-№ 1.

70. Гращенков Н.Ф., Петросян А.Э., Фролов М.А. и др. Рудничная вентиляция: справочник. Под ред. К.З. Ушакова //М.: Недра,1988. - 440 с.

71. Тимошенко А.М., Баранова М.Н., Никифоров Д.В. и др. Некоторые аспекты применения нормативных документов при проектировании высокопроизводительных выемочных участков угольных шахт. - Кемерово: Вестник НЦ ВостНИИ. - 2010. - №1.

72. Бокий А.Б. Влияние уровня угледобычи на дебит парниковых газов в очистную выработку. -Днепропетровск: сб. научных трудов «Геотехническая механика». - 2010.- вып. 88.

73. Ордин А.А., Тимошенко А.М. О влиянии фракционного состава угля на метановыделение в очистном забое // ФТПРПИ. - 2016. - № 3. - с. 104-110.

74. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. М.: Минэнерго, 2011.

75. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт // Макеевка-Донбасс. 1989.

76. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт // Киев. 1994.

77. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт // М., 2010.

78. Ермолаев А.М., Егоров П.В., Ермолаев А.А. Определение предельной нагрузки на очистной забой по газовому фактору в сверхкатегорных шахтах / Уголь, № 11, 2006.

79. Каркашадзе Г.Г., Алексеев А.Д., Стариков Г.П. и др. Совершенствование методики расчета нагрузки на очистной забой с учетом давления метана в угольном пласте / Горный журнал, № 4, 2009.

80. Ордин А.А., Тимошенко А.М. Нелинейные зависимости метановыделения от природной метаноносности угольного пласта и кинематических параметров резцов очистного комбайна //ФТПРПИ, № 2. 2017.-с. 110-116.

81. Рубан А.Д., Забурдяев В.С., Харченко А.В. Дегазация угольных пластов длинными направленной трассы скважинами / ФТПРПИ, № 3. Новосибирск. - 2012. с.44-49.

82. Ордин А.А., Леконцев Ю.М., Сажин П.В. и др. Способ дегазации угольного пласта / Патент РФ № 2472939. - 2013.

83. Лившиц В.Н. Оптимизация при перспективном планировании и проектировании. М., Экономика, 1984. -223 с.

84. Сластунов С.И., Каркашадзе Г.Г., Коликов К.С., Ермак Г.П. Методика расчета допустимой нагрузки на очистной угольный забой по газовому фактору // ФТПРПИ. -2013. - № 6. - с.53-59.

85. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок //Утверждена приказом № 680 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 01.12.2011.

86. Венгеров И.Р. Теплофизика шахт и рудников. Математические модели.т.1. Анализ парадигмы / Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина. Донецк, Норд-Пресс, 2008. - 631 с.

87. Семыкин Ю.А.Повышение безопасности добычи угля на основе интенсификации газовыделения из пластовых скважин и совершенствования метода прогноза газообильности очистного забоя / Диссертация на соиск. уч. степ.канд. техн. наук. М., НИТУ МИСиС, 2016.

88. Сторонский Н.М., Хрюкин В.Т., Митронов Д.В., Швачко Е.В.Нетрадиционные ресурсы метана угленосных толщ // Российский химический журнал, т. Ш, № 6. 2008. - с. 63-72.

89. Правила безопасности в угольных шахтах. Постановление федерального горного и промышленного надзора РФ № 50 от 05.06.2003. М., 2003.

90. Ордин А.А., Метельков А.А. Оптимизация длины лавы и производительности комплексно-механизированного очистного забоя угольной шахты // ФТПРПИ, - 2013. - № 2. -с.100-113.

91. Ордин А.А. Никольский А.М., Метельков А.А. Моделирование и оптимизация технологических параметров очистных и подготовительных работ в панели угольной шахты// ФТПРПИ, - 2013. - № 6. -с.117-127.

92. Ордин А.А. Никольский А.М., Метельков А.А. Оптимизация технологии подземной разработки пологих угольных пластов. Основные зависимости и закономерности механизированной добычи угля в длинных очистных забоях // Palmarium Academic Publishing. Saarbrucken, Deutschland, 2013. -109 с.

93. Леонтьев А.В. Основы теории фильтрации. М., МГУ, 2009.

94. Ордин А.А., Тимошенко А.М.О снижении метановыделения из разрабатываемого угольного пласта при высоких скоростях подвигания очистного забоя // ФТПРПИ, № 4, 2015.

95. Забурдяев Г.С., Новикова И.А., Подображин А.С. Метано-и пылевыделение в процессе работы шнековых исполнительных органов / ГИАБ, -2008, № 53.

96. Джанколи Д. Физика.т.1. М., Мир, 1989. - 653с.

97. Ордин А.А., Тимошенко А.М., Коленчук С.А. Обоснование предельной по газовому фактору длины и производительности очистного забоя шахты с учетом неравномерности движения воздушного потока // ФТПРПИ, 2014. №6.

98. Технический проект разработки Соколовского каменноугольного месторождения. Отработка запасов пластов 50 и 52 в границах шахтоуправления «Котинская» ОАО «СУЭК_Кузбасс» с объединением сети горных выработок шахт им. В.Д.Ялевского и «Котинская». I этап. Дополнение № 3. Том 1. Книга 1 / ООО НПЦ ВОСТНИИ. 2017.

99. Дж. Дэвис. Статистический анализ данных в геологии.В 2 -х т. М., Недра. 1990.319 с

100. Капутин Ю.Е. Информационные технологии планирования горных работ. С.-П., 2004, 424 с

101. Инструкция по применению схем проветривания выемочных участков шахт с изолированным отводом метана из выработанного пространства с помощью газоотсасывающих установок //Утверждена

приказом .№ 680 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 01.12.2011.

102. Способ дегазации угольного пласта. Патент РФ № 2472939. БИ РФ № 2. -2013. Авторы: Ордин А.А., Леконцев Ю.М., Сажин П.В., Никольский А.М., Опрук Г.Ю., Кнышенко А.Н., Метельков А.А.

Приложение. Акты внедрения методического обеспечения программы «ПРОЗА» и протоколы технического совещания