Содержание к диссертации
Введение
1 Современные тенденции развития подземного способа добычи и их влияние на аэрогазодинамику выемочных участков
1.1. Тенденции развития подземного способа добычи угля в Кузбассе 10
1.2. Опыт работы передовых угледобывающих стран 12
1.3. Влияние газового фактора на технические возможности роста объемов добычи угля в Кузбассе 15
1.4. Анализ методов и критериев оптимизации основных параметров шахт 19
1.5. Анализ методов и моделей обоснования параметров горнотехнологического модуля 27
1.6. Выводы 31
2 Разработка комплексной расчетной схемы оптимизации основных параметров горнотехнологических модулей угольных шахт
2.1. Обшие сведения 33
2.2. Обоснование метода и критерия оценки 34
2.3. Подсистемы в технологической системе «шахта» 38
2.4. Описание комплексной расчетной схемы 40
2.5. Расчетные формулы основных процессов 51
2.6. Выводы 59
3. Опреление оптимизированных параметров горнотехнологических модулей угольных шахт
3.1. Обшие положения 60
3.2. Определение оптимизированной производительности горнотехяологического модуля 61
3.3. Определение оптимизированной длины выемочного столба 64
3.4. Определение оптимизированной длины очистного забоя 69
3.5. Определение целесообразной глубины отработки запасов 73
3.6. Взаимосвязь основных параметром горнотсхнологнческих модулей угольных шахт 76
3.7. Влияние времени непроизводительной работы на эффективность горнотехнологического модуля 77
4 Изучение влияния газового фактора на параметры горнотехнологического модуля
4.1. Выбор и уточнение метода расчета аэрогазолинамических характеристик горнотехнологического модуля 82
4.2. Мстанообильность современных выемочных участков 84
4.3. Экономическая оценка затрат на комбинированную схему проветривания выемочных участков 96
4.4. Выводы 104
5. Экономическя оценка затрат на дегазацию пластов и выработанных пространств
5.1. Состояние дегазационных работ на шахтах Кузбасса 105
5.2. Определение структуры и величины затрат на дегазацию скважинами, пробуренными из горных выработок 107
5.3. Экономическая оценка основных способов нехем дегазации. 109
5.4. Оценка экономической целесообразности повышения добычи угля в условиях применения дегазации угольных пластов и выработанных пространств 115
5.5. Разработка метода определение параметров комплексной схемы управления газовыделением 117
5.6. Выводы 123
Заключение 124
Литература 127
- Влияние газового фактора на технические возможности роста объемов добычи угля в Кузбассе
- Определение оптимизированной производительности горнотехяологического модуля
- Экономическая оценка затрат на комбинированную схему проветривания выемочных участков
- Разработка метода определение параметров комплексной схемы управления газовыделением
Введение к работе
Новые экономические предъявляют к угольной промышленности повышенные требования в отношении конкурентоспособности продукции и эффективности производства. Проіраммами развития отрасли значительная роль отводится Кузбассу как государственной базе добычи коксующихся и высококачественных энергетических углей. Процесс технического развития предусматривает реконструкцию действующего производственного фонда по добыче и переработке углей и строительство новых высокопрошводительных и эффективных предприятий.
Применение современных механизированных комплексов с производительностью 4-10 тыс. тонн угля и более в сутки обеспечивает мощность шахты на базе одного, максимум двух комплексно-механизированных забоев. Концентрация горных работ требует перехода к простым горнотехнологическим структурам - модулям, интегрируемым энергетическими и транспортными артериями в единый угледобывающий комплекс. Под горнотехнологическим модулем (ІТМ) принимается расположенная на одном выемочном поле совокупность горных выработок и технических средств, включающая один очистной забой и обеспечивающая его ритмичную работу с производительностью более 3000 т/сут. Близкие по своей сущности традиционному выемочному участку, эти модуля требуют более тщательного научного обоснования их параметров, прежде всего по причине соизмеримости их мощности с мощностью шахты. Основными параметрами ГТМ являются производительность очистного забоя, длина выемочного столба, длина лавы и глубина разработки, значения которых определяются горно-геологическими, горнотехнологическими и экономическими факторами.
Стабильность работы одного горнотехнологического модуля обеспечивает проектную мощность шахты без резерва очистного фронта. Однако технологически неизбежное прекращение очистных работ, например на время выполнения дегазационных, монтажно-демонтажных операций, "условливает необходимость оценки существенности аіияния этого фактора на экономическую эффективность технологической системы в целом.
Особенностью угольных месторождений Кузбасса является их высокая сносность. В совокупности со значительной угленосностью она предопределяет развитие многоплановых по своему влиянию газогеомеханических процессов в возмущенном горными работами массиве горных пород, в конечном итоге способных резко снизить эффективность работы горно-технологического модуля.
Достигнутая в настоящее время производительность очистных забоев и увеличившиеся геометрические параметры выемочных- столбов обусловливают изменение газокинетических и геомеханических процессов, происходящих в возмущенном горными работами массиве пород, что затрудняет успешное использование накошенного опыта решения аэрогазодинамических задач.
Диссертационная работа выполнена автором в 1997-2001 гг. в соответствии с планами НИР Института угля и углехимии СО РАН на 1997-2001 гг., по договорной работе №105-1995 с Кузбасской финансово-инвестиционной корпорацией «Кузбассинвестуголь».
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Повышение эффективности подземной разработки пологих угольных пластов средней мощности посредством обоснования параметров горнотехнологических модулей угольных шахт Кузнецкого бассейна.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании установленных связей основных показателей эффективности очистных работ и параметров горнотехнологических модулей с учетом изменения мощности вынимаемого пласта, угла падения, глубины разработки и влияния газового фактора.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ: - разработать расчетную схему оптимизации основных параметров горно-технологических модулей (ГТМ); установить зависимость оптимизированных геометрических параметров горнотехнологических модулей (длина выемочного столба, длина очистного забоя) от его планируемой пгюгаводительности для различных значений мощности, угла падении пласта и глубины разработки; выявить влияние времени непроизводительной работы в горнотехнологнческнх модулях на их эффективность; уточнить влияние скорости подвиганий очисіного забоя на его метанообильность при комбинированной схеме управления выделением; оценить влияние параметров горнотсхнологических модулей на характер проявления процесса сдвижения вмещающих пород и газовыделения из выработанного пространства в направлении очистного забоя; разработать метод определения параметров комплексной схемы управления газовыделением, обеспечивающей безопасную и стабильную работу горнотехнологического модуля. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ- В работе использован комплекс методов исследований, включающий: экономико-математическое моделирование технологических процессов в ГТМ для расчета значения критерия оптимальностн; сравнение вариантов для определения оптимизированных параметров ГТМ угольных шахт в различных горно-геологических условиях; динамическое моделирование технологической системы с целью определения влияния времени непроизводительной работы на ее эффективность;
- математическую статистику и нормирование фактических данных метанообильности выемочного участка для установления закономерностей развития газокинетических процессов;
- оптимизацию технологических решений по экономическому критерию (минимуму затрат) при определении параметров схем управления газовыделением на выемочном участке.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые автором: комплексная расчетная схема определяет параметры горнотехнологического модуля с учетом горно-геологических условий. стоимостных характеристик, временных факторов и заданного значения инфраструктуры шахты; - производительность горнотехнологического модуля конкретизирует значение оптимизированных геометрических размеров выемочных столбов с учетом мощности и угла падения вынимаемого пласта, глубины ведения горных работ, сокращение времени непроизводительной работы горнотехнологического модуля (дегазационные, монтаж но- демон тажные, пусконаладочные и др. операции) имеет нижний предел, значение которою ределяется производительностью горнотехнологнческого модуля; рост производительности горнотехнологического модуля и увеличение длины очистного забоя приводят к качественным изменениям в аэрогазовом обмене на границе «забой - выработанное пространство»; геометрические размеры гориотехнологичсского модуля обусловливают периодичность в развит по длине выемочного столба зон сдвижений пород с соответствующим изменением притока метка из выработанного пространства в направлении очистного забоя: комплексная схема управления газовыделением требует больших первоначальных затраг по сравнению с комбинированной, по, интенсивно смещая ограничения производительности очистного забоя по газовому фактору. обеспечивает рентабельность угледобычи, а одна из ее основных составляющих - дегазация массива в определенных горіютехнолопіческих условиях может быть самоокупающейся.
ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: применением апробированных методов экономико-математического моделирования технологических процессов в ГТМ; представительным объемом экспериментальных данных технологических вариантов ГТМ, на основе которых получены оптимизированные значения его параметров; использованием етапістических данных мониторинга шахтной атмосферы выемочных участков с близкими к ГТМ параметрами для установления газокинетических и геомеханических процессов, провоцируемых горными работами в массиве пород; положительным результатом внедрения научно-исследовательских работ на ОАО «Шахта им. С.М. Кирова» и ОАО «Шахта «Комсомолец».
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается:
- в разработке комплексной расчетной схемы определения основных парамегров ГТМ, конкретизирующей их значение с учетом горногеологических условий при заданных показателях инфраструктуры шахты;
в установлении взаимосвязи между производительностью и оптимизированными геометрическими параметрами ГТМ для различных значений мощности вынимаемого пласта, угла падения и глубины разработки и уточнение области использования высокопроизводительных, но дорогостоящих импортных механизированных комплексов;
в установлении нижнего предела сокращения времени непроизводіпельной работы в зависимости от планируемой производительности
- обосновывать рациональные параметры ГТМ на сталим проектііров шахты с учетом мощности и угла падения вынимаемого пласта, глубины ведения горных работ; технических и
- определять эффективную производительность ГТМ с учетом стоимостных характеристик механизированных комплексов;
- устанавливать рациональный диапазон длительности дегазационных, монтажно-де монтажных, пусконаладочных и прочих непроизводительных работ в зависимости от планируемой производите;!ьностн ГТМ;
- оценивать по периодичности изменения относительной мстанообильности выработанного пространства развитие процесса сдвижений подрабатываемого массива горных пород для корректировки параметров аэрогазового режима выемочного участка с учетом геометрических размеров выемочных столбов; устанавливать область рационального применения комплексной схемы управления газовыделением на выемочном участке.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты и выводы работы использованы:
для создания программного обеспечения определения оптимизированных параметров 1ТМ с учетом изменения горно-геологических условий. стоимостных параметров, временных факторов;
для принятия технологических решений при планировании горных работ на ОАО «Шахта им. СМ. Кирова»;
при обоснован технологических решений по нормализации газовой обстановки на перспективных выемочных участках ОАО «Шахта Комсомолец» и ОАО «Шахта им. СМ. Кирова».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы доложены и получили одобрение на II Международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (Кемерово, 1998 г.); III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1999 г.), VI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» ( Новокузнецк, 1999 г.); VII еждународной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в Ш тысячелетии» (Новокузнецк, 2000 г.); на конференции молодых ученых, посвященной «100-лстню со дня рождения
. Лаврентьева» (Кемерово, 2000 г.). ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы изложено в 14 опубликованных научных работах.
в экспериментальном доказательстве того, что соответствуюшая оптимизированным параметрам ГТМ скорость подвиганій очистного забоя сохраняет существенность своего влияния на снижение относительной метанообильности выемочного участка, а повышенная длина лавы при комбинированной схеме проветривания выемочных участков обусловливает приток метана в очистной забой из выработанного пространства;
в установлении связи амплитуды н периодичности изменения динамической составляющей метанообильности выработанного пространства с развитием зон сдвижений подрабатываемого массива горных пород;
в разработке метода определения параметров комплексной схемы управления газовыделением, переход на которую обеспечивает стабильную работу горнотехнологического модуля с планируемыми показателями. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА состоит:
в разработке комплексной расчетной схемы определения основных параметров горнотехнологических модулей в различных горно-геологических условиях и с учетом изменения стоимостных параметров;
в установлении взаимосвязи между производите.!ьностью ГТМ и длинами выемочного столба и очистного забоя с учетом глубины разработки в горно-геологических условиях, благоприятных для использования комплексно-механизированных комплексов:
в установлении рационального значения времени непроизводительной работы для горнотехнологическнх модулей угольных шахт в зависимости от их проігсволительиостн;
в экспериментальном обосновании зависимостей величины и структуры относительной метанообильности выемочного участка от скорости подвигания очистного забоя и длины лавы, соответствующих параметрам ГТМ;
в установлении связи характеристик динамической составляющей метанообильности выработанного пространства с положением ближайшей к движущемуся очистному забою границы зоны полных с движений подрабатываемого массива горных пород;
в разработке метода определения параметров комплексной схемы управления газовыделением, применение которой позволит . обеспечить высокие технико-зкономическне показатели ГТМ.
Влияние газового фактора на технические возможности роста объемов добычи угля в Кузбассе
Из графика видно, что увеличение среднего значения мстановыделения с I до 3 м /мин связано с приростом амплитуды ожидаемых всплесков на 2 м3/мин, что эквивалентно кратковременному включению в аэтюгазодинамический процесс дополнительного весьма производительного источника.
Напряженная газовая обстановка на выемочном участке формируется и в период обрушений пород основной кровли в результате периодического вытеснения в действующие выработки значительных объемов высококонцентрированной метановоздушной смеси. Хотя эти случаи и относят к технологическим, а не аварийным загазованиям. их опасность остается неизменной, т.к. время и место их возникновения не определяются с достаточной для принятия мер надежностью.
Отмеченные особенности объясняют отсутствие качественных изменений D динамике загазований (рис. 1.2) и заставляют ожидать соответствующего возврата показателей аварийности при попытке повышения объемов добычи на действующем шахтном фонде. Ятя снижения газовой аварийности на шахтах Кузбасса применяют два основных способа изолированного отвода метана из зоны ведения горных работ: изолированный отвод газа на действующих выемочных участках через дренажные выработки я скважины с помощью специальных всасывающих вентиляторов (типа ВМЦГ); пластов и выработанных пространств пробуренными из горных выработок и с поверхности скважинами с помощью вакуум-насосов В систем трубопроводов. Й последнее десятилетие первый из указанных способов [17J получил наи-іьшее распространение ввиду меньших затрат на его реализацию. Однако его несомненная эффективность при производительности учг тыс.т/сут становится весьма проблематичной с приближением к потенциально рентабельному уровню добычи в 3 тыс.т/сут и более. С ростом скорости подвиганий забоя и увеличением геометрических размеров выемочного столба аэрогазодинамика выемочного участка существенно меняется. Недостаточность изученности влияния этих факторов на газовую обстановку в призабоином объеме приводит к необходимости резкого увеличения расхода воздуха через выработанное пространство и, как следствие, соответствующему росту затрат на строительство и эксплуатацию газоотводяшей системы. В работе [18] на основании аналитического анализа рекомендаций по данному способу установлена зависимость концентрации метана на выемочном участке от структуры его газового баланса. Дополняя ее статистическими данными шахт Кузбасса. получим пличную картину газовой обстановки на их выемочных участках (рис. 1.4). Номограмма к оценке значений концентрации метана на выходе из выработанного пространства Св.л при различных значениях коэффициентов Кр и эффективности дегазации К-,, а также доли мстановыдсления из разрабатываемого пласта и отбитого угля д в газовом балансе участка Из правой части номограммы следует, что при отсутствии деіазации основная часть забоев имеет в активно вентилируемом выработанном пространстве концентрацию метановозлуишой смеси, близкую и даже превышающую порог ее взры-ваемости. Отличительной от зарубежного опыта особенностью отечественных комбинированных схем управления газовыделением средствами вентиляции [17] натялось до 2000 г. отсутствие ограничений на концентрацию метана в отводимой из выработанного пространства смеси. Если за рубежом ее значение ограничено 3%, то действующие нормативы в России на шахтах Кузбасса не ставя подобных ограничений, фактически поддерживали эту величину7 в зоне энергетически оптимального взрыва (рис. 1.4). Следует отметить, что и нормативы 2001 г. сохраняют этот недостаток в части реализации способа через пробуренные с поверхности скважины. Учитывая, что катастрофы последних лет связаны именно с этим обстоятельством, можно ожидать полного введения соответствующих требований и а России. К тому же представляет интерес оценка экономических следствий этих решений в условиях резкого роста притока метана в высокопроизводительный очистной забой. Необходимость, использования экономических показателей при анализе технических решений обусловлена не столько требованиями логической завершенности исследования, но и в основном и тем обстоятельством, что согласно действующим нормативным документам эффективность комбинированной схемы технического предела не имеет. При любых значениях источников мегано-обильности достаточно однозначно определяются все параметры, необходимые для безопасной по газовому фактору работы участка. При этом растет количество подаваемого воздуха, увеличиваются сечения выработок, диаметры скважин, мощность вентиляторов, но всегда можно найти такое их сочетание, при котором требования безопасности выполняются. В этих условиях единственным критерием эффективности проектных решений остается их экономическая целесообразность. Главным вопросом в теории проектирования шахт является определение их основных параметров, а именно: оптимальной мощности, срока службы, размеров шахтного поля, количества одновременно отрабатываемых пластов. Для их определения необходимо выбрать метод и критерий оценки, с которых из множества вариантов будет выбран оптимальный.
Большое внимание к технико-экономическому анализу в горном деле и расчетному методу определения элементов вскрытия и систем разработки уделялось с первых лет XX века. В эти годы публикуются работы Б.И. Бокия (1902,1903.1904 гг.), A.M. Терпигорьсва (1904, 1905гг.). В.А. Ауэрбаха (1903г.) и других, в которых используется математический анализ при решении основных задач горного дела. Основоположником нового направления горной науки считается проф. Б.И. Бокий. Многочисленные работы по применению расчетных методов в горном деле Б.И. Бокий обобщает в капитальном труде "Аналитический курс горного искусст-ва"( 1929 г.) [19]. В нем впервые в отечественной горнотехнической литературе автор приводит выражение для расчета оптималыгых размеров шахтного поля по простиранию, полученное аналитическим методом в результате исследования функции на минимум.
Сущность предложенного метода состоит в следующем: в зависимости от схемы разработки и геометрии выработок в выемочном поле с запасами полезного ископаемого 7. и производительностью пласта Р составляется математическое выражение суммы расходов, зависящих от длины выемочного ноля по простиранию. Полученная целевая функция исследуется на минимум. В расчетах Б.И.Бокием учитывались стоимости проведения выработок, их поддержания и ремонта. В качестве критерия оптимальноаи приняты такие экономические понятия, как прибыль, доход, избыточная прибыль, капитализированная прибыль. Амортизация капитальных затрат рассчшывастся по формуле сложных процентов. Кроме того, он показывает, что принятие любых горнотехническігх мер ДОІІЖНО быть обосновано и рассмотрены все возможные варианты.
Определение оптимизированной производительности горнотехяологического модуля
Однако стремление к увеличению нагрузки на очистной забой более 10-12 тыс.т/сут ведет к уменьшению степени снижения доли условно-постоянных затрат в структуре себестоимости н как следствие, к стабилизации себестоимости. Это является результатом того, что с ростом производительности очистного забоя увеличиваются затраты на оборудование, металлоемкость и энерговооруженность добычи [81.82], появляются дополнительные мероприятия по обеспечению стабильной работы, например, дегазация и прочие, которые ведут к росту затрат и снижению ожидаемого эффекта.
Рост нагрузки на очистной забой в исследуемом диапазоне 3000-10000 т/сут повышает чистый дисконтированный доход, получаемый системой за счет снижения удельных затрат и увеличения объемов добычи. Однако достижение нагрузок на очистной забой более 500О т/сут требует применения импортных комплексов (например, «Джой») - произвол тельных и надежных, но и очень дорогих (в 5-7 раз дороже отечественных). Использование в технологических системах дорогостоящих комплексов меняет, дтя данной нагрузки на очистной забой, полученное соотношение (рис.3.3) в сторону увеличения доли условно-постоянных расходов в структуре себестоимости. Серия прове-енных экспериментов на модели позволила оценить существенность ВЛИЯНИЯ стоимости оборудования на эффективность горнотехнолотческого модуля.
По возможностям техники выделены три диапазона: І - один очистной забой с предельной нагрузкой отечественного комплекса до 4000-4300 т/сут; И -два забоя, оснащенных отечественной техникой, или один забой, оснащенный импортным, дорогостоящим и произволительным комплексом («Джой») с нагрузками от 4000 до 8000 т/сут; Ш - один забой, оснащенный импортным комплексом с нагрузкой более 8000 т/сут.
Сопоставление функций дисконтированного дохода в каждой выделенной области позволило установить, что применение дорогостоящей импортной техники экономически оправдано при стабильных суточных нагрузках на очистной забой не менее 8000 т/сут. Шахты с нагрузками на один очистной забой менее 8000 т/сут (таких большинство в Кузбассе) целесообразно оснащать отечественными механизированными комплексами, имея в работе один или два ГТМ с соответствующими параметрами.
Определение оптимизированной длины выемочного столба величенне длины выемочного столба сопровождается ростом протяженности доставки угля, материалов, людей, воздуха, увеличением времени поддержания горных выработок и т.д., но в то же время уменьшением затрат на одноразовые работы по монтажу и демонтажу, уменьшением затрат, связанных с проходкой выработок по палению пласта и увеличением вынимаемых запасов. В работе [2] показано, что повышение производительности и надежности оборудования позволяет увеличивать длину выемочного столба. В работах В.Д. Ялевского [5,7.8] предлагается увеличить длину выемочной панели до 6 км. Анализ работы передовых у гледобы ванн них стран показал, что средняя длина выемочного столба на шахтах США составляет 2,7- 3,5 км. максимальная длина 5.365 км («Твейнтн-майл» в Колорадо, США), на шахтах Австралии - 1,8-2.5 км. Для сравнения на шахтах Кузбасса - 1,0-1,6 км. Поэтому определение оптимизированной длины выемочного столба для конкретных горно-геологических условий является важным с технологической и экономической точек зрения.
В работе проводилось определение оптимизированной длины выемочного столба в диапазоне от 1500 до 6000 м с интервалом 500 м. Увеличение длины выемочного столба более 3 км вступает в противоречие с «Правилами безопасности на угольных и сланцевых шахтах» [75J в части обеспечения безопасного выхода людей в случае аварии. Для устранения этого использовано разработанное институтом «Конверскузбассуголь» [3] предложение, сущность которого заключается в делении длинных выемочных столбов на секции наклонными пластовыми выработками, служащими для подачи воздуха и безопасного выхода людей. Однако при этом не учитывалось влияние геомеханических процессов на проюводительность очистною забоя при работе в зоне дополнительных секционных пластовых выработок.
Проблема проветривания длинных тупиковых выработок более 2 км при их проходке решается за счет перехода от одноштрековой к многоштрекдвой системе подготовки ГТМ.
В результате проведенных экспериментов на разработанной модели построены ірафики зависимостей между выбранным критерием оптимальности -дисконтированным доходом и размерами выемочного столба при изменении нагрузки на очистной забой от 3000 до 9000 т/сут для различных значений мощности разрабатываемого пласта 2, 3 и 4 м и углов падения 7, 14 и 21 (рис.3.5).
Экономическая оценка затрат на комбинированную схему проветривания выемочных участков
Погрешность прогноза возрастала до +64)0 % [96J в зонах ведения горных работ, где вышележащий пласт Брсевский не отработан. Следует отметить, что участок работал с проіпводнтельностью до 61650 т/мес, а максимальная суточная добыча достигала 3000 т/сут При длине очистного забоя 140 м и мощности пласта 2.3 м. т.е. имел параметры, соответствующие требованиям технологического модуля.
Второй подход, регламентируемый [17], также содержит стремление разработчиков обобщить особенности всех гориотехнологических условий бассейна. Не обеспечивает достаточной надежности и попытка разработчиков адаптировать зависимости с помощью данных, полученных на экспериментальном интервале подвигання забоя (дека-стр жка [77]). Причина в том, что возросшие геометрические размеры выемочных столбов и скоростей подвигання забоев провоцируют, как будет показано ниже, качественно иную газогеомеханику, чем это заложено в нормативные физические модели.
Ранее (см. п. 1.4) отмечен ряд недостатков наиболее распространенной в Кузбассе комбинированной схемы управления газовыделением на выемочном участке средствами вентиляции. При рассмотрении методов расчега ее аэрогазодинамических характеристик [17,77,97] следует выделить две особенности, наиболее вероятно связанные с ростом производительности отбойки и транспорти-овання угля, скорости подвигання забоя и геометри чес ких размеров выемочного столба. К ним относится управление метановыделением из разрабатываемого пласта, отбитого угля и притоком метана в выработанное пространство, являющееся по сути основної! задачей методов. Указанные нормативы постулируют -газ выработанного пространства полностью и без какого-либо влияния на режим проветривания выносится на поверхность вентиляционной системой, а метано-обилыюсть очистного забоя определяется метановыделением из разрабатываемого пласта и отбитого угля в период его транспортирования до границы входа на выемочный участок свежей вентиляционной струи. Приемлемость первого допущения не вызывает сомнений, но только в тех случаях, когда мстанообнльность выработанного пространства пренебрежимо мала по сравнению с производительностью отвода из него мегановоздушной смеси. Но в п.! А показано, что доля мегана в Этом потоке даже при характерной для периода до 1995 г. производительности участков в 1500 т/сут может составлять более 20%. А в условиях горнотехнологи чес ких модулей, когда производительность очистного забоя 5-10 тыслУсут, эта составляющая газового баланса выемочного участка будет определяющей с долей более 60%. В работах [94,95] показано, что рост шгтеисипности газопритока в выработанное пространство приводит к тиснению газового режима в призабойном объеме и оценка режима возможна только путем перехода от закона сохранения массы воздуха к закону сохранения массы метановоздушной смеси, т.е. газ выработанного пространства активно учасівует в формировании концентрации метана в рабочей зоне участка Второе допущение связано, на наш взгляд, с завышенной в расчетах величиной притока метана из разрабатываемого пласта и отбитого угля. Источником этой погрешности является использование гаюкинетичгских функций, положенных в основу созданных до 90-х годах нормативных документов [16.17J. Обобщающий опыт этого предшествующего периода, при производительности очистных забоев 500-1500 т/сут и низких скоростях транспортирования угля из забоя, позволял считать, что за время пребывания угля на участке его газоносность снижается в несколько раз, приближаясь к 4-6 м3/т. Использование для корректировки расчетных значений фактических данных лавы-аналога [77,97] не меняет ситуации, т.к. аэрогазовый обмен в призабойном пространстве in; смотрен только в направлении от очистного забоя.
Отмеченные недостатки привели проектировщиков и соответствующие службы шахт к попытке возврата на позиции начала 80-х годов, когда параметры проектных решений устанавливались на основании расчетов по геологоразведочным данным с вытекающей погрешностью в части метановыделения из разрабатываемого пласта и отбитого угля.
В Институте угля и углехимии СО РАН разработан адаптивный метод комплексного прогноза метанообильности выемочных участков [98J, позволяющий избежать отмеченных недостатков и, что весьма важно, при резко возросших геометрических размерах выемочных столбов перейти на пространственное отображение свойств и состояний массива, а в части адаптивности максимально полно использовать оперативную информацию о периодичности изменения значений метанообильности вплоть до регистрируемой компьютеризированными системами мониторинга рудничной атмосферы. В дальнейших расчетах работы используется этот метод комплексного прогноза на основе результатов декадных и суточных замеров газовой обстановки в выработках. Газокинетические характеристики массивов горных пород в пределах горного блока для конкретного выемочного участка устанавливались по данным 15-30 геологоразведочных скважин. Полученные результаты позволяют более точно отследить периодичность изменения ыстанообилыюсти выемочных участков, по своим параметрам близких к горнотехнодогическим модулям. На рис. 4.3 приведены фактические данные относительной метанообильно-сти участка 24-45 ОАО «Шахта им. СМ. Кирова». Размеры выемочного столба 240x1400 м. Глубина разработки 210-250 м. Скорость подвигания забоя до 11 м/сут. Среднесуточная производительность 4800 т/сут при максимальной 13000 т/сут.
Подобные связи имеют место и в иных условиях; при отработке выше расположенного участка 24-44 этой шахты, а также участка 1843 ОАО «Шахта Комсомолец». Существование связи однозначно указывает на необходимость пересмотра и уточнения методов расчета аэрогазодииамики выемочных участков, сложность которых является целью самостоятельных исследовании.
Разработка метода определение параметров комплексной схемы управления газовыделением
В представленных расчетах не учтены затраты на доставку воздуха до очистного забоя. При нагрузке на очистной забой выше 4000 т/сут необходимо подавать более 1700-2000 м /мин, что требует перехода на двухштрсковую подготовку лавы и приводит к росту затрат на 18-21 рубУг. При этом в рас-етах группа газоотводящих скважин обслуживает четыре лавы (по две лапы на двух пластах) если же скважтты будут работать на две лавы. При мощности пласта 2 м, залегающего под углом 7, оптимизированные геометрические параметры следующие: для ГТМ с производительность 3-4 тыс.т/сут длина выемочного столба 3 км, длина лавы 250 м; для ГГМ с суточными нагрузками 5-7 тыс.т/сут длина выемочного столба 4-5 км, длина лавы 240-250 м; для ГТМ с производительностью 7-9 тыс.т/сут длина выемочного столба 5,5-6 км. а длина лавы 260-270 м. При мощности пласта 3 ьл значение оптимизированной длины выемочного столба ITM требуется уменьшить в среднем на 400-500 м, а оптимизированную длину лавы необходимо уменьшить на 25 м, по сравнению с аналогичными величинами, полученными для мощности пласта 2 м. При разработке пласта с углом падения 21и требуется увеличить значение оптимизированной длины выемочного столба в среднем на 300 м, а длину лавы на 10-15 м, по сравнению с аналогичными величинами, полученными для угла падения разрабатываемого пласта і.
Снижение времени непроизводительной работы имеет нижний предел: для ГТМ с производительностью 3-4 тыс.т/сут ои составляет 70-60 дней; для ГТМ с нагрузками 5-7 тыелг/сут 5040 дней и для ГГМ с суточной нагрузкой 8-Ю тыс.т/сут - 20-15 дней. 5. Рост скорости подвнгания очистного забоя в диапазоне от 3 до 11 м/сут снижает относительную метанообильность участка по степенной зависимости с показателем -1,23, способствуя существенному росту величины предельно допустимой по газовому фактору производительности угледобычи. Однако увеличение длины лавы до 250 м при комбинированной схеме управления газовыделением с коэффициентом распределения воздуха от 23 до 57% приводит к формированию устойчивой связи призабойного и выработанного пространств, что обусловливает необходимость перехода к комплексной схеме управления газовыделением.
Производительность ГТМ и соответствующая ей оптимизированная длина очистного забоя формируют выраженную периодичность аэрогазодинамических процессов на выемочном участке. Допускаемая по газовому фактору производительность ГТМ в периоды максимальных значений динамической составляющей метанообильности выемочного участка при комбинированной повышение производительности очистного забоя требует соответствующего увеличения коэффициента эффективности дегазации, затраты при этом превышают возможный экономический эффект, получаемый шахтой за счет увеличения производительности.
Стабильную и безопасную работу горнотехнологического модуля способна обеспечить комплексная схема управления газовылеленим, параметры когорой возможно получить при совместном определении технических и стоимостных параметров составляющих ее способов В диссертации на основе выполненных исследований содержится решение задачи по определению оптимизированных параметров горнотехнологических модулей угольных шахт и обоснованию областей применения схем управления газовыделением, имеющих существенное значение для подземной гсотсхноло-гни при обосновании параметров систем разработки угольных пластов и для рудничной аэрогазодинамики при изучении аэро газодинамических процессов на выемочных участках. Основные научные выводы и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем: 1. Разработанная комплексная расчетная схема позволяет устанавливать оптимизированные параметры горнотехнологических модулей, а именно: эффективную производительность 1ТМ и соответствутошне ей длины выемочного столба и очистного забоя для условий разработки пологих угольных пластов средней мощности системой разработки длинными столбами с полным обрушением кровли при сложившейся или проектной инфраструктуре. 2. Результаты исследований указывают, что применение дорогостоящей импортной техники экономически эффективно при стабильных суточных наїруз-ках на комплексно-механизированный забой не менее 8 тыс.т/сут. Шахты с воднтельностью менее 8 тыс.т/сут (таких большинство в Кузбассе) целе-азно оснащать отечественными угледобывающими комплексами, имея в работе один или два ГТМ с соответствующими параметрами. схеме проветривания выемочных участков сокращается в 1,3-1,5 раза. Подле жание проектной производите;]ьностн ГГМ в этих условиях (3000 т/сут ОАО «Шахта «Комсомолец» и 12000 т/сут ОАО «Шахта им. СМ. Кирова») приводит к росту затрат на 11 и 23 рубУт соответственно. 7. Положение в пространстве ближайшей к движущемуся очистному забою гра ницы зоны газового дренирования подрабатываемого массива газоносных гор ных пород определяеіся по величине острого угла между осью выемочного столба и прямой, соединяющей положение забоя в период минимальных значе ний динамической составляющей относительной метанообнльности выработан ного пространства с точкой выхода на поверхность нормали к пласту, проходя щей через максимум динамической составляющей. Величины этих углов для условий Ленинского месторождения Кузбасса составляют: 48- 49 для первично го шага просадки подрабатываемого массива; 51- 54 для последующих шагов. Для горнотехкологических условий экспериментальных участков (глубина раз работки 250 и 430 м. длина лав 250 и 140 м, среднесуточные скорости подвнга ния 7 и 4 м/сут) значения шагов полных обрушений подработанного массива соответственно равны: первичный 220 и 400 м; последующие 195 и 300 м. Это дает основание по длине выемочного столба прогнозировать области прояв ления максимальных значений динамической составляющей относительной метанообнльности и, соответственно-, своевременно принимать технологические решения для корректировки параметров аэрогазового режима в ГГМ с уточнением значений геометрических размеров выемочных столбов на стадии проектирования.
