Введение к работе
Актуальность проблемы. Исторический период в развитии советского общества связан с переходом экономики суверенных республик на рыночные отношения.
В этих условиях в топливно-энергетической комплексе Северо-Востока и Ядутской-Саха ССР намечается переход на самофинансирование и самоуправление, развитие угледобывавшей пройышленности с ростом добычи угля на период до 2010 года в 2,2 раза по сравнении с уровнем 1990 года.
Для обеспечения ускоренного и эффективного развития угледо-бнвавшей промышленности на Северо-Востоке нашей страны, где угольные месторождения расположены в специфических горно-геологических, геокриологических и климатических условиях, требуется разработка новых технологий, способов выемки угля, обеспечивающих ресурсосбережение, охрану окружающей среды, рациональное использование недр, повышение производительности труда, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, сроков строительства при освоении новых угольных месторождений, переход от затратных методов хозяйствования к высокоэффективному производству.
.Решение проблем обеспечения энергетическим сырьем Северо-Востока страны и Дальневосточного экономического региона, где потребность в нем возрастает и дефицит в углях к 1995 году составит более И млн. тонн, планируется обеспечить в счет дальнейшего формирования ШТИК, в состав которого входит разрез Не-рпнгринский мощностью 13 млн. тонн угля в год, строительства 7 шахт, а также Эльгинского разреза в новом Токкииском районе,где полностьо отсутствует промышленная и социальная структуры.
Технико-экономические показатели будущих шахт Южной Якутии не обеспечат эффективности производства и ориентированы на традиционные затратные методы строительства и эксплуатации.
Это связано с тем, что традиционные подходы к строительству, эксплуатации и проектированию, слабо учитывают специфические климатические и горно-геологические условия месторождений области многолетней мерзлоты. Технико-экономические показатели новых предприятий характеризуются продолжительными сроками строительства от 10 до 23 лет, привлечением большой численности промышленного персонала от 2,0 до 4,0 тнс. человек; высокой себе-
стоимость» добычи от 40 до 60 дуб/т; и затратами на промышленное строительство от 300 до 900 млн. рублей; при значительном уровне удельных капитальных вложений от 220 до 410 рублей на I тонну добычи угля. Себестоимость добычи угля на открытых горных работа;: раорзга Нершгринский остается высокой 19-22 руб/т, а на Эльгинскои разрезе планируется 18-20 руб/т.
При этом в проектах не учитываются затраты будущих периодов на полное восстановление земель, что имеет важное значение для природной среды Севера. Прогрессивная комбинированная разработка на угольных месторождениях, в отличие от рудных, носит эпизодический характер и не имеет широкого практического применения, из-за отсутствия теоретических принципов взаиыоувязки подземных и открытых горных работ, стадийности способов разработки на все глубину залегания месторождений; проектирование таких предприятий ведется раздельно, не учитываются возможные взаимосвязи и положительные стороны открытого и подземного способов в единую комплексную еистецу.
Наряду с stem в горнодобывающей промышленности страны и за рубежи широко и эффективно используется комбинированная разработка рудных и нерудных полезных ископаемых, когда открытые и подземные горные работы ведутся одновременно на одном и том же месторождении, участке.
Такое положение является следствием отставания исследований по обоснованно комбинированной технологии и созданию эффективных методов, способов ведения комплексной разработки угольных месторождений и в том числе в районах Крайнего Севера.
Состояние проблемы использования комбинированной разработки на угольных месторовдениях, по имеющимся литературным источникам, касается отдельных технологических схем, способов, не учитывавших геомеханические, геокриологические и климатические условия угольных месторождений области многолетней мерзлоты.Такое состояние проблемы и уровень ее решения из-за отсутствия: знаний закономерностей проявления горного давления и сдвижения горных пород при подземной разработке во взаимосвязи с открытыми работами в сложных горно-геологических условиях и выемке угольных пластов комплексами с поверхности; обоснованности безопасных параметров ведения подземных работ одновременно с открытыми; технологических схем вскрытия, подготовки и очисткой, не позволяет широко применять эту прогрессивную технология) на угольных месторождениях страны, и в частности на Северо-Востоке.
Новые экономические отношения требуют изменения сложившихся
затратных подходов в проектировании и строительстве угледобывающих производств, ускорением сроков строительства и повышения эффективности угледобывающей отрасли. О этим связана необходимость создания научного обоснования комбинированной разработки угольных месторождений области многолетней мерзлоты, обеспечивающих достижение необходимых объемов добычи угля, значительное повышение производительности труда, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, сроков строительства и охрану природной среды, повышение уровня хозяйственной самостоятельности предприятий.
В диссертационной работе рассматривается совершенствование технологии подземных горных работ. При этом учитывается влияние на подземные технологии действующих открытых работ.
Работа непосредственно связана с планами НИР ИГДС СО РАН по темам "Разработать методику технико-экономического обоснования и расчета основных параметров комбинированных способов разработки, оценить эффективность их применения в регионах страны и представить в ГКНТ, Госплан СССР, Минчермет СССР, Минцветмет СССР, Мин-углепром СССР" (Пост. ГКНТ СССР № 56 от 10.03.86., 03.01.НЗ); "Создание технологий подземной разработки месторождений„области многолетней мерзлоты, обеспечивавших полноту извлечения полезных ископаемых из недр" (РАН СССР от 14.05.86 » 10/03-865); Разработка стратегии проектирования угольных шахт Севера на основе применения открыто-подземной технологии и совершенствования средств комплексной механизации" (Пост. ГКНТ от 13.07.84), программа "Сибирь", "Топливно-энергетический комплекс".
Цель работы - повышение эффективности освоения угольных месторождений области многолетней мерзлоты за счет совершенствования технологии подземных горных работ разработки угольных пластов.
Идея .работы состоит в том, что повышение эффективности подземной разработки угольных месторождений достигается использованием стадийности разработки, рациональных и безопасных параметров взаимосвязи подземных и открытых работ, учитывающих проявления геомеханических факторов.
Задачи исследований:
- установить закономерности проявления горного давлекп.ч. сдвижения и напряженно-деформированного состояния пород подземной разработки с учетом влияния борта карьера и подраба'тешаа..:о5"; толш при комбинированной, отработке месторождений в сло;:;:-";х горно-геологических и горно-тэхничоских условиях; .
установить закономерности проявления горного давления и нааряженно-деформированного состояния пород при выемке угольных пластов механизированными комплексами с поверхности;
-обосновать рациональные и безопасные параметры комбинированной разработки угольных месторождений в различных горногеологических условиях области многолетней мерзлоты;
установить и обосновать безопасные и эффективные условия эксплуатации механизированных комплексов в экстремальных условиях открытой рабочей зоны;
обосновать и разработать технологические и технические решения выемки угольных пластов при комбинированной разработке и отработке пластов с поверхности;
разработать технологические схемы вскрытия, подготовки и очистной выемки угольных пластов открыто-подземным способом механизированными комплексами с поверхности;
обосновать концепции проектирования, строительства угольных предприятий Севера с использованием комбинированной разработки, область ее применения и практические рекомендации по реализации результатов исследований.
Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований, включавший анализ и обобщение проектных решений, производственных показателей и литературных источников; исследования на моделях из эквивалентных материалов для установления закономерностей проявления горного давления, сдвижения горных пород, параметров обрушения; характера и степени подработки ме-ждупластья, взаимодействия системы "крепь - боковые породы" в открытой рабочей зоне; исследования на моделях из оптически активных материалов и методом ШЭ для установления закономерностей напряженно-деформированного состояния массива пород при комбинированной разработке и выемке угольных пластов комплексами с поверхности, установления рациональных и безопасных параметров подземных работ во взаимосвязи с открытыми; аналитические и численные решения задач геоыеханкки, горной теплофизики; экономико-математическое моделирование для обоснования параметров технологии выемки угольных пластов комплексами с поверхности; современные методы конструирования технологических схем; натурные эксперименты отдельных элементов технологии и способов ее реализации в условиях многолетней мерзлоты.
Научные положения, выносимые на зашиту:
эффективность и ускорение освоения угольных местороздений, представленных угольными пластами с мульдообразным залеганием обеспечивается комбинированной разработкой, с учетом экономической целесообразности, геотехнологической возможности совмещения подземных и открытых горных работ во времени и пространстве при разработке месторождений на всо глубину;
эффективность и безопасность разработки угольных пластов пологого падения от 0 до .35, мощность» от і до 5 ы, имеющих выход на поверхность или под наносы, обеспечивается выемкой угольных пластов механизированными комплексами с поверхности с учетом закономерностей проявления горного давления системы "крепь - боковые породы" в открытой рабочей зоне, посредством эксплуатации шахты (модулей), использующих передвижные поверхностные комплексы;
эффективность и безопасность разработки угольных месторождений со сложными горно-геологическими условиями и мульдообраз-ным залеганием пластов (Нерангринское), обеспечивается одновременным ведением открытых горных работ на верхнем пласте, подземных на никнем с управлением кровлей междупластья полным обрушением при соблюдении безопасных параметров подземных горных работ
с опережением, отставанием или непосредственно под действующим карьером;
сейсмобезопаеность подземных работ от массовых взрывов на разрезе обеспечивается выбором безопасных параметров взрывания и регламентацией режимов технологических процессов ведения подземных работ во времени и пространстве;
установленный характер и закономерности проявления горного давления и напряженно-деформированного состояния пород при выемке угольных пластов механизированными комплексами с поверхности имеют отличительные особенности по сравнению с традиционным подземным способом отработки: повышенный уровень горного давления и смещения горных пород в периоды ввода комплексов в угольный пласт и в режиме вывода их на дневную поверхность, при подвиганий очистного забоя по падению (восстанию) или диагонально;
работоспособность и безопасные условия эксплуатации механизированных комплексов в режимах ввода их в подземное пространство с борта уступа и вывода на земную поверхность достигается выбором рациональной технологической схемы монтажа, распора и ввода крепи в угольный пласт и применением пожаробезопасной не-
замерзающей жидкости для гидросистем крепи в соответствии с температурными условиями открытой рабочей зоны очистного забоя;
- эффективность и технико-экономические показатели предпри
ятий обеспечиваются за счет концепции комбинированной технологии
разработки, зависят от горно-геологических и горно-технических
условий ее применения, учитываемых яри сравнении вариантов трех-
стадийной разработки (открытые, открыто-подземные и подземные),
двухстадийной в двух вариантах (открытые, открыто-подземные, от
крыто-подземные и подземные), одностадийной, когда применяются
только открытые, открыто-подземные или подземные работы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтвервдается:
большим объемом и удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований методами моделирования на эквивалентных и оптически активных материалах методом фотоупругости и методом МКЭ'(расхоадение не более 13), сходимостью результатов лабораторных и шахтных экспериментов (коэффициент корреляции 0,9); положительными результатами внедрения отдельных рекомендаций в производство с получением фактического экономического эффекта;
сходимостью аналитических к численных решений задач с результатами натурных и лабораторных исследований;
сходимостью результатов экономико-математического моделирования с аналогичными работами, выполненными для условий Кузбасса институтом Куэбассгипрошахт и для Якутии Сибгипрошахтом, и ее эффективностью с учетом районирования к условиям Севера в проектах ш. Локучакитская и УДК Денисовский.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в обосновании способов повышения экономической эффективности угледобывающей промышленности Северо-Востока страны на базе концепции широкого использования комбинированной' разработки угольных месторовдений в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях во взаимосвязи одновременного ведения подземных и открытых горных работ;
в обосновании стратегии проектирования, строительства и эксплуатации шахт Севера на базе выемки угольных пластов механизированными комплексами с поверхности посредством эксплуатации шахт (модулей) с передвижными поверхностными комплексами контейнерного исполнения полной заводской готовности;
в обосновании целееообраэности перехода от открытых к
подземным горным работам за счет использования технологии выемки пластов комплексами с поверхности;
в установлении закономерностей проявления горного давления для месторождений со сложными горно-геологическими и горнотехническими условиями при одновременном ведении открытых и подземных горных работ и разработке эффективных и безопасных параметров управления геомеханическими процессами, происходящими в массиве горных пород;
в типизации горно-геологических и горно-технических условий угольных пластов, выходящих на поверхность или под наносы,
на основе которых разработаны схеда вскрытия, подготовки и очистной выемки, монтажа-демонтажа очистного оборудования в открытой рабочей зоне и обосновании области применения выемки угольных пластов с поверхности;
в установлении характера и закономерностей проявления горного давления, обосновании параметров и методов управления геомеханическими процессами в условиях отработки угольных пластов механизированными комплексами с поверхности;
в обосновании эффективности эксплуатации механизированных комплексов в открытой рабочей зоне, без конструктивных изменений крепи, на базе применения пожаробезопасной рабочей жидкости; установлении закономерностей взаимодействия конструкционных элементов крепей с новой рабочей жидкостью, уровня работоспособности комплексов и рациональной концентрации Ее компонентов в зависимости от температуры в открытой рабочей зоне.
Личный вклад автора:
в обосновании концепции стратегии проектирования, строительства и эксплуатации шахт области многолетней мерзлоты на базе основ комбинированной разработки угольных ыесторовдений Севера;
в разработке технологических и технических принципов, типизации горно-геологических, горно-технических условий и обосновании области применения комбинированной технологии разработки;
в установгении закономерностей проявления горного давления и напряженно-деформированного состояния пород при различных условиях открыто-подземного способа разработки;
в разработке эффективных 'и безопасных новых методов и рациональных схем управления геомеханическими и тепловыми процессами при выемке угольных"пластов механизированными комплексами с поверхности;
в обосновании повышения работоспособности и безопасности эксплуатации механизированных крепей в открытой рабочей зоне в условиях выемки угля с поверхности;
в разработке схем вскрытия, подготовки и очистной выемки угольных пластов в сложных горно-геологических и горно-технических условиях, а также при отработке их с поверхности.
Практическая ценность работы 'состоит в том, что проведенные исследования позволяют:
использовать методические положения и технологические принципы комбинированной разработки угольных месторождений Севера в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях при выемке угольных пластов механизированными комплексами с поверхности, а также при стадийной отработке месторождений на всю глубину залегания;
применять созданные технологические методы управления геомеханическими процессами при комбинированной разработке угольных месторождений области многолетней мерзлоты;
использовать новые принципы проектирования угледобывающих предприятий Северо-Востока для обеспечения ускоренного ввода в действие производственных мощностей с минимальными капитальными
и эксплуатационными затратами, повышение производительности, снижения себестоимости и экологической нагрузки на природную среду; ликвидации потерь угля в недрах, сокращения сроков перехода от открытых к подземным горным работам;
- совершенствовать экономический хозяйственный механизм в
условиях рыночной экономики на базе использования основ комбини
рованной разработки угольных месторождений Севера, за счет ис
пользования положительных сторон подземного способа разработки
во взаимосвязи с открытым, выемки угольных пластов с поверхнос
ти и эксплуатации шахт (модулей) с передвикными поверхностными
комплексами контейнерного исполнения полной заводской готовности.
Реализация работы. Принципы комбинированной технологии разработки угольнлс месторождений Севера составили основу концепции стратегии проектирования угольных шахт Севера. Они использованы при проектировании ш. "Холодниканская", "Локучакитская" и УДК Денисовский, при разработке "Технико-экономического обоснования организации в зоне БАЫ-АЯЫ совместно с зарубежными фирмами предприятий по разработке и переработке полезных ископаемых и сырьевых ресурсов"; при разработке и внедрении отдельных рекомендаций
и инструктивных материалов по применению пожаробезопасной и не-замерзаюшнй рабочей жидкости в гидросистемах механизированных крепей для шахт. Северо-Востока с получением фактического экономического эффекта в размере 294 тыс. руб.
Основные результаты работы использованы в следующих документах: "Технико-экономическое обоснование строительства шахты "Денисовская" (Сибгипрошахт, 1989 г.); в проекте УДК "Денисовский"; в ТЭО строительства ш. "Холодникчнская" на Нерюнгриноком месторождении (ПО "Якутуголь"); в проекте шахты "Локучакитская" совместного советско-японского предприятия "Сента-Корп". Ожидаемый экономический эффект от реализации комбинированной технологии в условиях местороадений Севера оценивается на Нершгринском месторождении 18-25 млн. руб., на Чульмаканском и Денисовском - 25-42 млн. руб. и на других месторождениях в размере 80-90 млн. руб.
Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные положения докладывались и были одобрены на П Всесоозном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1982 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование, прогноз, контроль проявления горного давления" (Ленинград, 1982 г.); на научно-технической конференции "Проблемы освоения минеральных ресурсов Якутии" (Якутск, 1982 г.); на Всесоюзном семинаре "Принципы создания новых технологий добычи угля" (Новосибирск, 1985 г.); на Всесоюзном семинаре "Технология разработки мошных пологих пластов" (Новосибирск, 1988 г.); на Всесоюзном семинаре "Проблемы разработки ресурсосберегающих технологий отработки месторождений полезных ископаемых Севера" (Якутск, 1988 г.); на УІ Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1988 г.); на научных советах СО АН СССР и научно-технических совещаниях (ПО Якутуголь, Северовостокуголь), институтов Сибгипрошахт, Востоксибгипрошахт, Дальгипрошахт; научных советах и секциях ИГДС СО РАН (Якутск, I98I-I99I гг.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в двух монографиях, 35 статьях и 18 авторских свидетельствах по теме диссертации.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 153 наименований и содержит 410 страниц машинописного текста, в т.ч. 48 таблиц и 91 рисунок.