Введение к работе
Актуальность работы. Подземная отработка пологих
угольных пластов с использованием современных
высокопроизводительных очистных механизированных комплексов характеризуется интенсивным развитием горных работ. Подвигание очистных забоев с высокой скоростью в ряде случаев приводит к формированию трещин и провалов на земной поверхности даже при значительной глубине разработки. Особую актуальность вопросы, связанные с обеспечением сохранности земной поверхности, приобретают при отработке свит сближенных пластов.
Решению задач обеспечения эффективной разработки пластов с учетом влияния применяемых технологий на подрабатываемые горные массивы и земную поверхность посвящены работы С.Г. Авершина, А.А. Борисова, В.И. Борщ-Компанейца, В.Н. Гусева, С.Н. Зеленцова, В.П. Зубова, М.А. Иофиса, О.В. Ковалева, А.Б. Макарова, В.М. Шика, М.Г. Мустафина, В.П. Земисева, А.С. Ягунова, С. Пенга и др. В соответствии с действующими отраслевыми нормативными документами, формирование трещин и провалов на земной поверхности исключается при глубинах разработки, превышающих 20-кратную вынимаемую мощность угольного пласта. Вместе с тем, практика ведения подземных горных работ показывает возможность их формирования при ведении очистных работ и на гораздо больших глубинах, делая процесс сдвижения непредсказуемым и опасным.
Так, на шахте им. А.Д. Рубана (до 2012 г. шахта «Красноярская») ОАО «СУЭК-Кузбасс» непрогнозируемые в соответствии с действующими нормативными документами трещины и провалы на поверхности возникли при ведении горных работ на глубине 250 м, что почти в 100 раз превышает мощность отрабатываемого пласта. Это свидетельствует о несовершенстве действующих нормативных методик, необходимости определения рациональных параметров технологических схем и способов управления состоянием массива, исключающих или минимизирующих влияние подземных горных работ на сооружения и природные объекты. В то же время, оставление угля в целиках для
охраны поверхности формирует ущерб от потерь, размеры которого возрастают с увеличением цены на уголь. Поскольку на шахтах Кузбасса подземным способом в один слой отрабатываются пологие угольные пласты мощностью от 1,1 м до 6 м, подрабатываемые земельные участки составляют сотни квадратных километров и включают не только сельскохозяйственные земли, но и инфраструктурные объекты, вопросы сохранения эффективности подземной угледобычи при обеспечении охраны земной поверхности являются актуальными практически для всех шахт.
Цель работы. Обоснование параметров эффективных технологий отработки сближенных пластов в условиях вредного влияния горных работ на земную поверхность.
Идея работы. При использовании систем разработки длинными столбами для снижения вредного влияния отработки сближенных пластов на земную поверхность межстолбовые целики на пластах необходимо располагать в шахматном порядке.
Основные задачи исследований:
1. Анализ и обобщение мирового опыта применения
технологий интенсивной отработки пластов в условиях вредного
влияния горных работ на земную поверхность.
2. Определение влияния основных горно-геологических и
горнотехнических факторов на характер и интенсивность смещений
земной поверхности при отработке сближенных угольных пластов
на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».
3. Оценка влияния технологических параметров отработки
сближенных угольных пластов на напряженно-деформированное
состояние подработанного массива в условиях шахт ОАО «СУЭК-
Кузбасс».
4. Исследование методом физического моделирования
процесса формирования и развития трещин на земной поверхности
при последовательной отработке сближенных пластов длинными
столбами.
5. Разработка критерия выбора технологических схем
отработки свит пологих угольных пластов в условиях вредного
влияния подработки на земную поверхность.
6. Выбор и обоснование параметров технологии интенсивной подземной отработки угольных пластов на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс», обеспечивающих эффективность угледобычи и снижение вредного влияния подработки на земную поверхность.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод, включающий анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблеме снижения влияния подземных горных работ на земную поверхность при интенсивной отработке свит пластов; натурные наблюдения за процессами оседания земной поверхности в зонах подработки; натурные исследования геологического строения покрывающей толщи методом аудиомагнитотеллурического зондирования; экспериментально-аналитические исследования с использованием методов механики сплошной среды; физическое моделирование на эквивалентных материалах.
Научная новизна:
Установлены условия, при выполнении которых происходит смыкание трещин и провалов на земной поверхности, сформированных при отработке первого из сближенных пологих пластов длинными столбами.
Установлена зависимость между ущербом от потерь угля и затратами на рекультивацию поверхности от различных параметров систем разработки пластов для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Основные защищаемые положения:
-
Применение систем разработки пологих угольных пластов длинными столбами с оставлением между смежными участками неразрушаемых целиков угля не исключает возможности возникновения разрывов земной поверхности и провалов при ведении горных работ на глубинах, существенно превышающих 20-кратную вынимаемую мощность пласта.
-
При отработке сближенных угольных пластов длинными столбами с оставлением целиков между смежными участками существенное снижение степени нарушенности земной поверхности трещинами и провалами, вызванными ведением очистных работ по первому пласту, достигается при расположении целиков на пластах
в шахматном порядке и размерах целиков, исключающих их разрушение горным давлением.
3. Использование рекомендуемых схем подготовки и отработки сближенных пластов, предусматривающих расположение межстолбовых целиков в шахматном порядке, позволяет для условий шахт ОАО «СУЭК-Кузбасс» минимизировать величину ущерба, включающего затраты на рекультивацию поверхности, восстановление подработанных объектов, а также стоимость запасов полезного ископаемого, теряемых в результате применения горных мер защиты поверхности.
Практическая значимость работы:
Установлено, что наличие мощных прочных слоев песчаника в покрывающей толще является основным фактором, определяющим характер деформаций поверхности при глубинах разработки, превышающих 20-кратную мощность пласта при использовании системы разработки длинными столбами с оставлением между выемочными участками неизвлекаемых ленточных целиков.
Определены технологические условия смыкания сформированных трещин и провалов на поверхности при последовательной отработке пологих угольных пластов в свите на шахтах ОАО «СУЭК-Кузбасс».
Предложен критерий выбора параметров технологических схем отработки пластов в условиях вредного влияния подработки на земную поверхность.
Разработаны методические рекомендации по выбору параметров технологических схем отработки пластов в условиях вредного влияния подземных горных работ на земную поверхность.
Достоверность и обоснованность научных положений и
рекомендаций. Достоверность защищаемых положений, основных
выводов 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 Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горняка - 2012» (Москва, 2012 г.), заседаниях научно-технического совета ОАО «СУЭК-Кузбасс» (2012-2013 гг.); 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 и проведены экспериментально-аналитические, лабораторные (физическое моделирование) и натурные исследования, обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 4 печатных работах, из них 4 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 153 страницы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 источников, двух приложений, включает 69 рисунков и 9 таблиц.
