Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния изученности вопроса и обоснование задач и методов исследования 7
1.1 Обзор и перспективы отечественного и зарубежного опыта 7
1.2. Особенности геологического строения Липовецкого месторождения 11
1.3 Современное состояние оптимизации технических и технологических решений для угольных шахт 17
1.4 Анализ применяемых технологий на Липовецком месторождении 23
1.5 Цель, задачи и методы исследований 29
Выводы 36
Глава2. Установление особенностей проявления горного давления в окрестности очистных и подготовительных выработок 38
2.1 Влияние природных факторов на разработку угольных пластов 38
2.2 Состояние горных работ на участке «Восточный-2» и обоснование новой горно-технологической структуры участка 42
2.3 Определение тяжести проявлений горного давления в лавах с механизированной крепью и обоснование выбора крепи 43
2.4 Оценка механического состояния породных массивов в окрестности подготовительных выработок 52
2.5 Выбор оптимальных параметров сечения выработок 59
2.6 Проявление горного давления в выемочных штреках 62
Выводы 69
Глава 3. Обоснование технологических решений для отработки пластов Липовецкого месторождения 71
3.1 Выбор схемы подготовки и целесообразность раскройки шахтного поля 71
3.2 Обоснование вынимаемой мощности пласта 74
3.3 Обоснование забойного оборудования и параметров крепи усиления выемочных штреков 80
3.4 Разработка параметров и технологии проведения подготовительных выработок 85
Выводы 98
Глава4. Экономическая эффективность от внедрения рекомендаций 99
Выводы 102
5. Заключение 103
6. Литература 105
7. Приложения 109
- Особенности геологического строения Липовецкого месторождения
- Анализ применяемых технологий на Липовецком месторождении
- Состояние горных работ на участке «Восточный-2» и обоснование новой горно-технологической структуры участка
- Обоснование вынимаемой мощности пласта
Введение к работе
Актуальность работы Отсутствие спланированной технической политики в угольной отрасли Приморского края, стратегических ориентиров развития и занижение роли местного угля в топливно-энергетическом комплексе края привели к глубокому кризису ТЭК. Имея местное значение и малые мощности, ограниченные рынком сбыта, угледобывающие предприятия Приморья (в том числе шахтоуправление Липовецкое) своевременно технически не оснащались, а сохранившиеся предприятия продолжают работать по устаревшим технологиям добычи и переработки угля. Несоответствие организационных и технологических систем новым экономическим условиям привело к закрытию ряда угледобывающих предприятий и резкому снижению объемов добычи на действующих шахтах и разрезах.
Следует отметить, что Липовецкое месторождение недостаточно изучено в вопросах геологии, геомеханики и геотехнологии, что не позволяет эффективно производить добычу угля подземным способом, а открытый способ подошел к граничным коэффициентам вскрыши (как и на большинстве месторождений Приморья) и становится экономически не целесообразным.
Продолжающаяся разработка Липовецкого месторождения по старым технологиям привела предприятие к тому, что цена на уголь стала не конкурентна в сравнении с привозными каменными углями, и значительно возросли потери при добыче угля (на 1.5-3%).
На основании выше изложенного «Липовецкая Гидрошахта Экспериментальная» стало единственным предприятием в Приморье по добыче каменного угля (остальные все закрыты или в стадии ликвидации) и имея значительные промышленные запасы угля для подземной отработки болееЮ млн. тонн, не может на сегодня удовлетворить потребности края в каменном угле. Поэтому разработка новых технических и технологических решений по повышению эффективности работы угледобывающих предприятий края подземным способом с вовлечением в отработку имеющихся разведанных запасов угля является одной из главных задач, решение которой обеспечит стабилизацию угольной отрасли края и в связи с этим тема настоящего исследования является актуальной.
Цель работы На основе исследований горно-геологических и геомеханических условий и особенностей залегания угольных пластов и вмещающих пород Липовецкого месторождения и изучения их физико -механических свойств. Разработать технические и технологические решения для подземной отработки угольных месторождений Приморья с целью повышения эффективности ведения горных работ за счет сокращения потерь угля и уменьшения затрат на его добычу.
Идея работы Заключается в использовании выявленных в процессе исследований закономерностей геомеханических свойств угольных пластов и вмещающих пород в технологических решениях подготовительных и очистных работ и обоснование перехода от открытого способа добычи угля к подземному.
Задачи исследований: L Изучение горно-геологических условий и особенностей залегания угольных пластов и вмещающих пород и их физико-механических свойств.
2. Оценка состояния вопроса оптимизации технических и технологических решений для угольных шахт и анализ применяемых технологий на Липовецком месторождении.
Установление закономерностей формирования геомеханических процессов в окрестности очистных выработок с охватом всех природных условий угольных пластов и вмещающих пород и обосновать выбор очистного оборудования.
Исследование геомеханического состояния породных массивов в окрестности подготовительных выработок и разработка конструкции крепей с минимальными затратами на их возведение и поддержание.
5. Разработка технологических схем на ведение очистных и подготовительных работ с уменьшением материальных и трудовых затрат на добычу угля.
В качестве объекта исследования было выбрано Липовецкое месторождение каменного угля, являющееся типичным геологическим образованием при разработке месторождений каменных углей Приморья.
При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта, производственного эксперимента и прогнозирования.
Научные положения, представленные к защите:
Результаты исследований геомеханического состояния породных массивов, обеспечивающие выбор оптимальных параметров сечения и крепления выработок и их сохранения для повторного использования.
Комплекс технологических решений, заключающийся в разработке рациональных схем подготовки и раскройки шахтных полей, параметров и технологии проведения и крепления подготовительных выработок, позволяющий обеспечить снижение материалоемкости и трудоемкости очистных и подготовительных работ.
3. Методика выбора эффективной механизированной крепи для данных горно-геологических условий, позволяющая увеличить нагрузку на очистной забой.
Научная новизна
Установлены закономерности проявления горного давления и зоны его стабилизации в окрестности очистных работ, на основе которых определены места установки крепи усиления по выемочным штрекам, что обеспечивает их сохранность для повторного использования на Липовецком месторождении.
Разработан критерий выбора типа механизированной крепи для подземных условий Липовецкого месторождения, характеризующий показатель тяжести проявлений горного давления и критическую скорость опускания системы «крепь - кровля».
3. Установлены закономерности взаимодействия пород с крепью подготовительных выработок и целесообразность применения облегченных видов крепей.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: представительным объемом статистической информации и экспериментальных данных; удовлетворительной сходимостью прогнозных и фактических данных при доверительной надежности около 0,8-0,85%; положительными результатами внедрения в производство отдельных технических и технологических решений;
Практическая ценность работы
Разработаны технологические схемы очистных и подготовительных работ для условий Липовецкого месторождения, позволяющие комплексно решать вопросы механизации основных производственных процессов и повышать технико-экономические показатели работы шахт.
Обоснован мотивированный подход к определению необходимого удельного сопротивления механизированной крепи в зависимости от нагрузочных свойств кровли, позволяющий правильно выбирать тип механизированных комплексов для нормальной и безопасной работы очистных забоев.
Определены параметры установки анкерной крепи для крепления выемочных выработок при повторном их использовании.
Обоснована восходящая схема подготовки и отработки выемочных блоков, позволяющая сокращать протяженность поддерживаемых горных выработок по мере отработки запасов и создавать благоприятные условия для фильтрации шахтных вод через обрушенные породы выработанного пространства.
Реализация работы Результаты исследований включены: в Инструкцию по упрочнению неустойчивых массивов органо-полимерными и минеральными закрепляющими композициями в условиях шахт Приморья Владивосток 1999г. Согласована Приморским управление Госгортехнадзора России 14 июля 1999г. Инструкцию по креплению горных выработок штанговой крепью на шахтах Приморья с закреплением анкерных стержней по всей длине вяжущим составом Владивосток 2001г. Утверждена Приморским управлением Госгортехнадзора России 1 марта 2001г. Методическое руководство о порядке и контроле ведения работ в опасных зонах на открытых горных работах Приморья Владивосток 2003г. Методическое руководство по предупреждению и тушению пожаров на угольных разрезах Приморья. Владивосток 2003г.
Полученные в работе теоретические и экспериментальные данные реализованы на уровне технического проекта строительства участка «Восточный» Липовецкого месторождения, протокол внедрения от 28.03.2003г.
Теоретические положения диссертационной работы используются в учебном процессе горного института ДВГТУ в программе курса «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» и в разработке технических проектов строительства и реконструкции шахт Приморья в институте «ДальвостНИИпроектуголь».Протокол внедрения от 10.04.2003г.
Личный вклад автора: проведение статистических, аналитических и лабораторных исследований по установлению условий залегания угольных пластов и физико-механических свойств угля и вмещающих пород. установление закономерностей проявления горного давления в окрестности очистных и подготовительных работ. организация и проведение опытно-промышленных испытаний и внедрения в промышленное производство Ш/У «Липовецкое» облегченных видов крепей для крепления горных выработок. установление зависимости показателя надежности работы крепи от площади поперечного сечения выработки. разработка методики выбора механизированной крепи в зависимости от нагрузочных свойств кровли.
Апробация работы Основные положения и содержания диссертационной работы докладывались на научных чтениях «Приморские Зори» (2000 - 2001 г.г.), на первой (2001 г.) и второй (2002 г.) Международных научных Конференциях «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран АТР», на международной конференции «Совершенствование технологий добычи, обогащения и переработки угля», г. Владивосток (2002г.) на технических советах ОАО «Приморскуголь» и шахтоуправления «Липовецкое» (1999 - 2002 г.г.), на совместном заседании кафедр Открытых Горных Работ и Маркшейдерского Дела и Разработка Месторождений Полезных Ископаемых горного института ДВГТУ (2000 - 2002 г.г.),
Публикации По результатам исследований опубликовано десять работ, в том числе две инструкции и восемь научных статей.
Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 66 наименований. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, 25 таблиц , 24 рисунка и 2 приложения.
Особенности геологического строения Липовецкого месторождения
Липовецкое каменноугольное месторождение расположено в северозападной части Раздольненского бассейна на территории экономически развитых районов Приморья. Местность в районе месторождения представляет собой всхолмленную равнину с абсолютными отметками рельефа от + 110 до + 150 м. Минимальные отметки приурочены к долинам рек, которые местами заболочены.
Среднегодовое количество осадков составляет 592 мм; максимальное - 170,4 мм/мес; глубина промерзания почвы 150-165 см. На площади месторождения располагаются: шахта № 4 с годовой мощностью 200 тыс. тонн угля (ныне закрытой), участок открытых работ с годовой мощностью 650 тыс. тонн и шахта Ильичевская (также закрытой) с годовой мощностью 50 тыс. тонн. Месторождение находится на северном крыле крупной Фадеевско-Липовецкой синклинальной складке. В геологическом строении месторождения принимают участие осадочные породы мелового, неогенового и четвертичного возрастов, а также изверженные породы палеозоя и верхнего мела. На размытой поверхности верхнепермских гарнитоидов залегают меловые отложения, слагающие Липовецкую брахисинклиналь. Осадочные породы нижнемелового возраста представлены двумя свитами: непродуктивной старосучанской и угленосной северосучанской. Северосучанская свита подразделяется на две подсвиты: нижнюю безугольную, представленную крупно - и средне - зернистыми песчаниками и конгломератами, мощностью 70 - 250 м и верхнюю угленосную, представленную аркозовыми песчаниками с прослоями алевролитов и аргиллитов, мощностью 70-150 м.
К верхней угленосной подсвите приурочены группы пластов (снизу вверх) рабочая, средняя и верхняя, из которых промышленный интерес представляют пласты Рабочий - II, Рабочий -1, Средний - II и Средний -1. Верхнемеловые осадки представлены конгалузской и романовской свитами, залегающими на породах нижнего мела.
Конгалузская свита представлена туфогенными песчаниками, алевролитами и аргиллитами, общей мощностью до 400 м. Романовская свита представлена вулканическими туфами и туфогенными песчаниками мощностью до 230 м и распространены в южной части месторождения.
Неогеновые отложения расположены в южной части месторождения и представлены усть-давыдовской свитой (песчаники, аргиллиты, алевролиты, пласты бурового угля) мощностью от 10 до 160 м.
На участке открытых горных работ («Восток — 2») неогеновые отложения отсутствуют, а верхнемеловые породы перекрываются четвертичными отложениями мощностью до 10 м. В целом четвертичные отложения распространены на месторождении повсеместно. Изверженные породы представлены верхнепалеозойскими гранитами, верхнемеловыми порфиритами и аргиллитами. На участке открытых горных работ распространены только андезиты в виде межпластовых интрузий среди отложений северосучанской свиты.
В структурном отношении Липовецкое месторождение приурочено к брахисинклинальной складке субширотного простирания длиной 8 - 12 км и шириной 4-6 км.
Геологической особенностью месторождения является пологоволнистое залегание угольных пластов с погружением их на юг на глубину более 600 м. Волнистость наблюдается по падению и простиранию пластов. Углы падения пластов изменяются от 0 до 10 град, в восточной части месторождения, до 20 град, в центральной части и до 15-20 град, в западной части. На момент исследования площадь под открытую разработку составляла 5,5 кв. км, которая расположена в северной части брахисинклинали преимущественно с моноклинальным залеганием пород, полого погружающихся под углами 5-10 град, в южном направлении.
Дизъюнктивная нарушенность месторождения характеризуется небольшим количеством сбросов, которые вскрывались горными работами на поле шахты № 4 и участка Восток -2 с амплитудой 2 - 7 м. Разрывная тектоника может иметь место и в других частях месторождения, т.к. она не всегда улавливается разведочным бурением с поверхности.
На участке «Восток-2» промышленные характеристики имеют пласты групп «Средняя» и «Рабочая». Пласты обеих групп разделены породными прослоями мощностью от 11.5 до 25.7 м.
Нижним пластом Рабочей группы является пласт «Рабочий-Ш». На исследуемом участке промышленных характеристик этот пласт не имеет, хотя и распространен по всей площади участка. Выше пласта «Рабочий-Ш» залегают сближенные пласты «Рабочий-II» и «Рабочий-1». Глубина залегания пласта «Рабочий-П» с учетом открытых разработок составляет 65-190м. Угольная масса пласта состоит из пачек гумусового, рабдописсто-гумусового и рабдописситового угля. Пачки рабдописситового угля составляют 58% от угольной массы. В сумме с рабдописсито-гумусовыми пачками рабдописситы составляют 71% от общей угольной массы. Пласты «Рабочий-И» и «Рабочий-1», которые разделены породными прослойками мощностью отО.1 до 0.5м, можно рассматривать как единый пласт. Мощность горной массы пласта «Рабочий-1+И» при зольности до 45% изменяется в пределах 1.6-6.05м, при средней-3.86; угольных пачек-1.15-5.60м, при среднейЗ.Пм.
В Юго-Западной площади участка пласты «Рабочий-1» и «Рабочий-II» расщепляются и верхний пласт («Рабочий-1») теряет промышленные характеристики. На этой площади промышленное значение имеет только пласт «Рабочий-И», мощность горной массы которого колеблется в пределах 1.65-4.00м, при средней222.18м; угольных пачек соответственно -1.10-3.20м, при средней 1.78м.
Над пластом «Рабочий-1» через породный прослой мощностью 11.5-26.7м залегает пласт «Средний-И» (нижний пласт из группы Средних). Пласт имеет почти повсеместное распространение, но не имеет промышленного значения из-за малой мощности горной массы, состоящей из переслаивающихся маломощных пачек угля с прослоями углистых аргиллитов.
В 2-6м от пласта «Средний-И» залегает пласт «Средний-I». Пласт имеет повсеместное распространение и промышленные характеристики. Наиболее выдержан пласт в западной и центральной и менее выдержан в восточной части участка. Пласт сложного строения, общая мощность которого колеблется оті.5 до 4.2м; угольных пачек - оті. 15 до 3.15м.
Характеристика угольных пластов приведена в таб. 1.1. Падение пластов весьма пологое. На большей части шахтного поля углы падения пластов изменяются от Здо 8 градусов, достигая на восточном крыле 10 градусов. Простирание пластов невыдержанное. На западном фланге изогипсы почвы пластов разворачиваются от юго-западного направления к северо-западному, переходя в центральной части к субширотному, а на восточном фланге - к северо-восточному направлению.
Для исследуемого месторождения весьма характерно наличие двух разновидностей угольных пачек. Кроме чистых разностей (липтобиолита и гумусового угля) существуют переходные формы углей.
Липтобиолитовый уголь - рабдописсит представляет собой сцементированные гумусом частицы размером 1-3 мм сотовой смолы и в большей степени подходит для использования в качестве химического сырья, а не топлива.
Анализ применяемых технологий на Липовецком месторождении
На момент исследования Липовецкое месторождение отрабатывалось участком открытых горных работ «Восток - 2», шахтой «Ильичевка» и участком подземных горных работ «Южный - 3». Установленная производственная мощность на 2002 год составила 540 тыс.тонн угля в год. Основные технико-экономические показатели деятельности шахтоуправления «Липовецкое» за период 1999 - 2001 г.г представлены в табл. f . ! и на рисунке f .1. На участке открытых горных работ используется комбинированная система разработки, при которой верхняя часть вскрыши отрабатывается на автотранспорт с вывозкой ее во внешние и внутренние отвалы, а нижняя часть экскавируется в отработанное пространство драглайнами, работающими по усложненным бестранспортным схемам. Экскаваторный парк представлен экскаваторами ЭШ - 10/70 (4шт.), ЭКГ-5А(Зшт.). На подземных работах принята система разработки длинными столбами по простиранию с использованием в очистных забоях комплексов 40КП — 70Б и на подготовительных работах - проходческих комбайнов ГПКС. Транспортировка угля от забоев до поверхности осуществляется ленточными и скребковыми конвейерами.
Из приведенных в табл. tі. данных видно, что общий объем добычи по месторождению за период 1990 - 2001 г.г. из года в год уменьшался и достиг 518.9 тыс.тонн. Уменьшение добычи угля наблюдается и на открытых горных работах. Если на подземных горных работах уменьшение объема добычи объясняется закрытием шахт № 4 и «Ильичевская» (на участке «Южный - 3» наоборот с развитием горных работ наблюдается тенденция увеличения объемов добычи), то на участке открытых горных работ спад добычи объясняется увеличением коэффициента вскрыши с 8 до 10.3 м3/т. Увеличение коэффициента вскрыши привело к тому, что себестоимость 1т угля на открытых работах практически стала равна себестоимости угля при подземном способе добычи. С дальнейшим развитием открытых горных работ наступит момент, когда будет достигнут предельный (граничный) коэффициент вскрыши, при котором себестоимость 1т угля на открытых и подземных горных работах будет одинаковой, и дальнейшая добыча угля станет возможной только на подземных работах.
Сохранение достигнутого объема добычи угля только за счет подземного способа возможно лишь при существенном обновлении и реконструкции имеющегося шахтного фонда.
Углубленный анализ состояния подземных горных работ показывает, что увеличение объема добычи угля подземным способом на ближайшую перспективу не представляется возможным обеспечить при существующем состоянии горного хозяйства и технологий. Из всего многообразия неотложных задач на первый план следует выдвинуть (кроме социальных проблем) уменьшение затрат на проведение и поддержание горных выработок, экономичность и безопасность очистных работ при стабильной высокой нагрузке на забой, позволяющих коренным образом улучшить технологию подземных работ.
По нашей оценке изменение горнотехнических показателей подготовительных работ произошло из-за свертывания подземных горных работ в Ш/У «Липовецкое», а увеличение темпов проведения выработок комбайнами указывает на то, что главную роль при строительстве новой шахты должно сыграть расширение комбайновой технологии с применением комбайнов нового технического уровня типа ГПКС. Комбайны этого типа при массе до 25т, имея энергоемкость разрушения пород в 2-2.5 квт.ч/м3, общую установочную мощность двигателей до 150квт. (в том числе 50-60квт. на рабочем органе) наиболее полно подходит для условий Липовецкого месторождения, где углы наклона выработок не превышают ±10 град., а их сечения вчерне-17м2 Повсеместное применение на шахтах месторождения традиционной, отработанной годами, технологии проходки без учета изменяющейся горно-геологической и горнотехнической обстановки не в состоянии обеспечить качественное и своевременное воспроизводство очистного фронта.
Отсутствия средств комплексной механизации сдерживает снижение трудоемкости на подготовительных работах, в результате чего даже при комбайновом способе проведения выработок 85% общих трудовых затрат приходится на выполнение ручных операций, основная часть которых формируется на креплении выработок, доставочных работах и наращивании конвейерного, вентиляционного и противопожарно-оросительного ставов.
Если процент выработок не удовлетворяющих требованиям ПБ на конец 1990 года составлял 6,7%, то на конец 2000 года он составил5,4%, хотя протяженность поддерживаемых выработок, в связи со сворачиванием горных работ, уменьшилась на 41%. Это указывает на надежность применяемых видов крепей при проведении и поддержании выработок. Анализ отечественной литературы показывает [18-22], что в осуществлении технического прогресса подземного способа добычи угля большая роль принадлежит комплексной механизации очистных работ. Уровень добычи угля в бывшем Минуглепроме СССР с применением механизированных комплексов до начала перестройки в стране был доведен до 76%, а в ряде угледобывающих регионах (Карагандинском, Печерском, Подмосковном) - до 95%. Применение механизированных комплексов позволило сократить по отрасли в 2.4 раза число лав с немеханизированным трудом по креплению и управлению кровлей. Отмечая общую эффективность технического перевооружения очистных забоев, следует отметить положительное влияние новой техники на такие показатели работы очистных забоев, как нагрузка на лаву, подвигание фронта очистных забоев, производительность труда рабочих, которые увеличились в 2-2.5 раза по сравнению с индивидуальной крепью. Технический прогресс на шахтах осуществлялся также совершенствованием технологии горно-подготовительных работ и обеспечением полной конвейеризации транспортировки угля. Статистические данные о работе очистных забоев, приведенных в табл. 1Д указывает, что при реконструкции или строительстве новой шахты на этом месторождении для улучшения эффективности работы предприятия необходимо базироваться на применении комплексов нового технического уровня.
Экономические отношения, сложившиеся в стране, поставили перед угледобывающими предприятиями ряд вопросов, связанных с интенсификацией и удешевлением добычи угля. Липовецкое месторождение, представленное пластами угля переменной мощности и сложного строения имеют большое значение не только как энергоноситель для ТЭКа края, но и как ценнейшее сырье для химической промышленности. Поэтому вопрос отработки этих пластов приобретает особо важное значение, т.к. существующие технологии характеризуются низкими технико-экономическими показателями и высокими эксплуатационными потерями из-за оставления части пласта в недрах по причине засорения угля породными прослоями, входящими в структуру пласта. Открытый же способ отработки пластов вызывает сомнения в дальнейшем его применении из-за ухудшающихся экономических показателей. сомнения в дальнейшем его применении из-за ухудшающихся экономических показателей.
Состояние горных работ на участке «Восточный-2» и обоснование новой горно-технологической структуры участка
На участке шахтного поля «Восточный-2» в настоящее время добыча угля ведется участком открытых горных работ «Восток-2» и подземным участком «Южный-3». Подземный участок «Южный-3» сдан в эксплуатацию в 1994 году, как горно-эксплуатационный участок, запасы угля которого вскрыты конвейерным (главным) и вспомогательным наклонными стволами, пройденными по пласту «Средний - I» с борта разреза. Кроме этого, вентиляционный штрек лавы № 61 также имеет выход на дневную поверхность. За период с 1994 года по 2001 год запасы пласта «Средний - I» отработаны лавами № 1, 2, 53, 54 и 55 на площади 200 тыс.м2 и работающей в настоящее время лавой № 61 на площади свыше 60 тыс.м2. Отработка запасов производилась и производится длинными столбами по простиранию с применением механизированной крепи 40КП -70Б в комплексе с комбайнами 2ГШ - 68. Месячное подвигание очистного забоя составляло 10 - 30 м и максимально достигало 36 м/мес, что соответствовало месячной добычи с одного очистного забоя от 4 до 16тыс.тонн. Проведенными исследованиями установлено, что низкие технико-экономические показатели обусловлены тем, что существующий шахтный фонд шахтоуправления не в состоянии обеспечить рентабельную добычу угля из-за высокой степени его износа. Принятая схема подготовки и отработки запасов без учета сложной гипсометрии пласта в сочетании с довольно высокой водообильностью участка (до 100 куб.м/ч) приводит к осложнению в работе транспортной цепочки очистных забоев и торможению в своевременном воспроизводстве очистного фронта (рис. 2.1.). На смену закрывшимся шахтам № 4, «Ильичевская» и ныне действующего участка «Южный-3» необходимо запроектировать такое предприятие, которое характеризуется высоким уровнем концентрации производства, большой нагрузкой на очистной забой и производительностью труда. Реализация этих требований возможна при изменении пространственно-планировочных, технологических и организационных решений. Общеизвестно, что проявление горного давления в лаве характеризуется давлением кровли на крепь (силовое) и величиной опускания кровли (деформационное).
Между величиной опускания кровли и ее состоянием в призабойном пространстве существует прямая связь (зависимость). Чем больше опускание кровли, тем хуже ее состояние. Для каждого комплекса горнотехнических и горно-геологических условий - литологического состава непосредственной и основной кровель, глубины горных работ, вынимаемой мощности пласта, существует определенная максимально допустимая величина опускания кровли Ahgon, при которой кровля в очистном забое еще сохраняет удовлетворительное состояние, и отсутствуют вывалы (купола), трещины и заколы (рис.2.2.а).
Многочисленными исследованиями за период 1994 - 2001г.г. в лавах № 1, 2, 53, 54, 55 и 61, оборудованных комплексом 40КП - 70Б было установлено, что после выемки угля кровля в очистном забое под воздействием вышележащих слоев пород прогибается. Прогиб консоли над очистным пространством сопровождается расслоением пород под воздействием тангенциальных напряжений на отдельные слои, которые в процессе опускания и изгиба кровли скользят один относительно другого.
Толщина этих слоев зависит от строения кровли - естественной слоистости. Вслед за обнажением кровли в результате изгиба на контактах между плоскостями с ослабленной связью, возникшие касательные напряжения, приводят к расслоению пород кровли как по контактам между слоями различных по петрографическому наименованию, так и по слабым связям внутри слоя одноименной породы. При наличии ложной кровли, мощность которой колеблется от 0,3 до 1,5 м, толщина расслоившихся слоев составляет от 0,1 до 0,3 м. а толщина расслоившихся слоев пород непосредственной кровли составляет от 0,5 до 1,2 м.
Опускания пород кровли возрастают практически равномерно в течении всего времени поддержания призабойного пространства, до . момента посадки. Это указывает на консольный характер обрушения пород основной кровли, которое происходит вытянутыми по простиранию блоками. Завальный конец консоли, опускаясь равномерно с подвиганием забоя, уменьшает до нуля величину отслоения толщи непосредственной кровли от основной. При обрыве консоли образовавшийся блок основной кровли завальным концом ложится на обрушенные породы непосредственной кровли, толща которой в призабойном пространстве в этот момент испытывает интенсивное расслоение и разрушение. После этого. забойный конец блока основной кровли резко опускается и слои непосредственной кровли в призабойном пространстве подвергаются сжатию. Такая резкая осадка основной кровли проявляется через каждые 30-33 м и сопровождается в виде усиленного давления на крепь (до 0.35МПа), увеличения опускания кровли и образования у забоя трещин, раскрытие которых иногда приводит к образованию куполов.
Таким образом, при установке в очистном забое крепи с определенным начальным распором консоль кровли, состоящая из множества слоев пород, работающих на изгиб раздельно, превращается в единую монолитную консольную балку большой толщины (высоты), величина момента инерции сечения которой, как известно, находится в кубической зависимости от ее высоты (в данном случае высоты прижатия слоев h).
Следует заметить, что описанная схема работы крепи в очистном забое только в общих чертах отражает механизм взаимодействия крепи и вмещающих пород, т.к. эта балка не монолитна, а составлена из слоев, которые продолжают опускаться и после установки крепи. При опускании консоли такой составной балки происходит взаимное проскальзывание слоев, при котором возникают силы трения, препятствующие в конечном счете изгибу балки, т.е. опусканию кровли. Сопротивление движению слоев зависит от силы сжатия, действующей на поверхностях соприкосновения, коэффициента трения поверхностей и скорости взаимного перемещения слоев.
После установки крепи с начальным распором, опускание сжатых крепью слоев толщиной h прекращается, а вышележащие слои продолжают двигаться с прежней скоростью, ложась поочередно на приостановленные сжатые слои. Общий вес сжатых слоев увеличивается и становится больше Рнач.; под воздействием разности усилий балка начинает двигаться. При этом стойка крепи упруго сокращается и ее сопротивление возрастает. В момент равенства веса пород и сопротивления стоек крепи движение консоли останавливается, но только до тех пор, пока следующий слой пород не ляжет на сжатые слои и начнется новый цикл движения консоли до уравновешивания крепью нового веса консоли и так далее до тех пор, пока крепь не выйдет на рабочее сопротивление. После этого сопротивление крепи станет постоянным, а кровля будет непрерывно опускаться со скоростью, соответствующей этому сопротивлению. Крепь будет работать в режиме заданных деформаций.
Обоснование вынимаемой мощности пласта
Вынимаемая мощность пласта сложного структурного строения обуславливает качество добываемой продукции. В технологическом аспекте подготовку и добычу угля удобнее осуществлять по почве или кровле угольной залежки, а вынимаемая мощность пласта установит необходимую зольность товарного угля. В этом плане вынимаемая мощность пласта, при существующей рыночной экономике, играет огромное значение, так как диктует спрос на производимую продукцию.
Опыт работы Ш/У Липовецкое показал, что добытый уголь вследствие высокой зольности и поставке рядовой продукции (вместо рассортированного и обогащенного угля) имеет ограниченный спрос. Поэтому в 1960 году была построена обогатительная установка, оборудованная углемоечными комбайнами УМК - 4, обогатительным механизмом которого является одно-поршневая отсадочная машина. По проектным данным комбайны предназначались для обогащения класса крупностью 13-100 мм. Однако из-за переувлажнения поступающего на рассев рядового угля рассев по крупности 13 мм осуществлялся неэффективно, да и конструктивно комбайны не предназначались для обогащения исходного сырья с большим содержанием шлама. Поэтому в течение всего срока эксплуатации комбайнов вплоть до настоящего времени обогащался только класс крупностью 25-100 мм.
Зольность концентрата, полученного на углемоечных комбайнах, зависит от зольности поступающего на обогащение угля, которая зависит в свою очередь от зольности добываемой горной массы, т.е. от вынимаемой мощности угольного пласта. В табл.3.1 приведены данные о фактической зольности товарной продукции, полученной на обогатительной установке в 1991 г (зольность добытой горной массы 36,2 %) и 2001 г (зольность добытой горной массы 39,3%).
Проведенные исследования показали: 1. гранулометрический состав характеризуется высоким выходом крупно-средних классов, незначительным содержанием мелких классов (0 - 3 мм), большое содержание высокозольной породы обнаруживается в классе крупностью более 25 мм; 2. фракционный состав характеризуется незначительным выходом фракции плотностью менее 1300 кг/м, большим выходом фракций плотностью 1400 - 1500кг/м3, высоким выходом промежуточных фракций плотностью 1500 - 1600 и 1600 — 1800 кг/м , высоким выходом породных фракций плотностью более 1800 кг/м3 с большим выходом шлама. Результаты исследований гранулометрического и фракционного состава углей пластов «Средний - I», «Средний - II» и «Рабочий - I + II» представлены соответственно в табл. 3.3 и 3.4.
Проанализированные данные свидетельствуют, что полученная из угля исследуемого участка товарная продукция соответствует требованиям ТУ и ГОСТ (см. табл. 3.5). Следовательно, выбор технологического оборудования для ведения горных работ следует производить исходя из вынимаемой мощности 2,2 м по пласту «Средний -1» и 3,5 м - по пласту «Рабочий -1 + II». Используя методический подход, изложенный в работах [54 - 56] и результаты исследований, приведенных в разделе 2.3 данной работы определим тип механизированных комплексов для отработки выемочных столбов для данных горно-геологических условий. При выборе механизированного комплекса необходимо руководствоваться следующими положениями [55]: - очистной забой должен иметь такую механизированную крепь, которая обеспечивает поддержание кровли с необходимой несущей способностью на всем протяжении фронта, подготовленного к выемке; - энерговооруженность и конструкция исполнительного органа выемочной машины должны обеспечивать эффективную выемку угля с заданной производительностью; - производительность забойного конвейера должна обеспечивать возможность доставки угля при работе выемочной машины с наибольшей производительностью.
По выемочному штреку, сохраняемому для повторного использования при отработке смежного столба, установленная ранее инвентарная крепь остается в отработанном пространстве и дополнительно усиливается вслед за отходом лавы деревянными стойками, подбиваемыми в окна между стойками гидравлической крепи со стороны лавы и по оси выработки под каждый подхват анкерной крепи.
Извлечение стоек гидравлической крепи производится при выходе сохраняемого штрека из зоны активного сдвижения пород за лавой, т.е. при отходе лавы на расстояние 45 - 50 м. Извлекаемые гидростойки используются в дальнейшем в качестве инвентарной крепи в зоне опорного давления .
С целью сохранения выемочного штрека для повторного использования при отработке смежного столба по пласту «Рабочий — I + II» рекомендуется наряду с установкой органного ряда из гидравлических Рисзз Технология выемки и возведения крепи в выемочных штреках - деревянная стойка; - гидравлическая стойка; U - шахтный профиль СВП - 17 и деревянных стоек (как в выше описанном случае для пласта «Средний - І») в боку на контуре сохраняемой выработки со стороны отработанного пространства выкладывать деревянные клети (костры) размером 2,5 х2,5 м. Расстояние между кострами вдоль сохраняемой выработки принимается равным 3 м. В этом случае над выработкой после прохода очистного забоя формируется свод АВ, а над выработанным пространством свод ДЕ (рис. 3.4) На почве в отработанном пространстве вблизи выработки формируется горка обрушенных пород. По мере обрушения пород крутизна горки возрастает. Если не предусмотреть возведение клетей, то установленный органный ряд (практически без начального распора) под ослабленный массив локального свода пород выдавливался бы обрушенными породами в выработку. Постепенно поддерживаемый участок кровли СД растрескался бы до кусковатой среды, которая перемещаясь по склону горки под собственным весом и от пригрузки основной кровли сформировала бы давление на крепь выработки и деформировала бы ее до нерабочего состояния. При поддержании кровли кострами по мере отхода лавы граница СД будет укорачиваться смещаясь вниз. Граница свода ДВ увеличивая свою крутизну за счет вывала пород из свода будет приближаться к границе свода АВ до ее полного подбучивания обрушенными породами и потом стабилизируется. В целом участок кровли СД сохранит свою целостность за счет подбучивания свода ДЕ обрушенными породами, а крепь выработки сохранит свою форму.
