Введение к работе
з
Актуальность проблемы.
Разнообразие горно-геологических условий залегания крутых пластов на
шахтах ІїрокопьсБСКО-КііселеЕск.ого района Кузбасса обусловило, в
настоящее время, необходимость применения большого коліяества систем разработки как с обрушением (90-93% добычи), так и с закладкой выработанного пространства (7-10% добычи).
Несовершенство применяемых систем разработки с обрушением кровли предопределяет низкие технико-экономические показатели, в т. ч. высокие потери угля (30-50%), что приводит к интенсивному росту глубины ведения горных работ, интенсификации проявлений горного давления, увеличению степени пожароопасности и др. Одним из способов ведения горных работ, устраняющих перечисленные недостатки систем разработки с обрушением, является закладка выработанного пространства, которая позволяет, с одной стороны, сохранить земную поверхность от разрушения, а, с другой стороны увеличить коэффициент извлечения до 0,9. Кроме того, применение закладки повышает эффективность отработки особо мощных (более 7 м) крутых пластов без оставления угольных целиков.
Однако из-за отсутствия эффективной техники и технологии подготовки и отработки крутых пластов применяемые системы разработки с обрушением кровли и закладкой выработанного пространства характеризуются высокой себестоимостью угля, тго приводит к снижению рентабельности аіахт в целом. Значительные затраты также возникают из-за проведения большого объема подготовительных выработок различного назначения. В Прокопьевске-Киселевском районе их проводится более 200 км в год.
Подготовительные выработки при отработке крутых пластов, как правило, проводятся буровзрывным способом, который характеризуется низкими темпами проведения, высокой трудоемкостью и опасными условиями труда. Особенно это характерно для восстающих выработок. Поэтому выбор средств механизации для проведения восстающих
выработок, их создание, исследование конструктивных параметров режима работы яиіяются одним из аспектов одной и той же актуально. проблемы - проблемы безопасной и эффективной. отработки крутых пластов
Другой' причиной низкой рентабельности шахт, отрабатывающих круты пласты, является недостаточный уровень механизации ч горных работ, чт следует объясшггь отсутствием фундаментальных исследовашс закономерностей взаимодействия пздрофиттярованных крепей с вмещающш массивом в горизонтальных слоях, изменением силовых параметре механизированных крепей, а также проявлением горного давления связанных с разработкой новых технологий для отработки крутых пласто: с закладкой выработанного пространства.
Перечисленные причины приводят к высокой трудоемкости, опасны* условиям труда при очистных и подготовительных работах на круты; пластах, что является следствием недостаточности и отсутствия комплекс; теоретических исследований технологических схем подготовки и отработка крутых пластов и научного обоснования параметров технологий и среден механизации.
В связи с вышеизложенным, создание технологических схем интенсивно!
и безопасной подготовки и отработки крутых пластов на основі
комплексных теоретических исследований геомеханических і
технологических процессов и разработки новых типов оборудования позволяющих максимально нейтрализовать негативные факторы, присущи* крутым пластам, и за счет этого снизить затраты по добыче угля является актуальной научной проблемой, имеющей важное значение дш угольной промышленности в современных рыночных условиях.
Исследования проводились в рамках плана научно-исследовательски? работ Минуглепрома СССР (1970-1995 гг.) по тематике КузНИУИ прь непосредственном участии и под научным руководством автора.
Целью работы является повышение эффективности разработки крутьо уюльных пластов на основе установленных геомеханическю закономерностей, а также разработанных технологических решений и технических средств.
Идея- работы заключается в использовании механизма взаимодействия геомеханических и технологических процессов с новыми комплексами оборудования для научного обоснования технологических решений и параметров технологии подготовки и отработки крутых пластов.
Задачи исследований:
разработать концепцию системного технического перевооружения угольных шахт - Прокопьевско-Киселевского района, основу которой составляют эффективные технологии подготовки и отработки крутых пластов! а также новые конструкции оборудования;
установить закономерности влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на параметры техншюпш проведения восстающих выработок и создать высокоэффективные технологические схемы и средства механизации;
установить закономерности формирования и проявлений горного давления при проведении монтажных камер в горизонтальном слое и разработать технические требования к конструкции механизированного комплекса;
установить силовые и конструктивные параметры гидрофицираванной крепи и создать механизированный комплекс для проведения монтажных камер в горизонтальном слое;
установить характер проявлений горнего давления при отработке мощных крутых пластов горизонтальными - слоями с закладкой выработанного пространства;
установить силовые и конструктивные параметры гидрофицированной крепи и создать механизированный комплекс для отработки особо мощных крутых пластов горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства;
- разработать эффективные технические решения для технологии
очистных работ гидравлическим способом с закладкой выработанного
пространства и создать герметичігую крепь для скатов;
6 - разработать программу расчета параметров и выбора технологически} схем на ЭВМ с учетом горна-геологических и горно-технических условий а также оптимизации технико-экономических показателей с помощьк операдиошю-вычислигельного графа произБОДительности труда рабочего.
Методы исследований. В работе использованы комплексный анали; существующего опыта подготовки и отработки крутых пластов Кузбасса, ; также обобщения ранее выполненных работ по изучаемой проблеме.
Моделирование горных процессов на эквивалентных материалах лабораторные и стендовые испытания а также, экономика-математическое моделирование. Натурные эксперименты в производственных условиях < использованием апробированных и специально разработанных методик.
Научные положения, выносимые на защиту:
Перевод шахты на новый технико-экономический уровень достшаетс* созданием высокоэффективных технологий подготовки и отработки крутыз пластов, включающих технологические схемы, буровые инструменты і машины для проведения восстающих выработок, механизированны! комплексы для подготовки монтажных камер в горизонтальных слоях, ; также технологии отработки горизонтальных слоев и выемки круты: пластов гидравлическим способом, с закладкой выработанного пространства.
Высокоэффективная подготовка крутых пластов обеспечиваете;
применением технологических схем с использованием буровокі способ: проведения восстающих выработок, путем создания мощных буровы: машин с дистанционным наращиванием штанг, надежного буровоп инструмента и технологии безлюдного крепления скважин, а также к адаптации в широком диапазоне горно-геологических и горно-технически: условий.
Эффективность и безопасность работ при проведении монтажных каме] в горизонтальном слое обеспечиваются за счет применения вьіемочноі машины, забойного конвейера и Гіодрофицированной крепи, причеп силовые и конструктивные параметры последней определяются с учетої проявления - горного давления, горно-геологических и горно-технически:
факторов, а при мощности пласта более 7 и компоновка комплекса остается неизменной.
Эффективность применения механизированного комплекса в монтажной' камере горизонтального слоя обеспечивается за счет научно обоснованных силовых параметров гидрофицнровзнной крепи с учетом закономерностей проявления горного давления и работы системы "крепь-щит-вмещаюплга массив", причем смещение потолочины и нагрузки на секции крепи линейно зависят от мощности отрабатываемых пластов, крепости угля и боковых пород, а также горио-технических условий.
При отработке мощных крутых пластов горизонтальными слоями по падению пласта точка максимума давления закладки на крепь волнообразно перемешается за очистным забоем по простиранию, причем - по мощности пласта распределение давления характеризуется параболической формой с максимумом, смещенным к почве пласта.
На закономерность формирования и проявления горного давления на гидрофицированную крепь при слоевой отработке мощных крутых пластов существенное влияние оказывают: глубина разработки, мощность пласта, угол падения и устойчивость боковых пород, при этом нормальное давление со стороны пород кровли на закладочный массив экспоненциально возрастает при увеличении размеров выработанного пространства
При гидравлической отработке крутых пластов с закладкой выработанного пространства обязательным элементом технологических схем является щитовое перекрытие поступательно и принудительно перемещающееся за очистным забоем, а также камеры, отрабатывающиеся в шахматном порядке, причем при механогидравлической выемке возможно применение крепления забоя или твердеющей закладки, а при гидравлической закладке необходима герметичная крепь для скатов.
Повышение эффективности и улучшение технико-экономических
показателей шахт, отрабатывающих крутые пласты, обеспечиваются за счет реализации концепции по технической и технологической перестройке предприятий в сторону приоритетного развития .высокопроизводительных.
& ресурсосберегающих к эколопгчески -чистых производств угля, ' причем выбор параметров технологических схем производится по разработанной программе, включающие ' техьолошческие схемы проведения восстающих выработок, буровым способом, монтажных камер в горизонтальном слое с применением механизированною комплекса, а также отработку мощных кругых пластов горизонтальными слоями и гидравлическим . способом с закладкой выработанного пространства, , адаптированных в широком диапазоне горно-геологических и горно-технических условий.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и научных рекомендаций подтверждаются:
достаточностью объемов наблюдений в шахтных условиях, на палнеразмерных стендах, обеспечивающих получение результатов исследований с погрешностью 10-15%;
положительными результатами испытаний машин и механизированных комплексов в шахтных условиях;
хорошей сходимостью результатов теоретических расчетов с результатами натурных экспериментов;
положительными результатами внедрения на практике буровой машины БГА-2М, комплекса КС-4 для проведения скатов, герметичной крепи для скатов и расширителей обратного хода диаметром 1,3 м.
Научная новизна работ» заключается в следующем:
разработке, концепции технического перевооружения действующих шахт Прокопьевска-Киселевского района, включающей структурную технологическую и техническую перестройку предприятий в сторону приоритетного развития высокопроизводительных, ресурсосберегающих и экологически чистых производств с использованием су шествующего, создаваемого и импортного комплекса оборудования;
установлении закономерностей влияния горно-геологических и горно-техничесигх условий на технологию проведения восстающих выработок и запыленность воздуха в окрестности буровой машины, а также производственных процессов при проведении восстающих выраооток на безопасность труда;
- устаноатении закономерностей формирования и проявлений горного
давления при проведении монтажных камер в горизонтальных слоях, а
также предельной мощности пласта, больше которой конструктивные
параметры и компоновка комплекса для проведения монтажных камер
остаются постоянными;
установлении закономерностей изменений давления на
гадрофицированнуто крепь монтажных камер с учетом горно-геологических и горно-технических условий, а также работы системы "крепь-щит-вмевгающий массив" и механизма образования вывалов угля на сопряжении монтажной камеры с вентиляционным штреком;
установлении закономерности влияния основных технологических факторов на характер проявлений горного давления . со стороны закладочного массива на крепь горизонтального елся;
установлении характера проявлений горного давления и взаимодействия гидрофтцгрованной крепи с вмещающим массивом при увеличении размеров выработанного пространства;
разработке технологических схем выемки угля гидравлическим способом с закладкой выработанного пространства, включающих разделяющие перекрытия, перемещающиеся по простиранию и восстанию пласта, камеры, отрабатываемые в шахматном порядке, а для механогидрааттпеской выемки - использование гтспюфидированіюй крепи, причем при гидравлической закладке, герметичной крепи для скатов (А. с. №1472673, №1670145, №1409759, №1642011, №1742489, №1550153, №1684531, №1476156, №1737119, №1728492, №1810526);
- обосновании эффективности концепции технического перевооружения
действующих шахт Прокопьевско-Киселевского района в сторону
приоритетного развития высокопроизюдителъных, ресурсосберегающих и
экологически чистых производств угля и использования существующего,
создаваемого и импортного комплекса оборудования, адаптированного в
широком диапазоне горно-геологических условий.
Практическое значение работы состоит в том, что проведенные исследования позволяют:
Внедрить высокоэффективную технологию подготовки и огработю крутых пластов на' шахтах Прокопьевско-Киселевского района включающую: буровые машины для проведения восстающих выработок г» углю и породе, механизированный комплекс для подготовки монтажної камеры в горизонтальном слое и отработки горизонтальных слоев технологии выемки угля гидравлическим способом с закладкоі выработанного пространства, а также программу выбора параметрої технологических схем с учетом горно-геологических и горно-техннческш условий.
Создать высокоэффективные технологию и технику для проведенії» восстаюгщгх выработок по углю и породе в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского района, обеспечивающие увеличение производительности трудг в 5-6 раз и повышение безопасности работ.
Внедрить механизированный комплекс для проведения монтажных камер в горизонтальном слое, сбеспечгшаюгций безопасные условия труда при монтаже щитов, гибких перекрытий и механизированных агрегатов, работающих по падению пласта.
Создать механизированный комплекс для отработки крутых пластов горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства и установить основные силовые параметры гидрофицированной крепи.
Внедрить технологические схемы отработки крутых пластов
гидравлическим способом с закладкой выработанного пространства, обеспечивающие увеличение производительноста труда в 2-3 раза и повышение безопасности работ.
Внедрить программу расчета параметров и выбора технологических схем на ЭВМ с учетом горно-геологических и горно-технических условий, а также операционно-вычислительный граф производительности труда рабочего. .
Личный вклад автора состоит в следующем:
-разработке концепции технического перевооружения действующих угольных пхахт Прокопьевско-Киселевского района, основу которой
составляют эффекпгшые технологии подготовки и отработки крутых пластов, а также новая конструкция оборудования;
-разработке технологических схем проведения восстающих выработок буровым способом при пластовой и полевой подготовках с использованием комплекса проходческого оборудования, включающего: мощную буровую машину для проведения восстающих выработок по породе; буровую машину с дистанционным наращиванием штанг для бурения скважин диаметром 1,5 м по углю; а также средства механизации и технологию для безлюдного крепления скважин;
-установлении закономерностей формирования и проявлений горного давления при возведении монтажных камер в горизонтальном слое на шахтах Прокопьевско-Киселевского района и разработке технических требований и конструкции механизированного комплекса;
-обосновании параметров механизированного комплекса для проведения монтажных камер в горизонтальном слое и установлении закономерности проявлений горного давления на профилированную крепь;
-установлении влияния основных технологических факторов на характер и параметры проявлений горного давления при отработке крутых пластов горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства;
-установлении силовых параметров плгрофицированно'й крепи для отработки крутых пластов горизонтальными слоями с закладкой выработанного пространства;
-разработке технологических схем выемки угля из крутых пластов гидравлическим способом с закладкой выработанного пространства и создании герметичной тюбинговой крепи для скатов;
-разработке программы расчета параметров и выбора технологических схем на ЭВМ с учетом горно-геологических и горно-технических условий, а также оптимизации технико-экономггческих показателей.
Реализация работы.
Научные принципы и выводы, полученные в результате проведенных исследовашгй при испытании расширителей обратного хода диаметром 1.3 м
12
на шахтах им. Калинина, "Красный углекоп", - вошли в техническое
задание на унифицированный ряд инструменте для бурения скважин по
углю 0 45-1500 мм. Технические решения по конструкции
шламоогводящего устройства, патрона и кассеты использованы г обосновании по созданию буровой машины с дистанционным наращиванием штанг. Опытный образец машины прошел промышленные испытания на шахте им. Калинина АО "Прокопьевскуголь".
Исследования, проведенные при испытании комплекса проходческогс оборудования КС-4 и крепи для скатов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района, вошли в дополнение к техническому заданию на серийное проектирование комплекса. Разработано обоснование и рабочие чертежи на проектирование комплекса оборудования для проведешь скатов по породе по схеме "снизу вверх тупиковым забоем или пс скважине".
Результаты проведенных исследований за работой буровых мапшн вошлт в техническое задание на проектирование буровой машины БГА-2М. серийно выпускаемой Анжерским машзаводом. . Предложенная авторов технологическая, схема проведения восстающих выработок по углю v породе буровым способом использована в обосновании на создание мощної буровой машины для бурения восстающих выработок по породе в условия; Прокопьевско-Киселевского района.
Основные положения работы, проведенные исследования и практические рекомендации по выбору силовых параметров пвдрофицированной креш для проведения монтажных камер прошли успешную проверку прі испытании экспериментального и опытного образцов комплекса на шахта? АО "Прокопьевскуголь".
Результаты проведенных в шахтных условиях и на моделях и: эквивалентных материалов исследований конструктивных и силопьл параметров комплекса горизонтальных слоев с закладкой вошли і техническое задание на проектирование комплекса КГСЗ. Исгштаниі опытного образца комплекса прошло на шахге "Коксовая" АС "Прокопьевскуголь ".
Согласна .приказу МУТІ СССР №164 от 27.07.88 г. на основании проведенных исследований разработаны технические предложения по созданию техники и технологии для выемки угля гидравлическим способом с закладкой выработанного пространства.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке рабочих чертежей и испытании на стенде іерметичной крепи для скатов.
Апробация работы.
Основное содержание работы, а также отдельные ее положения и
разделы обсуждены и доложены на ученом совете КузНИУИ (1970-199!
гг.), техническом Совете АО "Прокопьевскутхшь" (1973-1986 гг.),
Всесоюзной посоле -, молодых ученых и специалистов угольной
промышленности (1975 г, г Нарва-Эстония), 4-й Московской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов угольной промышленности, посвященной 50-летию присвоения комсомолу им. В. И. Ленина (1974 г), международной выставке-ярмарке "Уголь России" (23-26 апреля, г. Новокузнецк, 1996 г.), конференциях, семинарах при КузПИ, СМИ, а также на расширенных технических советцаниях Анжсрского мапгзавода, Скуратовского завода, институтах ДонУГИ, ИГД им. А. А. Скочинского, ЦНИИПодземматл, на , шахтах "Зиминка", им.. Калинина, "Тайбинская", "Красный углекоп" {1975-1993 гг.).
Публикация.
Основные положения диссертации опубликованы в 30 . статьях и 20 авторских свидетельствах по теме диссертации.
Объем и структура диссертации.