Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и перспективы отработки участков угольных пластов в бортах разрезов 9
1.1 Анализ мирового опыта выемки угля в бортах открытых горных выработок комплексами, не требующими присутствия людей в очистном забое 9
1.2 Горно-геологические условия и предпосылки применения технологии выемки угольных пластов с использованием комплексов глубокой разработки пластов 21
1.3 Направления совершенствования технологии выемки угольных пластов с использованием комплексов глубокой разработки пластов 30
2. Шахтные исследования влияния горно геологических и горнотехнических факторов на технико-экономические показатели очистных работ на разрезе «РАСПАДСКИЙ» 38
2.1 Горно-геологические и горнотехнические условия выемки угля комплексами глубокой разработки пластов на разрезе «Распадский» 38
2.2 Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на потери полезного ископаемого и производительность очистных работ 47
2.2 Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на потери полезного ископаемого и производительность очистных работ 47
3. Исследование напряженно - деформированного состояния горного массива при выемке угля комплексом глубокой разработки пластов 65
3.1 Анализ основных методов и методик определения устойчивых пролетов камер и прочных размеров целиков 65
3.2 Результаты исследований влияния различных горнотехнических ситуаций на напряженно-деформированное состояние массива 89
3.3 Проявления горного давления в очистных выработках при отработке угольных пластов с использованием КГРП 100
3.4 Устойчивость кровли камер и потолочин 111
4. Оценка влияния параметров дизъюнктивных нарушений на полноту выемки угля комплексом глубокой разработки пластов 115
4.1 Анализ геологической нарушенности пологих и наклонных угольных пластов Кузбасса 115
4.2 Исследование влияния дизъюнктивных геологических нарушений на параметры очистных работ КГРП 124
4.3 Расчет геомеханических параметров нарушенной»зоне 131
5. Рекомендации по рациональным схемам развития горных работ в условиях разреза «РАСПАДСКИЙ» 137
5.1 Рекомендуемые технологические схемы и их параметры 137
5.2 Рекомендуемые схемы развития* горных работ и схемы расположения очистных камер относительно борта разреза 143
5.3 Технико-экономическая оценка рекомендуемых схем развития горных работ 155
Заключение 164
Список литературы 165
Приложение 181
- Горно-геологические условия и предпосылки применения технологии выемки угольных пластов с использованием комплексов глубокой разработки пластов
- Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на потери полезного ископаемого и производительность очистных работ
- Результаты исследований влияния различных горнотехнических ситуаций на напряженно-деформированное состояние массива
- Исследование влияния дизъюнктивных геологических нарушений на параметры очистных работ КГРП
Введение к работе
Актуальность работы. Перспективным направлением развития горнопромышленных районов Российской Федерации является выемка запасов угля, ранее не отрабатываемых традиционными технологиями. Отработка данных запасов не ведется подземным и открытым способами добычи по факторам «безопасность» или «экономическая целесообразность». Только в Кузнецком бассейне по этим причинам отнесены к забалансовым запасам и потерям десятки миллионов тонн углей ценных марок, находящихся в непосредственной близости от земной поверхности.
К этой категории относятся запасы в бортах угольных разрезов, не отработанные в связи с уменьшением мощности угольных пластов и высоким коэффициентом вскрыши; в барьерных целиках технологического назначения между карьерными и шахтными полями; в целиках, оставляемых в местах крупных геологических нарушений; месторождений с небольшими размерами, отработка которых подземным или открытым способами экономически не целесообразна.
Выемка таких запасов может быть высокорентабельной при небольших капиталовложениях и малых сроках окупаемости затрат, за счет использования ранее созданной инфраструктуры.
Как показывает анализ зарубежного опыта и специфики горно-геологических и горнотехнических условий, указанные запасы угля наиболее эффективно могут быть отработаны комплексами глубокой разработки пластов (КГРП).
КГРП по сравнению с другими технологиями: механогидравлической, гидромониторной, буровой, бурошнековой имеют ряд преимуществ - высокий уровень безопасности ведения работ и производительности труда, низкие эксплуатационные затраты и потери угля, более широкая область применения.
Решению задачи повышения эффективности разработки участков, прилегающих к бортам разрезов, посвящено большое число научных работ, выполненных ИГД им. А.А. Скочинского, СПГГИ(ТУ), НТЦ-НИОГР, ВНИМИ, СибГИУ, КузНИУИ и другими организациями. Однако практический опыт применения КГРП, являющегося дорогостоящим оборудованием, показывает, что горные предприятия не полностью используют технические возможности данного комплекса. При этом достигнутые технико-экономические показатели работы КГРП: длина очистных камер, производительность КГРП, себестоимость угля, как правило, существенно отличаются от расчетных значений.
Все это определяет актуальность работы по обоснованию схем подземной выемки угля в бортах разрезов с использованием комплексов глубокой разработки пластов.
Цель работы. Повышение технико-экономических показателей очистных работ и снижение потерь при выемке угля в бортах разрезов с использованием комплексов глубокой разработки пластов (КГРП).
Идея работы. Направления развития фронтов горных работ, последовательность отработки очистных камер и их ориентацию относительно борта разреза необходимо принимать на базе предварительно полученной информации о параметрах и расположении геологических нарушений в пределах выемочного участка.
Основные задачи исследований:
1.Оценка степени влияния геологических и горно-технических факторов на технико-экономические показатели работы комплексов глубокой разработки пластов.
2.Исследования проявлений горного давления в очистных камерах при отработке угольных пластов с использованием КГРП.
3.Разработка методики определения рациональных параметров технологических схем при ведении очистных работ в зоне влияния геологических нарушений.
4.Разработка классификации непереходимых дизъюнктивных геологических нарушений.
5.Разработка патентоспособных технологических схем выемки угольных пластов, прилегающих к бортам разреза, с использованием КГРП.
6.Определение области рационального применения технологии угледобычи комплексами глубокой разработки пластов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение опубликованных в горнотехнической литературе данных по проблеме отработки угольных пластов, прилегающих к бортам разрезов, с использованием различных технологий добычи; шахтные исследования процессов деформирования и разрушения целиков, обрушений кровли очистных камер; математическое моделирование напряженно-деформированного состояния горного массива для различных горно-технических ситуаций.
Научная новизна:
1. Установлены зависимости продолжительности простоев КГРП и среднесуточных объемов добычи от амплитуды вертикальных смещений пласта в местах дизъюнктивных геологических нарушений, расстояния от борта разреза до геологического нарушения и угла между очистной камерой и бортом разреза.
2. Установлены оптимальные направления развития фронтов очистных работ от типов геологических нарушений, расположенных в пределах отрабатываемых участков.
Основные защищаемые положения:
1. Основными причинами случайных простоев КГРП, снижения длины очистных камер и среднесуточных объемов добычи являются дизъюнктивные геологические нарушения типа взбросов, сбросов и надвигов. С данным фактором связано до 80% случайных простоев КГРП от общего их количества, 40-50% и более снижения производительности КГРП.
2. Направления развития фронтов горных работ и последовательность отработки очистных камер необходимо принимать с учетом величин амплитуд вертикальных смещений пласта в местах дизъюнктивных геологических нарушений и расположения этих нарушений относительно борта разреза.
3. К числу основных требований при проектировании технологических схем отработки пластов с использованием КГРП следует относить создание в процессе ведения работ горно-технических ситуаций, обеспечивающих максимально возможную среднюю длину очистных камер. Выполнение данного требования в условиях разреза «Распадский» позволяет снизить эксплуатационные потери угля в 1,2 – 1,7 раза и увеличить среднесуточные объемы добычи на 20 - 50%
Практическая значимость работы:
Установлена степень влияния геологических нарушений на основные параметры технологической схемы с использованием КГРП – величину устойчивого пролета очистных камер, ширину междукамерных и блоковых целиков.
Разработана классификация непереходимых дизъюнктивных геологических нарушений и рекомендованы рациональные схемы развития горных работ относительно борта разреза и непереходимых дизъюнктивных геологических нарушений.
Разработан патентоспособный способ выемки угольных пластов позволяющий повысить в 1,4 - 1,7 раза производительность труда, снизить на 40-50% потери угля в междукамерных и блоковых целиках, обеспечить безопасность ведения очистных работ
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций. Достоверность защищаемых положений, основных выводов и рекомендаций подтверждается представительностью и надежностью исходных данных, значительным объемом статистических данных за 2005-2007 гг. о влиянии горно-геологических условий на технико-экономические показатели работы КГРП, соответствием расчетных качественных и количественных характеристик исследуемых процессов результатам, полученным при проведении натурных наблюдений, включающих их экспертную оценку специалистами ЗАО «Разрез Распадский» и других научных организаций; использованием современных апробированных методов исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на ежегодных научных конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2006 г., 2007 г., 2008 г.); 5-ой международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2007 г.); научном симпозиуме «Неделя горняка - 2008» (МГГУ, г. Москва); научных семинарах кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых», СПГГИ (ТУ).
Личный вклад автора. Сбор, анализ и обобщение результатов ранее выполненных исследований, сформулированы задачи исследований, разработана методика и проведены шахтные и аналитические исследования, выполнена обработка и интерпретация полученных результатов, сформулированы основные защищаемые положения и выводы, разработаны практические рекомендации.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 8 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 188 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 133 источников, включает 70 рисунков и 12 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за постоянное внимание к данной работе, помощь в определении общей идеи работы, направлений исследований и интерпретации полученных данных; техническим работникам ЗАО «Разрез Распадский» за помощь в сборе исходной информации и проведении шахтных исследований; сотрудникам кафедры РМПИ за полезные замечания, ценные советы и техническую помощь при выполнении работы.
Горно-геологические условия и предпосылки применения технологии выемки угольных пластов с использованием комплексов глубокой разработки пластов
Открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых является наиболее безопасным и экономичным, что обуславливает его широкое применение, как в российской, так и мировой горной промышленности. Однако сырьевая база основных угольных бассейнов Российской Федерации характеризуется высокой степенью отработки наиболее технологичных запасов и устойчивыми тенденциями увеличения глубины ведения горных работ. В связи с этим становится неизбежным рост текущего коэффициента вскрыши, и соответственно производственных издержек горных предприятий.
В работе [74] авторы отмечают, что во многих угольных бассейнах страны, где применяют открытую разработку, имеются значительные запасы угля в пластах мощностью от 0,5 до 3,5 м за контурами разрезов. Разработку таких запасов открытым способом не производят из-за малой мощности угольных пластов, большой мощности породных прослойков и высокого коэффициента вскрыши.
Когда коэффициент вскрыши достигает своего граничного значения, разработка месторождения открытым способом прекращается. При этом, как правило, в недрах остаются большие запасы угля. Этот факт, наряду с наличием инженерной и транспортной инфраструктуры, казалось бы, создает все предпосылки для продолжения эксплуатации месторождения. Однако в России до последнего времени отсутствовали технологии, которые позволили бы экономично и эффективно извлечь остаточные запасы угля.
По данным авторов [101] ориентировочные подсчеты показали, что запасы угля в пластах мощностью от 0,5 до 3,5 м для отработки их комплексами с поверхности по падению до 500 м на детально разведанных участках карьерных полей Кузбасса составляют около 1,2 млрд. тонн. Также в работе [12] отмечается, что разрезы «Моховский», «Байдаевский», «Красногорский», «Колмогоровский» и некоторые другие в Кузбассе имеют пласты мощностью от 2,5 до 5,5 м, которые уже отработаны на глубину 60 - 80 м и дальнейшая их выемка открытым способом приостановлена из-за низкой рентабельности. Выемка данных запасов подземным способом не ведется из-за низких показателей, обусловленных большими объемами горнопроходческих работ, необходимостью работы значительного количества людей в подземных условиях, большими затратами на поддержание и проветривание выработок, и различные вспомогательные работы. Большинство из перечисленных недостатков можно нейтрализовать за счет использования для доработки оставленных запасов комплексов глубокой разработки пластов (КГРП), которые уже на протяжении нескольких десятилетий применяются за рубежом.
Сущность технологии разработки угольных месторождений с использованием КГРП представлена на рисунке 1.9.
Основным преимуществом данной технологии является ее способность легко адаптироваться к условиям залегания и пространственное расположение ограниченных запасов угля, не приемлемых к выемке при помощи открытого и подземного способов разработки месторождений полезных ископаемых. Применение КГРП позволяет устранить недостатки и использовать преимущества традиционных открытого и подземного способов разработки. При этом открытые работы обеспечивают доступ с дневной поверхности к пласту и транспортирование угля, подземные - выемку пласта КГРП, не требующим присутствия людей в очистном забое. Комплексы глубокой разработки пластов (рисунок 1.10) являются полностью автономной, высокопроизводительной и безопасной системой угледобычи, позволяющей осуществлять полностью механизированную безлюдную подземную разработку угольных пластов с дневной поверхности, исключающую присутствие людей в очистном забое.
Влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на потери полезного ископаемого и производительность очистных работ
«Разрез Распадский» входит в группу предприятий единого территориально-производственного угольного комплекса ОАО «Распадская», включающую добывающие предприятия - шахту «Распадская», шахту ОАО «МУК-96», строящуюся шахту ЗАО «Распадская Коксовая», обогатительную фабрику ЗАО «ОФ «Распадская», а также предприятия транспортной и производственной инфраструктуры. Инфраструктура разреза «Распадский» объединена с инфраструктурой основного производства шахты «Распадская». Большая часть технической и административной базы используется совместно с шахтой. С каждым годом доля разреза «Распадский» в общем объеме добычи угля ОАО «Распадская» повышается, если в 2004 году эта доля составляла 6,9%, то в 2007 год достигла 21% (рисунок 2.5) и в следующие годы планируется ее увеличение. В тоже время увеличение добычи угля разрезом «Распадский» в первую очередь связано не с увеличением добычи КГРП, как планировалось при строительстве разреза, а с перераспределением добычи на разрезе в пользу открытых горных работ по сравнению с КГРП (рисунок 2.6). Самый высокий уровень добычи КГРП на разрезе «Распадский» был достигнут в 2005 году (рисунок 2.6) и составил 610 тыс. тонн, в последующие годы наблюдалось снижение объемов добычи до 339 тыс. тонн по итогам работы в 2007г. Разрез «Распадский» строился с целью отработки запасов угля, добыча которых в России признана невозможной или неэффективной, при минимальной землеемкости производства. Предполагалось, что роль открытой добычи в работе разреза будет незначительной. На практике же все оказалось наоборот, объемы добычи открытым способом росли, а добыча КГРП падала. Если в первый год эксплуатации комплексов глубокой разработки пластов (КГРП №28 и КГРП №29) на разрезе доля добычи КГРП в общем объеме производства составляла 21
При этом в первоначальные проекты эксплуатации КГРП на разрезе «Распадский» закладывались объемы добычи одним комплексом на уровне 1,2-1,5 млн. тонн в зависимости от горно-геологических условий. Причинами снижения объемов добычи КГРП и громадных различий с проектными показателями является то, что технология добычи угля комплексами глубокой разработки пластов является новой для России, поэтому мало изученными остаются вопросы подготовки фронтов работ, определения параметров системы разработки, управления геомеханическими процессами и моментами остановки добычных работ в камере, обеспечивающими эффективность и безопасность ведения горных работ. Уже на стадии подготовки рабочих площадок для КГРП появились объективные причины в увеличении объемов открытых горных работ и внесения в ранее утвержденные проекты ведения очистных работ определенных корректировок. При подготовке площадок для КГРП при достижении открытыми горными работами проектного контура выяснилось, что в кровле добычных выработок преобладают выветрелые породы, не обеспечивающие устойчивость выработок. В связи с этим для обеспечения безопасной работы КГРП требовалось разнесение бортов траншей до достижения коренных пород над пластом. Также при ведении добычных работ КГРП были выявлены новые многочисленные нарушения, которые не учитывались при проектировании параметров очистных камер и направлений развития фронтов горных работ. В местах развития нарушений наблюдались интенсивная трещиноватость, раздробленность, перемятость угля и пород кровли. Все это приводило к тому, что не выдерживались проектные длины очистных выработок, размеры целиков, происходили обрушения бортов разреза (рисунок 2.8) и кровли очистных камер (рисунок 2.9). Вследствие чего снижались технико-экономические показатели работы разреза.
Результаты исследований влияния различных горнотехнических ситуаций на напряженно-деформированное состояние массива
Опыт использования КГРП показывает, что размеры междукамерных и блоковых целиков, принимаемых на практике, как правило, больше величин, рассчитанных с использованием известных методик. В настоящее время в горнотехнической литературе отсутствует обоснование данному о бстоятельству. С целью определения оптимальных параметров междукамерных и блоковых целиков рассмотрим наиболее важные факторы, влияющие на параметры этих целиков. Методика расчета этих параметров учитывает следующие основные геологические и горнотехнические факторы: - глубина работ, угол падения пласта, строение и нарушенность массива; - прочностные свойства пород массива основной и непосредственной! кровли отрабатываемых угольных пластов; - прочностные и упруго-пластические свойства угольного массива; - интенсивность трещиноватости угольного массива; - наличие слабых слоев и пластичных прослоев в угольном пласте; - наличие слабых контактов по основаниям целиков; - срок службы целиков (длительность воздействия нагрузки); - соотношение ширины целика к его высоте; - форма контура целика; - взаимное расположение выработок, положение их относительно границ очистных работ и элементов залегания пород; - скорость, последовательность и технология проведения выработок; - мощность налегающей на целик толщи пород и др. Рассмотрим механизм и степень влияния этих факторов на параметры целиков. Основной характеристикой прочности, используемой при расчете параметров целиков, является сопротивление массива пород и угля одноосному сжатию. При сложном строении отрабатываемых угольных пластов несущая способность целиков уменьшается за счет наличия разнопрочных слоев или пластичных прослоев, характеристики сопротивления одноосному сжатию которых и угля различны, при этом имеет значение их расположение по высоте целика, количество и мощность. При наличии слабого прослоя, например, в центральной части целика, предельное напряжение состояния наступает только в краевой части прослоя, ограниченной зоной Прандтля, за которой и прочные слои также находятся в предельном напряженном состоянии. Результаты исследований ВНИМИ, приведенные в работе [102], показали, что чем больше мощность прослоя и меньше его прочность (Ro6P), тем в большей степени снижается несущая способность целика. Если целик состоит из нескольких разнопрочных слоев, то берутся два верхних разнопрочных слоя и вычисляются необходимые показатели. Затем рассматриваются эти два слоя как один и сопоставляются с третьим слоем с вычислением для них характеристик. Полученная новая толща из трех слоев со своими расчетными характеристиками сопоставляется с четвертым слоем. Переходя от слоя к слою сверху вниз по всей высоте целика, получаем искомую величину прочности неоднородного целика. Горные, породы, как и другие - материалы, обладают свойствами ползучести, определяемой их способностью деформироваться во времени при неизменном действии внешней нагрузки. В связи с этим свойством несущая способность оставляемых целиков между соседними выработками уменьшается во времени за счет уменьшения характеристик прочности пород. Определение параметров длительной прочности пород рекомендуется производить следующим образом.
Исследование влияния дизъюнктивных геологических нарушений на параметры очистных работ КГРП
Особенностью работы комплексов глубокой разработки пластов в зоне нарушения является резкое изменение горнотехнических условий очистных работ, в результате чего ухудшаются условия ведения горных работ и значительно увеличиваются потери угля. Опыт использования КГРП показывает, что при выемке нарушенных угольных пластов встречаются в основном три вида осложнений: наличие зоны ослабленных пород, необходимость присечки боковых пород и нарушение прямолинейности многозвенного транспортера комплекса. Выемка нарушенных пластов осуществляется по двум основным технологическим схемам: - в зоне нарушения оставляют целик угля и очистное оборудование перемонтируют во вновь подготовленный забой; - переход нарушения очистными работами. От технологической схемы зависит уровень потерь угля. Выделяют следующие группы потерь из-за разрывных нарушений: 1) по площади (в целиках); 2) по мощности. Потери по площади устанавливаются путем перемножения площади целика на фактическую полезную мощность и объемный вес угля в целике. Потери по мощности подсчитываются путем сопоставления средних значений полной полезной мощности пласта с вынимаемой мощностью. Анализ опыта разработки нарушенных пластов показывает, что основными факторами, осложняющими горные работы, являются количество геологических нарушений, устойчивость боковых пород и угольного массива, их физико-механические свойства, амплитуда смещения пласта, угол встречи нарушения с очистным забоем и угол падения плоскости сместителя. Сопутствующими факторами, осложняющими нарушения, могут быть обводненность и газообильность. В зоне" нарушения наблюдается снижение устойчивости боковых пород, так как при подходе к геологическому нарушению увеличивается трещиноватость массива, уменьшаются размеры отдельностей пород и угля, связи между ними ослабляются. Основным параметром, характеризующим нарушение, является амплитуда смещения пласта, от которой зависит зона влияния тектонических нарушений и объем присекаемых пород. В зависимости от амплитуды смещения пласта изменяется траектория движения очистного оборудования. Одна и та же амплитуда смещения по-разному оказывает влияние на ведение горных работ на тонких и средней мощности пластах. Угол встречи плоскости нарушения с линией очистного забоя зависит от принятого способа подготовки фронта очистных работ и направления прохождения очистных камер. От угла встречи зависит продолжительность отработки нарушенного участка. В исследованиях многих ученых проведенных в натурных и лабораторных условиях, отмечается изменение напряженного состояния в районе тектонических нарушений [3,15,25,37,55-56]. Что в свою очередь влияет на неблагоприятное проявление горного давления, сопровождающееся внезапными выбросами угля и газа, горными ударами, обрушением неустойчивых пород кровли и т.д. Поэтому для обоснования и выбора параметров эффективной отработки нарушенных пластов с использованием КГРП необходим прогноз напряженного состояния массива горных пород в зоне нарушения описывающий взаимосвязь геомеханических и технологических процессов. Уменьшение крепости угля в зоне влияния нарушений - общая закономерность для нарушений любых порядков. Независимо от амплитуды разрыва в области его влияния крепость угля уменьшается в несколько раз. Для каждого разрывного нарушения характерно наличие зоны влияния, в пределах которой отмечено развитие аномальной (содизъюнктивной) трещиноватости, понижение прочности угля, повышение проявлений горного давления, изменение устойчивости пород кровли и усиленный, отжим угля. Эти факторы являются причиной возрастания интенсивности проявления горного давления в зонах разрыва и резкого ухудшения условий выемки угольного пласта, поэтому для рациональной и безопасной отработки нарушенных участков необходимо знать ширину ослабленных зон. Ширину зоны пониженной крепости горных пород вблизи разрыва определяется на основе изучения физико-механических свойств угля и боковых пород и сопоставления ширины этой зоны с амплитудой смещения крыльев дизъюнктивного нарушения.
