Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы повышения полноты выемки запасов на угольных шахтах
1.1. Анализ производственного опыта по повышению полноты выемки и уровню извлечения запасов на угольных шахтах 12-16
1.2. Анализ направлений и результатов научных исследований по совершенствованию существующих и созданию новых технических средств и технологических схем выемки запасов из угольных целиков 17-32
1.3. Анализ направлений исследований по созданию нетрадиционных технологий выемки запасов из целиков различного функционального назначения 33-54
1.4. Обоснование актуальных задач исследований по развитию технологий выемки запасов из угольных целиков 55-56
Выводы 57-5 8
ГЛАВА 2. Разработка алгоритма структурной декомпозиции и оценки адаптивных элементов применяемых традиционных технологических схем подготовки и отработки выемочных участков применительно к условиям отработки запасов угольных целиков
2.1. Исследование структуры запасов и уровня потерь на шахтах Кузнецкого бассейна 59-69
2.2. Разработка методики структурной декомпозиции технологических схем подготовки и отработки выемочных полей угольных шахт 70-74
2.3. Структурная многоуровневая декомпозиция технологических схем подготовки и отработки выемочных участков угольных шахт 75-84
2.4. Синтез технологических схем выемки запасов из угольных целиков различного функционального назначения 85-86
Выводы 87-88
ГЛАВА 3. Обоснование и систематизация адаптивных к условиям выемки запасов из целиков элементов, способов, схем подготовки и отработки выемочных участков
3.1. Обоснование адаптивных к условиям выемки запасов из околоствольных целиков схем отработки и систем разработки 89-103
3.2. Обоснование адаптивных к условиям выемки запасов из целиков элементов систем разработки с короткими очистными забоями 104-125
3.2.1. Технологические схемы отработки целиков на базе камерной системы разработки 104-111
3.2.2. Технологические схемы на базе камерно-столбовой системы разработки 111-114
3.2.3. Технологические схемы на базе системы разработки короткими столбами 114-125
3.3. Обоснование адаптивных к условиям выемки запасов из целиков элементов систем разработки с выемкой угля бурошнековыми установками 126-134
3.4. Обоснование адаптивных к условиям выемки запасов из целиков элементов систем разработки с выемкой угля механизированными комплексами с очистными комбайнами и струговыми установками... 135-138 Выводы 139-140
ГЛАВА 4. Исследование параметров технологических схем отработки целиков с применением альтернативных технологий угледобычи
4.1. Разработка экономико-математической модели эффективности отработки целиков с применением технологии бурошнековой выемки, проходческими комбайнами, короткозабойными механизированными комплексами, струговыми установками, очистными комбайнами с механизированной крепью 141-150
4.2. Обоснование критерия оптимальности эффективности извлечения запасов из угольных целиков 151 -174
4.3. Анализ результатов экономико-математического моделирования.. 175-198
4.4. Выбор и оптимизация технологических схем и параметров целиков в условиях шахты «Распадская» 199-210
Выводы 211
Заключение 212-213
Список использованной литературы 214-222
- Анализ направлений и результатов научных исследований по совершенствованию существующих и созданию новых технических средств и технологических схем выемки запасов из угольных целиков
- Структурная многоуровневая декомпозиция технологических схем подготовки и отработки выемочных участков угольных шахт
- Обоснование адаптивных к условиям выемки запасов из целиков элементов систем разработки с короткими очистными забоями
- Обоснование критерия оптимальности эффективности извлечения запасов из угольных целиков
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с современными тенденциями развития технологии подземной угледобычи, ускорения научно-технического прогресса, обеспечения необходимых экологических и социально-экономических требований к труду основными проблемами дальнейшего повышения уровня прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ являются рационализация природопользования и охрана недр.
Основополагающими вопросами в этой области являются повышение полноты извлечения, комплексное и рациональное использование запасов угольных месторождений.
Неполная выемка запасов ведет к значительному прямому экономическому ущербу, заключающемуся в увеличении затрат на 1 т извлекаемых запасов за счет роста непроизводительных затрат на геологоразведочные работы, проектирование и строительство шахты, проведение и поддержание горных выработок и др.
Согласно официальной статистике на шахтах Российского Донбасса, Кузнецкого и Печорского угодшых бассейнов значительная часть балансовых запасов сосредоточена в целиках различного функционального назначения (предохранительных, охранных, барьерных, технологических). Их наличие в основном обусловлено особенностями современных технологий отработки угольных запасов и высокой степенью застройки подрабатываемых территорий.
Несомненно, эти запасы вызывают особый интерес с технологической, экономической и экологической точек зрения, так как они являются полностью вскрытыми необходимой топологической сетью выработок общешахтной инфраструктуры и частично подготовленными к очистной выемке.
Вовлечение в разработку запасов угля, сосредоточенных в целиках различного функционального назначения, отнесенных в потери по площади и мощности пласта в пределах шахтных полей действующих шахт и шахт, отработавших основные промышленные запасы, обеспечивает продление без значительных капитальных затрат сроков эксплуатации шахт, увеличение объемов добычи углей, пригодных для
і /
коксования, и сохранение довольно значительного количества рабочих мест.
В обстановке интенсивного поиска дополнительных ресурсов повышения конкурентоспособности и инвестиционной привлекательности горнодобывающих предприятий в настоящее время нельзя не обратить внимание на фактор более полного использования основных и сопутствующих ресурсов.
В соответствии с вышеизложенным диссертация посвящается решению задачи повышения уровня полноты извлечения угольных запасов, прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ за счет выемки целиков различного функционального назначения.
Целью работы является обоснование перспективных технологических и технических решений, экономически целесообразных параметров технологии извлечения целиков различного функционального назначения для повышения полноты извлечения угольных запасов, уровня прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ, обеспечивающих комплексное освоение недр, должную конкурентоспособность и инвестиционную привлекательность горнодобывающих предприятий.
Основная идея работы заключается в реализации комплексного подхода к формированию научно-методического обеспечения обоснования мобильной технологии выемки запасов из угольных целиков.
Методы исследований: в работе использован комплекс методов, включающий научное обобщение, анализ передового отечественного и зарубежного опыта и результатов ранее вьшолненных исследований в данной области, методы экономико-математического и имитационного моделирования, математические методы обработки статистических данных и аналитические исследования.
Научные положения, разработанные лично соискателем:
1. Результативность реализации технологических и организационных механизмов повышения уровней прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ должна быть увязана с реализацией перспективных нетрадиционных решений, связанных с повышением полноты извлечения запасов за счет выемки угля из целиков различного
функционального назначения, повышающих перспективы развития технологических схем угольных шахт.
-
Основу методологического и научно-методического обеспечения формирования стратегии обоснования перспективных технологических и технических решений в области выемки запасов из угольных целиков в сложившихся экономических условиях должны составлять методы экономико-математического и имитационного моделирования с критерием оптимальности «чистый дисконтированный доход», предусматривающие наиболее полный учет характерных особенностей пространственно-планировочных и технологических характеристик целиков и синтезирующие в себе известные положительные аспекты анализа и оценки.
-
Общая стратегия решения задачи повышения полноты извлечения угольных запасов реализуется путем создания единой классификации способов отработки целиков различного функционального назначения и конфигурации, характеризующихся различными горно-геологическими и горнотехническими параметрами.
4. Систему организационного обеспечения обоснования
перспективных технологических и технических решений для выемки
запасов из угольных целиков предложено формировать на основе
разработанной экономико-математической модели и методики
установления экономически целесообразных параметров целиков и
технологических схем их выемки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- масштабностью объектов исследований и представительным
анализом большого объема статистической информации, характеризующей
сложившиеся тенденции в вопросе полноты извлечения запасов угля на
шахтах филиала СУЭК в г. Ленинск-Кузнецкий,
- корректностью постановки задачи и использования современных
эффективных методов исследований (методы экономико-математического
и имитационного моделирования, обработки статистических данных,
корреляционно-регрессионного анализа и др.) при обосновании
технологических и технических решений для извлечения запасов из
угольных целиков в сложившихся экономических условиях,
- удовлетворительной сходимостью результатов экономико-
математического и имитационного моделирования и результатов,
достигнутых при промышленных испытаниях технологических схем.
Научная новизна работы:
предложены научно-методические принципы обоснования технологических и технических решений в области извлечения запасов из угольных целиков различного функционального назначения в разной горно-геологической и горнотехнической среде;
- разработан алгоритм структурной декомпозиции и оценки
адаптивных элементов традиционных технологических схем подготовки и
отработки выемочных участков применительно к условиям выемки
запасов из угольных целиков;
предложена классификация способов отработки угольных целиков различной конфигурации;
разработана методика комплексного обоснования перспективных технологических и технических решений повышения полноты извлечения угольных запасов, реализации соответствующих решений на действующих и закрываемых шахтах;
- разработана экономико-математическая модель эффективности
отработки угольных целиков с применением бурошнековых установок,
проходческих комбайнов, струговых установок и механизированных
комплексов.
Научное значение работы заключается в развитии и совершенствовании научно-методической базы обоснования перспективных технологических и технических решений в области извлечения запасов из угольных целиков, реализация которой позволяет осуществлять научное обоснование стратегии повышения полноты извлечения угольных запасов, комплексного освоения недр с учетом закономерностей развития научно-технического прогресса в отрасли и рационального природопользования.
Практическое значение работы заключается в разработке рекомендаций по реализации стратегии повышения полноты извлечения угольных запасов, направленной на извлечение запасов из угольных целиков различного функционального назначения и обеспечивающей
продление сроков службы горнодобывающих предприятий, повышение прогрессивности и экономичности ведения подземных горных работ.
Реализация работы. Научные и практические результаты работы прошли проверку и использованы при разработке программ и планов перспективного развития горных работ, обосновании привлечения к отработке запасов, сосредоточенных в целиках различного функционального назначения на шахтах филиала СУЭК в г.Ленинск-Кузнецкий.
Результаты исследований автора используются в учебном процессе МГГУ при подготовке дипломированных специалистов по направлению 650600 «Горное дело».
Апробация работы. Основные научные положения работы и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научных конференциях и симпозиумах: «Неделя горняка» в Московском государственном горном университете (2008-2010 гг.), Межрегиональной научно-практической конференции в г.Киселевске (2009 г.), на научных семинарах кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ (2008-2011гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ, 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 24 таблицы, 72 рисунка, список литературы из 95 наименований.
Анализ направлений и результатов научных исследований по совершенствованию существующих и созданию новых технических средств и технологических схем выемки запасов из угольных целиков
За последние годы, в ведущих угледобывающих странах достигнута полная: механизация процессов выемки угля и крепления в очистных забоях. При этом, уже. к началу ХЖв. неоднократно отмечалось, что дальнейший рост энерговооруженности горношахтного оборудования; повышение надежности его работы за счет увеличения металлоемкости достигло своего предела и дальнейшее движение в этом направлении приведет к резкому возрастанию его стоимости, отрицательно влияя на себестоимость добываемого угля;
Анализ показывает, что снижение массы и энерговооруженности выемочных комплексов оборудования, адаптированного для выемки запасов из угольных целиков различного функционального назначения, может быть достигнуто в том числе и за счет более полного использования отжима угля горным давлением: при применении новых выемочных машин, сочетающих преимущества комбайнов и стругов. В частности, является перспективным переход на мини-захват, как при: струговой выемке, в сочетании со специальным исполнительным органом комбайнового типа. Использование преимуществ выемочных машин с шириной захвата 0,24-0;33 м позволяет существенно снизить энергоемкость процесса разрушения- угля механическим способом,и, следовательно, создать менее энерговооруженные и металлоемкие добычные машины.
Компания «Джо№ Майнинг Машинери» (Joy Mining Machinery) работает над созданием интегрированной машины IMMj предназначенной для добычи угля в лавах, работающих по камерно-столбовой системе разработки. Исполнительный орган может резать всю ширину забоя, одновременно анкеруя кровлю и бока,, поэтому движение машины в забое осуществляется только поступательно, без необходимого возврата назад. Режущая автоматическая система предлагает несколько опций, в зависимости от специфики горно-геологических условий, что максимизирует объемы резания. В машине применена сетевая архитектура Joy, разработанная; совместно с. департаментом робототехники Университета Карнеги. Важными особенностями машины являются диагностическое оборудование, система блокировок, система передачи данных на поверхность, радио станционное управление траковой системы, средства контроля хвостового конвейера, выдвигающая- консоль, закрывающая режущий орган, вентиляционная-система и др. Сейчас «Джой» реализует три модификации IMM с режущими барабанами для высот 1,8-4,5 м и шириной забоя 4,7-6,7 м.
В США, Великобритании, Германии и ряде других стран в последние годы разработан ряд хорошо финансируемых программ, направленных на создание технологий будущего с принципиально новыми средствами комплексной механизации, которые должны обеспечить высокоинтенсивную безопасную отработку угольных пластов и целиков с требуемыми экономическими и потребительскими параметрами добываемого угля. В Германии, компанией «Дойче штайнколе АГ» в настоящее время ведутся работы над совместным с фирмами ДБТ, ДМТ и «Айкгофф» проектом по созданию струговой установки со шнековым исполнительным органом. Существенным инновационным элементом здесь можно считать диагональное расположение шнека, что позволяет располагать поворотный редуктор со стороны забоя так, чтобы он не препятствовал навалке угля на конвейер. Эксперименты на моделях показали, что производительность по отбойке и навалочная способность расположенного таким образом шнека повышаются примерно на 40-50% по сравнению с обычным его монтажом.
Другим примером в этом направлении может служить международный проект «Бримстоун» (США, Великобритания, Австралия, Польша), реализация которого позволила создать эффективную систему разработки угольных пластов (система «Колмил») с применением для выемки угля быстроходной малогабаритной выемочной машины (БВМ), оснащенной исполнительным органом (типа фреза) с захватом 0,24-0,3 м, работающей с базы скребкового конвейера и имеющей вынесенную систему подачи.
Применение системы «Колмил» позволило достичь достаточно высоких технико-экономических показателей и повысить безопасность ведения очистных работ в целом. Нагрузка на забой составила порядка 4000 т/сут, трудоемкость работ на концевых участках уменьшилась в 2 раза, энергоемкость разрушения угля уменьшилась на 40-66%; численность персонала в забое сократилась в 2,2 раза, существенно повысив уровень производительности труда.
Следует отметить, что аналогичные работы по созданию технологии выемки угольных пластов с применением БВМ с малым захватом" велись в России с большими перерывами на протяжении последних 30-35 лет, но так и не были завершены,из-за недостаточного финансирования и внимания-к ним со стороны бывшего Минуглепрома СССР. Так, в 1975 году на шахте «Сеченская» проводились промышленные испытания экспериментального образца высокоскоростного комбайна КВЭ в комплексе с гидрофицированной крепью 2МКЭ. В различных горно-геологических условиях при ширине захвата рабочего органа 0,2-0,27 м, скорости подачи 12 м/мин и выемке бурого угля сопротивляемостью 0,76-0,98 кН/см, средняя потребляемая мощность комбайна составляла 60-80 кВт., а удельная энергоемкость - 0,15-0,25 кВт-ч/т [32].
Учитывая вышеизложенную ситуацию с механизацией выемки пологих угольных пластов мощностью 0,85 - 1,4 м. Национальный научный центр горного производства - институт горного дела им. Л-Л. Скочинского совместно с ОАО «ПНИУИ» разработали принципиально новую отечественную технологию ведения очистных работ с комплексом КМБМ, заключающуюся в следующем: выемка угольного пласта осуществляется путём отделения от массива узкой ленты угля шириной 0,25...0,4 м быстроходной выемочной машиной (БВМ), передвигающейся по очистному забою со скоростью до 40 м/мин. Данная технология позволяет во многом устранить недостатки, присущие комбайновой и струговой технологиям выемки и вместе с тем совместить положительные качества этих технологий при отработке пологих пластов мощностью 0,9, 1,5 м. В состав комплекса КМБМ входят: механизированная крепь, БВМ с малым захватом; лавный скребковый конвейер со скалывающе-погрузочным лемехом; электрооборудование; крепь сопряжения; насосная и магнитная станции [33].
Структурная многоуровневая декомпозиция технологических схем подготовки и отработки выемочных участков угольных шахт
Возможности и перспективы использования техники и технологии для извлечения запасов из угольных целиков, применяемые в настоящее время, нуждаются в глубоком анализе и переосмыслении с целью существенного изменения ситуации в отрасли. Одним из возможных альтернативных решений может быть переход на более эффективные нетрадиционные геотехнологические способы отработки угольных месторождений (подземная газификация, гидрогенизация, пластификация, гидродобыча с помощью скважин) с земной поверхности или из действующих горизонтов глубоких шахт.
Геотехнологические (бесшахтные) способы добычи основаны на переводе полезного ископаемого в подвижное состояние посредством осуществления на месте его залегания тепловых, массообменных, химических или гидродинамических процессов. В настоящее время применяются три вида геотехнологических способов добычи угля: подземная газификация; прямое получение электроэнергии из химической энергии угля в недрах; перевод угля в недрах в подвижное состояние и извлечение его на поверхность через скважины.
Подземная газификация угля в естественном залегании представляет собой термохимический процесс превращения угля в горючий газ, пригодный для энергетических или технологических целей. Эта технология может стать одним из наиболее действенных и экологически чистых способов добычи [40], однако она имеет и серьезные недостатки: высокие потери энергии в недрах (более 30% тепла расходуется на разогрев пород); низкая теплота сгорания получаемого газа (3-5 МДж/нм на воздушном дутье); трудности управления процессом горения и, как следствие, нестабильные характеристики извлекаемого газа.
В последнее время ОАО «Промгаз» (Россия) разработаны новые технологические приемы и технические решения, позволяющие: — повысить степень выгазовывания пласта до 90-95% и снизить утечки газа из подземного газификатора до 5%; -отрабатывать оставленные запасы закрывающихся шахт методом нагнетательно-отсосной технологии; - уменьшить количество требуемых скважин и снизить расходы на бурение;. -получать заменитель, природного газа по? себестоимости 50 долл. ЄІІМ/тьіс. нм?. Недостатки, способа подземной5 газификации диктуют необходимость разработки альтернативной технологии подземной термохимической переработки угля. Подобная технология была разработана в 2004-2006 гг. Донбасским государственным техническим университетом [41]. Ее основным моментом является управление процессами горения и теплообмена при переработке угля на,месте залегания.
Участок пласта оконтуривают выработками, формируя заданные размеры энергетического блока (ЭБ). Из этих выработок в почву пласта пробуривают скважины, в которых размещают стальные трубы связанные с входной и выходной магистралями. С поверхности к ЭБ бурят воздухоподающую: и газоотводящую скважины, сопряженные с каналами в пласте. В подземной камере располагаются электрогенерирующие агрегаты. Тепло, выделяющееся при горении (газификации) угля в ЭБ, расходуется; на нагрев воды, в стальных трубах, которая и обеспечивает работу электрогенерирующих агрегатов; (например, модульных геотермальных агрегатов «Туман-2», работающих на воде с температурой 200Є);
Расчеты показывают, что при размерах ЭБ 300x100 м и мощности пласта.0,8 м дополнительно к продуктам, газификации можно получить до 30 млн. кВтхч электроэнергии. Существенным достоинством этой технологии является также повышение теплотворной способности горючего газа, т.к. в замкнутом блоке возможно эффективное регулирование параметров процесса газификации (температуры, давления, скорости подачи дутья и т. д.) [42].
Еще один перспективный геотехнологический способ выемки - это скважинная гидродобыча.уГЛЯІ т.е. превращение угля на месте залегания в гидросмесь и ее откачка на; поверхность. Гидросмесь можно откачивать эрлифтом гидроэлеватором; погружным насосом и т.д. Несомненный интерес адаптации техники и технологии для выемки запасов из угольных целиков представляют разработки в области струговых и фронтальных агрегатов. Одной из первых попыток внедрения выемки угольных пластов агрегатами было создание в СССР стругового агрегата С А, завершившееся неудачей из-за неуправляемости струга по гипсометрии пласта, а также разработка фронтального агрегата Ф-1. Опытно-промышленные испытания фронтального агрегата Ф-1, проведенные в начале 1980г. на шахте «Юбилейная» на пласте 26а (Кузбасс), подтвердили его работоспособность, и одновременно выявили ряд его конструктивных недостатков[43]. Исследования характера взаимодействия механизированной крепи фронтального агрегата Ф-1 с боковыми породами, позволили получить количественные значения силовых параметров крепи в исследуемом диапазоне горно-геологических условий, которые явились основой для корректировки технического задания. В результате шахтных испытаний были скорректированы конструктивные параметры исполнительного органа агрегата и базовой секции механизированной крепи для обеспечения эффективного разрушения верхней пачки угля. В дальнейшем по разным причинам работы по созданию агрегатов для выемки пологих угольных пластов были прекращены. Однако были предприняты попытки использования технических решений, апробированных на пологих пластах, в конструкциях выемочных агрегатов для крутых и крутонаклонных пластов, результатом чего явилось создание выемочных агрегатов АК и АКЗ, обеспечивших выемку угля на крутых и круто-наклонных пластах средней мощности без постоянного присутствия людей в очистном забое [44].
Значительный вклад в создание технологии безлюдной выемки внесли А.С. Бурчаков и И.И. Шаровар, под руководством которых были разработаны теоретические основы безлюдной технологии отработки крутых и крутонаклонных угольных пластов с использованием тяжелых сред при выполнении различных производственных процессов подземной угледобычи.
В МГТУ предложена технология отработки крутых пластов с использованием тяжелых жидкостей, основанная на новых принципах выполнения всех основных производственных процессов, выполняемых в очистном забое [45, 46]. Шахтное поле разделяют по падению на этажи, на каждом из которых проходится- вентиляционно-откаточный горизонт. Вскрытие шахтного поля производится тремя стволами с этажными квершлагами. Главный ствол размещается в породах лежачего бока по центру шахтного поля, а два вспомогательных ствола - на флангах.
Обоснование адаптивных к условиям выемки запасов из целиков элементов систем разработки с короткими очистными забоями
Ведение очистных работ при камерной системе разработки предполагает разделение на два вида: без расширения и с расширением камер.
Вариант технологической схемы отработки выемочных участков регулярно расположенными камерами без их последующего расширения [69] приведен на рис. 3.2.1. Организация ведения очистных работ в них осуществляется независимо друг от друга — в соответствии с технологией проведения подготовительных выработок. Камеры в целях проветривания соединяются между собой сбойками.
Основным преимуществом данной схемы является возможность отработки выемочных участков значительной длины за счет высоких темпов ведения очистных работ, их простоты и однотипности. Однако чрезмерное увеличение общего числа камер может привести к раздавливанию целиков угля между ними, особенно с увеличением глубины разработки. Как правило, данная схема ограничивается глубиной 250-300 м. Распространение данной схемы на большие глубины становится возможным при использовании закладки отработанных камер. При этом появляется возможность уменьшения ширины целиков. Было разработано два принципиальных варианта технологических схем ведения очистных работ регулярно располагаемыми камерами с закладкой выработанных пространств с использованием пневмозакладочного комплекса типа «Титан-1» (рис. 3.2.2).
Принципиальное отличие схем друг от друга заключается в подготовке выемочных участков: в, первом случае она происходит сдвоенными подготовительными выработками, которые могут быть проведены либо1 в центре участка отработки, либо у одной из его границ; во втором — подготовка осуществляется путем оконтуривания выемочного участка. Достоинством первого- варианта является, возможность двусторонней отработки выемочных участков, что предопределяет меньшие затраты времени на подготовку при увеличенных размерах выемочных участков по простиранию.
При увеличении углов залегания угольных пластов, вызывающих рост размеров целиков (особенно со стороны восстания), отработку участков необходимо вести с разделением целика на ярусы. При этом нижний (откаточный) штрек (рис. 3.2.2, б) может быть повторно использован для нижнего яруса в качестве вентиляционного. Кроме того, такая схема обладает следующими преимуществами: упрощенная последовательная проветривания очистных и закладочных камер; разделение грузопотоков по границам на разные горизонты; упрощение закладочных работ, так как заполнение камер осуществляется в направлении восстания, что не требует возведения дополнительных ограждений для удержания закладочного материала от сползания.
Распространение камерных систем на большие глубины становится возможным при отработке групповыми тупиковыми камерами, например 2, 3 или 4 камерами в пределах одного выемочного участка [69, 70]. Однако необходимым условием при этом является наличие прочной основной кровли, предельный пролет которой и определяет ширину участка [71, 72, 73]. Предполагается, что в каждой группе отработка камер ведется одновременно, а проветривание, ввиду формирования сбоек между ними, обеспечивается за счет общешахтной депрессии.
Строгое соблюдение такой технологии требует значительного парка оборудования: в каждой камере устанавливаются свой проходческий комбайн и средства транспорта. Естественно, что на стадии строительства шахты это приведет к значительным капитальным затратам. Определенные сложности вызывает и применение закладочных работ, так как в групповых камерах при использовании одного пневмозакладочного комплекса требуется общее увеличение дальности транспортирования пульты и частый перемонтаж трубопровода.
В связи с этим предлагается использование групповых камер (в частности, 3 и 4 камер) при совмещении в них очистных и закладочных работ по типу технологий с регулярно расположенными камерами, а разделение работ по закладке выработанных пространств и очистной выемке сохранить только при отработке участков парными камерами, принципиальные схемы которой были сформированы в работах [69, 70, 72].
Сущность разработки парными камерами заключается в одновременном (с незначительным опережением забоев) проведении двух камер, соединяющихся между собой сбойками и разделяющихся между камерным целиком угля. Камеры формируют выемочный участок, в пределах которого все (или часть) производственные процессы связаны в единый комплекс. В свою очередь, каждая пара камер отделяется друг от друга межучастковыми целиками, служащими опорными конструкциями для поддержания всей вышележащей породной толщи и предохраняющими ее от разрушений при подработке. Наибольший интерес, с точки зрения минимума затрат и последующего ведения закладочных работ, представляют собой 2 технологические схемы (рис. 3.2.3) - с совмещенной схемой транспортировки угля и с транспортировкой угля самоходными вагонами.
Обоснование критерия оптимальности эффективности извлечения запасов из угольных целиков
Камерная система позволяет обеспечить высокие технико-экономические показатели в тех случаях, когда непосредственно над пластом залегают устойчивые и весьма устойчивые породы.
Это позволяет снизить потери угля за счет увеличения пролетов камер и уменьшения ширины междукамерных целиков. При менее устойчивых породах эффективность камерной системы снижается. Камерно-столбовую систему разработки обычно применяют при породах кровли средней устойчивости. Система предопределяет высокую эффективность очистных работ в тех случаях, когда отработка межкамерных столбов происходит без крепления кровли в заходках.
При склонности к пучению пород почвы применение короткозабойных технологий является затруднительным из-за нарушения эксплуатации нарезных выработок. Эффективность в таких ситуациях напрямую зависит от темпов ведения очистных работ в камерах и погашения целиков. В то же время хорошие результаты могут быть получены при сокращении длины очистных выработок и ширины междукамерных целиков.
Прочностные свойства угля в значительной степени предопределяют размеры целиков. При низкой крепости углей камерная и камерно-столбовая системы разработки, с одной стороны, являются малоэффективными ввиду больших размеров целиков или усложнения технологии работ, а с другой — небезопасными из-за интенсификации отжима и разрушения краевых частей целиков. Более безопасные условия могут быть обеспечены при использовании системы разработки короткими столбами.
Увеличение глубины разработки приводит к росту проявлений горного давления, в результате чего усиливается; напряженное состояние. В таких условиях безопасность, работ обеспечивается увеличением ширины целиков или уменьшением пролетов камер. Опыт разработки показывает, что системы разработки короткими забоями целесообразно применять до определенных глубин: камерную - до 250-300 м; камерно-столбовую - до 500-600 м; короткими столбами - 600-700 м [75].
Необходимо отметить, что как по условию прочности углей, так и по условию глубины системы разработки короткими забоями могут иметь большее распространение за счет изменения способа управления горным давлением, который должен сочетать поддержание кровли целиками и закладку выработанных пространств. При таком подходе данные факторы практически не ограничивают область применения короткозабойных технологий.
К настоящему времени, при современном развитии техники, мощность пласта практически не является ограничивающим фактором для распространения систем разработки короткими забоями. Однако, ввиду упрощения технологии очистных работ, наилучшие показатели достигаются при разработке пластов с вынимаемой мощностью от 0,9 до 4,5 м. К тому же, при таком диапазоне целики имеют сравнительно высокую сопротивляемость разрушению, так как их прочность зависит также и отношения ширины к высоте.
Анализ технических характеристик применяемого в коротких забоях добычного и транспортного оборудования показывает, что эффективное ведение очистных работ при расположению камер по восстанию-падению ограничивается углом падения пласта 16-20. При больших углах необходимо применять системы разработки с диагональным расположением камер или с проведением камер по простиранию с диагональным расположением заходок при погашении междукамерных целиков.
Ввиду интенсивного выделения газа из обнаженных поверхностей пласта, главным образом из боков выработок, системы разработки короткими забоями на пластах с большой газоносностью применяют весьма редко. Снижение влияния газовыделений достигается только при использовании таких технологий, при которых осуществляется проветривание выработок за счет общешахтной депрессии. На основании этого можно заключить, что ведение очистных работ в тупиковых забоях является весьма небезопасным. Наиболее благоприятной для разработки газоносных пластов является система коротких столбов, при которой объем добычи из глухих выработок не превышает, как правило, 15-20%.
Разработка короткими забоями сопровождается значительными эксплуатационными потерями угля (от 20-25 до 45-50%), что на пластах, склонных к самовозгоранию, создает опасность возникновения эндогенных пожаров. При камерно-столбовой системе и системе короткими столбами в выработанном пространстве остается часть угля в. многочисленных целиках малых поперечных размеров, которые обладают небольшой несущей способностью и разрушаются при удалении очистного фронта, что характеризует данные системы как более пожароопасные, чем камерные системы.
Опыт отработки пластов, склонных к самовозгоранию, на шахтах Кузбасса, угольных шахтах Чехии, Японии, Югославии, Польши позволил выявить ряд мероприятий, обеспечивающих снижение пожароопасности применяемых короткозабойных технологий: вести отработку выемочных участков в сроки, меньшие инкубационного периода самовозгорания угля; отработку вести в обратном порядке — от границ выемочных участков, максимально сокращать эксплуатационные потери угля; осуществлять своевременную и качественную изоляцию отработанных участков за счет оставления барьерных противопожарных целиков или сооружения вентиляционных перемычек. Наиболее эффективной мерой является закладка выработанных пространств, позволяющая в максимальной степени сократить приведенные выше мероприятия. На основании изложенного можно отметить, что системы разработки короткими забоями, особенно в совокупности с ведением закладочных работ, для условий отработки околоствольных целиков на пластах пологого и наклонного падения практически не имеют ограничений по области применения, так как являются взаимозаменяемыми в различных горногеологических и горнотехнических условиях.
