Введение к работе
Диссертация в форме научного доклада выполнена автором на основании исследований, материалы которых опубликованы в 1984—1994 лг.
Актуальность работы. Разработка угольных пластов в Центральном районе Донбасса (ЦРД) ведется-в сложных горно-геологических условиях. Глубина работ превышает 1300 м, средняя глубина разработки составляет 960 ,м. Температура пород на глубине 1100 м достигает 30—32 С. Газо-обилыюсть выработок колеблется от 25 до 70 м3/т. Наиболее опасными по внезапным выбросам угля и газа являются угольные пласты южного крыла Главной антиклинали, где выбросы отмечены на 120 шахтоиласгах. Здесь произошло более 1500 выбросов и обрушений. Растет интенсивность выбро-сов: па глубине свыше 1000 м при сотрясательном взрывании она превышает 500 т. В ПО «Дзержинскуголь» па четырех шахтах с 1989 г. произошло 6 выбросов и 17 обрушений, что свидетельствует сб эффективности примененных мероприятий. На строящихся и действующих горизонтах ежегодно пересекаются выработками более 200 выбросоопаспых пластов, а в шахтах ПО «Дзержинскуголь» в 1993 г. произведено 38 вскрытий.
Промышленные запасы ПО «Дзержинскуголь» представлены 53 пластами мощностью 1,1 м, 'причем более половины из них имеют мощность до 0,7 м.
Многие угольные пласты состоят из 3—4 и более пачек угля, различающихся по прочностным свойствам, подвержены тектонической нарушенное и характеризуются 'пониженной прочностью.
Несмотря па обширные научные исследования, проведенные ВИИМИ, ДонУГИ, ДонЫИИ, ИГТМ АН Украины, МГГУ, ДГТУ, ДГА, МакНИИ, ИГД им. Скочпнского и другими организациями по совершенствованию способов и средств безопасной и эффективной разработки крутых угольных пластов, количество аварийных ситуаций остается достаточно большим, а уровень добычи угля в последние годы снижается.
Нагрузка на комплексно-механизированный очистной забой в Центральном районе Донбасса в течение шести лет держится примерно на .одном уровне — 100—120 т/сут, а число
-забоев сокращается. В 1994-г.- из этих забоев.в объединении добыто за первое полугодие 88 тыс. т угля. Среднемесячная производительность труда рабочего по добыче снизилась с
19,4 т/мес (1989 г.) до 11,2 т/мес (1994 г.). Годовой объем проведения выработок снизился с 85,.1 км (1989 г.) до 48,1 км (1993 г.). В первом полугодии 1994 г. при объеме добычи 802 тыс. т средняя себестоимость 1 т угля составила около 520 тыс. крб.
В первую очередь это объясняется направленностью большинства исследований и конструкторских разработок на создание весьма материалоемкнх средств техники и технологий. В результате объем применения технологий отработки крутых пластов щитовыми агрегатами и .механизированными комплексами за последние десять лет сократился в 2 раза. Помимо чисто экономических проблем (многократно возросшая стоимость оборудования, крепей, материалов, воды и электроэнергии) существуют и технические причины. К ним в первую очередь относятся отставание развития шахтного фонда, слабая энерговооруженность шахт. Более 90% шахтных компрессоров отработали нормативные сроки эксплуатации, отсутствует возможность повышения потребления электроэнер-
гшг как из-за нехватки резервов в электрических мощностях, гак и по причине высокой се стоимости.
Подготовка новых горизонтов не позволяет подцержнЕагь объемы добычи угля даже на уровне 19Э1 г. Поэтому возникает необходимость в создании способов и средств эффективной и безопаской отработки угольных пластов, основанных, нь направленном изменении напряженного состояния и фпзнхо-'мехапнческнх свойств углепородисто массива и позволяющих отрабатывать пласты выбросоопасные и склонные к Бнела.-ппым с.'брушення'м с минимальными эиерго- и матерна-лозатратамн. В этой связи научное обоснование и разработка эффективных способов подготовки и выемки крутых, топких
-угольных пластов, основанных на применении физико-химического, механического и гидродинамического воздействия, на утлепородньпг массив, являются актуальной научной проблемой, которая имеет важное народнохозяйственное значение и требует комплекса новых технических и технологических решений.
Цель работы — установление закономерностей поседения углепородного массива на больших глубинах в ЦРД, включая зоны, геологических нарушений, и разработка научных основ направленного воздействия на массив с целью обеспечения' таких его прочностных и деформационных характеристик, которые позволили, бы более эффективно и безопасно как проводить и поддерживать подготовительные выработки, так "и добывать уголь.
Идея работы заключается в направленном изменении напряженного состояния и физико-механических свойств угольного массива под воздействием комплекса методов управления его состоянием — физико-химического, гидродинамического ц механического воздействия, обеспечивающих более безопасное и эффективное проведение пластовых подготовительных выработок, а также скважинную добычу угля.
Методы исследований. В работе использован комплексный научный метод, включающий анализ и обобщение опыта отработки крутых угольных пластов, аналитические исследования, лабораторные и шахтные эксперименты, обработку результатов измерений с применением (методов математической статистики, промышленные испытания и внедрение разработанных способов, определение области .применения и экономической эффективности предложенных технологий.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
закономерность насыщения сложноструктурного угольного пласта выражается в стадийном характере его тгротштки полимерным раствором, при котором вначале пропитываются наиболее нарушенные слои, а затем полимер укрепляет более прочные слои [5, 8, 16];
в процессе воздействия на крутой угольный пласт полимерный раствор отверждается дифференцированно, выравнивая прочностные свойства и напряженное состояние шласта, что нивелирует пиковые концентрации напряжений в 'массиве и снижает его зыбросоопасность [4, 7, 9, 15, 17];
прочность и энергоемкость разрушения угля изменяется с ростом его насыщения полимерным раствором по 'параболическому закону [16, 17];
зона полимерной обработки с насыщением угля полимерным раствором не ниже 20 л/т является безопасной областью пласта относительно внезапных обрушений и выбросов угля и газа из нависающей части пласта [4„ 9, 15, 11, 16, 17].
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций автора подтверждаются:
сходимостью результатов аналитических исследований распространения в пласте полимерного раствора вокруг нагнетательных скважин с экспериментальными определениями повышении прочности угольного массива, (сходимость 85%);
большим объемом (13 участков) экспериментальных исследований и доказательством снижения смещений нависающей части крутых 'пластов после полимерного воздействия на 75—80%;
положительным опытом внедрения в практику физико-химических и гидродинамических методов управления состоянием угольного массива (ликвидация внезапных обрушений угольных пластов при проведении выработок и внезапных выбросов угля и газа в процессе вскрытия, пластов);
положительными результатами работы скважинного гидроимпульсного участка по добыче угля на шахте «Северная».
Научная новизна работы. 1. Установлены закономерности поведения углепородного массива при физико-химическом, гидроймпульсном и камуфлегно-взрывном воздействии на него, заключающиеся в выравнивании прочностных свойств пласта, послойном разрушении массива в процессе гидроимпуль-сното воздействия и перемещении зоны концентрации напряжений в глубь'массива при камуфлетном взрывании.
2. Предложены аналитические решения процесса распро-' странения рабочей жидкости в массиве при его обработке полимерными растворами и тидроимпульсном воздействии, отличающиеся комплексным учетом как свойств угольного пласта и самих растворов, так и их изменения в процессе обработки массива, на базе которых разработаны математические модели, позволяющие определить влияние горно-геологических факторов на процесс пропитки угля и параметры способов.
б. Установлено, что обработка полимерным раствором угольных пластов многопачечного строения приводит к пре-. имущественному упрочнению наиболее нарушенных пачек угля и относительному выравниванию прочностных свойств пласта.
4. Впервые предложена методика определения радиуса эффект энного влияния нагнетания'полимерных растворов, по-"зврлякхцая устанавливать зону физико-химического воздействия, где вероятность внезапных выбросов и высыпаний сведена к минимуму.
. 5. Определены характер и основные параметры деформирования горного массива при различных способах поддержания подготовительных выработок, 'позволившие объективно оценить эффективность применения нетрадиционных способов управления состоянием 'массива.
6. Установлена слсжностепенная зависимость радиуса отбойки угля из скважины от 'прочности, упругости угля и модуля спада давления.
Научное значение работы:
'установление закономерности распространения полнмерно-то раствора в пористо-трещиноватом угольном пласте с учетом массосбмена между трещина.'ми и блоками пласта до начала отверждения раствора;
доказательство явления повышения равномерности прочностных свойств угольното пласта после физико-химического воздействия на него на основе дифференциации насыщения пласта по его пачкам;
разработка методики определения радиуса эффективного г'идровоздействия на пласт;
, обоснование перспективных схем'подготовки свиты крутых тонких пластов на основе использования методов управления свойствами и состоянием массива.
Практическое значение работы: >
установление оптимальных параметров фи'зико-химическо-, го и гидродинамического воздействия на угольный массив;
разработка технологической схемы полимерного укрепления тонких крутых угольных пластов, склонных к внезапным обрушенням и выбросам угля, таза и "внезатшым обрушениям угля;
обоснование параметров процесса гидроймтіульсного воздействия на угольный пласт для скважинной добычи угля в условиях Центрального района Донбасса; : разработка способа поддержания подготовительных (горных выработок, основанный на 'предварительной разгрузке і горного массива от напряжений с последующим его упрочнением и пластификацией.
Реализация работы. Результаты исследований и рекомендации автора использованы б нормативном документе «Руководство по іприменению физико-химическото способа предотвращения обрушений угля и снижения выбросоопасности крутых пластов Донбасса .при проведении подготовительных выработок» (Москва—Дзержинск, 1987 г.).
Результаты исследований и разработок использованы при составлении «Типовых паспортов проведения подготовительных выработок на крутых пластах» и «Типовых технологических схем подготовки, отработки и изоляции шахтных полей и выемочных участков на крутоіпадаюіцнх 'пластах, склонных к самовозгоранию», утверждены Госуглепромом Украины и согласованы с Госгортехнадзором. Технологии вскрытия, пластов, проведения и поддержания подготовительных выработок скедрены на шахтах Центрального района Донбасса.
'Результатами практической реализации диссертации доказано, что нетрадиционные технологии подготовки и добычи угля в условиях Центрально района Донбасса принцяпиаль-ально осуществимы и позволяют снизить трудоемкость подземного, труда до 40%. Доказательствами являются существенный экономический эффект и повышение безопасности горных работ.
Таким образом, обширные промышленные исследования, отраженные в диссертации, позволили разработать технологии подготовки и добычи угля, которые являются крупным вкладом в научно-технический прогресс в угольной 'Промышленности.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на НТС производственных объединений «Ар-темуголь» и «Дзержинскуголь», ученых советах МРГУ, ДГТУ,
ДрнУїГИ, ИГТМ и ДонФТИ АН Украины. «Автоматизированная технологическая схема воздействия на опасные >по выбросам и высыпаниям пласты полимерными соединенияммя-.экс-понировалась и удостоена медалей іВДНХ СССР.
Публикации. Содержание работы опубликовано в 7 моног графиях и її 2 статьях. По результатам исследований получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
