Введение к работе
Актуальность работы. Мощные крутые угольные пласты разрабатываются в Кузбассе, на Урале, Дальнем Востоке и о. Сахалин, а также в Средней Азии, Румынии, Болгарии, Франции, Китае, Вьетнаме, Индии, Иране и других странах.
Разработка мощных крутых пластов в отечественной и мировой практике представляет наибольшую сложность. Объясняется это, с одной стороны, весьма сложными горно-геологическими условиями, а именно наличием нарушенное углевмещающего массива, переменными углами залегания и мощностью пластов, наличием слабоустойчивых пачек угля, высокой газообильностью и склонностью угля к газодинамическим явлениям и самовозгоранию.
С другой стороны, разработка крутых пластов сопряжена со сложными производственно-техническими условиями: спецификой управления горным давлением, необходимостью регулирования перепуска обрушенных пород; оставлением технологических целиков и пачек угля, склонного к самовозгоранию; взаимным влиянием отработки сближенных пластов.
Следует отметить, что коэффициент извлечения угля при отработке Прокопьевско-Киселевского месторождения составляет порядка 0,4 - 0,5; с переходом работ на нижележащие горизонты он равнялся: на шахте «Коксовая» - 0,46, им. Ворошилова - 0,42, им. Калинина - 0,46, им. Вахрушева - 0,35, «Тайбинская» - 0,44.
Значительные запасы угля законсервированы в основном в охранных целиках под промплощадками шахт, объектами капитальной застройки г.г. Прокопьевска и Киселевска, железной дорогой. На действующих и отработанных горизонтах действующих и закрытых шахт ООО УК «Прокопьевскуголь» в целиках сосредоточено около 1 млрд.т угля, причем 350 млн.т из них может быть извлечено только с применением закладки выработанного пространства, в том числе 200 млн.т - с гидравлической, 150 млн.т - с твердеющей заКладкой.
Кроме того, при переходе горных работ на большие глубины вследствие сближенности и крутого залегания пластов, высокой угленасыщенности и нарушенности пластов, относительно малой мощности наносов практически вся толща пород и земная поверхность находятся в зоне подработки и интенсивности сдвижения. Дальнейшее применение систем разработки с обрушением кровли весьма проблематичной потребует оставления предо-
'V"
хранительных целиков значительных размеров, что приведет к снижению полноты извлечения угля.
В этих условиях применение закладки выработанного пространства, в том числе твердеющей, позволит обеспечить более полное извлечение угля из недр и расконсервировать значительное количество запасов угля в целиках различного назначения, резко снизить число подземных пожаров, ликвидировать опасные деформации земной поверхности.
В связи с этим исследования, направленные на обоснование параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства отходами горнодобывающих и перерабатывающих предприятий, обеспечивающей повышение эффективности подземной угледобычи в сложных горно-геологических и производственно-технических условиях, являются весьма актуальными.
Целью диссертации является установление зависимостей прочностных характеристик различных составов бесцементных закладочных смесей из отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий от влияющих факторов для обоснования параметров технологии отработки запасов мощных крутых угольных пластов с твердеющей закладкой выработанного пространства, обеспечивающей повышение интенсивности, безопасности и полноты извлечения полезного ископаемого.
Идея работы заключается в обеспечении эффективной и безопасной отработки запасов угольных пластов в сложных горно-геологических и производственно-технических условиях с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах при реализации рациональных пространственно-планировочных и технологических решений за счет применения закладки выработанного пространства отходами промышленных предприятий Кузбасса.
Научные положения, выносимые на защиту:
Методика обоснования параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства отличается учетом специфики горно-геологических и производственно-технических условий ведения подземных горных работ и позволяет объективно формировать пространственно-планировочные и технологические решения, обеспечивающие эффективную и безопасную отработку запасов угольных пластов с минимальными потерями полезного ископаемого в недрах.
Формирование закладочного массива с нормативной прочностью на основе нефелинового шлама и применение предложенного порядка отработки
полос в горизонтальном слое, исключающего монтажно-демонтажные работы, позволяют увеличить нагрузку на очистной забой на 20-25%, повысить полноту извлечения запасов угля на 18-20%, обеспечить безопасность ведения очистных и подготовительных работ.
3. На основе полученных зависимостей предела прочности на одноосное сжатие от времени твердения литых смесей на основе нефелиновых шламов разработана рецептура с расходом вяжущего 290+390 кг/м , активизатора твердения 210 кг/м3, заполнителя 830+930 кг/м3, воды 480+520 л/м3, обеспечивающих составам нормативную прочность не менее 4 МПа при 28-суточном режиме затвердевания.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:
достаточным объемом информации о горно-геологических и производственно-технических условиях освоения запасов участков шахтных полей Прохопьевско-Киселевского месторождения (12 шахт, 54 участка) и об эффективности использования базовых вариантов технологических схем отработки запасов мощных крутых пластов (7 технологических схем);
корректностью использования современных методов исследований при обосновании параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства;
- удовлетворительной сходимостью результатов лабораторно-экспери-
ментальных исследований различных составов бесцементных смесей из отхо
дов промышленных производств с результатами шахтных инструментальных
наблюдений за формированием массива твердеющей закладки в выработанном
пространстве (расхождение не более 10%).
Научная новизна работы:
разработана методика обоснования параметров технологии эффективной и безопасной отработки запасов мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства, отличающаяся учетом специфики взаимодействия боковых пород с закладочным массивом при минимальных потерях угля в недрах;
установлены зависимости предела прочности на одноосное сжатие от времени твердения литых твердеющих смесей при изменении соотношения компонентов бесцементных твердеющих смесей (нефелинового шлама и фторогипса) с различными заполнителями (гранулированным шлаком, золо-шлаковыми отходами, шлаками бытовых и промышленных котельных,
шахтными породами), позволяющими формировать литой бесцементный закладочный массив при отработке мощных крутых угольных пластов.
Научное значение работы заключается в разработке методики обоснования параметров технологии отработки мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства бесцементными материалами из отходов промышленных производств.
Практическое значение работы состоит в разработке «Рекомендаций по повышению эффективности отработки запасов мощных крутых угольных пластов на базе применения закладки выработанного пространства отходами промышленных производств», внедрение которых обеспечивает повышение интенсивности, безопасности и полноты извлечения запасов.
Реализация выводов и рекомендаций. Варианты технологических схем отработки запасов мощных крутых угольных пластов с закладкой выработанного пространства отходами горнодобывающих и перерабатывающих предприятий использованы при составлении программ развития горных работ на шахтах ОАО «УК Прокопьевскуголь».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение:
на научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, 2008-2010),
научно-техническом совете НПО УК «Прокопьевскуголь» (Прокопьевск, 2009),
научных семинарах кафедры ПРПМ Московского государственного горного университета (Москва, 2008-2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 28 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 87 наименований.
Автор выражает благодарность за консультации при выполнении диссертации доктору технических наук, профессору Мельнику В.В., доктору технических наук, профессору Сенкусу В.В. и кандидату технических наук Горшкову A.M., сотрудникам кафедры ПРПМ МГГУ, а также инженерно-техническим работникам НПО УК «Прокопьевскуголь» за ценные замечания и рекомендации.
