Содержание к диссертации
Введение
1. Технология и организация производства на шахтах воркуты 9
1.1 Условия разработки Воркутского месторождения и формирования газового режима шахт 9
1.2. Организация добычных работ на выемочных участках шахт 14
1.3. Новые направления организации производства на шахтах ОАО «Воркутау гол ь» 26
1.4. Анализ зарубежного и отечественного опыта разработки пологих угольных пластов 35
1.5. Газовый режим выработок добычных участков 47
2. Оценка эффективности инновационных технологий организации производства на добычных участках шахт воркуты 68
2.1. Рациональная технология разработки пласта Пятый и организация работ 68
2.2. Рациональная технология разработки и организация работ на добычных участках пласта Четвертый 88
2.3. Рациональные технологии и организация производства при разработке мощных пластов
2.4. Экономическая оценка инновационных технологий 101
Выводы 114
3. Влияние скорости подвигания лав на геомеханические и аэродинамические процессы в горном массиве 115
3.1. Геолого-геомеханическое обобщение характеристик массива горных пород (МГП), вмещающего пласт nl 1 ("Четвертый") 115
3.2. Влияние скорости подвигания очистного забоя на характеристики массива 121
3.3. Методика оценки горногеомеханических факторов, влияющих па аэрологические параметры ВП 123
3.4. Горногеомеханические модели и расчетные схемы (ГГМ-РС) и сел едуем ых объектов 132
3.5. Обобщение результатов оценки НДС МГП в зонах выработанных пространств лав по пласту nil 137
3.6. Зависимость геомехано-газодинамических процессов в выработанном пространстве пласта nil от скорости подвигания очистного забоя 141
Выводы 149
4. Управление газовым режимом добычных участков шахт и организация производства по рациональному использованию газа 151
4.1. Управление газовым режимом добычных участков при высоких скоростях подвигания очистных забоев 151
4.2. Предварительная дегазация угленосной толщи с поверхности... 152
4.3. Организация попутной добычи газа и оценка эффективности сто использования 155
Выводы 164
Заключение 165
Литература 169
- Организация добычных работ на выемочных участках шахт
- Рациональная технология разработки и организация работ на добычных участках пласта Четвертый
- Влияние скорости подвигания очистного забоя на характеристики массива
- Предварительная дегазация угленосной толщи с поверхности...
Введение к работе
Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности, которая существенно отражается на всех, и особенно северных регионах России, привела к закрытию убыточных предприятий и целесообразности приобретения оставшихся частными владельцами, пытающимися повысить их рентабельность, как путем изменения цен и экономии средств, так и на основе повышения эффективности производства
Внедрение передовых технологий добычи, организации основного производства и вспомогательных систем жизнеобеспечения встречает определенные технические и социальные трудности, связанные со спецификой эксплуатируемых месторождений, а также желанием владельцев в короткие сроки получить максимум прибыли
Наиболее сложным является процесс перестройки организации производства при добыче угля подземным способом, хроническое отставание которого от открытого наблюдается длительный период
Ставшее типичным объяснение данной ситуации сложными горногеологическими и климатическими условиями добычи угля в России, отчасти справедливое при сравнении с США, не может быть признано объективным при сравнении показателей при добыче угля в Германии (Рурский бассейн и его аналог — Донецкий в России), а также в Польше (Силезский бассейн с горногеологическими условиями сходными с Печорским бассейном) На угольных шахтах Германии и Польши средний уровень суточной добычи из очистного забоя в 5-Ю раз выше, а аварийность и травматизм в 5-10 раз ниже, чем на российских, при тех же способах добычи угля, проходки выработок и доставки полезного ископаемого
В настоящее время на шахтах Воркуты осуществляется этап инвестиционного развития, связанного с вложением средств в новые технологии компанией «Северсталь», с целью повышения качества добываемой продукции и снижения затрат на ее производство Разработан уникальный проект реорганизации шахтного фонда и обогатительных фабрик, технического перевооружения и организации производства, рационального использования ресурсов и повышения технической и экологической безопасности
Подобные технологические изменения ставят целый ряд проблем в сфере организации производства, связанных с изменением геомеханических, газодинамических и гидродинамических процессов в горном массиве при увеличении скорости подвигания забоев, что повлечет за собой изменение горно-физической обстановки в выработках добычных участков Проблема газового режима выработок, ранее достаточно хорошо изученная, вновь становится актуальной и определяющей безопасность, а, следовательно, эффективность новой схемы ведения работ
Цель работы. Обеспечение эффективной и безопасной добычи угля при существенном увеличении производительности очистных забоев
Идея работы. Рациональное использование природного газа (метана), при одновременном обеспечении безопасности работ с учетом интенсивного подви-гания очистных забоев и изменения геомеханической и газодинамической ситуации в окружающим угольный пласт массиве
Основные задачи исследований:
исследование технологических процессов в лавах при повышенной газоносности массива и резком увеличении нагрузок на забой,
изучение геомеханических процессов в выработанном пространстве выемочных участков,
выбор рациональных способов управления газовым режимом выработок и организации работ на выемочных участках,
выбор рациональной схемы организации работ при дегазации массива и использовании каптированного газа,
оценка экономической эффективности рациональных схем организации производства и роли газовой составляющей при повышении нагрузок на очистные забои
Защищаемые научные положения.
Внедрение инновационных технологий добычи угля на шахтах ОАО «Воркутауголь» сопряжено с существенным, в 3-10 раз, увеличением скорости подвигания очистных забоев, изменением напряженно-деформированного состояния массива и газодинамических процессов в зоне влияния горных работ, существенным изменением газовыделения в выработки добычных участков и необходимостью совершенствования организации добычи угля с предварительной интенсивной дегазацией массива
На основе решения численным методом задачи о напряженно деформируемом состоянии горного массива в окрестностях очистной выработки установлено, что в пределах 500-600 м от лавы в выработанном пространстве утечки воздуха не будут существенно зависеть от скорости подвигания забоя, в то время как интенсивность поступления газа из окружающего выработанное пространство массива при увеличении скорости подвигания существенно снижается, равно как и общее его количество, поступающее в близлежащую к очистному забою зону, определяющую газовый режим выработок добычных участков
Рациональной организацией добычи угля на шахтах ОАО «Воркутауголь» при внедрении инновационных технологий является дегазация разгруженного массива горных пород в пределах выемочного участка с использованием каптированного газа для энерго- и теплоснабжения самого предприятия и бытовых нужд, обеспечивающая повышение безопасности и эффективности ведения горных работ, при одновременном комплексном использовании минерально-сырьевых и энергетических ресурсов месторождения
Научная новизна работы состоит в установлении закономерности изменения напряженно-деформированного состояния и газодинамических процессов в горном массиве в зависимости от скорости подвигания очистного забоя и характеристик вмещающих угольный пласт пород
Методы исследований В работе использован комплексный метод исследований, включающий систематизацию и критический анализ литературных данных, аналитические методы решения задач, экспериментально-статистический метод с применением математической статистики, математическое и физическое моделирование процессов, натурные наблюдения и эксперименты
Достоверность результатов исследований подтверждается корректностью постановки задач исследования, значительным объемом результатов анализа физических данных (многолетние наблюдения на четырех шахтах в нескольких десятках лав), корректным применением апробированных математических методов, моделированием на физических и математических имитационных моделях и удовлетворительной сходимостью результатов контрольных прогнозов с натурными данными
Практическая значимость работы.
установлен механизм формирования геомеханического процесса состояния горного массива на выемочных участках шахт,
оценено влияние скорости подвигания очистных забоев на газодинамику вмещающего угольный пласт массива и газовыделения из него в выработанное пространство,
определены рациональные технологические схемы интенсификации добычи угля на шахтах ОАО «Воркутауголь»,
предложены системы извлечения и рационального использования метана при совершенствовании организации производства на угольных шахтах
Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на научных семинарах ННЦ ГП ИГД им А А Скочинского (2007 г), Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) им Г В Плеханова (2006-2007 гг), а также на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера проблемы и решения» 11-13 апреля 2007 г, Воркутинского горного института филиала СПбГГИ (ТУ), г Воркута (2007)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 - в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит yjL иллюстраций, 3-р- таблиц, — приложений и список литературы из 72источников
Организация добычных работ на выемочных участках шахт
Характерными тенденциями при разработке Воркутского месторождения шахтами ОАО «Воркутауголь» являются: возрастание удельного веса вскрывающих и подготовительных выработок, связанное со значительным сокращением объемов проведения нарезных выработок в результате распространения бесцеликовой отработки выемочных полей; снижение доли горизонтальных, при увеличении слабонаклонных, выработок для развития прогрессивных способов подготовки и применения столбовых систем разработки лавами по падению и восстанию; существенный рост доли выработок, проводимых смешанным забоем; увеличение объемов проходки по породе; рост доли выработок с коэффициентом крепости пород свыше 6. Основные пласты всех разрабатываемых месторождений бассейна имеют сравнительно благоприятное залегание и достаточно выдержанную мощность, что явилось основанием для фактически полной комплексной механизации проходки (табл.5) и очистной выемки.
Уровень комбайновой проходки на каждой из шахт па 2002 г. составлял 97 % (при 90,9 % по отрасли). Причем, с 2000 г. в качестве средств крепления горных выработок на шахтах "Северная" (по пласту Четвертому) и "Заполярная" (по пласту Тройному) стали применять анкерную крепь. В 2002 году на шахтах ОАО "Воркутауголь" ("Северная", "Заполярная", "Комсомольская") сталеполимерная анкерная крепь внедрена в 19-ти выработках общей протяженностью 10295 м [7].
Забои подготовительных выработок оснащены комбайнами ГПК, ГПКС, 4ПП-2М, П-110. При проведении полевых выработок использовались буро-погрузочные машины 2ПНБ-2Б, в том числе в сочетании с бурильными установками БУЭ-1м и БУЭ-ЗТ. Износ проходческих комбайнов в 60-65 % случаев достигал 95-100 %, что сказывалось на их аварийности.
Комбайны работают в комплексе с удлинёнными ленточными перегружателями, передающими горную массу на телескопические ленточные конвейеры типа ЛТ-80. Доставка материалов и оборудования в забой осуществлялась с помощью напочвенных дорог типа ДНГ или ДКИЛ.
В табл. 6 и 7 показано состояние условий разработки пластов Мощного, Тройного, Четвёртого и Пятого. Длина лав по пластам колеблется в диапазоне 160-165, 140-280, 150-210 и 180-185 м, соответственно. Длина выемочных столбов достигает, соответственно, 2600, 1800, 1800 и 2700 м. Лавы оборудованы механизированными комплексами оградительно-поддерживающего (2ОКП-70, 2УКП), поддерживающего (КД-80, КМ-88) и поддержи вающее-оградительного (КМ-138) типов. Износ механизированных комплексов достигает в большинстве случаев более 50 %.
Износ ленточного полотна общешахтных конвейеров на отдельных шахтах ("Воркутипская", "Комсомольская") в период 1998-2002 гг. достигал 50-75 %, что нередко являлось причиной простоев выемочных участков из-за порывов и ремонта ленточного полотна.
Подрывка пород почвы со стороны выработанного пространства за очистными забоями в конвейерных штреках осуществлялась с помощью породопогрузочных машин "Унизенк".
На всех шахтах применялись системы разработки длинными столбами с повторным использованием конвейерных выработок, с прямоточной схемой проветривания и нодсвежением исходящей струи. Выемочные столбы нарезали по простиранию, падению и диагонально. Горные работы вели па глубинах 600-1000 м.
Для предотвращения внезапных выбросов пласт Тройной подрабатывали пластом Четвёртым (шахты "Северная", "Воркутинекая", "Комсомольская", "Заполярная"), являющимся защитным. На шахте "Северная" пласт Пятый на Северном блоке 3-го горизонта является защитным по отношению к пласту Мощному и отрабатывается в первую очередь.
Все угольные пласты и их спутники являются высокогазоносными [8], отработка выемочных столбов сопровождается применением текущей дегазации пластов Тройного, піі, ІТІ2, залегающих выше пласта Четвёртого, а также пластов-спутников П,, щ и пласта Пятого, залегающих ниже пласта Четвёртого. Ожидаемая газообильность подрабатываемых пластов-спутников (относительно пласта Четвёртого) составляет 41-42 м3/т, надрабатываемых пластов-спутников, соответственно, 13,6-18,0 м /т, разрабатываемого пласта Четвёртого - 5,0-5,5 м3/т.
Анализ шахтного фонда ОАО "Воркутауголь" в период 1993-1994 гг. показал, что технические возможности шахт ограничиваются влиянием различных горно-геологических и горнотехнических факторов и возникла необходимость в разработке технических мероприятий.
В ходе реструктуризации в 1995 г. первой была ликвидирована шахта "Хальмер-Ю". С 1.06.96 г. прекращена добыча на шахте "Промышленная", с мая 1997 г. - прекращена добыча на шахте "Юнь-Яга", а с августа - на шахте "Южная". В 1998 г. прекратила работу по добыче угля шахта "Центральная". Шахта "Юр-Шор", после доработки оставшихся запасов по пласту Мощному, с 01.01.99 г. также закончила угледобычу. Таким образом, к 1999 г. из 12 действующих шахт осталось шесть.
Одним из факторов, определяющим уровень добычи угля из очистных забоев, является длина среднедействующей очистной линии. Выбытие в переходный период реструктуризации, начиная с 1995 года, неперспективных шахт привело к сокращению на 70% среднедействующей очистной линии, причем уменьшение в 2,2 раза средне-действующего количества очистных забоев (с 34,2 до 15,5) послужило на действующих перспективных шахтах началом процесса концентрации горных работ.
Выбытие неперспективных шахт привело к существенному снижению показателей горноподготовительных работ. Так, общая длина проводимых горных выработок, в том числе вскрывающих и подготавливающих, уменьшилась, соответственно, в 1,49 и 1,44 раза, а общая длина поддерживаемых и перекрепленных, соответственно, в 1,22 и 5,2 раза. При этом удельная протяженность проводимых выработок на 1000 т годовой добычи изменилась незначительно (так же, как и поддерживаемых) в то время, как удельная протяженность перекрепляемых выработок уменьшилась в 3,3 раза.
Для улучшения показателей работы очистных забоев в начальный период реструктуризации (1995 г.) было принято решение об увеличении их длины на перспективных шахтах. Этот процесс завершился в 2000 году и составил 18 % при увеличении длины забоя до 196 м. Увеличение длины забоев на шахтах сопровождалось повышением нагрузки на забой и производительности труда, чему дополнительно способствовало переоснащение очистных забоев механизированными комплексами нового технического уровня, типа КМ-138 (вместо КМТ), УКП-5Д (вместо УКП), а также применение стругового комплекса типа Глайтхобель (ш. Северная). Величина нагрузки на забой и производительность труда в ОАО "Воркутауголь" в период с 1994 по 2002 год возросли соответственно в 1,34 и 1,1 раза, достигнув максимальных величин 1471 т/сут и 70,4 т/мес в 2001 году (рис. 1).
В этот период стабильный уровень нагрузки на забой, превышающий 1000 т/сут, наблюдался в лавах, оборудованных механизированными комплексами КМ-88; превышающий 1350-1400 т/сут, соответственно, в лавах с комплексами 2КМ-138, КМК-700/800; более 1750-1880 т/сут - в лавах с комплексами 2ОКП-70 (рис. 2, 3).
Рациональная технология разработки и организация работ на добычных участках пласта Четвертый
На основании рекомендаций ВНИМИ и по результатам исследований, проведенных ПечорНИИпроектом, для типа кровли, характерной для пласта Четвертый, необходимо применять механизированные крепи с сопротивлением не менее 900 кН/м2. Из выпускаемых в настоящее время крепей, обеспечивающих безопасное и эффективное поддержание и управление тяжелой кровлей, рациональным является комплекс JOY с несущей способностью 900-920 кН/м2. Для определения типоразмера механизированной крепи и её характеристик целесообразно использовать расчетные программы R45 «Расчет шагов обрушения непосредственной и основной кровли пласта по методике ВостНИИ» (табл. 16) и R46 «Расчет параметров крепи очистного забоя» (табл. 17). Исходными данными для первого расчета являются основные горногеологические и горнотехнические условия пласта в конкретном выемочном поле, а также некоторые технические характеристики предварительно выбранного очистного оборудования.
На основании выполненных расчетов для крепления призабойного пространства принимается механизированная крепь RS. В состав комплекса входят: комбайн очистной узкозахватный JOY (4LS20) с кабелеукладчиком и с бесцепной системой подачи, конвейер скребковый лавный AFC. Для перегрузки горной массы с лавного конвейера на участковый ленточный конвейер может быть использован подлавный скребковый конвейер Грог 850. Для обеспечения работы гидравлического оборудования комплекса необходимо применение насосной станции, а также наличие оборудования системы орошения и электрооборудования.
Крепь RS поддержи вающе-оградительная, соединенная с забойным конвейером с помощью одного гидродомкрата для передвижки секций конвейера. Секции крепи двухстоечиые. Крепь RS позволяет повысить скорость крепления лавы за счет оснащения её современной аппаратурой управления Marco.
Шахтный скребковый конвейер AFC предназначен для доставки угля и горной массы в составе механизированных комплексов JOY в очистных забоях шахт, опасных но газу и пыли.
Комбайн очистной узкозахватный 4LS20 с бесцепной системой подачи, предназначен для механизации одного из наиболее трудоемких процессов -разрушения массива, полезного ископаемого и погрузки его на лавный конвейер. Передвижение комбайна осуществляется по скребковому конвейеру с реечным ставом.
Автоматизированный комплекс JOY предназначен для механизированной выемки угля с частичной автоматизацией процессов добычи и крепления кровли на пологих и наклонных пластах мощностью 1,3 - 3,3 м, с углами падения пласта при подвиганий забоя по простиранию до 35, по падению и восстанию до 12. Сопротивляемость пласта резанию 360 кН/м. Кровля пласта любая по тяжести проявления горного давления, допускающая обнажение в зоне выемки не более 8м .
Система дистанционного электрогидравлического управления Marco, применённая в крепи, позволяет в режиме дистанционного управления производить последовательную выдвижку конвейера "волной" со скоростью включения последующего домкрата на раздвижку не менее, чем через 2 секунды.
Рештачный став конвейера удерживается от сползания вдоль лавы за счет шарнирно-упругой связи, которая удерживает рештак в заданном положении по углу относительно тяги и обеспечивает постоянное усилие возврата в исходное положение при изменении этого угла.
Для прижатия конвейера к почве (для предотвращения всплытия) используется гидропатрон, который, опираясь в тягу секций крепи и борт конвейера, создает усилие поджатия лемеха конвейера к почве.
Крепь механизированная RS предназначена для механизации с частичной автоматизацией процессов крепления и управления кровлей пласта, а также передвижки конвейера на новую дорогу.
Организация работ в лаве должна предусматривать наиболее полное использование рабочего времени, исключение простоев из-за неполадок в механизмах комплекса. Целесообразным режимом работы в лаве является трехсменная работа по добыче и одна ремонтная смена. Для обслуживания комплекса создается комплексная бригада (табл.19).
Необходимое количество обслуживающего персонала может колебаться в зависимости от многих факторов: горно-геологических и горнотехнических условий, организации работ и т.д., но не менее заданной расстановки на комплексе JOY.
Мощным пластом 3,5 м, разрабатываемым шахтами Воркуты являются Мощный, подрабатываемые защитными пластами Пятый. На шахте «Комсомольская» все эти пласты объединены (лава 622-е), в которой южнее границы расслоения пласта Мощного (3,8 м) на пласты Тройной и Четвертый (210м от границы отработки лавы) лава переходит постепенно на пласт Тройной, с оставлением пласта Четвертого в почве.
Базовым вариантом механизации очистных работ является применяемый механизированный комплекс УКП5Д с комбайном 1КШЭ и лавным конвейером Анжера - 30 УКП (табл.20).
Влияние скорости подвигания очистного забоя на характеристики массива
Для пласта пп ( Шцл 1,53 м) в настоящее время характерные длины очистных забоев составляют 250 м, а суточные нагрузки на лаву (А, т/сут) оцениваются - [19,60] - величинами 2 10 т/сут. В перспективе, с применением более эффективного очистного оборудования, параметр А может возрасти до величины 5 103 т/сут и более. В этой связи в дальнейших исследованиях аэрологии выработанных пространств к оценке принят весь диапазон возможного изменения параметра А: 2 103 А 10 103(т/сут). Для оценки исследуемых вариантов скоростей подвигания очистного забоя на состояние ВП предварительно получены данные об удельных (на 1 п.м. подвигания лавы) объемах и массе отбиваемого угля, а именно: V « 382,5 (м7м) иР 497(т/м). С учетом приведенных величин оценены скорости подвигания очистного забоя определяемые как: V, = Aj/P и составившие: для А=2 103 (т/сут) -Уі«4м/сут; для А2 « 54О3 т/сут - V2« 10 м/сут и для А3 « 10 103 т/сут -V3« 20 м/сут. Выше было отмечено, что суммарная протяженность участков "a+b+с" в рассматриваемых условиях около: L « 600 м. Имея данные о параметре V; можно оценить время развития ВП на указанных участках, вплоть до зоны III (рис. 20). Для установленного диапазона скоростей (V(«4 м/сут и Уз « 20 м/сут) получено: t « 5 месяцев и t2 « 1 месяц. Следовательно, при суточных нагрузках на очистной забой порядка 2#10 т/сут формирование механических характеристик в ВП может обусловливать их значимое отличие от таковых в случаях развития данной области ВП (т.е. ее части - ВП) при нагрузках на лаву 10 103 т/сут.
Ранее приведены данные о величинах модулей спада материала ВП (Мин), отвечающих времени развития зоны ВП около 5 месяцев. Для других условий величина параметра Мцц (для зон a, b и с) должна быть констатирована в пределах участков и, суммарно, в пределах зоны ВП: для а - М п «0,9І03 МПа; для b -Мцт 2,7"103МПа; для с - Мшм «5,5 103МПа; в зоне ВП,: МЧ1Ш„ «3-Ю3 МПа. Для выработанного пространства зоны III (рис.20) этот же параметр составит: Мілі2«7,4-103МПа ("ВП2" - обозначение зоны III (рис.20). Учитывая запредельный характер деформирования пород в ВП - во всех приведенных случаях параметр ц достаточно отвечает величине ц ц « 0,4.
Учитывая достаточную пропорциональность запредельных механических характеристик в ВП фактору времени, можно определить соответствующие параметры ВП для условия t« 1 мес. В частности, в пределах части ВП, а именно ВП, для модуля запредельного деформирования пород получим Мсгнш 0,6 10 МПа при ищи « 0,4. Данные приведенные характеристики отвечают суточной нагрузке на очистной забой: 10і03т/сут. Для зоны НІ в ВП (рис. 20) рассматриваемые свойства пород отвечают таковым при величине параметра t« 5 месяцев.
Принятая величина одного из основных параметров L (протяженность зоны ВП) достаточно сопоставима с данными натуры. В частности, в работе [19,60] отмечается, что зона L "может превышать 500 м" (L 500м).
Параметры ВП, определяющие его аэродинамические параметры при применении прямоточных схем проветривания должны характеризовать утечки воздуха через выработанные пространства, и поступление газа из выше- и нижележащих толщ горного массива, определяемых их напряженно-деформируемым состоянием (НДС). Применительно к решаемой задаче такие условия будут иметь место в пределах Г и П" зон ВП или, как ранее было принято, в зоне ВП (рис. 20). Очевидно, что оценка НДС МГП в этой зоне не может быть выполнена на базе чисто аналитического подхода в связи с возникновением целого ряда практически неразрешимых математических трудностей (невозможность получения решения замкнутого вида). Наиболее целесообразно использовать известные и широко апробированные для нужд практики, так называемые, экспериментально-аналитические методы. Например, метод конечных элементов, метод граничных элементов и др. Не останавливаясь на рассмотрении упомянутых подходов, следует отметить, что для исходных геолого-горнотехнических характеристик исследуемых объектов, наиболее целесообразен один из вариантов метода граничных элементов и, в частности, так называемый метод разрывных смещений [28,36].
В методе разрывных смещений (МРС) на каждом из элементов контура определяются разрывы смещений Д7 и Д/, которые реально существуют и дают возможность построить решение со специальными пластовыми элементами. В результате такого решения значительно сокращается размерность решаемой матрицы (особенно в трёхмерной постановке) при решении задач большого масштаба, например, в пределах выемочного участка шахты или даже всего месторождения.
Задача о постоянном разрыве смещений на конечном отрезке плоскости А , К бесконечной квазиупругой сплошной среды задаётся условием, характеризующим непрерывность смещений всюду кроме рассматриваемого отрезка. Отрезок можно выбрать так, чтобы он составлял некоторый участок осиХ, скажем, участок /х/ а, у = 0. Если этот отрезок считать прямолинейной трещиной, то на нём можно выделить две его поверхности (рис. 21), полагая, что одна поверхность находится на положительной стороне оси у = 0, (обозначим её через у = () .), а другая - на отрицательной стороне (у = 0.).
Данный метод основан на аналитическом решении задачи о бесконечной плоскости, перемещения (смещения) в которой имеют постоянный по величине разрыв в пределах конечного отрезка. Некоторой физической аналогией разрыва смещений является линейная трещина, противоположные поверхности которой смещены друг относительно друга на постоянную величину вдоль всей трещины. При этом непрерывно распределённые вдоль трещины разрывы смещений заменяются дискретной аппроксимацией, полагая, что в пределах каждого элемента смещения постоянны. Зная аналитическое решение для одного постоянного разрыва смещений, суммируя далее влияние всех "JV" элементов, на которые "разбита" трещина, или контур (рис. 22), находится численное решение задачи. Решение указанных уравнений относительно D/ и Д/ позволяет выразить напряжения и перемещения (параметры НДС исследуемой области) в произвольной точке тела через линейные комбинации разрывов смещений во всех "j" элементах (d.inj =l,.,N).
Предварительная дегазация угленосной толщи с поверхности...
Значительный объем научных исследований, проведенных учеными МГГУ в последние годы, а также программа «Угольный метан» и большой интерес к замене традиционно добываемого скважинным способом природного газа на попутный газ угольных месторождений, требуют рассмотрения этого способа и для условий шахт ОАО «Воркутауголь». Технологические схемы заблаговременного, предварительного и текущего извлечения метана из разрабатываемых пластов и выработанного пространства, т.е. шахтной дегазации, известны и применяются на шахтах России, хотя реализация этих схем не обеспечивает требуемого уровня эффективности. Воркутское месторождение является одним из наиболее перспективных для первоочередной добычи газа по следующим причинам: плотность ресурсов газа Воркутского месторождения одна из самых высоких; здесь наиболее вероятны скопления суфлярного газа; данный район имеет развитую инфраструктуру. Таким образом, суммарные ресурсы метана Воркутского месторождения составляют 13,5 млрд.м . По выполненной оценке, извлекаемые ресурсы составляют 1,75 млрд.м", то есть 13%. В качестве опытных участков для отработки технологии попутного извлечения метана с помощью бурения горизонтальных и горизонтально разветвленных скважин были выбраны три участка, расположенные в центральной осевой зоне мульды Воркутского месторождения, это: восточная часть центрального участка поля шахты «Комсомольская»; юго-западная часть поля шахты «Северная»; северо-западная часть поля шахты «Воркутинская». В качестве первоочередного участка предлагается восточная часть центрального участка поля шахты «Комсомольская». Здесь вблизи вентиляционного ствола шахты «Комсомольская» рекомендуется пробурить первые горизонтальные и горизонтально-разветвленные скважины в южном и юго-восточном направлении, с пересечением дизъюнктивного нарушения «Ж-Л» — «Ж» северовосточного простирания и выявленной тектонически напряженной зоны (ТНЗ). Основным объектом бурения скважин являются рабочие пласты П 1443+12 и Пи рудницкой подсвиты Воркутского месторождения, залегающие на глубинах 960-990 метров.
В качестве опытных участков для отработки технологии попутного извлечения метана с помощью бурения горизонтальных и горизонтально разветвленных скважин были выбраны три участка, расположенные в центральной осевой зоне мульды Воркутского месторождения, это: восточная часть центрального участка поля шахты «Комсомольская»; юго-западная часть поля шахты «Северная»; северо-западная часть поля шахты «Воркутинская».
Капитальные затраты на реализацию проекта определены по следующим основным направлениям: бурение скважин; обустройство промысловых объектов; строительство объектов транспорта газа.
Технико-экономическая оценка эффективности добычи метана из угольных пластов горизонтальными скважинами на опытно-промышленном участке Воркутского месторождения, предусматривала пять вариантов: два варианта, предусматривающих добычу 2515 млн.мЗ газа за 20 лет разработки, и три варианта, рассчитанные на добычу 1200 млн.мЗ. Варианты 1 и 3 предполагают строительство вертикальных газовых скважин, варианты 2, 4 и 5 — горизонтальных скважин. Общий фонд добывающих скважин составит: 360 — по варианту I; 36 — по варианту 2; 165 — по варианту 3; 33 — по варианту 4; 11 — по варианту 5.
Результаты оценки коммерческой эффективности всех рассматриваемых вариантов показали, что варианты, предусматривающие бурение вертикальных скважин, не эффективны. С учетом значительной экономии затрат, связанных с дегазацией углей, проект характеризуется высоким уровнем экономической эффективности по вариантам, предполагающим применение горизонтальных скважин. По варианту, предусматривающему бурение 36 горизонтальных скважин, обеспечивающих добычу 2515 млн. мЗ за 20 лет разработки, чистый дисконтированный доход составит 1170,2 млн. руб., ВИД — 69,2%, дисконтированный срок окупаемости — 2,9 года, индекс доходности инвестиций — 2,60 руб./руб. Однако этот вариант характеризуется большим объемом капитальных вложений — 1036,8 млн. руб.
По варианту, предусматривающему бурение 11 горизонтальных скважин, обеспечивающих добычу 1200 млн. мЗ (пятому) за 20 лет разработки, чистый дисконтированный доход составит 325,4 млн. руб., ВИД — 20,9%, дисконтированный срок окупаемости — 9,3 года,.индекс доходности инвестиций — 1,53 руб./руб.
Работа современной шахты в условиях Воркуты не возможна без дегазации. На шахтах ОАО «Воркутауголь» доля дегазации в общих затратах на производство угля колеблется в пределах 2-4%, па вентиляцию приходится до 10% [32,69].
На воркутинских шахтах преимущество получила дегазация подрабатываемых угленосных толщ, хотя в последние годы интенсифицируется процесс дегазации и надрабатываемых спутников.
Дегазационные скважины на верхние спутники располагаются с фланговых вентиляционных выработок в сторону выработанного пространства и обеспечивают высокую эффективность дегазации на период отработки, как при панельном, так и при погоризонтном способе подготовки пластов, отрабатываемых столбами длиной по 1000-1300 м по простиранию или падению. По мере увеличения длины выемочных столбов до 1800 - 2000 м и роста нагрузки на очистной забой эффективность фланговых скважин снижается и не может обеспечить снижения газовыделения на участке до требуемого уровня.
Наличие поддерживаемой вентиляционной выработки с исходящей струей воздуха по всей длине выемочного столба позволяет расположить восстающие и нисходящие скважины вдоль плоскости разгрузки пород в зоне смещения обрушенных пород, а также разработать способы герметизации скважин (табл. 34).
Применение схем дегазации подрабатываемых спутников позволили довести эффективность дегазации до 70-90 %, надрабатываемых — 25-30%, а объем каптированного метана от 30 до 50 м /мин с каждого выемочного столба.
В целом по выемочному участку эффективность дегазации колеблется в пределах 50 - 75%, а по отдельным шахтам от 38 до 50%. Эффективность работы скважин зависит от их угла наклона, длины и герметизации устья. В целом для дегазационных скважин характерно следующее.
Скважины, охраняемые целиками угля, имеют среднюю концентрацию при подключении их в работу — 80-95% и дебит — 9,0 - 9,5 м3/мин по чистому метану. Зона эффективной работы скважины составляет 900 м, при этом дебит метана после отхода лавы на 900 м снижается в среднем до 4,6 м3/мин при концентрации 60%.
Скважины, пробуренные из поддерживаемой позади лавы вентиляционной выработки вдоль плоскости разгрузки породной толщи, имеют дебит 7,7 м3/мин со средней концентрацией 77%, а зона эффективной работы составляет 200 м.
Похожие диссертации на Геомеханическое обоснование и организация работы высокопроизводительного добычного участка с учетом газового фактора
