Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из основных проблем угольной промышленности России является обеспечение конкурентоспособности угля на современном рынке энергоносителей. В настоящее время ведущие отечественные угледобывающие компании переходят на работу по схеме «шахта-лава» с использованием высокопроизводительных комплексов очистного оборудования с охраной участковых подготовительных выработок целиками и применением анкеров в качестве основной крепи. Доказана возможность в горно-геологических условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» работать с нагрузками более 4 млн т угля в год, что позволяет выдерживать конкуренцию на рынке с угольными разрезами.
Производственный опыт показывает, что интенсификация очистных работ предопределяет серьезные требования к таким производственным комплексам, как подготовительные работы, поддержание и охрана горных выработок, управление газовыделением на выемочном участке. Все это определяет актуальность работы, направленной на поиск рациональных способов подготовки выемочных столбов и управления состоянием массива, позволяющим полностью использовать технические возможности современной техники. Бесцеликовые схемы подготовки выемочных участков угольных пластов в условиях Кузбасса для решения этой задачи малоэффективны, а для подачи необходимого количества воздуха, изолированного отвода метановоздушной смеси, размещения коммуникаций, обеспечивающих работу высокопроизводительных забоев, необходим переход на многоштрековую подготовку выемочных участков, в которой одним из главных вопросов является определение параметров межштрековых целиков.
Вопросами повышения эффективности технологии подземной угледобычи занимались многие известные ученые: К.А. Ардашев, Н.П. Бажин, Ф.П. Бублик, А.А. Борисов, А.С. Бурчаков, Ф.Н. Воскобоев, В.Е. Зайденварг, В.П. Зубов, М.А. Иофис, О.И. Казанин, О.В. Ковалев, Г.И. Коршунов, Ю.Н. Кузнецов, А.С. Малкин, И.М. Петухов, А.Г. Протосеня, Л.А. Пучков, В.В. Райский, М.А. Розенбаум, А.Д. Рубан, С.В. Сластунов, М.И. Устинов, В.Н. Фрянов, В.М. Шик и многие другие, но вопросы обоснования параметров целиков при использовании схем многоштрековой подготовки, в частности, для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс», требуют дополнительных исследований.
Цель работы. Повышение эффективности и безопасности работы высокопроизводительных механизированных очистных забоев в системе «шахта-лава» на основе комплекса решений по подготовке выемочных участков, обоснованию параметров целиков, обеспечивающих устойчивое состояние выработок в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Основные задачи исследований:
1. Определение рациональных способов подготовки выемочных участков при их интенсивной отработке в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
2. Разработка горно-геомеханических моделей и расчетных схем для исследования состояния массива при трехштрековой подготовке с рядами целиков различной ширины.
3. Исследования на физических моделях влияния параметров установки упрочняющих элементов на устойчивость целиков.
4. Оценка удароопасности и определение рациональных способов задания податливости целиков и их параметров в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
5. Определение безопасных условий одновременного проведения параллельных выработок, разделенных целиками различной ширины.
Идея работы. В целях обеспечения устойчивой и безопасной работы высокопроизводительных очистных забоев следует применять многоштрековые схемы подготовки выемочных участков с формированием межштрековых целиков, обеспечивающих проектное сечение выработок на весь период отработки столба.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий анализ и обобщение результатов научно-технических разработок и передового производственного опыта, физическое моделирование методом эквивалентных материалов, математическое моделирование и экспериментальные исследования параметров целиков, выполненные по апробированным методикам.
Научная новизна:
-
Установлены зависимости изменения несущей способности целиков от действующих нагрузок, а также от параметров их упрочнения или разупрочнения в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
-
Установлены зависимости величины безопасного по фактору удароопасности опережения забоев проводимых выработок от ширины целиков и их податливости при трехштрековой подготовке выемочных участков.
Основные защищаемые положения:
1. С целью полного использования технических возможностей высокопроизводительного оборудования и обеспечения безопасности работ в условиях шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» следует использовать многоштрековую подготовку выемочных участков с оставлением между выработками целиков заданной податливости.
2. Для снижения негативного влияния очистных работ на выемочные выработки следует применять сочетание межштрековых целиков различной степени податливости, соотношение размеров которых устанавливается на основе численной оценки устойчивости системы «целик-выработка-массив».
3. Необходимая податливость межштрековых угольных целиков и устойчивость системы «массив-выработка-целик» обеспечивается выбором геометрических параметров целиков и применением искусственных мер по их упрочнению или разупрочнению.
Практическая значимость работы:
Рекомендуемые параметры целиков при трехштрековой подготовке вошли в альбом «Технологические схемы подготовки и отработки выемочных участков на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс» и включены в проекты разработки пластов. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе при проведении занятий по учебной дисциплине «Системы разработки пластовых месторождений полезных ископаемых» для специальности 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых».
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается применением современных методов натурных и лабораторных исследований, представительным объемом экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов автора и других исследователей.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Международной конференции «Современные проблемы геомеханики, горного производства и недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.) Международном научном симпозиуме «Неделя горняка», (г. Москва, 2007-2010 гг.), на конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения», (филиал Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета), г. Воркута, 2009 г.), научно-технических советах ОАО «СУЭК» (г. Москва, 2008-2010 гг.), ОАО «СУЭК-Кузбасс» (г. Ленинск-Кузнецкий, 2007-2010 гг.), научных семинарах кафедр разработки месторождений полезных ископаемых; безопасности производств и разрушения горных пород; Научного центра геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета) (г. Санкт-Петербург, 2009-2010 гг.)
Личный вклад автора:
Постановка цели и задач, обоснование и выбор методики исследований, организация и руководство исследованиями; участие в проведении и обобщение результатов натурных и лабораторных исследований; формулировка основных научных положений и выводов.
Публикации.
Результаты исследований и основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в числе которых 1 монография, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 2 публикации в сборниках трудов международных и всероссийских научных симпозиумов и конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 68 источников, включает 65 рисунков, 12 таблиц, 2 приложения.
Автор выражает благодарность научным руководителям д.т.н., проф. Ю.В. Шувалову, д.т.н., проф. Г.И. Коршунову за помощь в определении общей идеи работы, направлений исследований; профессорам О.И. Казанину, В.М. Шику, техническим работникам ОАО «СУЭК-Кузбасс» за помощь в сборе информации и проведении шахтных исследований; сотрудникам кафедры разработки месторождений полезных ископаемых за полезные замечания и ценные советы; сотрудникам лаборатории моделирования Научного центра геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В. Плеханова (технического университета).
