Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 9
1.1 Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки мощных крутых пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения 9
1.2 Анализ специфики условий отработки мощных крутых пластов на шахте «Киселевская» 20
1.3 Технологии отработки мощных крутонаклонных и крутых пластов подэтажным обрушением и выпуском угля.в 26
1.4 Выводы по главе 37
1.5 Цель и задачи исследований 39
2 Обоснование параметров систем с подэтажным обрушением и выпуском угля по фактору управления газовыделением 41
2.1 Натурные исследования процессов метановыделения на выемочном участке шахты «Киселевская» 41
2.2 Обоснование параметров подготовки выемочных участков для эффективного управления газовыделением 44
2.3 Оценка опасности самовозгорания угля при использовании систем с подэтажным обрушением и выпуском угля 57
2.4 Рекомендации по предотвращению самовозгорания 60
2.5 Выводы по главе 65
3 Обоснование парметров систем с подэтажным обрушением и выпуском угля по фактору управления состоянием массива 67
3.1 Выбор и обоснование методики проведения исследований 67
3.2 Методика проведения аналитических исследований с использованием метода конечных элементов
3.3 Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в условиях шахты «Киселевская» 75
3.4 Исследования параметров системы разработки на физических моделях из эквивалентных материалов 88
3.5 Выводы по главе 118
4 Обоснование параметров системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях прокопьевско-киселевского месторождения 121
4.1 Рациональная область применения системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля 121
4.2 Оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений 128
4.3 Обоснование параметров предлагаемого варианта системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля 130
4.4 Обобщение результатов исследований 135
Заключение 140
Список литературы
- Анализ специфики условий отработки мощных крутых пластов на шахте «Киселевская»
- Обоснование параметров подготовки выемочных участков для эффективного управления газовыделением
- Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в условиях шахты «Киселевская»
- Оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений
Введение к работе
Актуальность работы. Технологии отработки мощных крутых газоносных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения углей особо ценных коксующихся марок характеризуются практически полным отсутствием механизации, высокой трудоемкостью, низким уровнем безопасности и значительными потерями угля в недрах.
Уровень аварийности и травматизма на шахтах месторождения в 4-8 раз выше, чем при подземной отработке пологих угольных пластов. Удельная протяженность подготовительных выработок достигает 50 м на 1000 тонн добычи (т.е. в 10 раз больше чем при отработке пологих пластов).
Решению задач повышения эффективности и безопасности разработки мощных крутых газоносных пластов посвящены работы С.Г. Авершина, К.А. Ардашева, Н.Т. Бедарева, Я.А. Бича, С.Н. Зеленцова, В.П. Зубова, СИ. Калинина, В.И. Клишина, А.В. Лебедева, В.В. Мельника, Л. П. Томашевского, Ю.М Филатова, В.В Хана и др. За годы эксплуатации шахт в Прокопьевско-Киселевском районе были испытаны практически все известные системы разработки и их варианты, как с обрушением кровли, так и с закладкой выработанного пространства. Вместе с тем, несмотря на достаточно продолжительный период эксплуатации этого месторождения, до сих пор не найдено приемлемых технических решений по его эффективной разработке.
Одним из направлений существенного повышения технико-экономических показателей отработки мощных крутых пластов является внедрение систем разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля с использованием механизированной крепи, успешно зарекомендовавшей себя на шахте «Казимеш Юлиуш» в Польше.
Вместе с тем внедрение системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля на штрековый комплекс в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения осложняется высокой газоносностью пластов и их склонностью к самовозгоранию.
Таким образом, определение параметров системы разработки, обеспечивающих существенное повышение технико-
экономических показателей работы шахт и безопасность ведения горных работ на мощных крутых газоносных пластах, является весьма актуальной задачей.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности и безопасности подземной разработки мощных крутых газоносных пластов, склонных к самовозгоранию, на основе применения системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля с использованием механизированной крепи.
Идея работы. Повышение до конкурентоспособного уровня подземной разработки мощных крутых газоносных пластов, склонных к самовозгоранию, системами с подэтажным обрушением и выпуском угля обеспечивается при подготовке подэтажей тремя штреками, параметры и место заложения которых определяются из условия эффективного управления газовыделением и состоянием массива на выемочных участках.
Основные задачи исследования:
-
Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки мощных крутых угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения.
-
Обоснование параметров системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля по фактору управления газовыделением на выемочных участках.
-
Обоснование параметров системы разработки по фактору управления состоянием массива.
-
Обоснование параметров системы разработки, обеспечивающих эффективность и безопасность горных работ.
-
Обоснование области рационального применения предлагаемой технологии и оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение теории и практики эффективной и безопасной отработки мощных крутых пластов; натурные исследования метановыделения и состояния массива на выемочных участках шахты «Киселевская»; физическое моделирование отработки пластов системами с обрушением и выпуском угля,
экспериментально-аналитические исследования влияния параметров системы разработки на геомеханические и аэрогазодинамические процессы на выемочном участке. Научная новизна:
1. Установлены зависимости минимальных размеров
устойчивых целиков, разделяющих подэтажные штреки, от
мощности пласта.
2. Определена зависимость удельных участковых затрат от
параметров подэтажа и мощности пласта.
Основные защищаемые положения:
-
При использовании систем разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля на мощных крутых газоносных пластах подготовка подэтажа по фактору управления газовыделением должна осуществляться тремя штреками с расположением: конвейерного - у нижней границы выемочного участка, вентиляционного - в верхней части подэтажа и выемочного штрека - в средней части отрабатываемого подэтажа.
-
Эффективность и безопасность ведения горных работ на выемочных участках при использовании технологии с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения обеспечивается при высоте подэтажа, ширине целика между подэтажами и расстоянии между конвейерным и выемочным подэтажными штреками 22-30 м, 4-8 м и 10-12 м соответственно.
3.Область применения технологии определяется условиями обеспечения эффективного выпуска угля и управления кровлей, а также уровнем удельных участковых затрат и включает пласты мощностью т>6 м и углами падения а>60.
Практическая значимость работы:
Разработаны рекомендации по определению рациональных параметров системы для различных горно-геологических и горнотехнических условий отработки крутонаклонных и крутых угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения.
Разработаны рекомендации по выбору места расположения и параметров подэтажных штреков при ведении горных работ.
Разработаны рекомендации по выбору параметров проветривания призабойной зоны в различных горнотехнических ситуациях и на различных стадиях ведения работ в подэтаже.
Определена область рационального применения предлагаемого варианта системы разработки с подэтажной отбойкой и выпуском угля в условиях шахты «Киселевская».
Достоверность и обоснованность научных положений и
рекомендаций обеспечивается представительным объемом данных
натурных наблюдений, использованием современных
апробированных методов исследований; удовлетворительной сходимостью результатов натурных, лабораторных и численных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на международной научно-практической конференции «Перспективы развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (Прокопьевск, 2011 г.), на Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка-2012» (Москва, 2012 г.), на международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2013 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2012-2013 гг.).
Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методики проведения экспериментально-аналитических, лабораторных и натурных исследований, проведены натурные исследования, обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа общим объемом 151 страница состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 84 источников, включает 77 рисунков и 15 таблиц.
Анализ специфики условий отработки мощных крутых пластов на шахте «Киселевская»
Угленосные отложения шахтного поля содержат 25 пластов угля. На шахте числится 23 пласта. Наиболее мощными и выдержанными пластами угля по мощности являются IV, II, П-бис Внутренние, Горелый, Прокопьевский II, Мощный, Безымянный (I в). Остальные пласты имеют невыдержанную мощность.
По мощности пласты угля разделяются на весьма мощные (более 15м) -Мощный; мощные (3,5 -15 м)- IV, II, Ибис Внутренние, Горелый, Прокопьевский II, Безымянный (I в), Подспорый и Двойной; средней мощности (1,3 - 3,5 м) - VIII, VII, VI, V, III Внутренние, Характерный, Безымянный II, Проводник II бис Внутреннего, Прокопьевский I; тонкие (до 1,3 м) - I Внутренний (н.п.) и Безымянный (I н) [26].
Строение большинства пластов сложное, участками простое. Характеристика рабочих пластов угля и боковых пород приведена в таблице 1.3.
Марочный состав углей - Г (по пластам с VIII Внутреннего по Прокопьевский I) и СС (по пластам с Мощного по Пионер).
Согласно «Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых» (ГКЗ) по геологическому строению, выдержанности мощности и качества угля поле шахты «Киселевская» относится к месторождениям очень сложного геологического строения - 3 группе.
В зоне выветривания инженерно-геологические свойства вмещающих пород и угля значительно отличаются от свойств невыветрелых пород. Породы, затронутые выветриванием, очень слабые, трещиноватые.
Основное влияние на устойчивость вмещающих пород оказывают их состав, мощность, структурно-текстурные особенности, физико-механические свойства, сочетание литологических типов.
Физико-механические свойства вмещающих пород приведены в таблице 1.4, распределение типов кровель по пластам - в таблице 1.5.
Шахта по газу метану относится к III категории. Средняя относительная газообильность горных выработок на горизонте + 220 м в районе Промежуточной антиклинали и I синклинали составляла, в основном, 2-3 м3/т суточной добычи угля, что соответствует зоне газового выветривания. Максимальная газообильность 11 м /т угля суточной добычи угля установлена по пласту IV Внутреннему в замковой части II Тырганской антиклинали.
Мощность зоны газового выветривания по простиранию угольных пластов уменьшается с севера на юг от 300 до 125 м в синклиналях и от 200 до 77 м в антиклиналях.
Природная газоносность в зоне метановых газов изменяется по криволинейной зависимости. Нарастание газоносности с глубиной происходит затухающими темпами. В антиклинальных складках газоносность углей достигает 30 - 34 м3/т сухой беззольной массы (с.б.м.) на глубине 500 м, а в синклинальных складках на этой глубине составляет 10-14 м /т с.б.м. Значения природной газоносности углей колеблются: на горизонте + 120 м - от 6,8 до 18,1 м /т с.б.м., на горизонте ± 0 м - от 6,6 до 20,5 м3/т с.б.м., на горизонте - 100 м - от 22,9 до 27,5 м3/т с.б.м.
Угли пластов шахтного поля относятся к опасным по взрываемости угольной пыли, так как характеризуются высоким выходом летучих от 24,2 до 38,5 %.
Большинство угольных пластов являются опасными по самовозгоранию угля. Наиболее опасными по самовозгоранию являются пласты, на которых возникло наибольшее число пожаров: Мощный - 30, II-II бис Внутренние - 20, IV Внутренний - 17, Безымянный - 12, Прокопьевский II - 7.
К числу склонных и опасных по самовозгоранию относятся пласты VIII, IV, III, II, Ибис, I Внутренние, Горелый, Прокопьевский II, Мощный, Безымянный, Под спорный.
Все мощные пласты на участках шахтного поля с углом падения более 55 относятся к опасным по прорыву пульпы и глины. За период эксплуатации шахты был один случай внезапного прорыва глины по пласту Горелому со штольневого горизонта в выработки горизонта + 300 м. Прорывов пульпы и глины на гор. + 120 м не было.
Заслуживает особого внимания техническая разработка Клишина В.И., им предложена технология и конструкция комплекса «крепь-штрек» для технологии подэтажнои выемки мощных крутопадающих пластов мощностью свыше 4 м с углом залегания от 45 градусов [31]. В ИГД СО РАН обоснованы безвзрывные технологии воздействия на межслоевую (подкровельную) толщу для обеспечения физической возможности выпуска угольного массива: метод вибросейсмовоздействия на угольный пласт; метод направленного гидроразрыва угольного массива (рисунок 1.4). Предложено производить разупрочнение угольного массива либо с помощью вибросейсмической установки, расположенной в промежуточном штреке, либо с помощью направленного гидроразрыва через пробуренные с промежуточного или подэтажного штреков скважин.
По этой технологии крутой пласт рассекается по простиранию на всю длину отрабатываемого блока подэтажными штреками 1, соединенными между собой, и конвейерным штреком 2, печами 3 (рисунок 1.4). Между подэтажными штреками также по простиранию проходят промежуточные компенсационные штреки 4, из которых производятся операции по разупрочнению угольного целика, расположенного между подэтажными штреками. Штрек 4 может быть соединен с подэтажным штреком 1 вентиляционными сбойками 5, что позволит обеспечить вентиляцию тупикового забоя. Наиболее сложной операцией при применении этой технологии является безопасный и эффективный выпуск угля из разрушенного целика на подэтажный штрек.
Для реализации данной технологии разработан и предложен принципиально новый комплекс оборудования, обеспечивающий механизированный управляемый выпуск угля из разрушенного межэтажного целика на подэтажный штрек (рисунок 1.5). Комплекс включает в себя две гидрофицированные секции крепи 6, перегружатель 7 и штрековый конвейер 8. Перегружатель 7 устанавливается между секциями крепи, имеющими боковые щитки, с помощью которых производится дозированный выпуск угля. Все операции по управлению комплексом оборудования гидрофицированы и питаются от высоконапорной станции, установленной в нише подэтажного штрека.
Обоснование параметров подготовки выемочных участков для эффективного управления газовыделением
Для определения эффективности проветривания очистного забоя при использовании системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях ООО «Шахта «Киселевская» проводилось математическое моделирование процессов движения воздуха в различные этапы отработки пласта с помощью программного комплекса ANSYS/FLUENT (лицензия № 00443696).
Целесообразность применения данного программного комплекса для решения поставленных задач обоснована результатами анализа существующих средств программного обеспечения для моделирования вентиляции подземных сооружений шахт [72].
Программный комплекс ANSYS/FLUENT является одним из самых мощных из программного обеспечения на сегодняшний день в области моделирования течений реагирующих потоков (включая горение), теплообмена, многофазных течений. Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их адаптации на основе получаемого решения.
Расчет расхода воздуха для проветривания очистного забоя выполнялся с использованием Методики расчета количества воздуха для проветривания очистных забоев при применении подберковой системы отработки крутых мощных пластов в условиях ООО «Шахта «Киселевская». [51]
Результаты расчетов показывают, что необходимое количество воздуха в условиях отработки запасов горизонта +120 м для проветривания очистного забоя по метану определяется количеством одновременно отбиваемого угля и составляет от 140 м /мин (при Q=250 тонн и метановыделении 1=0,66 м /мин) до 300 м3/мин (при Q=480 тонн и метановыделении 1=1,42 м3/мин) [47].
С увеличением глубины ведения горных работ и ростом природной метаноносности пластов расчетное количество воздуха существенно возрастает. В связи с чем целесообразно рассматривать как текущие так и предельно возможные расчетные значения расхода воздуха для проветривания очистного забоя по метану (до 1000 м3/мин при метановыделении 1=4,7 м3/мин).
Моделирование проводилось для технологической схемы с использованием трех штреков: конвейерного (сечением S = 12 м2), вентиляционного(8=9 м2), и выемочного (S=9 м2), согласно схемы с использованием трех подэтажных штреков, описанной выше (рисунок 2.5).
Рассматривались варианты с минимальным (Q=150 м3/мин) и максимальным (Q=1000 м3/мин) количеством подаваемого воздуха. А также варианты с перекрытым конвейерным штреком (отбитым углем и обрушенными породами), и варианты когда воздух проходит через конвейерный штрек.
Моделировались горнотехнические ситуации, когда размеры выработанного пространства имеют наименьшие значения по простиранию и составляют L=3 м, а также наибольшие значение L=25 м по простиранию пласта. Моделирование вентиляции выемочного участка На первом этапе рассматривались параметры проветривания очистного забоя в момент отработки пласта перед первоначальным обрушением основной кровли, когда размер выработанного пространства по простиранию имеет наибольшее значение, определенное расчетным способом и составляет L=25 м, при минимальном количестве подаваемого воздуха (Q=150 м /мин) в момент, когда перекрыт конвейерный штрек (рисунок 2.6, цветом показана скорость движения воздуха) [47].
На рисунке видно, что воздух поступая по конвейерному штреку и по вентеляционной сбойке попадает на выемочный штрек, затем основаная его часть поступает к очистному забою, омыв его отработанная струя попадает на вентеляционныи штрек, смешивается с воздухом проходащему по вентеляциннои скважине, далее выдается по сети выработок вентиляционнго горизонта.
Как видно из рисунка верхняя часть очистного забоя интенсивно проветривается, это особо важно, так как в этой части скапливается основное количество выделившегося метана из выработанного пространства, отбитого угля, а так же выделившегося из пласта угля и вмещающих пород. В то же время, нижняя часть забоя проветривается менее эффективно, это обусловлено тем, что на данном этапе исследовался процесс в момент когда конвейерный штрек перекрыт отбитым углем и выпускные щитки крепи находятся в закрытом состоянии.
После того как происходит выпуск угля, часть подаваемого воздуха в очистной забой будет проходить через конвейерный штрек, как показано на рисунке 2.7.
Из рисунка 2.7 видно, что часть воздуха, подаваемого к очистному забою, проходит через конвейерный штрек и проветривает нижнюю часть очистного забоя, а основная часть воздуха, как и в случае с перекрытым конвейерным штреком, попадая на выемочный штрек, омывает верхнюю часть очистного забоя с не меньшей эффективностью, когда конвейерный штрек перекрыт.
Далее моделировались процессы проветривания очистного забоя при максимальном количестве подаваемого воздуха Q=1000 м3/мин, также в моменты тогда конвейерный штрек перекрыт и когда воздух проходит через конвейерный штрек, попадая в выработанное пространство (рисунок 2.8).
Как видно на рисунке 2.8, воздух, проходя по выемочному штреку и попадая в выработанное пространство, проветривает с равномерной интенсивностью всю область призабойной зоны. Однако в верхнюю часть воздух не попадает, что может вызвать в этой области скопление метана.
Затем моделировался процесс при открытом конвейерном штреке при максимальном подаваемом количестве воздуха (рисунок 2.9).
Из рисунка 2.9 видно, что воздух при максимальном количестве (Q=1000 м3/мин), проходя через конвейерный и выемочный штреки, интенсивно проветривает очистной забой, включая области, где наиболее вероятны скопления метана.
На следующем этапе моделировались процессы движения воздуха в очистном забое в момент, когда размер выработанного пространства по простиранию имеет наименьшие размеры L=3 м, относительно простирания пласта, момент после обрушения основной кровли, (подобная ситуация будет и на начальном этапе отработки выемочного участка). Моделирование проводилось с аналогичными заданными условиями, как и при размерах выработанного пространства при L=25 м по простиранию пласта: с минимальным (Q=150 м3/мин) и максимальным (Q=1000 м3/мин) количестве подаваемого воздуха, при перекрытом и открытом конвейерном штреке (рисунки 2.10-2.13). На рисунках 2.10 и 2.12 видно, что в момент, когда размеры выработанного пространства имеют минимальные значения, при подаче воздуха Q=150 м3/мин и Q=1000 м3/мин при перекрытом конвейерном штреке, воздух, проходя по выемочному штреку, омывает верхнюю часть выработанного пространства и в меньшей степени попадает в нижнюю часть. При открытом конвейерном штреке (рисунки 2.11, 2.13) воздух, разделяясь, проходит по конвейерному штреку, равномерно проветривая очистной забой и всю часть призабойной зоны.
Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород в условиях шахты «Киселевская»
Физическое моделирование предусматривает воссоздание в физической модели тех же самых или аналогичных физических полей, что действуют и в объекте натуры, лишь измененных по своим абсолютным значениям в соответствии с масштабом моделирования. Одним из основных преимуществ физического моделирования является возможность осуществления прямых наблюдений за моделируемыми процессами и явлениями, иногда это преимущество является решающим.
Чтобы получить корректные результаты необходимо обеспечить подобие модели и натуры, т. е.: а) подобие геометрических свойств систем; б) пропорциональность физических констант, имеющих существенное значение в изучаемом процессе; в) подобие начального состояния систем; г) подобие условий на границах систем в течение всего рассматриваемого периода процесса; д) равенство определяющих критериев, при этом определяющими критериями подобия являются те, которые имеют существенное значение в изучаемом процессе. Метод эквивалентных материалов позволяет с большой степенью детальности проследить процессы деформирования в толще пород при движении забоя выработки, особенно с разрывом сплошности, что обычно исключено при других методах моделирования. Вследствие этого метод эквивалентных материалов является весьма эффективным, благодаря чему он получил широкое применение при решении различных задач геомеханики.
Моделирование с помощью метода эквивалентных материалов проводится для научного обоснования геомеханических и технологических параметров технологии отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов в сложных горно-геологических условиях системой подэтажного обрушения с выпуском угля в условиях шахты «Киселевская» на примере пласта «Мощный». Характеристика пласта «Мощный»
Пласт Мощный имеет простое строение, представлен одной угольной пачкой мощностью 8.50-9.50 м, средняя мощность 9.25м. В пласте встречаются линзы оолитового сидерита («колчедана», реже алевролита и песчаника). Размеры линз в среднем равны 0.10-0.60x0.80-1.5x1.5-6.0 м.
Уголь пласта Мощного полуматовый штриховато-полосчатый за счет линзочек фюзена, хрупкий, сильно трещиноватый, крепостью 0.6-0.8. Вдоль почвы и кровли пласта прослеживаются пачки мятого угля мощностью соответственно 0.80 ми 1.0 м. Уголь пласта очень слабой устойчивости, а вдоль кровли и почвы пласта склонен к высыпанию, обрушению, вывалам. Допустимая площадь обнажения 3-4 м до 20 мин во времени
Непосредственная и основная кровля пласта Мощного по данным горных работ представлена среднезернистым песчаником, слоистым за счет прослойков мелкозернистого песчаника и алевролита мощностью 0,01-0,1 м. Мощность слоя песчаника 11, 0 м. Породы слабо трещиноватые, весьма устойчивые, крепость по шкале профессора Протодьконова г=6-7. По данным геологоразведочных работ непосредственная кровля может быть представлена прослоями алевролита мощностью 1.2-2.0 м, крепостью f=3-4, трещиноватыми средней устойчивости. Допустимая площадь обнажения 6-7 м до 40 мин во времени.
Непосредственная и основная почва - алевролит с прослойками угля и углистого аргиллита. Прослойки угля имеют мощность 0.10-0.28 м, а углистого аргиллита - 0.20-0.40м. Порода рассланцованная, трещиноватая, крепость f=3, устойчивость от слабой до средней. Мощность слоя равна 15-16,0 м. Допустимая площадь обнажения 5-6м2 до 30 мин во времени.
Основная почва далее представлена переслаиванием алевролита и среднезернистого песчаника с преобладанием первого. Порода трещиноватая, устойчивость средняя, крепость f=4-6. Допустимая площадь обнажения 6-7м до 40 мин во времени. Пласт Мощный относится к угрожаемым по горным ударам и угрожаемым по внезапным выбросам угля и газа. Уголь относится к взрывоопасным по пыли. Уголь пласта весьма склонен к самовозгоранию.
Вмещающие породы являются фрикционноискровзрывоопасными. Природная метаноносность по данным геологоразведочных работ на горизонте ±0.0м - 17м3/т. Обводненность угля и пород низкая 3-5 м3/час.
Средний угол наклона пласта составляет 55. Средняя мощность составляет 9 м.
Исследования проявления горного давления на физических моделях при отработке пласта Мощного в условиях шахты «Киселевская»
Для проведения лабораторных исследований из эквивалентных материалов использовались: 1. Стенд размером 1700x1800x600 мм для формовки плоских моделей из эквивалентных материалов (гипсопесчаных и парафино - песчаных) - большая модель; 2. Смеситель для приготовления гипсопесчаных и парафино - песчаных смесей; 3. Датчики давления типа Д-2 конструкции ВНИМИ для регистрации проявления горного давления в количестве 60 шт.; 4. Модель секции механизированной крепи передвижного штрекового комплекса; 5. Записывающая тензометрическая аппаратура типа СИИТ; 6. Устройство для уплотнения слоев из эквивалентных материалов при формовке моделей; 7. Пневмобаллонная пригрузка; 8. Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01мм-0,001мм в количестве 80 шт.; 9. Тензорезисторы сопротивлением от 100 до 400 Ом в количестве 200 шт. для наклеивания на датчики. Выбор материалов-эквивалентов горных пород с учетом их компрессионных характеристик
При исследовании на моделях из эквивалентных материалов проявления горного давления при использовании технологии разработки крутых и крутонаклонных угольных пластов системой подэтажного обрушения с выпуском угля под защитой механизированной крепи передвижного штрекового комплекса, возникла необходимость подбора материалов-эквивалентов пород кровли для поддержания выработанного пространства с учетом их компрессионных характеристик.
Подбор материалов-эквивалентов осуществляли с помощью компрессионного прибора созданного для материалов-эквивалентов в лаборатории моделирования и физико-механических испытаний горных пород филиала Кузбасского государственного технического университета в г. Прокопьевске.
После нагружения образца до определенной ступени давления можно производить разгрузку также ступенями с измерением величины расширения (упругих деформации) материала-эквивалента, а затем повторную нагрузку. После каждой ступени давления делается выдержка во времени до полной стабилизации усадки. Нарастание усадки при постоянном давлении измеряется через определенные интервалы времени после нагружения (через 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. минут) (рисунок 3.18).
Оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений
В натурных условиях коэффициенты трения пород по почве и кровле пласта составляют ф= 0,6-0,7 [24]. Таким образом, для имитации формирования обрушенных пород в выработанном пространстве на стендах можно использовать каменную соль крупностью 0,5-2 мм (85-90% ), включая куски крупностью 15-25 мм (10-15%), для имитации угля можно использовать уголь крупностью 0,5-2 мм (85-90%), включая куски 15-25 мм (10-15%). Исследование перепуска обрушенных пород для управления кровлей при отработке мощного крутопадающего пласта На данном этапе при изучении кинематики формирования перепускаемых в выработанном пространство обрушенных пород с вышележащих подэтажей определен характер заполнения ими выработанного пространства. На рисунке 4.3 на удалении 7,0 м от очистного забоя центра выпускного отверстия представлены поверхности контуров сформированного закладочного массива в выработанном пространстве. Для других расстояний линий поверхностей можно строить, исходя из их симметричности относительно центра выпускного отверстия.
Характер заполнения выработанного пространства перепускаемыми породами граница заполнения выработанного пространства у кровли пласта; - граница заполнения выработанного пространства у почвы пласта; h3n. - высота не заполненного пространства на линии очистного забоя у почвы пласта; h3K- высота не заполненного пространства на линии очистного забоя у кровли пласта; ап - высота не заполненного очистного пространства в центре выпускного отверстия у почвы пласта; ак - высота не заполненного очистного пространства в центре выпускного отверстия у кровли пласта; Еоп- опережение контура закладочного массива у кровли пласта контура у почвы пласта; хп- угол наклона линии откоса закладочного массива у почвы пласта в нижней части очистного забоя; ак- угол наклона линии откоса закладочного массива у кровли пласта в нижней части очистного забоя.
В этой таблице данные для пластов мощностью 6,0 и 9,0 м получены при расположении выпускного отверстия сечением 2,5х 2,5 м у почвы пласта. В этих условиях заполнение выработанного пространства (особенно при а=50) происходило с большими обнажениями кровли, поэтому для заполнения выработанного пространства при мощности пласта 12,0 м выпускное отверстие располагали у кровли пласта. Это резко улучшило заполнение выработанного пространства, что и подтверждается анализом данных таблицы.
На основании данных приведенных в таблице можно констатировать, что угол наклона перепускаемых в выработанное пространство пород превышает их угол естественного откоса в незамкнутом пространстве (38), и колеблется в пределах от 41 до 55, причем, при мощности пласта ш 9,0м и а 60 движения пород в выработанном пространстве осуществляется преимущественно по почве пласта при отсутствии трения о кровлю, а величина опережения линии заполнения выработанного пространства у кровли пласта 0п изменяется в пределах от 4,6 до 28,5 м по линии простирания пласта на уровне нижележащего подэтажного штрека; при этом, чем больше мощность пласта, тем больше величина оп, а высота обнажения кровли h3K.колеблется от 3,1 до 18,5 м.
Исследования выпуска угля и его взаимодействия с обрушенными породами Имитацию выпуска угля осуществляли после контакта его с закладочным массивом по линии забоя перпендикулярной линии простирания пласта и по линии, наклоненной к линии простирания под углом 41-45. Выпуск осуществляли через отверстия в крепи верхней или задней ограждающей поверхности(рисунок 4.4)
При контакте угля с породным массивом по линии перпендикулярной к линии простирания во время выпуска угля как через отверстия в верхней части ограждения, так и в задней части ограждения закладочный массив уходил вместе с углем, пока угол его движения не достигал 41 -45.
При выпуске угля, расположенного над закладочным массивом, заполнившим выработанное пространство под углом 41-45, движение угля осуществлялось практически без примеси пород по поверхности сформировавшейся перепущенными породами в выработанном пространстве; при этом место расположения выпускного отверстия на ограждении крепи оказывало незначительное влияние, однако, при выпуске через отверстие в задней стенке крепи угля в выработанном пространстве практически не оставалось, по сравнению с выпуском через отверстие в верхней части ограждения.
Для технико-экономического обоснования технологии разработки необходимо определение эффективной области использования технологии с учетом затрат на добычу угля.
Область экономически эффективного применения рекомендуемого варианта технологии при подготовке выемочного участка тремя штреками будет определяться соотношением отпускной цены предприятия на уголь с удельными участковыми затратами и общешахтными затратами. Поскольку общешахтные затраты различаются по разным шахтам, для экономической оценки технологии наиболее информативным являются удельные участковые затраты.
Объемы подготовительных работ постоянны, а объемы подготавливаемых запасов зависят от размеров выемочного участка, соответственно уровень удельных участковых затрат будет существенным образом зависеть от мощности разрабатываемого пласта и наклонной высоты подэтажа.
На рисунке 4.5 приведены зависимости, отражающие влияние мощности пласта и высоты подэтажа на удельные участковые затраты. Также показаны фактические удельные участковые затраты при отработке пластов различной мощности системами, которые на данный момент применяются на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения.
Как видно из рисунка 4.5 увеличение высоты подэтажа h до предельно допустимых значений (30 м) обеспечивает существенное на 10-20 % - снижение затрат по сравнению с высотой подэтажа 22 м.
Мощность пласта оказывает еще более значительное влияние на уровень удельных участковых затрат. Так изменение мощности разрабатываемого пласта с 6 м до 20 м приводит к уменьшению удельных участковых затрат на 15-20%.
Из сравнения удельных участковых затрат рекомендуемой технологии с затратами технологий применяемых на шахтах района установлено, что при отработке пластов различной мощности удельные участковые затраты системы с подэтажным обрушением и выпуском угля ниже, чем при использовании существующих технологий.
Таким образом, при различных уровнях цен на уголь в отработку могут быть вовлечены пласты различной мощности, удовлетворяющие условию эффективного использования по технологическим факторам (т 6 м, а 60), отработка которых в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях является наиболее экономически эффективной.
