Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях переходного периода к рыночным отношениям, характеризующегося все возрастающей интенсификацией и концентрацией горного производства с ограниченными возможностями капитальных вложений в обновление основных фондов и реконструкцию угольных предприятий, рациональное использование имеющихся на шахтах георесурсов приобретает особую важность.
Шахтами Карагандинского бассейна за весь период работы было добыто более 1.8 млрд. т угля. Такое же количество угля было оставлено в недрах в виде различных потерь и временно неактивных запасов. Среди них значительную часть занимают запасы углей, залегающие в тонких и сложноструктурных пластах, и в том числе в забалансовых.
В ближайшей перспективе (в течение 10 - 30 лет) запасы коксующихся углей марок КЖ, К, КО и КС, залегающие в пластах средней мощности и мощных, будут отработаны и возникнет необходимость в восполнении потребности в углях этих марок посредством добычи их из маломощных и сложноструктурных пластов. К маломощным пластам нами, в отличие от известных классификаций, отнесены тонкие пласты и нижнего диапазона средней мощности (до 1.8 м). Выбор этого значения обусловлен необходимой величиной присечки боковых пород по сечению проводимых подготовительных выработок, которая в этом случае составляет более половины попутно добываемого объема горной массы. К сложноструктурным пластам причислены пласты смешанного строения с несколькими угольными пачками, разделенные породными прослойками и по кондициям отнесенные к балансовым или забалансовым запасам при разработке их соответственно селективным либо валовым методом.
Мировой опыт разработки маломощных и сложноструктурных пластов показывает, что при высокой нагрузке на лаву (до 10-15 тыс. т/сут) порода, получаемая от проведения и поддержания горных выработок, селективной выемки сложноструктурных пластов, может выдаваться на поверхность, что обуславливает значительный экологический ущерб и затраты на ее транспортирование, отвалообразование, или складироваться в шахте. Размещение породы в шахте с выкладкой ее в охранные бутовые и закладочные массивы обеспечит полноту выемки запасов угля, снизит объемы горнопроходческих работ по воспроизводству фронта очистной выемки, сгладит неравномерности проявления горного давления в очистном забое и на его сопряжениях. Достигаемая при этом экономия за счет снижения затрат на выдачу породы, уменьшения зольности добываемого угля и улучшения состояния очистных и подготовительных выработок позволит повысить эффективность выемки сложных по структуре и малой мощности пластов.
В связи с этим разработка эффективных технологических схем с оптимальными параметрами, обеспечивающими высокую степень концентрации и интенсификации горных работ при выемке маломощных и сложноструктурных пластов с размещением породы в массивы для охраны подготовительных выработок и выработанном пространстве очистных забоев для управления горным
давлением, имеет особую актуальность для угольной отрасли.
Целью работы является создание технологии эффективной выемки маломощных и сложных по структуре пластов, основанной на использовании шахтной породы для охраны выемочных выработок и управления горным давлением в очистном забое и на его сопряжениях.
Идея работы заключается в том, что эффективность разработки маломощных и сложноструктурных пластов достигается созданием технологии, при которой получаемая при их выемке порода рассматривается как попутная добыча, полезно используемая для снижения затрат на поддержание подготовительных выработок, управление кровлей в очистном забое и на сопряжениях, при этом сама технология строится на применении рациональных выявленных и вновь созданных подэлементов технологических схем...
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие проблемные задачи:
определение на основе анализа и обобщения мирового опыта выемки маломощных и сложноструктурных пластов основных направлений совершенствования технологических схем очистных работ с размещением попутно добываемой породы в шахте;
разработка методических положений по декомпозиции подсистемы «очистные работы» на элементы с определением области их применения и формирование на ее основе методики синтеза оптимальных технологических схем;
'- - создание адаптивных технологических схем очистных работ и определение их оптимальных параметров для высокопроизводительной отработки выемочных участков по схеме «шахта - лава» или «шахта - пласт»;
- выявление закономерностей геомеханических процессов при отработке ма
ломощных и сложноструктурных пластов с возведением уплотненных пород
ных полос (опор) для охраны подготовительных выработок и изыскание рацио
нальных способов размещения породы в выработанном пространстве.
Методы исследований. Решение поставленных, проблемных задач производится методами технико - экономического анализа; обобщением передовых достижений отечественной, зарубежной науки и практики применительно к горно - геологическим и экономике - технологическим условиям сырьевой ба-. зы маломощных и сложноструктурных пластов; теоретическими, лабораторными исследованиями и опытно - промышленными экспериментами по созданию уплотненного породного массива для надежного поддержания очистных и подготовительных выработок; экономико - математическим моделированием по определению параметров очистных и закладочных работ; методами математической статистики и корреляционного анализа.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
- возведение охранных сооружений на границе поддерживаемых выемочных
выработок с выработанным пространством из попутно добываемой шахтной
породы, в зависимости от мощности пласта, управляемости пород кровли,
прочностных и геометрических параметров охранных породных сооружений,
приводит к смещению эпюры действующих напряжений с контуров выработки
на угольный массив (на 5 - 10 м) и породную полосу (с распределением по ее
ширине) в выработанном пространстве, позволяет повысить устойчивость поддерживаемой выработки, сопряжения лавы с ней и эффективность самой технологии очистных работ;
совершенствование технологических схем выемки маломощных и сложно-структурных пластов с оставлением породы в шахте на основе использования высокопроизводительных, мобильных средств и способов возведения охранных породных и закладочных массивов с требуемыми прочностными свойствами и технологическими параметрами позволяет обеспечить высокую интенсификацию, концентрацию очистных и закладочных работ при схеме работы шахты по принципу «шахта - пласт» или «шахта - лава»;
методические положения по декомпозиции подсистемы «очистные работы» на элементы: «расположение и длина очистного забоя», «возведение породных массивов», «топология горных выработок», «монтаж - демонтаж оборудования», «вентиляция», «транспорт угля и породы», «проведение и поддержание подготовительных выработок» (всего 19), сформированные по критериям экономичности и нормам правил безопасности, и методика синтеза технологических схем из вновь созданных и выявленных рациональных подэлементов позволяют разработать технологические схемы, адаптированные к условиям высокопроизводительной выемки маломощных, сложноструктурных пластов и определить эффективность вовлечения их запасов в отработку;
принципы формирования новых технологических схем возведения породных полос (опор) и закладочных массивов, основанные на активации этих процессов, способствующих повышению качества формируемых охранных бутовых сооружений, путем увлажнения почвы, механического уплотнения и инъекции твердеющих добавок в контуры созданного пневматическим способом несущего породного массива, обеспечивают надежное поддержание выемочных и очистных выработок от влияния горных работ;
- экономико - математическая модель технологических схем, характеризую
щаяся учетом эффекта от применения породы в качестве попутного товарного
продукта, позволяет достоверно моделировать процессы выемки угля, крепле
ния лавы, управления кровлей, поддержания выработок, транспортировки угля
и породы, установить область применения технологии и параметры ведения
очистных работ с рациональным размещением породы в шахте.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: представительным объемом экспериментальных исследований в опытно-промышленных и лабораторных условиях; корректной постановкой технологических проблем с использованием для их решения современных математических методов и ПЭВМ; использованием апробированных методов механики сплошных сред и современных представлений об основных закономерностях деформирования, разрушения пород вокруг выработок и соответствием результатов решения геомеханических задач данным натурных наблюдений; положительными результатами опытно - промышленных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- выявлены закономерности напряженно - деформированного состояния мас-
сива горных пород, окружающего выемочную выработку, поддерживаемую на границе с выработанным пространством, в зависимости от мощности пласта, управляемости вмещающих пород, прочностных и геометрических характеристик охранных породных сооружений, позволившие установить картину действующих напряжений со смещением «пиков» горного давления с контуров выработки на угольный массив и породную полосу в выработанном пространстве, что повышает устойчивость поддерживаемой подготовительной выработки от влияния горных работ;
; - методическом подходе по определению проявлений горного давления при очистных работах, учитывающем динамическую составляющую деформаций пород кровли;
.,- декомпозиции подсистемы «очистные работы», включающей элементы различного технологического назначения, сформированные по критериям экономичности и нормам правил безопасности, отличающейся степенью детализации синтезируемой конструкции и подмножествами элементов с областью их целесообразного применения;
т методических положениях по установлению оптимальной технологической схемы очистных работ на маломощных и сложноструктурных пластах, основанных на последовательной реализации двух этапов: первого - анализа и определения рациональных элементов различного функционального назначения по. локальным критериям и второго - формирования из выявленных элементов оптимальных технологических схем выемки по глобальному критерию;
- прогрессивных технологических решениях по способам:
, - ведения закладочных работ, возведения охранных бутовых сооружений и созданию конструктивных элементов закладочных комплексов (34 авторских свидетельства и 1 предварительный патент РК);
- крепления сопряжения очистного забоя (авторское свидетельство и па
тент РФ);
- отработки выемочных полей (авторское свидетельство, 1 решение о вы
даче предварительного патента РК и одна заявка на патент РК);
- проведения подготовительных выработок (два авторских свидетельства);
.- механизированной передвижки скребкового перегружателя на участко
вый ленточный конвейер при высокопроизводительной очистной выемке по
схеме «шахта - лава» (три предварительных патента РК);
т технологических схемах очистных работ, адаптированных к условиям разработки маломощных и сложноструктурных пластов с безремонтным поддержанием выемочных выработок за счет использования шахтной породы;
методическом подходе по выбору средств механизации технологических схем очистной выемки, основанном на определений соответствия эксплуатационных параметров оборудования условиям разработки;
экономике - математической модели технологических схем выемки, характеризующейся учетом эффекта от применения породы в качестве товарного продукта элементов подсистемы «очистные работы», с определением эффективной области применения и оптимальных параметров выемочных полей.
Научное значение работы состоит в разработке системного подхода к
обоснованию направлений повышения технологического уровня угольных шахт на базе комплексного решения проблем высокопроизводительной выемки маломощных и сложноструктурных угольных пластов, основанном на полезном использовании попутно добываемой породы для улучшения условий поддержания подготовительных выработок и управления горным давлением в очистных забоях.
Практическая ценность работы заключается:
- в оценке запасов коксующихся углей по шахтам и угленосным участкам
Карагандинского бассейна, позволяющей установить перспективы развития
шахтного фонда;
разработке технологических схем возведения породных массивов и конструктивных схем мобильных средств закладки;
изыскании технологических схем очистных работ, сформированных из выявленных рациональных и вновь созданных подэлементов, адаптированных для высокопроизводительной выемки маломощных и смешанных по структуре пластов и определении их оптимальных параметров;
- разработке прогрессивных технологических подэлементов, формирующих
новые способы:
- раскройки и отработки шахтных полей для высокопроизводительных
лав;
возведения уплотненных охранных породных полос (опор) в подготовительных и очистных забоях;
механизированной передвижки оборудования участкового транспорта;
бездемонтажной отработки выемочных полей ограниченных размеров;
крепления сопряжений лав с примыкающими выработками;
проведения подготовительных выработок с самопередвигающимися временными предохранительными крепями;
перехода очистными комплексами диагональных вентиляционных сбоек;
гидрозакладки выработанного пространства с разбутовкой дренажных коробов.
Личный вклад автора заключается:
в формировании научно - методических основ, критериев оценки и выбора средств механизации технологии очистной выемки;
разработке методических положений по анализу и синтезу рациональных элементов при создании оптимальных технологических схем очистных работ;
установлении прогрессивных технологических схем очистной выемки маломощных и сложных по структуре пластов с искусственными сооружениями из породы для охраны выемочных, очистных выработок и их сопряжений;
разработке новых технологических решений по очистным, подготовительным работам и закладочному комплексу;
- проведении аналитических исследований, лабораторных, опытно-
промышленных испытаний, анализе и обобщении результатов.
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований получили реализацию:
- в виде технических заданий:
на камерную обезвоживающую закладочную машину (ТА - 29М);
винтовые обезвоживающие закладочные машины (ВОЗМ2 и 2ШПЗМ);
создание и освоение очистного комплекса с двухсторонним направлением перемещения КТ - Д, утвержденного ПО «Карагандауголь»;
«Управляемую систему передвижки штрекового скребкового перегружателя и участкового ленточного конвейера», утвержденного УД ОАО «Испат -Кармет» и применяемую в девяти лавах шахт бассейна;
- технических предложений:
- по размещению породы от проходки 7-го откаточного квершлага гор. -
180 в погашаемый откаточный квершлаг № 2 гор. - 100 в условиях шахты
«Саранская» УД ОАО «Испат - Кармет»;
- для «Исходных данных на проектирование опытно - промышленного
участка по отработке пласта АБ длинными очистными забоями с пневмозак-
ладкой выработанного пространства БКРУ - 2 ПО «Уралкалий», утвержденных
ВО «Союзкалий» Министерства по производству минеральных удобрений
СССР;
«Методики анализа и синтеза технологических схем очистных работ», утвержденной ТОО «Карагандагипрошахт и Кс»;
«Проекта отработки выемочного столба № 11/3 лавой 6к!8-з с гидрозакладкой выработанного пространства в условиях шахты им. 50 ЛОР ПО «Карагандауголь» с разиловкой дренажных коробов;
при отработке выемочных столбов: лавой 12Акю-в - с переходом людского ходка пласта Кю, расположенного по фронту движения очистных работ; лавой 11 Бк35-з - с возведением охранных бутовых опор;
в учебных пособиях для студентов КарГТУ специальностей ТКМ, ГМ, ЭП иЭА.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на научно - технических советах ПО «Уралкалий» (1975 -1985 гг.); Международной конференции «Научно - технический прогресс -основа развития рыночной экономики» (г. Караганда, КарГТУ, 1999 г.); Пятой международной научно - технической конференции «Новое в охране труда окружающей среды и защите человека в чрезвычайных ситуациях» (г. Алматы, КазНТУ, 2002 г.); Международной конференции «Актуальные проблемы горнометаллургического комплекса Казахстана» (г. Караганда, КарГТУ, 2003 г.); 1 и 2-й Международных научно-технических конференциях «Проблемы комплексного освоения рудных и нерудных месторождений Восточно -Казахстанского региона» и «Современные проблемы геологии, минерагении комплексного освоения месторождений полезных ископаемых Большого Алтая» (г. Усть - Каменогорск, ВКГТУ, 2000, 2003 гг.); Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (г. Москва, РУДН, 2003 г.); научном семинаре ЗАО «ИПКОН» (г. Караганда, 2004 г.), на технических советах ТОО «Карагандагипрошахт и К0» и УД ОАО «Испат - Кармет» (2001 - 2003 гг.).
Тематика научно - исследовательских работ. Автор принимал непос -
редственное участие в выполнении работы в соответствии с отраслевой комплексной программой по решению научно - технической проблемы «Создание новых и совершенствование существующих технологий, процессов добычи и переработки минерального сырья» по теме «Создать пневмозакладочный комплекс и разработать технологию выемки калийных пластов длинными очистными забоями с пневмозакладкой выработанного пространства» с номерами государственной регистрации 78018579, 81086606 и 81098129 в период с 1975 по 1985 гг. по координационному плану научно -исследовательских работ ПО «Уралкалий» Министерства по производству минеральных удобрений СССР. С 2001 г. работа выполнялась по заданию УД ОАО «Испат - Кармет» по теме «Совершенствование технологических схем и параметров высокопроизводительных лав УД ОАО «Испат - Кармет»; в 2002г.-по теме «Научно - технические основы совершенствования технологических схем и их параметров в условиях разработки маломощных пластов высокопроизводительной лавой на шахтах УД ОАО Испат - Кармет»; в 2003 г-по теме «Разработка рациональных способов вскрытия и подготовки маломощных и сложноструктурных пластов на шахтах УД ОАО «Испат -Кармет» в соответствии с планом научных работ КарГТУ.
Публикации. Основные положения выполненных исследований изложены в 48 печатных трудах, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РК, в том числе в монографии с участием автора и 21 авторских свидетельствах и патентах.
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 разделов и выводов, изложенных на 288 страницах текста печатного устройства ЭВМ, содержит 146 рисунков, 41 таблицу, список использованных источников из 232 наименований и 18 приложений на 90 страницах.
Автор выражает глубокую признательность профессору Квону С.С. за ценные советы и внимание к работе. Благодарит сотрудников и преподавателей кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, работников УД ОАО «Испат - Кармет» за поддержку при выполнении этапов работы.
