Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка современного состояния, тенденций и направлений развития научно-технического прогресса в технологии подземной добычи угля 11
1.1. Оценка современных тенденций и направлений развития технологий отработки высокогазоносных угольных пластов на шахтах России и за рубежом 11
1.2. Анализ уровня научно-технических разработок по обоснованию направлений интенсификации горных работ на угольных шахтах при отработке высокогазоносных угольных пластов
1.3. Особенности функционирования угледобывающих предприятий России в аспекте обеспечения эффективности и безопасности горного производства 37
1.4. Анализ концепций и методов управления в аспекте взаимовлияния эффективности и безопасности производства 58
1.5. Оценка организационно-технологического уровня высокогазоносных шахт Воркутского месторождения 64
1.6. Формулировка цели, постановка задач и выбор методов исследования 76
Выводы 78
2. Обоснование направлений комплексного развития угольных шахт воркутского место рождения 82
2.1. Обоснование концепции разработки прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке запасов Воркутского месторождения при проектировании реконструкции угольных шахт 82
2.2. Разработка основных технологических решений в области вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов при проектировании строительства шахты «Воркута» 109
2.3. Разработка технологической схемы проведения наклонного ствола при групповой реконструкции шахт 138
Выводы 146
3. Обоснование прогрессивных технологи ческих решений по интенсивной отработке запасов выемочных участков 150
3.1. Обоснование параметров технологии многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов выемочных участ ков 150
3.2. Разработка методических принципов обоснования параметров угольных целиков при многоштрековой подготовке и интенсивной отработке запасов выемочных участков v 155
3.3. Обоснование параметров воспроизводства очистного фронта при использовании высокотехнологичных средств крепления подготовительных горных выработок 166
3.4. Методические рекомендации по обоснованию параметров анкерных крепей подготовительных горных выработок при интенсификации очистных работ 185
Выводы 194
4. Научное обоснование выбора принципиальных технологических решений по обеспече нию метанобезопасности на шахтных полях воркутского месторождения 197
4.1. Обоснование необходимости применения пластовой дегазации угольных пластов 197
4.2. Оценка потенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов для обоснования эффективных параметров технологии снижения газовыделения при заблаговременной (предварительной) гидрообработке угольных пластов 206
4.3. Разработка системного подхода к реализации стратегии интенсивной отработки запасов шахтных полей и основных технологических решений по управлению газовыделением для условий первоочередных объектов освоения Воркутского месторождения... 219
4.4. Предварительные экспериментальные работы по апробации заблаговременной дегазационной подготовки угольных пластов Воркутского месторождения 231
Выводы 239
5. Исследование результативности функционирования системы управления охраной труда и промышленной безопасностью угольной компании 241
5.1. Структурно-функциональный анализ системы управления охраной труда и промышленной безопасностью 241
5.2. Исследование результативности системы управления охраной труда и промышленной безопасностью
5.3. Разработка алгоритма оценки результативности СУ ОТ и ПБ 269
Выводы 272
6. Разработка методических рекомендаций по увеличению полноты выполнения функции в системе управления охраной труда и промышленной безопасностью угольной компании 273
6.1. Разработка и обоснование методических рекомендаций
по повышению полноты выполнения функций СУОТ и ПБ 273
6.2. Методы освоения рекомендаций в системе управления охраной труда и промышленной безопасностью ОАО «Воркута-уголь» 286
6.3. Результаты реализации методических разработок по повышению полноты выполнения функций СУОТ и ПБ 294
Выводы 304
7. Технико-экономическая эффективность технологических решений по интенсивной отработке высокогазоносных угольных пластов воркутского месторождения
7.1. Оценка технико-экономической эффективности заблаго временной дегазационной подготовки 305
7.2. Технико-экономическая эффективность строительства шахты «Воркута» на основе интенсивной отработки высокогазо-носных угольных пластов Воркутского месторождения 7.3. Технико-экономическая эффективность внедрения мето дических рекомендаций 328
Выводы 334
Заключение 336
Список литературы 338
- Анализ уровня научно-технических разработок по обоснованию направлений интенсификации горных работ на угольных шахтах при отработке высокогазоносных угольных пластов
- Разработка основных технологических решений в области вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов при проектировании строительства шахты «Воркута»
- Обоснование параметров воспроизводства очистного фронта при использовании высокотехнологичных средств крепления подготовительных горных выработок
- Оценка потенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов для обоснования эффективных параметров технологии снижения газовыделения при заблаговременной (предварительной) гидрообработке угольных пластов
Введение к работе
Актуальность работы. В процессе реструктуризации угольной отрасли России получен целый ряд положительных результатов ее функционирования.
Однако игнорирование роли горной науки в процессе реструктуризации и отсутствие финансовой государственной поддержки привело к применению временных технологических схем шахт; износу оборудования на 70-80%; ограничению потенциальных возможностей высокопроизводительного очистного оборудования неблагоприятными для его эксплуатации формой и размерами выемочных участков в пределах одной действующей шахты; применению устаревших пространственно-планировочных решений при техническом перевооружении действующих шахт; бессистемному выделению или объединению шахт в организационно-административные и экономические структуры без учета специфики горно-геологических и горнотехнических условий освоения несколькими горными предприятиями крупных угольных месторождений. Результаты реструктуризации угольной отрасли недостаточны для достижения хозяйствующими субъектами основной цели, характерной для новых экономических отношений – обеспечения устойчивого роста уровня рентабельности производства конкурентоспособной угольной продукции.
Как показывает мировой опыт, рентабельность производства, достаточная для устойчивого функционирования и развития предприятий в конкурентной среде, а также оплата труда, привлекательная для высококвалифицированного операционного персонала и менеджмента, обеспечиваются лишь на предприятиях высокого технико-экономического уровня, ориентированных на интенсивное освоение своего георесурсного потенциала.
В этом контексте одним из ключевых вопросов проектирования единой высокопроизводительной шахты «Воркута» является управление производственными рисками по фактору обеспечения безопасности угледобычи. Четыре шахты, объединяемые в одну, разрабатывают пласты угля, опасные по взрывам пыли и метана. Кроме того, пласты «Мощный» и «Тройной» являются опасными по внезапным выбросам угля и газа, а пласт «Пятый» отнесен к опасным на полях шахт «Воркутинская» и «Комсомольская».
Основным фактором сдерживания интенсивности подземной угледобычи является высокая метанообильность шахт основных бассейнов России – Печорского и Кузнецкого. Для рентабельной угледобычи эффективность дегазации должна быть не менее 50-60%, в то же время выполнение этого условия требует реализации целого ряда нетрадиционных технологических решений.
На основании вышеизложенного, можно констатировать, что исследования, направленные на научное обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной и безопасной отработке высокогазоносных угольных месторождений на шахтах нового технико-экономического уровня, объективно позиционируются как весьма актуальные.
Целью диссертации является комплексное обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке запасов высокогазонос-ных угольных месторождений с учетом закономерностей функционирования производства в конкурентной рыночной среде и специфики проявлений геомеханических и газодинамических процессов, направленных на структурные преобразования производственного фонда угольной компании и системно-ориентированное повышение эффективности и безопасности горных работ.
Основная идея диссертации заключается в реализации системного подхода к обоснованию параметров технологических систем шахт и структурных преобразований производственного фонда угольной компании, функционально ориентированных на создание угледобывающих комплексов нового технико-экономического уровня с учетом специфики горно-геологических условий и возможности управления геомеханическими и газодинамическими процессами при интенсивной отработке запасов высокогазоносных угольных пластов.
Методы исследований. В диссертации использованы: комплексный метод исследований, включающий технико-экономический анализ, научное обобщение состояния и прогнозирование развития научно-технического прогресса подземной технологии добычи угля; системный и структурно-функциональный анализы технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов при проектировании строительства новых и реконструкции действующих угольных шахт; методы математической статистики и экспертных оценок.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Приоритетным направлением преобразования производственного фонда угольной компании, обеспечивающим высокую производительность и безопасность подземной угледобычи при групповой реконструкции шахт, должно являться их объектно-ориентированное интегрирование в единый угледобывающий комплекс со строительством общешахтной конвейерной подземной магистрали и выдачей горной массы для переработки непосредственно на технологические линии обогатительной фабрики.
2. Обоснование параметров технологии многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов высокогазоносных угольных пластов следует осуществлять с учетом механизма рационального взаимодействия предохранительных угольных целиков с боковыми породами в режимах, обеспечивающих эксплуатационное состояние участковых выработок без опасных концентраций напряжений, разрушения краевых частей целиков и пучения почвы. При этом размеры целиков необходимо обосновывать исходя из специфики механизма их работы в режимах упругого или неупругого деформирования.
3. Канатные анкеры, устанавливаемые в основной кровле угольных пластов, ограничивают развитие изгибающих моментов сверх допустимых значений, вызывающих разрушающие деформации в породном массиве при охране выработок, что предопределяет необходимость обеспечения рационального сочетания штанговых и канатных анкерных крепей, силовые и деформационные характеристики которых должны определяться условиями взаимодействия с породным массивом.
4. Научно обоснованные методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем управления газовыделением при заблаговременной дегазационной подготовке запасов угля должны учитывать физико-химические и физико-механические свойства угольного пласта, оценку потенциальной метаноизвлекаемости и степень заблаговременной дегазации высокогазоносных угольных пластов.
5. Обоснование методологического подхода к оценке метаноизвлекаемости из неразгруженных от горного давления угольных пластов через скважины заблаговременной дегазации базируется на учете структуры высокогазоносного угольного пласта, специфики газокинетических, сорбционных, физико-химических процессов массопереноса метана и фактической скорости газоотдачи углей в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.
6. Технологическая схема предварительной дегазации шахтных полей через скважины с поверхности без удаления рабочей жидкости гидровоздействия и метана в условиях недостатка времени для эффективного извлечения последнего из неразгруженных угольных пластов является приоритетной альтернативой их заблаговременной дегазации.
7. Обеспечение требуемого уровня безопасности производства при реализации новых технологических решений по отработке высокогазоносных угольных пластов достигается необходимой полнотой выполнения функций, непосредственно связанных с этими решениями, в рамках работы системы управления охраной труда и промышленной безопасностью (СУОТ и ПБ), оцениваемой по предложенному критерию.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
значительным объемом аналитических, экспериментально-аналитических и шахтных исследований основных подсистем подземной угледобычи при строительстве новых и реконструкции угледобывающих предприятий Воркутинского промышленного района;
удовлетворительной сходимостью результатов исследований с фактическими данными о функционировании основных подсистем подземной угледобычи при строительстве новых и реконструкции действующих угледобывающих предприятий (расхождение не превышает 10-15%);
положительными результатами внедрения разработанных технологических, технических и организационных решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных пластов при строительстве и реконструкции горных предприятий нового технико-экономического уровня;
положительными результатами натурных испытаний технологии предварительной дегазационной подготовки запасов поля шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь».
Научная новизна работы:
1. Предложен системный подход к разработке прогрессивных технологических и пространственно-планировочных решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов при реконструкции действующих горных предприятий и создании на их основе угледобывающих комплексов, базирующийся на учете горно-геологических, геомеханических, газодинамических и горнотехнических условий освоения угольных месторождений.
2. Обоснованы направления повышения интенсивности, эффективности и безопасности добычи угля на шахтах, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, на основе системно-ориентированного технологического перевооружения очистных, подготовительных и транспортных работ.
3. Разработаны методические принципы обоснования параметров технологии многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов угольных пластов, базирующиеся на учете специфики механизма взаимодействия предохранительных угольных целиков у подготовительных выработок с боковыми породами в различных режимах.
4. Разработана методическая база обоснования параметров технологии анкерного крепления подготовительных горных выработок на значительных глубинах их проведения и поддержания при отработке высокогазоносных угольных пластов.
5. Научно обоснована методология оценки метаноизвлекаемости из неразгруженных угольных пластов через скважины заблаговременной дегазации.
6. Разработаны методические принципы обоснования рациональных технологических схем управления газовыделением при заблаговременной дегазационной подготовке запасов шахтных полей для условий Воркутского месторождения.
7. Научно обоснованы параметры технологической схемы предварительной дегазации шахтного поля через скважины с поверхности без их освоения посредством подготовки запасов выемочных участков парными штреками и использованием пластовой дегазации в зонах гидрорасчленения угольных пластов.
8. Предложен и обоснован критерий результативности функционирования системы управления охраной труда и промышленной безопасностью – полнота выполнения функций этой системы.
Научное значение диссертации заключается в разработке методической базы для реализации системного подхода, объективно-ориентированного на обоснование прогрессивных технологических и технических решений при проектировании строительства и реконструкции горных предприятий с учетом специфики проявлений геомеханических и газодинамических процессов в условиях интенсивной отработки высокогазоносных месторождений и закономерностей развития научно-технического прогресса в угледобывающей отрасли.
Практическое значение диссертации заключается в разработке рекомендаций по реализации прогрессивных пространственно-планировочных и технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов, а также соответствующему повышению результативности функционирования СУОТ и ПБ угольной компании.
Реализация результатов работы.
Разработана, утверждена и реализована концепция развития угледобывающих предприятий Воркутинского промышленного района.
Разработаны схемы многоштрековой подготовки выемочных участков параллельными выработками, методики проектирования предохранительных угольных целиков и паспортов анкерного крепления выработок, в том числе при многоштрековой подготовке.
Разработанные технико-технологические решения реализованы в технико-экономическом обосновании строительства шахты «Воркута».
Разработанные технологические решения по предварительной дегазации пласта «Четвертого» на участке лавы 514-с включены в «Отраслевое руководство по заблаговременной дегазационной подготовке высокогазоносных угольных пластов к эффективной и безопасной разработке» и в «Концепцию обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг.», согласованные с Ростехнадзором.
Результаты исследований автора используются в учебном процессе филиала С-ПбГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт» и МГГУ при подготовке специалистов по направлению 130400 - «Горное дело».
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на научно-технических семинарах по проекту № ESIB9303 Tacis (Новокузнецк, Саарбрюккен, Антверпен, Лондон, 1996), научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» (Москва, 2000-2008), научно-технических советах государственной угольной компании «Росуголь» (Москва, 1994-1996), научно-технических советах Комитета по угольной промышленности Минэнерго России (Москва, 1996-2001), научно-практических конференциях «Экспо-Уголь» (Кемерово, семинар «Шахтный метан – извлечение, использование, метанобезопасность» 2005, 2006), межрегиональной научно-практической конференции (Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2005-2007), научных семинарах кафедр «Подземная разработка пластовых месторождений» и «Инженерная защита окружающей среды» Московского государственного горного университета (Москва, 2000-2008).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 28 научных трудах, включая 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 монографиях и 1 патенте РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, содержит 101 рисунок, 62 таблицы, список литературы из 157 наименований.
Автор выражает благодарность чл.-корр. РАН, профессору, доктору технических наук Л.А. Пучкову и доктору технических наук В.В. Мельнику за ценные методические рекомендации, кандидатам технических наук М.И. Смирнову и А.С. Соловьеву за практические советы при подготовке диссертации, а также коллективам кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ и ОАО «Воркутауголь» за оказанную помощь при проведении экспериментальных исследований.
Анализ уровня научно-технических разработок по обоснованию направлений интенсификации горных работ на угольных шахтах при отработке высокогазоносных угольных пластов
Завершен первый этап структурных преобразований угольной промышленности России. Изменилась экономическая основа функционирования отрасли: из дотируемой она перешла на обеспечение своих финансовых ресурсов только за счет реализации продукции и возвратных заемных средств. Получаемые из федерального бюджета средства господдержки направляются в основном на цели ликвидации убыточных производств, социальную защиту высвобождаемых работников и с избытком компенсируются налоговыми поступлениями в бюджет от действующих угольных предприятий [1].
Угольная промышленность, как один из важнейших поставщиков первичного сырья и топлива, занимает важное место в экономике стран, располагающих запасами угля. Мировой уровень добычи оценивается в 3,7 млрд. т в год, в том числе каменных углей и антрацитов — 2,7 млрд. т [2].
В мировой практике основными системами разработки являются: камерно-столбовая, длинными забоями (столбовая и сплошная), камерная и различные их варианты. В Германии, Великобритании, Польше, Чехии и КНР применяются в основном системы разработки длинными очистными забоями, а для США, ЮАР, Канады, Австралии и Индии характерны системы разработки как короткими, так и длинными забоями.
В качестве выемочных машин в большинстве угледобывающих стран используются очистные узкозахватные комбайны. На шахтах Германии, на пластах, характеризующихся мягким углем, широкое применение нашли струговые установки. На каменноугольных шахтах США, Канады, ЮАР и Австралии механизированными крепями оснащены все лавы; в Германии и Великобритании почти все, в Польше и Франции - большая часть. Комбайновый способ нарезки выемочных столбов является основным в Великобритании (более 85 %), США (100 %), в Польше (60 %). Вместе с тем, буровзрывной способ занимает значительное место в общем объеме подготовительных работ - от 20 до 60 %.
Анализ показывает, что в мировой практике применяют, в основном, две технологические схемы горных работ, одна из которых основана на длинных до 300-500 м очистных забоях, а вторая, напротив, длиной от 30-40 до 100 м и камерно-столбовой системе ведения горных работ. Длина лав в наиболее представительных акционерных обществах Кузбасса (СУЭК, "Юж-кузбассуголь", шахта "Распадская") в 2007г. составляла 138-199м, в Печорском бассейне (ОАО "Воркутауголь" и шахта "Воргашорская") в 2007г. - 212 м, в Германии - 275 м, в Великобритании - 210-250 м, в Австралии - 200-220 м, в США - 230-ЗЗОм. Длина выемочных столбов на российских шахтах составляет- 1200-1900м, в Германии и Великобритании колеблется в пределах 1100-1300 м, в Австралии - 900-2200 м, в США - 2570-5385 м. Нагрузка на забой в указанных выше акционерных обществах Кузбасса, ОАО "Воркута-уголь" и на шахте "Воргашорская" составляет соответственно 1276—3215 т/сут., 1186 и 2471 т/сут, в Германии - 3000-3300 т/сут., в Великобритании -6000-8000 т/сут., в Австралии - 8-Ю тыс. т/сут., в США - 16-54 тыс. т/сут. Производительность труда на шахтах Кузбасса, "Воркутауголь" и шахты "Воргашорская" - соответственно 23,2-58,4, 24,32 и 39,49 т/вых., в Германии -50-69 т/вых., в Великобритании - 140 т/вых., в Австралии - 145-182 т/вых., в США-190-1131 т/вых.
Россия является одним из мировых лидеров по добыче угля - в 2008г. в отрасли было добыто 328,8 млн. т. угля. После 10-летнего спада (1988-1998гг.), начиная с 1999 г., отмечается устойчивая тенденция роста объемов угледобычи (за исключением 2002г.). Прирост добычи по годам в рассматриваемый период составил: 1999г. - 16,8 млн. т, 2000г. - 8,8 млн. т, 2001г. -11,4 млн. т, 2002 г. - спад на 15,9 млн. т, 2003г. - 23,0 млн. т, 2004г. - 8,0 млн. т, 2005 г. - 15,5 млн. т, 2006 г. - 10,2 млн. т, 2007 г. - 4,1 млн. т, 2008 г. -14,7 млн. т. Таким образом, в 2009 г. объем годовой угледобычи по сравнению с 1998 г. вырос на 96,5 млн. т (рис. 1.1).
За последние 10-15 лет произошли радикальные изменения в государственном устройстве России, в том числе в изменении формы собственности. В настоящее время на долю угольных предприятий, находящихся в частной собственности, приходится около 95,5 % от общей добычи, составившей в 2005г. около 300 млн. т угля. С 1999г. растут объемы добычи угля как для коксования, так и для нужд энергетики. По объемам угледобычи Россия за последние три года переместилась на пятое место в мире после Китая, США, Индии и Австралии.
Общие балансовые запасы угля в России составляют около 200 млрд.т. Разведанный сырьевой потенциал углей России разнообразен по марочному составу, природным особенностям месторождений, весьма значителен по объему и может обеспечить двух-, трехкратное и более повышение уровня угледобычи на длительное время (рис. 1.2). Рис. 1.2. Структура распределения разведанных запасов углей по федеральным округам РФ
Большая часть запасов залегает в сложных горно-геологических условиях в виде свит сближенных пластов различной мощности с изменяющимися углами падения (от пологих до крутых), включая и мульдообразное залегание; с наличием в шахтных полях геологических нарушений; угольные пласты в большинстве случаев газоносные, нередко опасные по газодинамическим явлениям (внезапным выбросам угля и газа и горным ударам). Диапазон глубин залегания пластов - от 150 до 1150м, некоторые пласты характеризуются наличием в покрывающей толще водоносных пород.
Промышленные запасы действующих предприятий составляют 18,9 млрд. т, в том числе коксующихся углей — 3,9 млрд. т.
В угольной промышленности России по состоянию на 1 января 2009г. действовало 244 угледобывающих предприятия, в том числе: 96 шахт и 148 разрезов, производственные мощности которых оцениваются в 342,6 млн.т/год. Около 77 % шахт относится к сверхкатегорным по газу метану, 18 % шахт к опасным по внезапным выбросам угля и газа, 24 % - по горным ударам.
Переработка угля осуществляется на 48 обогатительных фабриках и установках механизированной породовыборки, ежегодный объем переработки составляет 115-120 млн. т. В России уголь потребляется во всех 89 субъектах федерации, из которых добывающими являются 24. Основные потребители - это российские электростанции и коксохимические заводы. Самый мощный поставщик угля - Кузнецкий бассейн. На его долю приходится 56 % общего объема поставок российского угля. Доля Печорского бассейна составляет 4,0 %.
В течение пяти последних лет наблюдается положительный баланс ввода и выбытия производственных мощностей отрасли, улучшилось их использование. Меняется региональная структура добычи угля, растет удельный вес в общей добыче конкурентоспособных кузнецких углей, сокращается доля высокозатратной добычи на Урале, в Печорском бассейне, в Восточном Донбассе, Подмосковье (рис. 1.3).
Продолжается рост уровня концентрации производства и горных работ. Так, нагрузка на очистной забой увеличилась в 3 раза, достигнув в комплексно-механизированных забоях более 2300 т/сут., а на таких шахтах, как "Рас-падская" - до 5000 т/сут.
Подземным способом в 2008 г. в целом по отрасли добыто 104,9 млн.т угля, что составляет 31,9% от общей добычи. При этом пройдено 587 км горных выработок, в том числе вскрывающих и подготавливающих выработок -449,9 км.
Добыча угля для коксования в 2008 г. по сравнению с предыдущим годом из-за падения спроса на эти угли снизилась на 4,3 млн. т, или на 6%, и составила 68,7 млн. т.
Доля углей для коксования в общей добыче составила 21,0%. Основной объем добычи этих углей приходится на предприятия Кузбасса - 78%. За 2008 г. здесь добыто 53,4 млн. т угля для коксования (спад на 7% к уровню 2007 г.). Добыча углей для коксования в 2008 г. составила: в Республике Саха (Якутия) - 8,1 млн. т (рост на 15%), в Печорском бассейне - 6,9 млн. т (спад на 13%), в Донецком бассейне — 331 тыс. т (спад на 36%). По итогам 2008 г. ОАО «Воркутауголь» вышло в десятку наиболее крупных поставщиков угля
Разработка основных технологических решений в области вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов при проектировании строительства шахты «Воркута»
Подготовка остальных запасов 3-го горизонта поля шахты «Северная» также предусмотрена односторонней панелью с отработкой выемочных столбов на магистральные конвейерные и транспортные штреки. К запуску первой лавы 121 пласта «Пятый» должна быть запущена магистральная конвейерная линия от верхней приемной площадки центральных штреков шахты «Северная» до ЦОФ «Печорская». Горная масса от очистных и проходческих забоев пласта «Пятый» по участковым выработкам передается непосредственно на магистральный конвейер. Для транспорта горной массы от очистных забоев пластов «Тройной» и «Четвертый» проводится сборный конвейерный штрек по пласту «Четвертый». На магистральный конвейер горная масса будет перегружаться через усредняющий бункер. Для вывода исходящей струи предусмотрено строительство вентиляционного горизонта с вентиляционным стволом №4 шахты «Комсомольская». Вентиляционный ствол пройден в настоящее время до отметки -744 м и дальнейшая проходка до проектной отметки не предусматривается. Южным и северным полевыми уклонами с шахты «Комсомольская» будет осуществляться сбойка с вентиляционным стволом №4. Длина выемочных столбов составит 2600 -ь 4000 м.
С магистральных выработок будут проходиться капитальные вентиляционный и конвейерный штреки 12 пласта «Четвертый» для сбойки с шахтой «Комсомольская». До проведения этой сбойки подготовка и отработка запасов шахты «Комсомольская» будет осуществляться по существующей схеме. С пуском конвейерной линии отработка запасов будет осуществляться также через общую магистральную конвейерную линию канатными конвейерами на ЦОФ «Печорская».
После отработки продуктивных пластов предусматривается подготовка и отработка оставшихся запасов 1-го и 2-го горизонтов пласта «Пятый» на поле шахты «Северная» и балансовых запасов в надработанных участках шахты «Комсомольская». Отработка предусматривается лавами по простиранию.
В блоке №2 (поле шахты "Воркутинская") предусмотрена подготовка трех однокрылых панелей.
Отработка выемочных столбов 112- 412 проектом предусмотрена по падению. Горная масса от горнопроходческих работ по пласту «Четвертый» по участковым выработкам поступает непосредственно на магистральный конвейерный штрек №2 пласта «Четвертый». Для транспорта горной массы в пределах панели от горных работ пласта «Тройной» предусмотрено проведение конвейерно-транспортного штрека 12 пласта «Тройной» и сооружение усредняющего бункера на магистральном конвейерном штреке №2. Для вывода исходящей струи воздуха с капитальных штреков 12 проводятся два вентиляционных штрека 12 по пласту «Четвертый».
Отработка лав 512-И 112 будет производиться в сложных условиях из-за переменчивой гипсометрии пластов в пределах каждой лавы. Отработка панели будет производиться сверху вниз, а подготовка будет осуществляться полевыми конвейерным и транспортным уклоном для первых двух лав и далее пластовыми выработками и фланговыми вентиляционными сбойками пласта «Четвертый». Длина столбов составит 1500-Н800 м.
В пределах блока №2 будет производиться отработка балансовых запасов пласта «Пятый». На втором горизонте подготовка и отработка будет осуществляться столбами по простиранию на капитальные уклоны пласта «Пятый» с выдачей исходящей струи через фланговые вентиляционные сбойки. Подготовка и отработка поля 12 будет осуществляться лавами по падению, аналогично отработке запасов по пласту «Четвертый» и «Тройной».
Отработка запасов блока №3 (поле шахты «Заполярная» и блок «2-ой Южный» шахты «Комсомольская») будет осуществляться длинными столбами по простиранию.
Запасы 1 и 2-го блоков шахты «Заполярная» будут отработаны по существующей схеме, а отработка блока «Южный» будет осуществляться на новую магистральную конвейерную линию. Длина столбов составит от 1200 до 3000 м.
В пределах блока «Южный» предусмотрена подготовка однокрылой панели с отработкой выемочных полей на групповой конвейерный уклон 23 пласта «Четвертый» и грузовые уклоны 23 пластов «Тройной» и «Четвертый». Для вывода исходящей струи воздуха проходятся фланговый вентиляционный уклон 23 и фланговый дренажный уклон 23. Необходимо также проведение дополнительной выработки по пласту «Четвертый» горизонта -510 м к вентиляционному стволу №1 шахты «Воркутинская». Чтобы обеспечить быстрейшую отработку запасов по продуктивному пласту «Тройной», подготовка и отработка запасов пласта «Четвертый» в этом поле начинается со второй лавы. На участке первой лавы пласт «Тройной» имеет забалансо 99 вые запасы, поэтому лава 623 пласта «Четвертый» будет отрабатываться в этом блоке последней.
Исторически на шахтах Воркутинского промышленного района преимущественно использовалась столбовая система разработки без оставления межстолбовых целиков и повторного использования подготовительных выработок на границе "массив - выработанное пространство". Среди преимуществ данной системы разработки - относительно невысокий удельный объем проведения горных выработок, прямоточная схема проветривания, минимальный уровень эксплуатационных потерь. Однако такая система требует значительных трудовых и материальных затрат на поддержание подготовительных выработок на границе "массив - выработанное пространство", отличается большой материалоемкостью на подготовительных работах н обусловливает высокий уровень потерь производительного времени на концевых участках лавы.
Поэтому нами на основании обобщения опыта работы передовых отечественных и зарубежных шахт принимается система разработки длинными столбами по простиранию и по падению с управлением кровлей полным обрушением (рис.2.8-2.11).
Нами также обоснована возможность и целесообразность применения системы разработки с подготовкой выемочных столбов двумя и более выработками и креплением участковых выработок сталеполимерной анкерной крепью, о чем пойдет речь ниже. Актуальность этого вопроса продиктована необходимостью повышения конкурентоспособности угля шахты на рынке за счет уменьшения его себестоимости. Эта задача в значительной мере может быть решена за счет повышения производительности очистных забоев, сокращения затрат на поддержание и ремонт выработок.
Подготовка выемочных столбов с проведением двух и более выработок предусматривается с оставлением между ними податливых целиков. Ширина межштрековых целиков принята в соответствии с рекомендациями ВНИМИ.
Многоштрековая подготовка не приведет к увеличению себестоимости продукции при увеличении производительности труда на очистных и подготовительных работах, которая достигается за счет: - сокращения уровня потерь производительного времени на концевых участках лавы;
Обоснование параметров воспроизводства очистного фронта при использовании высокотехнологичных средств крепления подготовительных горных выработок
Существует принципиальное различие в характере деформирования узких и широких целиков, которое заключается в том, что в центральной части "широких" целиков формируется упругое ядро, в котором уголь находится в условиях объемного сжатия, а прочность возрастает до величин опорного давления. В "узких" целиках центральная часть по мере увеличения опорного давления разрушается без образования упругого ядра. На рис. 3.5 показано развитие деформирования "узкого" ленточного целика по данным шахтного мониторинга [123].
С позиций законов классической механики, полученные результаты представляются следующим образом. Согласно третьему закону Ньютона для сохранения статус-кво в какой-либо системе, в частности в массиве горных пород, совокупность сил, действующих на какой-либо физический объект, должна быть уравновешенной. Задача любой конструкции (включая элементы системы разработки: целики, потолочины, горные крепи и т. п.) состоит в сохранении и поддержании этого состояния, а для ее выполнения в конструкции должны каким-то образом возникать внутренние силы (напряжения), которые могли бы уравновешивать внешние нагрузки, действующие на нее.
До определенной величины внешних сил уголь в целике сохраняет свои структуру и свойства. Но затем начинается процесс разрушения структурных связей, развитие вначале отдельных изолированных трещин, объединяющихся далее в сдвиги и разломы. Первоначально связные уголь или порода постепенно превращаются в дезинтегрированную массу, приближающуюся по механическим свойствам к бессвязной сыпучей среде. Потеря прочности пород при действии разрушающих напряжений протекает во времени, которое может измеряться от долей секунд и минут (землетрясения, горные удары, внезапные выбросы угля, солей, пород, взрывы, массовое разрушение (коллапс) целиков, разрушение хрупких пород при испытаниях на "мягких" прессах) до периодов длительностью от суток и годов до миллионов лет (смещение контура выработок, сдвижение земной поверхности, постепенное раздавливание целиков, складчатость и изгиб пластов) [124].
Величина вертикальных гравитационных напряжений в нетронутом массиве в данном случае составляла около 11 МПа, что соответствует глубине порядка 450 м. В 40 м впереди забоя лавы напряжения в средней части целика несколько превышали эту величину, что указывает на влияние опережающей зоны опорного давления (см. рис. 3.5).
Вблизи краевых частей происходила концентрация напряжений, соответствующая коэффициенту кн « 1,4. При таких напряжениях в 30 впереди лавы уголь в краевых частях целика частично разрушился, а напряжения в центральной зоне увеличились с 15 до 20 МПа. По мере приближения забоя на расстояние от 30 до 10 м, разрушение распространялось на глубину 1,5 - 2,5 м от краев целика, а напряжения в его средней части увеличивались до 22 - 25 МПа. На уровне забоя лавы краевые части были разрушены на глубину 2 - 3 м, а напряжения снизились до 20 МПа. расстояние от зоны неупругих деформаций до крайнего датчика, эпюра напряжений в целике № 323, + эпюра напряжений в целике № 324. По мере удаления забоя несущая способность целика продолжала снижаться и в 40 м позади лавы только в самом его центре она еще сохранялась на уровне порядка 15 МПа. В этом положении целик практически был полностью разрушен, и упругое ядро не сохранилось.
Результаты, полученные для целиков с размерами, соответствующими отношению W/ Н АУ хорошо согласуются с "кубиковой" прочностью, определяемой при испытании углей и используемой в формулах прочности целиков, размеры которых не выходят за указанные пределы. На рис. 3.6 представлены зависимости величины "кубиковой" прочности угля в массиве от различных размеров кусков угля, полученные на лабораторных образцах.
Можно отметить, что результаты испытаний в массиве обеспечили получение удовлетворительного соответствия лабораторным испытаниям образцов, что дает основание сделать вывод о приемлемости величины объемной прочности при сжатии, полученной на образцах размерами более 0,4 — 0,5 м, как показателя прочностных свойств угля. Лабораторные испытания малых образцов, наиболее доступных для массовых определений, к сожалению, не позволяют получать сколько-нибудь надежные данные, что вынуждает применять приближенные значения, полученные, например, с помощью формул, приведенных нарис. 3.6.
Влияние размеров на величину кубиковой прочности угля в массиве В свете этих результатов величины "кубиковой", длительной и остаточной прочности, часто используемые в расчетах целиков, полученные лабораторными испытаниями небольших образцов угля, представляются неопределенными.
Исследования методом компьютерного моделирования [123] подтверждают, что при W / Н 5 - 6в целике формируется ограниченная область (ядро), внутри которой прочность угля существенно увеличивается. Увеличение прочности материала ограниченного объема угля оказывает гораздо большее влияние на поведение целика, чем колебания прочности угля (в образце) внутри пласта. Это особенно заметным становится при отношении W / Н 6. Способность угольного целика к формированию ограниченного ядра и, следовательно, к увеличению прочности, превышающей объемную прочность в массиве, зависит от прочностных и деформационных свойств по контактам пласта с кровлей и почвой. При наличии слабой почвы распределение разрушений и смещений
І 65 под целиком может значительно видоизменяться, а вблизи целика напряжения могут достигать предельных показателей. На контакте угля со слабой породой в почве присутствуют тангенциальные (касательные) силы, под действием которых в целике возникают растягивающие напряжения и трещины отрыва. Поэтому при слабой почве происходящее в ней перераспределение главных напряжений приводит к соответствующему изменению прочности целика (т.е. напряжений в нем). Величина возникающих при этом деформаций зависит от локальных свойств пород.
Формирование ограниченного ядра в "широких" ленточных целиках (W/ Н 7) при последовательной отработке лавами двух выемочных панелей на глубине 450 м, по данным шахтного мониторинга, показано на рис. 3.7 изолиниями главных вертикальных напряжений [123].
Данные мониторинга распределения главных вертикальных напряжений над ленточным целиком в процессе очистной выемки При отработке панели с одной стороны от целика (лавой 2) упругое ядро, в отличие от предыдущего случая, не было симметричным: зона наибольшей концентрации напряжений до 25 - 30 МПа располагалась со стороны выработанного пространства непосредственно за зоной неупругих деформаций. В процесс выемки угля 3 лавой ядро постепенно становилось симметричным относительно продольной оси целика.
С увеличением размеров упругого ядра прочность целика в его границах возрастает в пределе до величин главных максимальных вертикальных напряжений (рис. 3.8).
Полученные результаты показывают, что при изменении отношения W / Н 6 прочность целиков увеличивается постепенно. У целиков с относитель 166 ными размерами W / Н 6 отмечается более быстрый рост прочности нительно с увеличением W/ Н. Нелинейное возрастание прочности по отношению к W / Н следует рассматривать как признак формирования ограниченного ядра внутри целика. 8 10 12
Из этого следует, что ограниченное ядро и его прочностные характеристики определяются влиянием толщи пород над целиком. В центральной зоне достаточно большого целика массив находится в условиях объемного напряженного состояния и поэтому его прочность, определяемая соотношением главных напряжений а\ о2 Оз может достигать очень больших величин, многократно превышающих прочность образца. В качественном отношении закономерности формирования упругого ядра имеют общий характер, но размеры ядра могут изменяться в соответствии с конкретными горногеологическими условиями и горнотехническими ситуациями и должны устанавливаться мониторингом геомеханических процессов.
Оценка потенциального уровня извлекаемости метана из угольных пластов для обоснования эффективных параметров технологии снижения газовыделения при заблаговременной (предварительной) гидрообработке угольных пластов
В качестве основного средства крепления были приняты канаты длиной 4,9 м с забуриванием шпуров в песчаник на расстояние 1,8 м. На протяжении первых 90 м участка наблюдений канатная крепь полимерным заполнителем была закреплена на 1,7 м по длине шпуров (от забоя скважины), а длина незакрепленной части тросов составляла около 3 м. В этой части штрека канаты устанавливались без предварительного натяжения (пассивная крепь). Это обеспечило им податливость и ослабление воздействия опорного давления, перераспределяющегося у бортового штрека. На втором 90-метровом участке (зона жесткой крепи) была установлена канатная крепь с закреплением 3,7 м по длине шпура и незакрепленной частью 1,2 м. Это создало жесткую поддерживающую систему, сопротивляющуюся смещению, но с достаточно большой незакрепленной смолой частью, допускающей расслоение по контактам между углем, аргиллитом и переслаивающимися слоями алевролита.
Последняя третья зона, также имевшая протяженность 90м, была закреплена предварительно напряженной канатной крепью. Канаты были установлены с использованием полимерного закрепления длиной 1,7м и с предварительным натяжением с помощью домкратов до 35 кН. После затвердения смолы и снятия усилий домкратов в канатах сохранялось натяжение от 7 до 22 кН. Напряжения в канатах должны были обеспечить сопротивление крепи, достаточное для уменьшения смещения кровли, а длина их незакрепленной части I "уходить" от заданных деформаций вплоть до достижения величины несущей способности канатов (258 кН).
Вся система тросов была установлена с упорными пластинами 15х 15 см и стальными полосами. Полосы обеспечивали надежное крепление кровли между канатами без разрушения породы. Канатная анкерная крепь устанавливалась рядами, расположенными поперек продольной оси выработки шириной 6 м с расстоянием между рядами 1,5м. Крайние канаты устанавливались как можно ближе к краевой части пласта под углом 80.
В продолжение отработки второй панели средняя нагрузка на канаты составляла около 24 кН, а максимальная, когда происходило перераспределение нагрузки между соседними канатами при расслоении кровли - 149 кН. Расслоение кровли происходило по контактам аргиллита с углем и алевролитом. Во всех трех зонах наблюдений, преимущественно на пересечениях с просеками, происходило небольшое (до 15 см) пучение почвы. При отработке второй панели кровля оставалась весьма устойчивой и проблем по управлению ею не возникало, кроме случаев образования заколов при возрастании нагрузки на целик. За исключением участка наблюдений, бортовой штрек поддерживался дополнительной крепью в виде двух рядов костров 1,8 х 1,2 м с проходом шириной 1,2 м для людей между рядами. В каждом ряду костры устанавливались с расстоянием между центрами 3,6 м.
После окончания отработки второй панели полная нагрузка на костры составляла в среднем около 270 кН. Когда забой третьей панели находился в 91 м впереди костров, нагрузка на них возросла примерно до 445 кН. Когда забой приблизился на расстояние 8 м, нагрузка возросла до 1112 кН и оставалась на этом уровне в период прохода лавы и до того момента, когда костры оказались в 8 м позади забоя. Увеличение нагрузок сопровождалось также пучением почвы вдоль всей выработки, а его величина служила индикатором нагрузки на участке, поддерживаемом различными видами анкерной крепи.
Когда забой лавы непосредственно вступил в рассматриваемую зону, нагрузки на отдельные канаты изменялись от 0 до 107 кН, а среднее значение увеличивалось до 19 кН. Кровля оставалась ненарушенной, хотя очень небольшое расслоение имело место: максимальное суммарное расслоение кровли 0,3 см было зарегистрировано только в 2,7 м впереди забоя (рис. 3.19).
В продолжение прохода забоя третьей панели кровля в данной зоне оставалась весьма устойчивой. Единственной трудностью было пучение почвы, проявляющееся в форме разлома пород, происходящего у податливого целика. Почва начинала подниматься примерно в 30 м впереди забоя. Скорость пучения достигала 0,4 - 0,5 см/час. Однако пучение никогда не приводило к уменьшению высоты штрека менее чем до 1,8 м или значительно затрудняло бы проветривание. Позади крепи очистного комплекса кровля пласта обрушалась без больших зависаний.
В зоне установки жесткой поддерживающей системы крепления, нагрузка на анкеры изменялась от 3 до 37 кН, а средняя нагрузка по 10 точкам измерений составляла около 20 кН. Когда забой проходил зону наблюдений, нагрузка на отдельные канаты достигала 70 - 116 кН, составляя в среднем 26 кН. Это показывает, что расслоение под действием передового и бокового опорного давления нагружает канатную крепь примерно до 50 % от ее предельной несущей способности.
Небольшое расслоение имело место между первым и вторым глубинными реперами, которые были установлены по обе стороны контакта между углем и аргиллитом. Поведение кровли на станции, расположенной у первого пересечения (рис. 3.20), характеризовалось небольшим расслоением между реперами, установленными в интервале от 135 до 178 см.
Расслоение кровли впереди забоя лавы по реперам, закрепленным на глубинах 74 — 292 см от устья шпура, зоне установки жесткой поддерживающей системы крепления
Откольные явления в краевых частях податливых панельных целиков стали проявляться, когда зона передового опорного давления третьей панели приблизилась на расстояние 91м. Подобно первому участку наблюдений (зоне пассивной крепи), пучение подняло почву на расстояние 1,8м от кровли; оно начиналось примерно в середине штрека и распространялось в направлении податливых целиков, указывая на то, что их жесткая краевая часть до начала разрушения передавала давление на почву. Зона жесткой крепи была отработана без проблем и кровля оставалась ненарушенной в период эксплуатации выработки.
Первоначально предполагалось, что зона предварительно напряженной крепи будет находиться в наиболее трудных условиях, так как в ее границах находилось несколько геологических нарушений, что определяло неустойчивость кровли еще перед выемкой панели. Зона включала породные отдельности и прослойки, разрывы сплошности в непосредственной кровле. Одновременно нарушения сплошности сопровождались изменением состава пород. В кровле пласта имелись трещины сдвига. Поэтому со стороны кровли формировались высокие нагрузки почти непосредственно после прохода забоя второй панели. В одной из таких специфических областей, размерами примерно 3 м по длине и 5,5 м по ширине, канаты были нагружены до 142 кН и в кровле появились заколы и трещины. Расчет высоты зоны расслоения кровли на основе показаний датчиков давления привел к выводу, что нагрузки, измеряемые на канатах крепи, могли быть результатом расслоения кровли на высоту примерно от 3,7 до 4,0 м.
