Введение к работе
Актуальность проблемы. Угольная промышленность России в іастоящее время переживаег кризис, характерными чертами которого вляются: старение шахтного фонда, ухудшение его структуры, низкая онцентрация горных работ, снижение технологического уровня іроизводства. Аналогичное состояние характерно и для крупнейшего в іврпейской части России Печорского угольного бассейна.
Исходя из мирового опыта, можно сделать вывод, что онкурентноспособность нашей угольной промышленности как на іеждународном, так и на внутреннем рынках может быть обеспечена олько при резком повышении концентрации и интенсификации добычных абот на шахтах.
Анализ развития техники и технологии очистных работ и динамики роизводителыюсти труда при подземной добыче угля свидетельствует о ом, что в последнее время основные технико-экономические показатели худшнлись на всех разрабатываемых пластах шахт, хотя уровень омплексной механизации постоянно рос. Поэтому основным аправленнем развития подземной добычи угля является не столько эвершенстованне существующих, сколько создание более ризводительных технологий на базе механизированных и втоматнзированных агрегатов нового технического уровня. Прообразом акой техники могут служить, например, комплексы фронтального сполнения, состоящие из отдельных унифицированных выемочных одулей, обеспечивающие скорости подвиганий очистного забоя до 3 м/сут [22. 37].
Вместе с тем, при таких скоростях и усложнении горно-геологических :ловий, связанных с постоянным ростом глубины разработки, возрастает :роятность динамических явлений. Особенно опасными в этом
отношении являются пласты с труднообрушающейся основной кровлей и прочными породами почвы (более 100 пластов в бывшем СССР).
В указанных условиях пассивные способы управления горным давлением не обеспечивают высокопроизводительной работы современных механизированных комплексов. В связи с этим важное значение приобретает разработка и применение активных средств и способов управления горным давлением, устраняющих опасность его динамических проявлений и основанных на целенаправленном изменении физико-механических свойств горного массива в зоне ведения горных работ [39].
Совершенствованию подземного способа разработки и решению вопросов, связанных с динамическими явлениями, посвящены работы С.Г.Авершина, К.А.Ардашева, З.Бенявски, И.М.Батугина, В.А.Боброва, А.А.Борисова, Я.А.Бича, Б.М.Иванова, М.А.Иофиса, Л.М.Гусельникова, О.В.Ковалева, А.Б.Ковальчука, Б.А.Колесова, Г.Н.Кузнецова, С.В.Кузнецова, А.М.Линькова, В.И.Мурашева, В.А.Николина, И.М.Петухова, Н.М.Проскурякова, А.Г.Протосени, А.Н.Ставрогина, И.В.Сергеева, В.Д.Слесарева, Г.Л.Фисенко, С.А.Христиановича, В.М.Шика, С.АЛрунина и др.
Большое внимание, уделяемое динамическим явлениям, свидетельствует об актуальности рассматриваемых в диссертационной работе вопросов, связанных с созданием технологии эффективной и безопасной разработки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов.
Целью работы является установление закономерностей развития динамических явлений, связанных с высвобождением энергии упругих деформаций пород почвы при разрушении кровли, для разработки способов изменения напряженно-деформированного состояния массива, позволяющих исключить возникновение динамических явлений и повысить эффективность и безопасность отработки пологих угольных пластов.
Основная идея работы заключается в том, что динамические явления на пологих угольных пластах исключаются путем управления напряженно-деформированным состоянием массива со снижением его упругих свойств до безопасного уровня.
Основные задачи работы:
- исследование особенностей механизма формирования динамических
явлений на пологих газоносных угольных пластах с труднообрушаемыми
кровлями и крепкими породами почвы;
- определение и исследование закономерностей формирования
напряженно-деформированного состояния массива при направленном
изменении физико-механических свойств вмещающих пород;
- разработка и экспериментальная проверка эффективности способов
и средств борьбы с динамическими явлениями в очистных и
подготовительных выработках на выбросо- и удароопасных угольных
пластах;
- разработка методики количественной оценки напряженно-
деформированного состояния массива в окрестностях очистного забоя при
высоких скоростях его подвнгания на выбросо- и удароопасных пластах;
научное обоснование, разработка и экспериментальные исследования параметров технологии выемки угля фронтальными комплексами модульной компоновки;
- разработка способов и средств нового технического уровня,
обеспечивающих высокую эффективность выемки угля и поддержания
выработок;
определение экономической эффективности применения разработанных технологиїі и подготовка рекомендаций по их практическому использованию.
Методы исследовании. Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, базирующийся на фундаментальных технологических закономерностях подземного способа
- б -
разработки угольных месторождений. Для проверки теоретических концепций и гипотез использовались методы численного и физического моделирования. В больших объемах выполнялись шахтные натурные исследования и эксперименты. Для решения поставленных задач использовались методы математической статистики, теории вероятностей, теории упругости и пластичности с широким использованием электронно-вычислительной техники.
Защищаемые положения.
1. Динамический характер проявлений горного давления на пластах с
труднообрушающимися кровлями и крепкими породами почвы обусловлен
мгновенным высвобождением энергии упругих деформаций пород почвы
при разломе консолей основной кровли с развитием зоны разрушений в
очистной и подготовительной выработках со стороны почвы,
преимущественно по линии разлома основной кровли при обрушении.
2. Эффективность и безопасность разработки выбросо- и
удароопасных пологих угольных пластов обеспечивается за счет
исключения динамических явлений, связанных с высвобождением энергии
упругих деформаций почвы, путем разупрочнения вмещающих пород
взрывом или гидроразрывом с последующим их водонасыщением, что
приводит к смещению точки максимума опорного давления в глубь
массива и увеличению ширины защитной зоны до безопасных значений.
-
При необходимости отказа от буровзрывных работ исключение динамических явлений в очистной выработке осуществляется формированием в выемочном столбе вне зоны влияния очистных работ разгрузочной щели с высотой, исключающей восстановление упругих деформаций удароопасного угольного пласта.
-
Количественная оценка напряженно-деформированного состояния массива в зоне ведения очистных работ на выбросо- и удароопасных пологих угольных пластах при высоких скоростях подвиганий очистного забоя должна выполняться с учетом пластового давления газа,
оказывающего влияние на прочностные свойства угля, а также упругих характеристик и наследственной ползучести вмещающих пород.
5. Повышение эффективности выемки выбросо- и удароопасных пологих угольных пластов достигается за счет применения техники и технологии нового технического уровня, высокая концентрация горных работ обеспечивается применением механизированных комплексов на базе модульных фронтальных агрегатов с одновременной избирательной обработкой забоя по всей длине лавы.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов анализа, обширным привлечением проектных и фактических материалов работы шахт, близкой сходимостью результатов моделирования и теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов и промышленного внедрения, подтверждается положительным опытом практического использования разработок в ПО Воркутауголь.
Научная новизна:
обоснованы основные направления развития подземного способа разработки пологих угольных пластов, опасных по динамическим явлениям, исходя из оценки эффективности современных способов и средств управления напряженно-деформированным состоянием углепородного массива, а также анализа современной техники и технологии очистных работ;
развиты представления о механизме разрушения пород почвы в очистных и подготовительных выработках, определены место и формы потери их устойчивости при динамических проявлениях горного давления в зависимости от природных и технологических факторов;
выявлены особенности изменения напряженно-деформированного состояния удароопасного пласта в зоне ведения очистных работ и его зависимость от различных методов воздействия на вмещающие породы,
- 8 -что позволяет дифференцированно выбирать наиболее эффективные профилактические мероприятия;
обоснованы оптимальные параметры технологии предотвращения динамических явлений на удароопасных пластах с труднообрушаемыми кровлями и крепкими породами почвы на базе аналитических и шахтных исследовавний;
установлена количественная связь между высотой разгрузочной щели и упругими деформациями угольного пласта на основе теории упругости и результатов производственных экспериментов, что позволяет определять параметры подрезки выемочного столба при проведении профилактических мероприятий по исключению удароопасности;
выявлена степень влияния пластового давления газа на параметры опорного давления очистной выработки, на основе решения упруго-пластической задачи об опорном давлении с учетом уравнений механики двухфазных сред для режима установившейся фильтрации;
установлена количественная зависимость между шагом обрушения основной кровли в очистной выработке и ее неупругими деформациями, на основе теории ползучести горных пород и учета скорости подвигания очистного забоя;
научно обоснована технология выемки угля механизированными комплексами на базе модульных фронтальных агрегатов со скоростями подвигания очистного забоя до 30 м в сутки, а также оригинальные решения по монтажу комплексов, креплению сопряжений, безорганному креплению повторно используемых выработок, схемы организации работ и ее технико-экономические показатели.
Практическая значимость работы;
- разработаны на уровне изобретений способы борьбы с
динамическими явлениями на удароопасных пологих угольных пластах,
основанные на применении гидромикроторпедирования кровли и
взрывогидрообработкн почвы пласта;
разработана технология добычных работ, включающая применение механизированного комплекса 2УКП, гидромикроторпедирование кровли и взрывогидрообработку почвы без гидрорыхления из забоя мощного пологого удароопасного угольного пласта;
разработана методика определения параметров опорного давления и размеров консолей обрушающейся кровли на удароопасных пластах, обеспечивающая проектирование горных работ с высокими скоростями подвигания очистных забоев;
разработан и изготовлен экспериментальный образец модульного фронтального агрегата, на базе которого предлагается технология выемки -пологих угольных пластов с технической производительностью, превышающей достигнутую в несколько раз;
- разработан ряд новых технических средств крепления горных
выработок и выемкн угля, большинство из которых защищены авторскими
свидетельствами на изобретение и патентами.
Реализация результатов работы. На шахтах "Юр-Шор", "Центральная", "Ворхутинская", "Северная" и др. ПО Воркутауголь внедрены различные комплексы способов борьбы с динамическими явлениями и разработанные на их базе технические средства и технологии. Предложенная технология выемки пологих угольных пластов с применением отдельных унифицированных модулей используется АО "С-Пб Гипрошахт" при составлении проекта шахты "Воргашорская-4".
Экономический эффект от внедрения результатов работы превышает 39 млрд.руб. в ценах на начало 1994 г.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете).
В целом внедрение научно обоснованных решений по технике и -технологии отработки пологих угольных пластов, опасных по
- 10 -динамическим явлениям, внесло значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса угледобывающей промышленности. Личный вклад автора диссертационной работы:
постановка задач, разработка методики, организация и научное руководство исследованиями, результаты которых приведены в диссертационной работе;
обобщение результатов шахтных исследований и уточнение на их базе механизма формирования динамических явлений на пологих пластах со сложными горно-геологическими условиями;
аналитическая оценка влияния прочности пород кровли и почвы пласта на динамический характер горного давления при направленном изменении их физико-механических свойств;
разработка математической модели напряженно-деформированного состояния массива, позволяющей рассчитывать шаг обрушения и деформацию кровли с учетом скорости подвиганий очистного забоя;
разработка и организация экспериментальной проверки эффективности средств и способов борьбы с динамическими явлениями;
научное обоснование, разработка и экспериментальные исследования в лабораторных условиях технологии выемки угля фронтальными комплексами модульной компоновки;
- разработка рекомендаций и создание средств и способов
принципиально нового технического уровня выемки угля и поддержания
выработок.
Апробация работы. Основные положення работы в целом и
отдельные ее этапы обсуждались и получили одобрение на
Республиканских семинарах (Республика Коми), проводимых научным
центром Уральского отделения АН СССР (1987 - Воркута, 1988 - Ухта),
Всесоюзной конференции (г.Тбилиси, 1989), Московском горном институте
(1985), на заседаниях технико-экономического Совета ПО
Воркутауголь (1980-1994), Минугленроме СССР (1990), заседаниях ученого
- II -
Совета института Печорниипроект (1991-1993), научных семинарах Санкт-Петербургского государственного горного института (1989-1991), Третьем международном симпозиуме "Горное дело в Арктике" (Санкт-Петербург, 1994), Международном симпозиуме "Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ" (Санкт-Петербург, 1995).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 40 печатных работах, из них 17 являются изобретениями. В издательстве находится принятая к печати монография "Разработка пологих выбросо- и удароопасных пластов".
В диссертации изложены результаты научных исследований, которые выполнялись автором или под его руководством сотрудниками филиала С-ПГГИ в г.Воркуте в 1979-94 гг.
Исследования проводились по отраслевым планам важнейших задач Минуглепрома СССР и компании "Росуголь" Министерства топлива и энергетики России.
Автор выражает глубокую признательность чл.-корр.РАН, профессору Н.М.Проскурякову, профессорам А.Г.Протосене, Г.А.Холоднякову, Ю.В.Шувалову, доценту В.А.Зуеву и к.г.-м.н. Ю.Н.Приходько, коллегам по. кафедре, соисполнителям научно-исследовательских тем, ИТР шахт ПО Воркутауголь, сотрудникам филиала С-ПГГИ (ТУ) в г.Воркуте, оказавшим научную и организационную помощь в проведении исследований и оформлении диссертационной работы.
Объем и структура работы
