Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ производственного опыта и результатов научных исследований по формированию устойчивого выработанного пространства шахт и рудников для размещения производственных отходов 11
1.1 Горно-геологические и горнотехнические условия разработки крутых угольных пластов 12
1.2 Существующие системы разработки крутых угольных пластов в сложных природных условиях с естественным и искусственным поддержанием боковых пород 15
1.3 Анализ производственного опыта и результатов научных исследований по формированию устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов 26
1.4 Актуальность работы 31
1.5 Выводы 34
2 Методика выполнений научных исследований 35
2.1 Характеристика объекта исследований 35
2.2- Методика исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород в очистных и подготовительных выработках для установления возможности формирования и использования выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов 43
2.3 Методика конструирования вариантов технологических схем обеспечивающих формирование и использование выработанного пространства для размещения производственных отходов 46
2.4 Выводы 49
3 Анализ результатов исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород для установления возможности формирования и использования выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов 50
3.1 Результаты исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород при отработке крутых пластов с обрушением кровли 50
3.2 Результаты исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород при отработке крутых пластов с закладкой выработанного пространства. 62
3.3 Результаты научных исследований по формированию устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов 70
3.4 Выводы 79
4 Конструирование альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов, обеспечивающих формирование устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов 81
4.1 Декомпозиция традиционных технологий отработки крутых пластов для выявления возможности формирования выработанного пространства и использования апробированных элементов в новых технологических решениях 84
4.2 Синтез альтернативных вариантов технологии отработки крутых пластов с возможностью формирования выработанного пространства для размещения производственных отходов 92
4.3 Выводы 96
5 Технологии отработки крутых угольных пластов, обеспечивающие формирование и использование выработанного пространства для размещения производственных отходов 98
5.1 Отработка мощных крутых пластов обеспечивающая формирование и использование выработанного пространства для размещения отходов 98
5.2 Отработка крутых пластов средней мощности обеспечивающая формирование и использование выработанного пространства для размещения отходов. 104
5.3 Отработка тонких крутых пластов обеспечивающая формирование и использование выработанного пространства для размещения производственных отходов 111
5.4 Обоснование области эффективного применения технологий отработки крутых угольных пластов обеспечивающих формирование и использование выработанного пространства для размещения производственных отходов 119
Выводы 131
Заключение 133
Литература 135
Приложения 145
- Существующие системы разработки крутых угольных пластов в сложных природных условиях с естественным и искусственным поддержанием боковых пород
- Анализ производственного опыта и результатов научных исследований по формированию устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов
- Методика исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород в очистных и подготовительных выработках для установления возможности формирования и использования выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов
- Синтез альтернативных вариантов технологии отработки крутых пластов с возможностью формирования выработанного пространства для размещения производственных отходов
Введение к работе
Актуальность работы. Отличительными особенностями большинства угольных предприятий Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, разрабатывающих крутые пласты, являются: низкая эффективность добычи угля; нерациональное использование природных ресурсов; высокая опасность для окружающей среды. В среднем объем выработанного пространства в продуктивных массивах не превышает 1,5 % от их общих объемов в пределах, горных отводов. При извлечении угля от 50 до 65 % выработанное пространство не используется. Нарушения земной поверхности (провалы, мульды оседания) составляют в среднем 80 % от площади горных отводов.
Задача сглаживания негативных последствий применения существующих технологий отработки ценных коксующих углей на пластах крутого падения потребовала провести дополнительные исследования по разработке альтернативных технологий, позволяющих не только эффективно отрабатывать крутые пласты, но и использовать выработанное пространство для размещения производственных отходов.
Условия залегания и низкая адаптивность технологии угледобычи предопределили ряд особенностей разработки крутых пластов, из которых наиболее опасными являются эндогенные пожары, внезапные выбросы угля и газа, горные удары, прорывы глины и пульпы в горные выработки и т.д.
Ведущими научно-исследовательскими, учебными и проектными институтами страны выполнен большой объем аналитических, лабораторных и шахтных исследований, направленных на изучение закономерностей геомеханических процессов в массиве горных пород и в окрестности подготовительных выработок при отработке крутых пластов с обрушением кровли или закладкой выработанного пространства. Однако результаты исследований не позволяют в полной мере прогнозировать влияние горногеологических и горнотехнических факторов на технологию формирования устойчивого выработанного пространства при отработке крутых угольных пластов для размещения производственных отходов.
5 В этой связи актуальными являются исследования, направленные на
защиту окружающей природной среды и создание технологий, обеспечивающих
формирование устойчивого выработанного пространства для размещения
производственных отходов при отработке крутых угольных пластов.
Работа выполнена в рамках: научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ Сибирского государственного индустриального университета в 2000-2006 гг., в том числе по программе № 006 Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области топлива и энергетики», проект № 26-6 «Разработка компьютерной системы геомониторинга и оперативного прогноза геомеханических параметров выемочных полей и участков угольных шахт» № гос. регистрации 04200008299; Программой Кузбасского НОК - 1; подпрограммой «Недра Кузбасса», проект № 27-6 «Разработка системы прогноза параметров высокоинтенсивных технологий угледобычи действующих шахт Кузбасса», № гос. регистрации 01970004330.
Целью работы является создание технологий, обеспечивающих формирование устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов.
Основная идея работы заключается в интеграции композиционных структур закладочных массивов и закономерностей формирования устойчивого выработанного пространства с учетом процессов в очистном забое при отработке крутых угольных пластов, для научного обоснования технологических решений, обеспечивающих возможность размещения производственных отходов.
Задачи исследований:
установить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов;
установить закономерности деформирования пород кровли в выработанном пространстве с учетом процессов в очистном забое при отработке крутых угольных пластов в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий;
обосновать критерии устойчивости боковых пород в выработанном пространстве для определения допустимых площадей обнажения кровли и размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов;
синтезировать альтернативные варианты технологических схем отработки крутых угольных пластов для разработки новых технологических решений, обеспечивающих возможность формирования устойчивого выработанного пространства;
разработать технологические решения отработки крутых угольных пластов, обеспечивающие формирование устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов, обосновать рациональную область их применения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применен комплексный метод исследований: анализ и обобщение производственного опыта, а также результатов, предшествующих научных исследований; декомпозиция существующих технологических схем отработки крутых пластов; математическая статистика для обработки результатов научных экспериментов; технико-экономическое сравнение технологических решений.
Научные положения, выносимые на защиту:
- по убывающему влиянию на устойчивость выработанного пространства
при отработке крутых угольных пластов основные факторы ранжируются в
следующей последовательности: предел прочности и трещиватость боковых
пород; мощность и угол падения пласта; длина очистного забоя; способы
разрушения горной массы и управления горным давлением;
- деформирования боковых пород при выемке угля буровзрывным
способом увеличиваются на 60-70 % в сравнении с механизированным, при этом,
обеспечиваются предельно допустимые площади обнажения 750-900 м, а
нормальная составляющая давления на композиционную структуру закладочного
массива экспоненциально возрастает при увеличении размеров выработанного
пространства;
- величина площади предельно допустимого обнажения кровли зависит от
трещиноватости и способности к расслоению пород в процессе сдвижения после
7 выемки угля, причем основными критериями устойчивости являются время отработки участка пласта и компрессия закладочного массива, состоящего из производственных отходов, а также литой твердеющей закладки;
обязательными элементами синтезирования альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов для разработки новых технологических решений являются: композиционная структура закладочных массивов состоящая из производственных отходов, пропитанных твердеющими смесями, а также гидравлическая или механическая отбойка угля с проветриванием очистных забоев за счет общешахтной депрессии;
технологические решения отработки крутых угольных пластов, обеспечивающие возможность формирования устойчивого выработанного пространства, базируются на прогрессивных элементах традиционных технологий, позволяющих проветривать очистные забои за счет общешахтной депрессии, причем область их применения регламентируется устойчивыми и средней устойчивостью боковыми породами, а также углом падения более 60, и мощностью пласта более 1,2 м.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в работе, обеспечивается и подтверждается:
достаточным объемом наблюдений за проявлением горного давления в шахтных условиях и положительным производственным опытом применения технологических схем отработки крутых угольных пластов с обрушением кровли и закладкой выработанного пространства, исключающих буровзрывные работы;
высоким (0,83-0,95) коэффициентом корреляции при статистической обработке зависимостей, полученных в натурных экспериментах деформаций боковых пород в очистных забоях, камерах и подготовительных выработках от времени обнажения;
положительным опытом использования самотечной закладки при щитовой системе разработки в условиях шахты им. Ворошилова, а также литых твердеющих смесей и гидрозакладки на шахте «Коксовая» ООО «УК «Прокопьевскуголь».
8 Научная новизна работы состоит в:
- установлении зависимости влияния мощности и угла падения пласта, а
* также физико-механических свойств горных пород при различной длине
очистного забоя, способах разрушения горной массы и управления горным давлением на устойчивость выработанного пространства при отработке крутых угольных пластов;
установлении закономерностей влияния процессов в очистном забое, а также горно-геологических и горнотехнических условий на предельно допустимые площади обнажения и деформирование пород кровли в выработанном пространстве;
синтезировании альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов, включающих композиционные структуры закладочных массивов при гидравлической и механической отбойке угля;
разработке технологических решений, базирующихся на прогрессивных элементах традиционных технологий, позволяющих проветривать очистные забои за счет общешахтной депрессии и формировать устойчивое выработанное пространство при углах падения пласта более 60 и мощности более 1,2 м (Патенты № 2283431, №2285799, №2293182), Решения о выдаче патентов. Заявка № 2005133593/03 (037602), заявка № 2006102765/03 (003020).
Личный вклад автора состоит в:
- установлении зависимостей параметров устойчивости боковых пород от
основных горно-геологических и горнотехнических факторов;
установлении закономерностей формирования устойчивого выработанного пространства и предельно допустимых площадей обнажения кровли пласта в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий;
синтезе альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов для разработки новых технологических решений;
разработке технологических решений для отработки крутых угольных пластов, обеспечивающих формирование устойчивого выработанного пространства, для размещения производственных отходов при гидравлической и
9 механической отбойке угля и проветривании очистных забоев за счет общешахтной депрессии.
Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют: использовать разработанные технологические решения для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов, обеспечить возведение противопожарных перемычек и барьерных целиков, возведение изоляционных перемычек при ликвидации шахт, снижение экологической нагрузки на природную среду, увеличить срок службы угледобывающих предприятий за счет расконсервации запасов угля в охранных целиках на действующих горизонтах, а также снизить затраты на вскрытие и подготовку новых горизонтов.
Реализация работы. Разработанные технологические решения приняты за основу при проектировании горных работ по rni.IV Внутреннему ОАО «ш. Коксовая» для расконсервации запасов угля в охранных целиках под жилыми домами и промышленными объектами.
Результаты исследований использованы в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета при изучении дисциплины «Технология и комплексная механизация подземной разработки крутых пластов».
Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные результаты исследований, обсуждались и были одобрены на ученом Совете Сибирского филиала ВНИМИ, КузНИУИ (2001-2006 гг.), техническом Совете ООО «УК «Прокопьевскуголь» (2003-2006 гг.), на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк 2006 г.), на Л Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк 2007 г), на 7 Региональной научно - практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (г. Прокопьевск 2007 г), а также на расширенных технических совещаниях шахт «Тырганская», ООО «им. Дзержинского», и др. (2004-2006 гг.). В 2006 году работе присуждена
10 первая премия имени выдающего ученого, действительного члена АНСССР А.М.Терпигорева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе получено 5 патентов и три работы подготовлены без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 152 страницы машинописного текста в том числе 36 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 93 наименований.
Существующие системы разработки крутых угольных пластов в сложных природных условиях с естественным и искусственным поддержанием боковых пород
В процессе эксплуатации весьма сложного в горно-геологическом отношении Прокопьевско-Киселевского района были испытаны почти все известные в мировой практике системы разработки. Однако наибольшее применение получили следующие системы: щитовая с обрушением боковых пород (ЩО), подэтажная гидроотбойка с обрушением боковых пород, система разработки (ДСО) и системы разработки с закладкой выработанного пространства, в том числе короткие полосы по простиранию с гидравлической закладкой выработанного пространства (КПГЗ) и наклонные слои с гидрозакладкой (НСГЗ) выработанного пространства [14].
Большая часть угля (93 %) добывается системами разработки с обрушением боковых пород. Сюда же входят системы разработки с естественным поддержанием кровли, то есть камерные и камерно-столбовые. С искусственным поддержанием боковых пород (с закладкой выработанного пространства) добывается лишь 7 % от общей добычи угля по району [15].
Системы разработки крутых угольных пластов с естественным поддержанием боковых пород находятся в прямой зависимости от устойчивости боковых пород и параметров обнажения выработанного пространства,
В отечественной практике камерные и камерно-столбовые системы разработки имеют как опытное, так и промышленное применение во многих угольных бассейнах. Однако, в связи с отсутствием для этих систем средств механизации, наличием больших потерь угля и повышенной пожароопасностью они не получили широкого распространения. Хотя производительность труда на выход при камерных системах разработки по участку достигает 6 - 9 т и выше, расход леса на 1000 т добычи составляет 7 - 8 м3, а среднемесячная добыча с участка в отдельные годы равняется 8000 т и более [16]. Камерно-столбовая система применяется в отдельных случаях при разработке мощных крутых пластов в сложных горно-геологических условиях и при доработке аварийных щитовых столбов. Потери угля здесь доходят до 40-60% [17]. За рубежом при легкообрушающихся породах кровли на пластах мощностью от 0,3 до 2 м выемка угля без крепления призабойного пространства и без присутствия людей в забое осуществляется путем выбуривания угольного пласта шнекобуровыми машинами (США) фирмы Джой, в Германии - фирмой Корфман[18]. На отдельных зарубежных шахтах отбойка угля производится при помощи длинных скважин. Применение длинных скважин для отработки угольных пластов без крепления призабойного пространства и без наличия людей в отчисном забое позволило сократить объем подготовительных работ, уменьшить потери угля, повысить безопасность ведения горных работ и значительно улучшить технико-экономические показатели [19]. Метод отбойки длинными скважинами впервые был применен в США (штат Пенсильвания) в 1935 г. [20]. На шахте «Зиминка» АО «УК «Прокопьевскуголь» применяется предложенная производственниками технология разработки крутых пластов обрушением блоков длинными скважинными зарядами. Выемка угля здесь ведется отдельными выемочными столбами (блоками-камерами) (рис. 1.1). Взрыванием массового заряда [21]. Разрушение угольного массива в каждой отрабатываемой камере производится за один прием. После чего, приступают к интенсивному выпуску угля из бункеров расположенных в контуре камеры на скребковый конвейер, установленный на промежуточном штреке. В случае отсутствия перепуска пород производится принудительное обрушение потолочины отработанной камеры буровзрывными работами с вентиляционного штрека. После заполнения камеры обрушенной породой, производится её изоляция путем выкладки чураковых перемычек в штреках. Проветривание выемочного участка осуществляется за счет общешахтной депрессии. В последнее время на этой же шахте, применяется технологическая схема отработки пласта подэтажным обрушением горизонтальными скважинами (рис. 1.2). Выемка угля на участке пласта ведется отдельными выемочными столбами. Отработка столба производится также взрыванием массового заряда. Перед взрывом массового заряда на вентиляционном и подэтажных штреках выкладываются «клетки» для усиления сопряжений штреков с выемочным столбом. После выпуска угля из камеры и заполнения выработанного пространства обрушенными породами приступают к выемке угля в следующем столбе. Проветривание штреков, ортов, печей осуществляется за счет общешахтной депрессии. КузНИУИ разработана технология выемки угля с использованием подвесной клети (рис. 1.3) [22]. Общее количество подэтажей - три. В подэтаже полосы отрабатываются последовательно, начиная с первой от вентиляционной печи. Очистная выемка угля в последующей полосе начинается после полной выгрузки угля из отработанной камеры и заполнения ее обрушенными породами.
Анализ производственного опыта и результатов научных исследований по формированию устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов
Сложность разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района, возрастающая с переходом горных работ на нижние горизонты и характеризующаяся высокой тектонической нарушенностью, складчатостью и сближенностью пластов угля, склонного к самовозгоранию, внезапным выбросам и горным ударам, вызвала необходимость применения различных систем разработки и их вариантов. Средства комплексной механизации очистных работ применяются лишь в опытном порядке. Верхние горизонты отработаны, в основном системами с обрушением, с высокими потерями угля, что вызывало подземные пожары от самовозгорания угля, прорывы глины и т.д. [38,39,40].
Исследованиями установлено, что при отработке крутых пластов с обрушением кровли, основными факторами, влияющими на поведение пород в выработанном пространстве являются их физико-механические свойства и в первую очередь предел прочности пород (коэффициент крепости), определяющий их устойчивость и обрушаемость. При неустойчивых породах обрушение в выработанном пространстве распространяется на междупластье, при весьма устойчивых породах обрушающиеся слои отсутствуют.
Сложность управления кровлей возрастает как при весьма неустойчивых, так и при устойчивых (зависающих) породах. Наиболее благоприятны кровли, сложенные породами средней устойчивости, устойчивыми в призабойной зоне и легкообрушающимися в выработанном пространстве по мере удаления или передвижки крепи. Ввиду перепуска обрушающихся пород из верхней и средней частей забоя (снижение эффекта подбучивания основной кровли) на крутых пластах важное значение имеет устойчивость верхних слоев кровли. Зависание их и периодическое обрушение приводят к значительным периодическим возрастаниям нагрузок на крепь очистных забоев.
При наличии в непосредственной кровле пород (ограниченной мощности), недостаточной для подбучивания верхних слоев, а в основной кровле -устойчивых пород, происходит зависание и периодическое обрушение верхних слоев, вызывающие дополнительные деформации нижних слоев кровли и повышение нагрузок на крепь.
В целях определения устойчивости боковых пород КузНИУИ был проведен анализ опыта отработки крутых пластов без крепления призабойного пространства при выемке угля различными системами разработки, как с магазинированием, так и без магазинирования отбитого угля [41]. Этот анализ показал, что ряд крутых пластов в Прокопьевско-Киселевском районе имеет достаточно устойчивые боковые породы - пласты Садовый, Пионер, Угловой, Юнгор, Подспорный и др. Эти пласты на ненарушенных участках могут быть отработаны без крепления призабойного пространства. Площадь обнажения кровли при работе без крепления призабойного пространства до начала обрушения в отдельных случаях достигала 2000 м (рис. 1.4). На графике приведены фактические площади обнажения боковых пород, которые были получены при отработке крутых пластов без крепления призабойного пространства на шахтах Прокопьевско-Киселевского района. Вследствие значительной застройки поверхности шахтных полей большие запасы угля, законсервированы под различными объектами, что сокращает срок службы горизонта и приводит к уменьшению эффективности капиталовложений [42, 43]. Эти недостатки устраняются путем развития добычи угля с закладкой выработанного пространства.
При управлении вмещающими породами способом полной закладки выработанного пространства улучшаются условия отработки пластов, уменьшаются деформации вмещающих пород и угольных пластов, предотвращается распространение подземных пожаров на новые горизонты и перепуск глинистых пород, опасных по прорывам глин, на нижние горизонты, повышается герметичность выработанного пространства, снижается опасность самовозгорания угля, становится более упорядоченным поведение вмещающих пород в очистных забоях, снижается опасность горных ударов и др.
Ведущими научно-исследовательскими, учебными и проектными институтами страны выполнен большой объем аналитических, лабораторных и шахтных исследовательских работ, направленных на изучение закономерностей геомеханических процессов в массиве горных пород при отработке крутых пластов с закладкой выработанного пространства [44, 45]. Однако результаты исследований не позволяют в полной мере прогнозировать интегральное влияние природной и техногенной трещиноватости на смещение пород кровли в выработанном пространстве и деформации поверхности.
Многолетний опыт разработки крутых пластов показал, что существующая технология разработки с гидравлической закладкой выработанного пространства не соответствует требованиям геомеханики. 1-пласт Угловой, «безлюдная лава» длиной 50 м, 2-пласт Пионер, выемка полосами по восстанию шириной 20 м, 3-пласт Садовый, длинные столбы по простиранию с передвижной крепью, длина лавы 28 м, 4-пласт Пионер, «безлюдная лава» длиной 23 м, 5-пласт Юнгор, выемка полосами по восстанию шириной 20 м, 6-пласт Угловой, выемка полосами по восстанию шириной 40 м, 7-пласт Подспорный, выемка полосами по восстанию шириной 30 м
В последнее время наметилось новое направление в разработке мощных крутых пластов с применением твердеющей закладки, обеспечивающей применение средств комплексной механизации добычи угля, сокращение потерь угля в недрах, повышение безопасности горных работ [46]. Создание технологии с твердеющей закладкой находится на стадии решения принципиальных вопросов и идет по пути использования уже известных способов. Новых, оригинальных технологических решений, которые могли бы быть получены на основе применения твердеющей закладки с использованием всех ее возможностей, пока нет. Поиск новых технологических решений ведется в направлении выемки крутых пластов на полную мощность; применения гидродобычи в сочетании с твердеющей закладкой; создания новых способов транспортирования закладочной смеси и возведения закладочного массива. На рудных месторождениях закладка служит как средство поддержания вмещающих пород, а при разработке крутопадающих месторождений используется как рабочая площадка при очистной выемке [47]. Системы с закладкой находят широкое применение только при разработке руд цветных, редких металлов и золота в неустойчивых вмещающих породах для наиболее полной отработки ценных руд в тяжелых горно-геологических условиях, независимо от мощности, угла падения и глубины залегания, что особенно важно с переходом разработки на глубокие горизонты [48].
Методика исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород в очистных и подготовительных выработках для установления возможности формирования и использования выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов
С целью обоснования параметров обнажения кровли пласта и установления возможности использования выработанного пространства (образующегося в результате ведения очистных работ) для размещения отходов производства, использовались исследования, проведенные в подготовительных выработках при различных системах разработки [59]. Исследования проводились применительно ко всем классам кровли при различных сочетаниях горногеологических и горнотехнических параметров (мощность и угол падения пласта, крепость угля и устойчивость боковых пород, жесткость крепи, площадь обнажения потолочины и бортов выработки и т.д.) [60]. Исследования проводились по общепринятой методике, основанной на анализе средних смещений вмещающего массива на различном расстоянии от забоя [61]. Отдельная реперная станция оборудовалась несколькими парами реперов. Каждая пара реперов фиксировала в массиве горных пород или элементах крепи две точки, за относительными смещениями которых проводились наблюдения. Глубинные реперы закладывались в кровле и почве пласта. Для всех наблюдений фиксировалось положение очистного забоя, а также время выполнения производственных процессов. Отсчеты снимались специальной рулеткой с точностью 0,5 мм и измерительными стойками СУ-11 и СУ И-11 с точностью соответственно 0,5 и 0,01 мм [62].
В качестве объективных количественных характеристик принимались приращения смещений кровли за время одного подвигания очистного забоя или очистного фронта. Инструментальные наблюдения охватывали значительные по площади участки выемочного поля и включали одновременные измерения приращений смещений кровли по нескольким профильным линиям. Инструментальные наблюдения начинались обычно на стадии подготовки выемочного поля и продолжались в течение всего периода очистных работ. Все технологические схемы разделялись на группы, каждая из которых объединяла технологические схемы-аналоги, имеющие одинаковое направление и близкие по величине подвигания очистных работ в результате циклично повторяющихся операций по выемке угля и управлению кровлей. Каждая группа, объединяющая технологические схемы-аналоги, вследствие близкого качественного, а по многим параметрам и количественного сходства процессов выемки угля и управления кровлей характеризовалась качественно одинаковым развитием трещин, образования вывалов из боковых пород и проявлений горного давления. В чем и заключалось качественное подобие развивающихся при выемке угля геомеханических процессов, характерных для данной группы технологических схем-аналогов [63]. Замеры охватывали как выемочные циклы с полным совмещением влияния основных производственных процессов, так и циклы с использованием методов теории вероятности и математической статистики.
В качестве критерия состояния кровли и потолочины над отработанным пространством использовались удельные показатели нарушенности их вывалами Кв, трещинами Кт, которые вычислялись по результатам натурных измерений геомеханических размеров трещин и вывалов по следующим формулам [64] где SB - площадь вывалов, м2; S0 - площадь участка наблюдений, м2; 1Т - суммарная длина трещин; F0 - поддерживаемая площадь кровли (угольной потолочины), м . Результаты измерений заносились в журнал наблюдений. Камеральная обработка (вычисление коэффициентов и других величин, сравнение паспортных и фактических параметров расстановки крепи) производилась в этой же книге. Углы наклона трещин, наименование прослойков, по которым произошло отслоение пород при обрушении, оценка состояния кровли и окружающего массива над отработанным пространством производились: - при плохом состоянии или ухудшении состояния кровли (угольной потолочины) на том или ином участке пласта; - при подходе очистного забоя на определенное расстояние к замерной станции. Одновременно с оценкой состояния боковых пород контролировалось исполнение паспорта крепления. Определялась максимальная и средняя величина вывалов горной массы [65]. Объемы всех вывалов и средний их объем определялись по формуле: Размеры вывалов (длина, ширина, высота), их форма и положение относительно очистного забоя также фиксировались в журнале. Коэффициент расслоения Кр определялся по формуле где Мсл - мощность однородного литологического слоя породы, м; иР - средняя мощность слоев, заключенных между ослабленными контактами, м. Систематизация полученных данных позволила выявить закономерности формирования поверхностей смещений пород над угольным пластом и в выработанном пространстве.
Синтез альтернативных вариантов технологии отработки крутых пластов с возможностью формирования выработанного пространства для размещения производственных отходов
В технологической схеме отработки крутых пластов с использованием подземного пространства для размещения отходов производства важным звеном является устойчивость боковых пород, объем проведения и поддержания участковых подготовительных выработок, а также объем эксплуатационных и капитальных вложений. Поэтому задача синтеза альтернативных вариантов технологии в общем виде была сформулирована следующим образом. Требуется определить качественные и количественные характеристики будущей технологической схемы, которые обеспечат минимум (максимум) принятого критерия оптимальности за время отработки всех запасов в выемочном поле. Кроме того, технологическая схема должна отвечать требованиям безопасности, удовлетворять заданной производительности, обеспечивать полноту и качество извлечения угля, а также возможность зополнения выработанного пространства отходами производства [83].
На основании декомпозиции существующих технологических схем и обобщения опыта отработки крутых пластов, а также на основании научных исследований, проведенных для заданных горно-геологических условий, выявлялось и конструировалось исходное множество технологий, вариантов технологических схем отработки крутых пластов с возможностью использования подземного пространства для размещения отходов производства. Затем производилась их эскизная проработка. Кроме этого, альтернативные варианты технологических схем проходили обработку на основе экспертных заключений с возможностью выбора наиболее предпочтительной. Алгоритм синтеза альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых пластов с возможностью использования подземного пространства для размещения отходов производства и- определения их рациональных параметров приведен на рис. 4.1. Функция цели экономико-математической модели технологического участка имеет вид [36] где і - индекс варианта; -эксплуатационные затраты в очистном забое по і-му варианту, руб./т; кыог сумма амортизационных отчислений на капитальный ремонт очистного оборудования по і-му варианту, руб./т (Л.„, = А хЛ -/,.; Noi - норма амортизационных отчислений на капитальный ремонт очистного оборудования; tj - время отработки выемочного столба по і-му варианту, лет; KKj - капитальные затраты на оборудование очистного забоя по і-му варианту, руб./т); СМДІ - суммарные эксплуатационные затраты по і-му варианту на монтаж и демонтаж оборудования в очистном забое, руб./т; Спрі - суммарные эксплуатационные затраты по і-му варианту на проведение выработок в пределах выемочного участка (штреки, разрезная печь, сбойки и др.), руб./т; R-ПОДІ - суммарные затраты по і-му варианту на поддержание выработок в период их проведения и в период ведения очистных работ, руб./т; CTj - эксплуатационные затраты по і-му варианту на транспортировку угля и отходов производства в пределах выемочного участка (по штрекам, квершлагам и т.д.), руб./т; кмті - сумма амортизационных отчислений на капитальный ремонт транспортного оборудования по і-му варианту, руб./т {кКт1 = Кп-ЫТ1-1/, Кті -капитальные затраты на транспортное оборудование по і-му варианту, руб./т; NTj -норма амортизационных отчислений на капитальный ремонт транспортного оборудования). На область допустимых значений функции наложены следующие ограничения: 1. По объему капитальных и эксплуатационных вложений 2. По допустимой нагрузке на очистной забой 3. По допустимым сечениям горных выработок 4.
По альтернативности принимаемых решений где С, - эксплуатационные расходы на функционирование і-го варианта, руб.; К; - капитальные затраты на осуществление і-го варианта, руб.; Xj - символ і-го варианта; К - заданный объем капитальных вложений, руб.; С -заданный объем эксплуатационных расходов, руб.; Fimax - максимальное сечение выработки, обусловленное возможностями проходческой техники, м2; Fnp - сечение выработки, установленное по габаритам транспортных средств, м2; FiS - сечение выработки, установленное по скорости проходящего по ней воздуха, м2; Fj - сечение выработки і-го варианта, м ; Аочі - нагрузка на очистной забой і-го варианта, т/сут.; Аоч.ср - среднесуточная нагрузка на очистной забой, т/сут.; Агоч - допустимая по газовому фактору нагрузка на очистной забой по і-му варианту, т/сут. Принципиальную структуру экономико-математической модели, предназначенной для выбора рациональной технологической схемы, определяет целевая функция с системой ограничений и номенклатурой входных и выходных переменных. Входные независимые переменные содержатся в массивах исходных данных и включают горно-геологические характеристики шахтного поля и отдельных пластов (мощности пластов, углы их падения, глубина разработки, газообильность и др.) Лучшим альтернативным вариантом технологической схемы явилась схема, которая наиболее полно удовлетворяла совокупности технических и экономических требований, а именно: - в техническом отношении она обеспечивала наибольшую механизацию работ, высокую производительность, минимальные потери угля и безопасные условия труда; - в экономическом отношении технологическая схема имела минимальные суммарные капитальные вложения и эксплуатационные расходы по выемке угля, закладке выработанного пространства отходами производства; проведению и поддержанию выработок, транспортированию угля и закладочного материала в пределах выемочного участка, потерям угля, проветриванию и др.
