Введение к работе
Актуальность темы. В условиях рыночной экономики выживаемость угольных шахт России определяется величиной производственных затрат на добычу угля и транспортными издержками, формирующими цену угля и уровень его конкурентоспособности с взаимозаменяемыми энергоресурсами.
Перспектива развития добычи угля подземным способом- заключается в ускорении работ по технологическому перевооружению шахт, вовлечении в разработку преимущественно угольных пластов с благоприятными условиями, внедрении новой высокопроизводительной горнодобывающей техники и технологии работ.
Большой вклад в решение научных и технических задач, направленных на повышение эффективности технологий механизированной выемки угля внесли коллективы ИГД им. А.А.Скочинского, ИПКОН РАН, ИГД СО РАН, ИУ СО РАН, ПНИУИ, КузНИУИ, ДонУГИ, ВостНИИ, ЮТУ, С-ПбГИ, УГГА, КузГТУ, СГГМА и др.
В го же время имеющиеся рекомендации и разработки не всегда являются достаточно надежными. В условиях постоянно усложняющихся горно-геологических условий особую актуальность приобретает вопрос выбора места эксплуатации дорогостоящего оборудования, однако инженерные службы шахт не имеют в достаточной степени работоспособных методических рекомендаций по обоснованному выбору типов и типоразмеров механизированных комплексов, в том числе и нового технического уровня, обеспечивающих высокую производительность и быструю самоокупаемость при минимуме затрат на добычу угля. В этой связи необходимы широкие комплексные исследования, направленные на изучение влияния горно-геологических, технических и технологических факторов для получения научно обоснованных решений, обеспечивающих новый уровень эффективности работы очистных забоев, оборудованных серийными типами отечественных и зарубежных комплексов современного технического уровня.
Кроме того, действующий шахтный фонд Кузбасса не соответствует высоким современным требованиям по наращиванию объемов добычи угля. В этой связи важное значение приобретает разработка и обоснование направлений развития бассейна на базе совершенствования технологии работ и вовлечения в отработку новых запасов Восточных районов Кузбасса, учитывающие социальные, экономические и экологические аспекты.
Поэтому разработка научно обоснованных технических и техно-логйчеокил решекий по механизированной вкемке угля из пологих и наклонных угольных пластов составляет основу актуальной научной
проблемы, рассмотрению которой посвящена данная диссертация.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическими отраслевыми планами МУП СССР N023910,025610; приказом председателя Госплана СССР NfV-от 19.01.87 г. "О разработке целевой комплексной программы развития Кузнецкого угольного комплекса на период до 2005 года"; программой реструктуризации предприятий угольной промышленности, утвержденной протоколом Межведомственной К0МИССИІ по социально-экономическим проблемам угольных регионов Nf4 от 23.09.94 г.
Часть диссертации выполнялась в соответствии с тематическими планами КузНИУИ, планами-заказами ВІЮ "Кузбассуголь" и ассоциации "Кузбассуглетехнология" при непосредственном участии и под руководством автора по трем направлениям:
исследование взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами при отработке угольных пластов в Кузбассе (NfjTP 01820091880; 01840016187);
исследование технологических 'процессов при отработке угольных пластов в сложных условиях и обоснование требований и параметров технологических схем (NfTP 0592042000; 81052Є87; 01820089443);
разработать основные положения корректировки генеральной схемы развития угледобывающих предприятий до' 2010 года (NPTP 01880031546).
Целью диссертации является повышение эффективности комплексно-механизированной отработки пологих и наклонных пластов на основе выявленных закономерностей поведения массивов горных пород к разработанных технических и технологических решений, обеспечивающих развитие шахтного фонда и улучшение технико-экономических показателей шахт.
Идея работы заключается в использовании установленных геомеханических и технологических взаимосвязей и закономерностей для научного обоснования технических и технологических решений комплексно-механизированной разработки пологих и наклонных угольных пластов, обеспечивающих новый уровень развития подземной угледобычи в Кузбассе.
Задачи исследований:
исследовать влияние горно-геологических и технологических факторов на эффективность работы комплексно-механизированных забоев (КШ);
установить особенности взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами и разработать технические требования
- 4 -к выбору механизированных крепей и их эффективному применению в усложняющихся горно-геологических условиях;
исследовать процесс формирования отжима угля и вывалооб-разования пород в комплексно-механизированных забоях при разработке пластов с груднообрушаемой кровлей;
исследовать зависимости формирования грузопотоков угля из комплексно-механизированных забоев для определения на их основе рациональных параметров транспортных средств;
обосновать рекомендации по выбору рациональных параметров работы комплексно-механизированных забоев;
обосновать эффективные технические и технологические решения по снижению вредного влияния горного давления в комплексно-механизированных забоях;
разработать методику оценки и выбора рациональных технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов;
. - обосновать направления развития подземной добычи угля для перспективных угольных районов, учитывающие совершенствование технологии работ, социальные, экономические и технологические аспекты.
Методы исследований. При выполнении работ использован комплекс методов исследований, включающий обобщение и анализ научно-технического и производственного опыта комплексно-механизированной разработки пологих и наклонных угольных пластов; шахтные инструментально-визуальные и хронометражные наблюдения за процессами формирования отжима угля, вывалообразованкя пород и формирования грузопотоков угля из забоя; экономико-математического моделирования развития подземной добычи угля в регионе; обработку результатов по исследованию параметров работы очистных забоев методами математической статистики; разработку методик и анализ результатов опытно-промышленных испытаний и внедрения технических и технологических разработок в производственных условиях; технико-экономический анализ технологических решений.
Основные научные положения, защищаемые автором:
выявленные зависимости производительности различных типов комплексно-механизированных очистных забоев от основных горно-геологических и горнотехнических факторов, позволяющие сформировать базу для исследования динамики функционирования КмВ, определяющую уровень интенсивности и стабильности горного производства на шахте в целом;
установленные закономерности процесса формирования отжима угля и вывалообразования пород,а также взаимодействия механизиро-
ванных крепей с вмещающими породами, позволяющие обосновать выбор типа и параметров крепи для изменяющихся горно-геологических условий;
- установленные зависимости формирования грузопотоков угля
из комплексно-механизированных забоев, позволяющие производить
обоснованный выбор типа и параметров транспортных средств;
способы^ управления—массивом-надработкой и "подработкой~
пластов, упрочнением неустойчивых углепородных массивов обеспечивающих за счет изменения физико-механических свойств угля и вмещающих пород, при соответствующих параметрах, эффективное ведение очистных и подготовительных работ;
способы перехода геологических нарушений определяемые амплитудой нарушения, силовыми и конструктивными параметрами механизированных комплексов;
рациональные параметры работы комплексно-механизированных забоев определяемые с учетом конкретных горно-геологических условий эксплуатации, параметров очистных и подготовительных работ, зависимостей формирования грузопотоков угля из забоя и способа управления горным давлением, обуславливающие высокую эффективность работы КМЗ; ,
многовариантные расчеты и анализ технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов в разнообразных горно-геологических ситуациях, осуществляемые с применением ПЭВМ, и "обеспечивающие новый уровень развития подземной добычи угля в Кузбассе;
направления развития подземной добычи угля на перспективных месторождениях Восточного Кузбасса,базирующиеся на рациональном сочетании мер по повышению технического уровня горного производства и эффективности его функционирования при объективном управлении инвестиционной программой.
Достоверность положений подтверждается:
значительным объемом длительных (более 15 лет) шахтных инструментальных наблюдений автора при внедрении технологических схем разработки пологих и наклонных пластов, результатов исследований эффективности управления состоянием массива при разработке угольных пластов (около 2000 замеров) на девяти шахтах Кузбасса;
удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных исследований работы комплексно-механизированных забоев (расхождение не превышало 20%);
положительными результатами применения на шахтах им. С.М.Кирова, "Полыеаевская", "Октябрьская", "Капитальная", "Аба-
- 6 -шевская", "Распадская" механизированных комплексов "Пиома", Тли-ник", КМ-142, КМ-138, 2КМТ, МК-85Б;
- положительными результатами опытно-промышленной проверки
и внедрения разработок на шахтах АООТ "Ленинскутоль", "Кузнецку-
голь", "Беловоуголь" Кузнецкого бассейна, полученным экономичес
ким эффектом.
Научное значение работы заключается в установлении геомеханических и технологических взаимосвязей и закономерностей при комплексно-механизированной разработке пологих и наклонных угольных пластов для разработки научно-методических основ конструирования, обоснования параметров и совершенствования технологических схем горных работ в направлении повышения уровней их эффективности и безопасности.
Научная новизна работы заключается в:
установлении математико-статистических зависимостей производительности различных типов комплексно-механизированных забоев от основных горно-геологических и горнотехнических-факторов;
установлении закономерностей деформирования углепсродного массива при разработке пологих и наклонных пластов механизированными комплексами, представляющие собой теоретическую базу обоснования прогрессивных технико-технологических решений;
установлении особенностей взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами, позволяющих разработать технические требования к выбору механизированных крепей и их эффективному применению в усложняющихся горно-геологических условиях;
установлении зависимостей формирования грузопотоков угля из комплексно-механизированных забоев при разработке пологих и наклонных угольных пластов;
научном обосновании рациональных параметров управления массивом надработкой и подработкой, упрочнением неустойчивых уг-лепородных массивов на пологих и наклонных пластах;
установлении порядка и рациональных параметров способов перехода геологических нарушений механизированными комплексами;
установлении рациональных параметров работы комплексно-механизированных забоев, оснащенных очистным оборудованием различного типа в широком диапазоне горно-геологических условий и геометрических параметров выемочных участков;
разработке методики оценки и выбора на ЭВМ рациональных технологических схем механизированной разработки угольных пластов, учитывающей совокупность показателей, характеризующих эффективность работы очистных забоев;
разработке методических принципов прогнозного обоснования эффективности горного производства на различных этапах и технологических уровнях освоения новых угольных районов;
обосновании направлений развития подземной добычи угля, служащих основой программы комплексного исследования природных ресурсов и охраны окружающей среды Кузбасса в условиях действия
рыночных-отношений.
Практическая ценность работы заключается в том, что результаты исследований позволяют:
управлять состоянием углепородного массива при отработке пологих и наклонных угольных пластов на основе разработанных рекомендаций по выбору способов и их параметров управления горным давлением;
выбирать механизированные крепи для эффективной,разработки пологих и наклонных пластов в широких горно-геологических условиях на основе установленных особенностей их взаимодействия с вмещающими породами;
выбирать рациональные способы перехода разрывных геологических нарушений и упрочнения неустойчивых углепородных массивов для повышения эффективности работы очистных механизированных забоев;
обосновать рекомендации по выбору рациональных параметров работы комплексно-механизированных забоев;
обосновать методику оценки и выбора рациональных технологических схем разработки пологих и наклонных угольных пластов механизированными комплексами;
проектировать технические и технологические решения по созданию шахты нового технического уровня для перспективных угольных районов;
на основе направлений развития подземной угледобычи обосновать перспективы ее развития, учитывающие достигнутый технологический уровень ведения горных работ, экологические и экономические аспекты.
Личный вклад автора состоит:
в получении, обобщении, и статистической обработке результатов натурных исследований влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность работы комплексно-механизированных забоев;
в установлении особенностей взаимодействия механизированных крепей с вмещающими породами в широком диапазоне горно-геологических условий и в научном обосновании требований к выбору кре-
пей механизированных комплексов, обеспечивающих эффективную разработку пологих и наклонных угольных пластов;
в установлении закономерностей формирования отжима угля и вывалообразования пород при разработке пластов с труднообрушаемой кровлей механизированными комплексами;
в научном обосновании рациональных параметров технологических схем по снижению вредного влияния горного давления надра-боткой и подработкой, а также упрочнением неустойчивых углепород-ных массивов;
в научном обосновании рациональных параметров работы комплексно-механизированных забоев, учитывающих зависимости формирования грузопотоков угля из забоя, использование очистного оборудования различного типа и геометрические параметры выемочных участков;
в научном обосновании методики оценки и выбора параметров технологических схем разработки пологих и наклонных пластов, обеспечивающих высокоэффективное и рациональное использование недр;
в разработке методических принципов прогноза эффективности горного производства на различных этапах освоения новых угольных районов;
в разработке основных направлений развития угледобычи в условиях рыночных отношений, учитывающих технологию работ, социальные, экономические и экологические аспекты;
в использовании полученных технических результатов и научных обоснований при широком внедрении механизированной разработки пологих и наклонных угольных пластов в ряде районов Кузбасса.
Реализация работы
Разработанные научные принципы и выводы, полученные в результате исследований использованы при разработке ряда нормативных и методических документов ("Технологические схемы разработки пологих и наклонных пластов Кузнецкого бассейна" КузНИУИ, 1988, 77 с, "Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах на период 1990-1995 г.г." МУЛ СССР, 1989, 138 с, "Рекомендации по повышению эффективности применения мехкомплексов на пластах со слабыми почвами, склонных к отжиму угля и вывалообразова-нига кровли" КузНИУИ, 1990, 33 с, "Методика прогноза эндогенной пожароопасноети выемочных полей шахт Кузбасса для выбора достаточного объема пожарно-профилактйческих мероприятий" Минтопэнерго РФ, 1996, 26 с, "Руководство по изоляции отработанных участков,
временно остановленных и неиспользуемых горных выработок в шахтах" Минтопэнерго РФ, 1996, 122 с). Разработанные программы расчета на ЭВМ параметров КМЗ и методика оценки и выбора рациональных технологических схем разработки угольных пластов используются при ведении проектных работ институтами "Сибгипрошахт" и "Куз-бассгипрошахт". Основные направления развития подземной добычи -угля- использованы—при—составленшг'Тенеральной"схемы развития угольных месторождений Восточного Кузбасса". Технологические схемы выемки пологих и наклонных угольных пластов высокопроизводительными механизированными комплексами "Пиома", "Глиник", КМ-142, КМ-138 внедрены на шахтах им.С.М.Кирова, "Полысаевская", "Октябрьская" АООТ "Ленинскуголь", "Капитальная", "Абашевская" концерна "Кузнецкуголь" и арендном предприятии - шахте "Распадская" с экономическим эффектом.
Апробация работы. Основные научные положения и практические выводы диссертации докладывались и получили одобрение на:
научно-технической конференции, посвященной 40-летию со дня создания института КузШ (Кемерово,1990); Всесоюзной научной конференции по развитию производительных сил Сибири. Угольный комплекс (Ленинск-Кузнецкий, 1990); научно-практической конференции по эколого-экономическим проблемам разработки угольных месторождений Кузбасса (Кемерово, 1991); II Международной научно-практической конференции по перспективам развития горнодобывающей промышленности (Новокузнецк, 1995); научно-практической конференции Сибресуре-95 (Кемерово, 1995); Международном семинаре по современному горношахтному оборудованию и горной технологии (Кемерово, 1995); научно-техническом совете компании "Росуголь" (Москва, 1994); научно-технических советах ассоциаций и концернов Кузбасса (Новокузнецк, Белово, Ленинск-Кузнецкий, Кемерово, 1985-1996).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 32 научных трудах, включая 4 монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 262 стр. машинописного текста, состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 92 наименований, включает 22 таблицы и 51 рисунок.
