Обоснование схем многоштрековой подготовки выемочных участков газоносных угольных пластов на больших глубинах
На правах рукописи
КАЗАНИН Олег Иванович ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ МНОГОШТРЕКОВОЙ ПОДГОТОВКИ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ Специальность: 25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая и строительная) Ав то р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
г. Санкт-Петербург 2009 г.
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)
Научный консультант:
доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор Ю.В. Шувалов
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор В.М. Шик доктор технических наук, профессор Н.М. Качурин доктор технических наук В. В. Мельник Ведущее предприятие: ФГУП «Национальный научный центр горного производства – ИГД им. А.А. Скочинского»
Защита диссертации состоится _ 2009 г. в _ч мин на заседании диссертационного Совета Д 212.224.06 при Санкт Петербургском государственном горном институте (техническом университете) имени Г. В. Плеханова по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, аудитория 1160.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан _ 2009 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного Совета профессор, д.т.н. Э.И. БОГУСЛАВСКИЙ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Угольная промышленность России пройдя сложный период реструктуризации 1994-2007 гг. в настоящее время характеризуется устойчивым ростом объемов производства как на шахтах, так и на разрезах. По сравнению с 2000 г. прирост добычи в 2007 г. составил более 55 млн. тонн, в том числе подземной угледобычи более 18 млн. тонн. Рост добычи на шахтах обеспечен введением новых производственных мощностей, а также рос том нагрузок на очис тные забои. Очистные забои действующих шахт оснащаются современными надежными высокопроизводительными комплексами, способными обеспечивать суточные нагрузки 10000 и более тонн.
Вмес те с тем, высокая концентрация горных работ, рос т производительности очистных забоев сопровождаются недопус тимо высоким уровнем аварийнос ти и травматизма, более чем на порядок превышающим соответс твующие показатели шахт мирового и европейского уровня. За период с 2000 по 2006 годы в целом на шахтах России произошло 199 аварий, в том числе 52 взрыва метана, в которых пострадали 380 человек, в том числе 163 со смертельным исходом. В 2007 году на шахтах смертельно травмировано человека, в том числе 160 человек – в результате взрывов метана. Аварийности способствуют как более сложные горно-геологические условия российских шахт, так и несоответствие применяемых способов управления газовыделением и управления состоянием массива тому уровню нагрузок на забои, который обеспечивают современные механизированные комплексы. Более половины от общего объема подземной угледобычи поступает из шахт III категории и сверхкатегорных и, как показывает анализ сырьевой базы действующих шахт, подобная ситуация сохранится в течение ближайших десятилетий. На шахтах России отрабатываются более 70 пластов, отнесенных к опасным или угрожаемым по газодинамическим явлениям. Глубина ведения горных работ увеличивается в среднем на 15-20 метров в год, что способствует обострению вопросов, связанных с управлением газовыделением и горным давлением в шахтах, на которых уже сейчас в большинстве случаев горно-геологические условия характеризуются как сложные.
Эффективность и безопасность горных работ, а также конкурентоспособность добываемого в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях угля могут быть обеспечены за счет использования новых технических и технологических решений по выемке угля. Определяющим в этом отношении является выбор рациональных способов подготовки выемочных столбов, управления состоянием массива и управления газовыделением на выемочных участках, позволяющим полностью использовать технические возможности современной выемочной техники. Интенсификация очистной выемки также предъявляет особые требования к скорости проходки и качеству проводимых для воспроизводства фронта очис тных работ подготовительных выработок.
Решению проблем эффективности, технологической и экологической безопасности подземной угледобычи посвящены работы А.Т. Айруни, Я.А. Бича, А.А. Борисова, А.С. Бурчакова, В.Н. Вылегжанина, И.Е. Долгого, В.С. Забурдяева, В.Е. Зайденварга, В. П. Зубова, В.Н. Каретникова, О.В. Ковалева, Г.И. Коршунова, В.С. Литвиненко, А.С. Малкина, Ю.Н. Малышева, В.И. Мурашева, И.М. Петухова, А.Г. Протосени, Н.М. Проскурякова, Л.А. Пучкова, И.В. Сергеева, С.В. Сластунова, В. Н. Фрянова, А. Н. Шабарова, В.М. Шика, М.И. Устинова, Ю. В. Шувалова, С.А. Ярунина и многих других ученых.
Вмес те с тем, имеющиеся на сегодняшний день результаты исследований, отраслевые нормативные документы, регламентирующие решение вопросов управления газовыделением и управления состоянием массива, а также проектирования технологических схем интенсивной отработки выемочных участков в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно геологических условиях, морально устарели и нуждаются в серьезной доработке и корректировке.
Цель работы. Повышение экономической эффективнос ти, технологической и экологической безопасности разработки угольных плас тов в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях на основе комплекса инновационных решений по подготовке выемочных участков, управлению состоянием массива и газовыделением, обеспечивающих конкурентоспособность подземной угледобычи.
Основная идея работы. В условиях высокой газоносности и больших глубин залегания угольных пластов для обеспечения эффективности и безопасности очис тных работ при высоких нагрузках на забои следует переходить от бесцеликовой к многоштрековой целиковой подготовке выемочных участков с учетом газо- и геодинамических процессов в массиве и в выработанном пространстве.
Задачи исследований:
• Обобщить и проанализировать опыт отработки угольных пластов в сложных горно-геологических условиях и обосновать перспективные направления развития технологии подготовки и отработки выемочных участков;
• Исследовать особеннос ти управления геомеханическими и газодинамическими процессами в массиве при различных схемах подготовки выемочных участков;
• Исследовать напряженно-деформированное состояние (НДС) межштрековых ленточных целиков и его динамику в зависимости от пространственно-временных факторов при различных схемах подготовки выемочных участков;
• Оценить уровень безопасности ведения горных работ применительно к различным вариантам технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных плас тов в сложных горно-геологических условиях;
• Разработать методологию и методику выбора рациональных параметров технологии эффективной и безопасной подготовки и отработки выемочных учас тков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах;
• Произвести стоимостную оценку многоштрековых схем подготовки выемочных учас тков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах Научная новизна работы:
• Разработаны горно-геомеханические модели, учитывающие пространственно-временную изменчивость НДС массива вокруг оконтуривающих выемочный учас ток выработок по мере развития выработанного пространс тва;
• Установлены закономернос ти формирования удароопасности ленточных целиков относительно движущегося очистного забоя при переходе от двух- к трех- или четырехштрековым схемам подготовки выемочных участков;
• Разработана методика критериальной оценки целесообразности и эффективности перехода от бесцеликовых к многоштрековым схемам подготовки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах.
Положения, выносимые на защиту:
• Эффективное управление газогеодинамическими процессами на выемочных учас тках высокогазоносных угольных плас тов на больших глубинах обеспечивается при выборе рациональных схем подготовки выемочных участков с учетом пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств;
• Комплексным критерием оценки эффективности технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горно-геологических условиях следует считать разность между стоимостью запасов угля в выемочном столбе и затратами на его подготовку и интенсивную отработку с максимальным использованием технических возможностей оборудования при снятых ограничениях нагрузки на очистные забои по газовому фактору и обеспечении устойчивости целиков и выработок;
• Наиболее предпочтительной на больших глубинах разработки с точки зрения обеспечения безопасности работ в сложных по газовому и геодинамическому факторам условиях следует считать подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов исследований, представительным объемом экспериментальных данных (наблюдения более чем на 30 выемочных учас тках), удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами шахтных экспериментов автора и других исследователей, положительным опытом использования предлагаемых разработок на шахтах Печорского бассейна.
Практическая ценность работы • Обоснованы области применения различных схем подготовки выемочных учас тков в зависимости от глубины ведения горных работ и абсолютной метанообильности выемочных участков;
• Разработан алгоритм выбора рациональных технологий подготовки выемочных участков газоносных пластов на больших глубинах, учитывающий горно-геологические условия, технические возможности применяемого оборудования, возможности управления состоянием массива и газовыделением, а также экономическую целесообразность отработки выемочного участка;
• Получены зависимости для оценки затрат на подготовку и отработку выемочных участков при различных значениях их длины, способов подготовки, применяемых средств механизации очис тных работ и нагрузок на очистные забои;
• Определены требования к параметрам крепления и поддержания выработок, оконтуривающих выемочные учас тки высокогазоносных пластов на больших глубинах при многоштрековой подготовке, разработаны технологические схемы их проведения и крепления.
Реализация работы в промышленности Схемы подготовки выемочных учас тков с применением спаренных выработок с податливым целиком между ними в настоящее время внедрены на всех шахтах ОАО «Воркутауголь» по всем рабочим пластам (9 из выемочных участков в 2007 году). Рекомендации по составлению паспортов выемочных участков переданы в ОАО «Воркутауголь» и институт Печорниипроект для использования на шахтах бассейна. Внедрены на шахтах ОАО «Воркутауголь» рекомендации по управлению газовым режимом выемочных участков плас та «Четвертый» при их подготовке спаренными выработками. В 2007 году завершены разработка, экспертиза промышленной безопасности и согласование в органах Ростехнадзора руководства по управлению газовыделением на шахтах ОАО «Воркутауголь» и альбома технологических схем проведения подготовительных выработок при многоштрековой подготовке выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь». Разработанные документы переданы для использования на шахтах.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при подготовке и повышении квалификации горных инженеров в филиале Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) в городе Воркуте.
Личный вклад автора диссертационной работы:
Постановка цели и задач, обоснование и выбор методики исследований, организация и руководство исследованиями;
участие в проведении и обобщение результатов аналитических и натурных исследований НДС массива при различных вариантах подготовки выемочных участков, разработка на основе результатов исследований алгоритма выбора параметров технологии эффективной и безопасной разработки пластов в сложных горно-геологических условиях, стоимостная оценка эффективнос ти предлагаемых прикладных решений.
Апробация работы Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку на международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (г. Санкт-Петербург, 1993 г.), третьем международном симпозиуме «Горное дело в Арктике» (г. Санкт-Петербург, 1994 г.), международном симпозиуме «Топливно-энергетические ресурсы России и других стран СНГ» (г. Санкт-Петербург, 1995 г.), международных научно практических конференциях «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г. Новокузнецк, 1996, 1997 и 1999 гг.), одиннадцатой и тринадцатой Коми Республиканских молодежных научных конференциях (г. Сыктывкар, 1991 и 1997 г.), международном симпозиуме по развитию регионов с холодным климатом ISCORD`97 (г. Анкоридж, Аляска, США), научно практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера. Проблемы и решения», «Человек на Севере в XXI веке. Горное дело, ТЭК, экология, народонаселение» (г. Воркута, 1998, 2001, 2003, 2005-2008 гг.), «Неделя горняка» (г. Москва 2001 и 2002 гг.), а также на технических совещаниях ОАО «Воркутауголь» (1994-2007 гг.).
Публикации Результаты исследований и основные положения диссертации опубликованы в 47 печатных работах, в числе которых 1 монография, 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований, 3 публикации в зарубежных изданиях, патентов, 25 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научных симпозиумов и конференций.
Автор выражает глубокую признательнос ть и благодарность ректору СПГГИ (ТУ), профессору В.С. Литвиненко, профессорам Ю.В. Шувалову, О.В. Ковалеву, Г.И. Коршунову, В.П. Зубову, доктору технических наук В. Н. Бобровникову, ведущему научному сотруднику Л.М. Гусельникову за научные консультации, а также руководству и работникам шахт ОАО «Воркутауголь», института Печорниипроект, филиала СПГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт» за помощь в организации и проведении исследований, ценные советы и рекомендации.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 256 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка, 14 таблиц, список литературы из 119 наименований и приложение.
В п е р в о й г л а в е на основе обзора отечественных и зарубежных литературных ис точников выполнен анализ состояния и перспектив развития технологии подземной разработки угольных пластов. Отмечена ведущая роль лавной технологии в будущем в сочетании с многоштрековой подготовкой выемочных участков, обеспечивающей максимальную производительнос ть горных работ, их концентрацию и возможность перехода к с труктуре «шахта лава». Вместе с тем показано, что применяемые в ведущих угледобывающих странах технические решения, обеспечивающие высокую производительнос ть и безопасность ведения горных работ в благоприятных горно-геологических условиях, как правило, не могут быть использованы при отработке пластов в условиях сложных по газовому и геодинамическому факторам.
Сформулированы цель и задачи исследований.
В о в т о р о й г л а в е приведены результаты натурных исследований геомеханических процессов на выемочных участках угольных пластов Воркутского месторождения при использовании бесцеликовых схем подготовки выемочных участков и схем с использованием спаренных выработок с податливым целиком между ними.
В т р е т ь е й г л а в е представлены результаты экспериментально аналитических исследований НДС массива при многоштрековой подготовке выемочных участков угольных плас тов при большой глубине отработки.
Произведена оценка удароопаснос ти податливых межштрековых целиков на разных стадиях отработки выемочных столбов при подготовке выемочных участков спаренными, тремя и четырьмя выработками.
В ч е т в е р т о й г л а в е приведен анализ способов управления газовыделением на выемочных учас тках шахт ОАО «Воркутауголь» при бесцеликовой подготовке выемочных участков и подготовке спаренными выработками. По результатам исследований газового режима определены параметры управления газовыделением средствами вентиляции, дегазации и изолированного отвода метановоздушной смеси.
В п я т о й г л а в е дана сопоставительная оценка безопасности схем подготовки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах с точки зрения возможности формирования газодинамических явлений, надежности управления газовыделением, противопожарной безопасности и воздействия на окружающую среду.
Ш е с т а я г л а в а содержит теоретическое обобщение результатов исследований, методологические принципы выбора параметров технологии отработки высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах.
Сформирован алгоритм выбора рациональных схем подготовки выемочных участков, определена область применения схем по факторам глубины и газообильности выемочных участков, проведена стоимос тная оценка многоштрековых схем подготовки выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь».
В з а к л ю ч е н и и приведены основные теоретические и практические выводы по результатам исследований в соответс твии с поставленными целью и задачами, а также рекомендации по применению разработанной технологии на пластах со сложными горно-геологическими условиями.
В п р и л о ж е н и и приведены результаты расчетов напряженно деформированного состояния податливого целика в зависимости от пространственно-временных факторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:
1. Эффективное управление газогеодинамическими процессами на выемочных участках высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах обеспечивается при выборе рациональных схем подготовки выемочных участков с учетом пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств.
С увеличением глубины ведения горных работ возрастает как природная газоносность плас тов, так и вероятность проявления горных ударов. Для устранения негативного влияния указанных факторов применяются различные мероприятия. Так, при планировании и ведении горных работ в угрожаемых и опасных по горным ударам пластах соблюдаются следующие общие принципы:
раскройка шахтных полей и их отработка производятся с учетом обеспечения планомерного извлечения запасов без образования участков с большой концентрацией напряжений (целиков);
максимально возможное использование опережающей отработки защитных плас тов;
исключение встречных и догоняющих фронтов очистных работ;
уменьшение количества горных выработок впереди фронта очистных работ в отрабатываемых удароопасных плас тах.
Соблюдение данных принципов практически исключает возможность применения для отработки удароопасных пластов систем разработки короткими забоями. Самой распространенной системой разработки пологих и наклонных угрожаемых или опасных по горным ударам пластов на шахтах России до недавнего времени являлась система разработки длинными столбами по простиранию (падению) с бесцеликовыми схемами охраны выемочных выработок и управлением кровлей полным обрушением.
В настоящее время глубина ведения горных работ на шахтах Воркутского месторождения превысила 1000 м, а газовыделение на выемочных участках отрабатываемых пластов в ряде случаев превышает 80 м3/мин. На шахтах одновременно отрабатываются от 2 до 4 пластов, угрожаемых или опасных по горным ударам и внезапным выбросам. Широко применявшиеся до последнего времени бесцеликовые схемы отработки таких пластов исчерпали свой ресурс и не могут обеспечить требуемый с точки зрения эффективности уровень нагрузок на очистные забои. Современные механизированные комплексы дают возможность добывать более 3000 т/сут из очистных забоев по защитным пластам «Пятый» и «Четвертый» мощностью 0,9 м и 1,4 м соответственно, и более 10000 т/сут по продуктивным пластам «Тройной» и «Мощный» мощностью 2,7 и 3,9 м. Вместе с тем, даже при подаче на выемочные участки более 2500 м3 /мин воздуха и коэффициенте эффективнос ти дегазации 0,7 в настоящее время нагрузки на очистные забои по защитным плас там ограничены по газовому фактору на уровне 1300 т/сут, что является также сдерживающим фактором для развития горных работ на залегающих выше продуктивных пластах.
Анализ аэрогазодинамических параметров наиболее газообильных выемочных участков по плас ту «Четвертый» на шахтах ОАО «Воркутауголь» показал, что существующая вентиляционная сеть выработок на указанных шахтах обеспечивает подачу на выемочные участки в среднем не более 2500 м3 /мин воздуха, из которого около половины поступает по вентиляционному штреку. Абсолютное газовыделение на участках при средней нагрузке на забой 1295 т/сут составляет 64,4 м3 /мин, из которых 62 % каптируется дегазацией. В 60 % случаев концентрация метана на исходящей выемочных участков превышает 1 %. Коэффициент утечек воздуха на верхнем сопряжении лавы составляет 1,6, а вблизи нижнего сопряжения 2,5, что свидетельс твует об утечках по длине лавы через выработанное прос транс тво, составляющих от 40 до 75 %.
Дополнительно следует отметить следующее. Контурные и фланговые схемы дегазации применяются в ОАО «Воркутауголь» в основном для дегазации подрабатываемой угленосной толщи, высота зоны разгрузки которой достигает 200-250 м. Вместе с тем длина дегазационных скважин составляет в среднем 60-120 м, а диаметр скважин не превышает 112 мм. Система дегазации при отработке пластов «Четвертый» и «Мощный», несмотря на высокую ее эффективность, достигающую в отдельных случаях 80-90 %, не обеспечивает эффективного каптажа метана на участке между очистным забоем и ближайшей от него дегазационной скважиной. Скважины бурят в 90 % случаях из поддерживаемой выработки в 60-150 м за очистным забоем, на участке разгрузки пластов-спутников, то есть в зоне, в которой обычно происходят аварии, связанные с загоранием и взрывами метана, и протяженность которой достигает 250 м от забоя. Бурение скважин в указанной зоне осуществляют в период, когда разгрузка пластов-спутников уже произошла, и часть метана перешла в свободное состояние и смешалась с вентиляционной струей. Нередко при бурении происходит заклинивание бурового снаряда.
В случаях же, когда дегазационные скважины пробурены заблаговременно впереди лавы с тем, чтобы их подключать в работу сразу после прохода лавой забоев скважин, как показала практика, в большинстве случаев в скважинах очень быстро (в течение месяца) падает концентрация метана, вследствие чего их приходится отключать от сети. Причиной этого является нарушение обсадной колонны, попавшей в зону сдвижения массива, и подсосы воздуха.
Для условий ОАО «Воркутауголь», учитывая достаточно высокую газообильность угольных пластов, предс тавляет практический интерес возможность реализации способа управления газовыделением из выработанного пространства, включающего использование, наряду с общешахтной депрессией, газоотсасывающего вентилятора, неподдерживаемых выработок с устройством по длине участка отвода утечек смесительной камеры, а также дополнительных элементов, например, скважин большого диаметра. Аналоги и прототипы способа широко применяются на шахтах Донбасса, Кузбасса и Караганды. Однако все они предусматривают ликвидацию местных скоплений метана на сопряжении очистных забоев с вентиляционным штреком при возвратноточных схемах проветривания. Час ть способов основана на использовании трубопроводов и газоотсасывающих установок различных конструкций.
Для снятия ограничений по газовому фактору необходимо подавать на выемочные участки большее количество воздуха, увеличить коэффициент эффективности дегазации, а также обеспечить изолированный отвод метана, что практически недостижимо в рамках бесцеликовых схем подготовки выемочных участков. Решение указанных задач возможно при переходе от бесцеликовых к многоштрековым схемам подготовки выемочных учас тков, что предполагает оставление между выработками ленточных целиков.
Многоштрековые схемы подготовки выемочных участков (две, три или четыре выработки с каждой стороны выемочного столба) широко применяются на шахтах ведущих угледобывающих стран (США, Австралия и др.) на пластах с благоприятными горно-геологическими условиями. Вмес те с тем, в условиях больших глубин, склонности пластов к динамическим явлениям размеры целиков должны обеспечивать устойчивость выработок, но в то же время не создавать опасности горных ударов и не допускать формирование зон повышенного горного давления (ПГД) на сближенных плас тах.
Проведение спаренных выработок для подготовки выемочных участков позволяет увеличить количество подаваемого на участок воздуха и улучшить условия поддержания выработок, но возникающие при этом целики входят в противоречие с отмеченными выше основными принципами разработки удароопасных плас тов. Отраслевыми нормативными документами допускается оставление целиков на удароопасных плас тах, если ширина целика не превышает одной десятой от ширины зоны опорного давления, однако это обс тоятельство до недавнего времени практически не использовалось в практике отработки таких пластов.
В табл. 1 представлена характеристика возможных вариантов проветривания и изолированного отвода метановоздушной смеси (МВС) при подготовке выемочного учас тка спаренными выработками с податливым целиком между ними.
Как показывают расчеты, использование изолированного отвода МВС из выработанного пространс тва выемочного участка в исходящую вентиляционного участка позволяет в условиях современного состояния вентиляционной сети шахт увеличить нагрузку на забой при отработке плас та «Четвертый» до 2000 и более т/сут.
Применение спаренных выработок при подготовке выемочного с толба и прямоточной с подсвежением схемы проветривания выемочного участка по сравнению с бесцеликовой схемой подготовки и ее разновидностей с использованием газодренажной выработки, формируемой вслед за подвиганием лавы с помощью органной и чураковой стенок, имеет ряд преимуществ. Так, оставляемый между спаренными выработками целик угля имеет несоизмеримо большую герметичность, чем искусственная изолирующая стенка. Это обстоятельство также уменьшает вероятность возникновения в вентиляционной выработке на исходящей участка слоевых скоплений. Наличие большего поперечного сечения спаренных выработок, одна из которых используется в качестве дренажной, позволяет также отводить большее количес тво метана, чем по дренажным каналам при бесцеликовой подготовке. Наличие второй выработки обеспечивает возможность бурения дегазационных скважин сразу за линией очистного забоя. При этом улучшаются условия работы восстающих скважин, что позволяет увеличить срок их работы, герметичнос ть их устьев, концентрацию каптируемой смеси и метана.
Для проверки возможности использования многоштрековой подготовки выемочных участков высокогазоносных угрожаемых по горным ударам пластов был проведен эксперимент на выемочном участке 312-ю по пласту «Четвертый» в поле шахты «Комсомольская». Глубина ведения работ 1030 м.
Подготовка выемочного столба осуществлена на длине 730 м спаренными выработками с оставлением целика между ними шириной 6 м, с последующим уменьшением на конечном участке до 2-3 м (рис. 1).
В соответствии с проектом отработки выемочного учас тка выше конвейерного штрека 312-ю сечением 12,8 м2 с опережением очис тных работ пройден конвейерный штрек 312-ю «бис» сечением 10,3 м2. Конвейерный штрек 312-ю впоследствии служил в качестве вентиляционного штрека при отработке нижней лавы, поэтому стояла задача по поддержанию его в эксплуатационном состоянии. Штрек 312-ю Таблица Характеристика схем проветривания и изолированного отвода метановоздушной смеси Схема Характеристика Достоинства Недостатки Прямоточная нисходящая с Отсутствие Неустойчивое состояние подсвежением схема каких-либо работ неподдерживаемой части проветривания с выдачей в дренажной дренажной выработки, частичные исходящей лавы и потока части штрека за завалы этой выработки со метановоздушной смеси (М ВС) из лавой, то есть на стороны выработанного прост выработанного пространства на участке, где ранства, что обусловли-вает конвейерный штрек, а затем по образуются неравномерное распределение задней сбоечной печи через местные и М ВС по длине дренажной части смесительную камеру на слоевые штрека. Весь метан, не рельсовый штрек. скопления метана. каптируемый дегазацией, поступает в исходящую струю участка Исходящая лавы и часть потока Возможность пос- Количество отводимого метана М ВС, поступает по ближайшей от тоянного изоли- по дренажному штреку лавы задней сбоечной печи на рованного отвода ограничивается возможностями рельсовый штрек в исходящую М ВС на всем обще-шахтной депрессии, не выемочного участка. протяжении вы- превышая 20 % от газо Изолированный отвод остальной емочного столба обильности выемочного участка.
части М ВС осуществляют за счет при обеспечении Такая схема изо-лированного общешахтной депрессии по необходимого по- отвода соот-ветствует условиям неподдерживаемой части перечного сече- отра-ботки выемочного столба дренажного штрека на одну из ния дренажной 312-ю пласта «Четвертый» шахты фланговых выработок, затем по части конвейер- «Комсомольская».
скважине большого диаметра в ного штрека.
выработки подрабатываемого пласта «Тройной» для разбавления до безопасной концентрации.
Изолированный отвод М ВС Окончание табл. осуществляется при обеспечении необходимого поперечного сечения дренажной выработки на всем протяжении отрабатываемого выемочного столба путем упорядоченного опускания на почву кровлю выработки, закрепленной вдоль границы с выработанным пространством заданным образом, при определенном соотношении ее ширины и высоты.
Часть потока М ВС вместе с Применение Необходимость применения исходящей лавы отводят по вентилятора комплекса газоотсасывающего ближайшей за лавой сбоечной ВМЦГ-7 позволит обо-рудования, включающего печи на рельсовый штрек в снизить газоотводящий трубопровод, исходящую выемочного участка, а газообильность один конец которого соединен со другую его часть в виде выемочного скважиной, а другой с отвода участка за счет газоотсасывающим вен изолированного в изолированного тилятором ВМ ЦГ-7. Вентилятор исходящую вентиляционного отвода на 30- устанавли-вают в устье участка. М ВС из дренажного 35 %. газоотводящего трубо-провода.
штрека через выработанное пространство и погашаемой з а лавой вентиляционной выработки направляют к вентиляционной скважине, соединенной с комплексом газоотсасывающего оборудования.
«бис» служил для изолированного отвода метана из выработанного пространства. По мере подвигания очис тного забоя он отгораживался решеткой и по нему был запрещен проход людей. Через каждые 50-60 м штреки сбивались сбоечными печами сечением 10,3 м. Оба штрека и печи закреплены металлической рамной крепью КМП-А3 плотнос тью 1,5 рам/м.
Рис. 1. Схема подготовки и отработки экспериментального участка по пласту «Четвертый» (выемочный столб 312-ю, шахта «Комсомольская») Исследования, проводимые в шахтных условиях, имели целью определить качес твенные и количественные показатели, характеризующие изменения геомеханических процессов в массиве горных пород во времени и при различном расстоянии от очистного забоя в спаренных выработках, разделенных между собой целиком. Кроме того, предусматривалось определить геометрические и аэрогазодинамические параметры выемочного участка при отводе исходящей из очис тного забоя по спаренным выработкам: среднюю площадь поперечного сечения и газообильность дренажной выработки, среднюю скорость протекания воздуха по ней и концентрацию метана на выходе из нее на фланговую выработку, количество воздуха на подсвежении метановоздушной смеси в районе смесительной камеры на фланговой выработке, депрессию выемочного участка.
Выемочный с толб 312-ю начали отрабатывать в феврале 1997 г. Нагрузка на забой в течение 1997 г. не превышала 700 т/сут, а в 1998 г. она составляла 600-1000 т/сут. Схема проветривания выемочного учас тка 312-ю плас та «Четвертый» приведена на рис. 2. Исходящая из лавы струя воздуха направлена по двум выработкам: по конвейерному штреку 312-ю «бис», который южнее сбоечной печи №1 является неподдерживаемым, дренажным, предназначенным для изолированного отвода метановоздушной смеси, и по рельсовому штреку 312-ю.
Для определения геометрических и аэрогазодинамических параметров на выемочном участке проводили газовоздушную съемку. Наличие спаренных выработок позволило применить изолированный отвод МВС из выработанного прос транс тва за пределы выемочного участка. Как показали результаты инс трументальных наблюдений, с помощью вентиляции с выемочного участка удалялось от 2,8 до 7,8 м3 /мин метана. Газообильнос ть дренажного штрека зависела от величины нагрузки на забой и изменялась от 6,8 до 10,0 м3 /мин. По конвейерному штреку 312-ю отводили 9-21 % выделяемого метана, остальную часть метана по дренажной части штрека 312-ю «бис» через смесительную камеру на конвейерный и рельсовый уклоны № 4 (соответственно 64-77 и 12-17 %. Концентрация метана в конвейерном штреке 312-ю не превышала 0,1 %, а в дренажной части штрека 312-ю «бис» составляла 0,2-0,75 %. При этом в периоды осадок основной кровли концентрация метана повышалась до 1,5-2,0 %.
Рис.2. Схема проветривания выемочного участка 312-ю пласта «Четвертый»: 1-15 – пункты инструментальных наблюдений, А – смесительная камера, Б, В – вентиляционные шлюзы, Г – решетчатая перегородка В ходе эксперимента по управлению газовыделением на выемочном участке использовали дегазационные скважины, которые бурили из конвейерного штрека 312-ю со стороны выработанного пространства на подрабатываемые пласты-спутники. Дегазацию надрабатываемых пластов не производили в связи с отсутствием необходимости. В работе постоянно находилось от 7 до 10 скважин. Дебит метана по скважинам составлял 1,0 4,5 м3 /мин, а продолжительность работы скважин до 5 мес. по сравнению 3- месяцами работы скважин при бесцеликовой подготовке.
Количество деформированных рам в конвейерном штреке 312-ю при охране целиками уменьшилась в 3 раза по сравнению с другими способами поддержания в аналогичных условиях, например, выкладкой полос по берме штрека. При этом высота штрека на этих участках после подрывки почвы составляла 2,3-2,4 м. Таким образом, при принятой технологии поддержания подрывка почвы на величину 0,8-0,9 м обеспечивает высоту выработки до 2,3 2,6 м на протяжении всего срока отработки первой лавы. В этих условиях сохраняется сечение выработки в пределах 70-80 % от начального.
Инструментальные наблюдения за изменением напряженно деформированного состояния целиков, оценка их удароопасности и влияния на устойчивость поддерживаемых выработок показали, что при ширине 6-4 м целики являются неудароопасными, влияние изменения ширины целиков от 6 до 3 м не оказывает существенного влияния на ус тойчивость поддерживаемых выработок. Напряжения в целике впереди очистного забоя на расстоянии от 0,7 l до 0,3l (l ширина зоны опорного давления) не превышали 0,7H или 18 МПа, а за лавой на расстоянии 0,7 l не превышали 0,5 0,6Н или 13 МПа, что свидетельствует о том, что целики работали в податливом режиме.
Эксперимент по переходу с бесцеликовой на подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними показал возможность существенного увеличения эффективности управления газовыделением на выемочных участках (увеличение суточной нагрузки на очистной забой по условиям вентиляции на 50-70%) с обеспечением безопасности целиков по горным ударам. Этот вывод также был подтвержден в ходе эксперимента на выемочном учас тке 123-ю по пласту «Четвертый» в поле шахты «Северная» и при дальнейшем внедрении подготовки выемочных участков угольных пластов спаренными выработками с податливым целиком между ними на шахтах ОАО «Воркутауголь».
При использовании трех- или четырехштрековых схем подготовки выемочных участков возможности управления газовыделением при отработке высокогазоносных плас тов еще более расширяются, однако в условиях больших глубин для принятия решения о применении этих схем необходима оценка удароопасности ос тавляемых целиков. Как показали экспериментально аналитические исследования НДС целиков методом граничных элементов, по мере развития выработанного пространства состояние целиков, особенно при трех- или четырехштрековой схемах подготовки в зависимости от условий нагружения существенно изменяется и в определенных условиях становится удароопасным.
Таким образом, выбор рациональных схем подготовки выемочных участков высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах позволяет комплексно решать вопросы управления газовыделением и управления состоянием массива при учете пространственно-временной изменчивости НДС массива по мере развития выработанных пространств.
2. Комплексным критерием оценки эффективности технологии подготовки и отработки выемочных участков угольных пластов в сложных горно-геологических условиях следует считать разность между стоимостью запасов угля в выемочном столбе и затратами на его подготовку и интенсивную отработку с максимальным использованием технических возможностей оборудования при снятых ограничениях нагрузки на очистные забои по газовому фактору и обеспечении устойчивости целиков и выработок.
Анализ опыта применения различных технологических схем на угольных шахтах, а также проведенные собственные исследования позволили выделить основные факторы, ограничивающие область применения схем: это газовый фактор и фактор геодинамической безопасности. Для численной оценки этих факторов при определении области применения технологических схем подготовки и отработки выемочных участков возможно использование таких показателей, как абсолютная газообильность выемочного участка и глубина ведения горных работ.
Применение данных показателей не дает исчерпывающей оценки опасности по газу или динамическим явлениям, но вместе с тем, позволяет выделить вполне определенные для различных схем области применения. Так, на рис. 3. выделено характерных зон в зависимости от абсолютной газообильности выемочного участка и глубины ведения горных работ.
Детальная характерис тика зон и возможных технических решений по подготовке выемочных учас тков, управлению газовыделением и управлению состоянием массива при ведении горных работ в этих зонах представлена в табл. 2.
Как видно из табл. 2, предлагаемое разделение факторного пространства на зоны по таким признакам, как глубина разработки и газообильнос ть выемочных учас тков, позволяет выделить облас ти, где применение принятых к рассмотрению технологических схем наиболее целесообразно. Несмотря на то, что границы зон весьма условны, можно утверждать, что в зоне Е применение схем с использованием спаренных выработок с податливым целиком наиболее оправдано.
В качес тве численных показателей эффективнос ти способа подготовки выемочных участков можно использовать нагрузку на очистной забой, а также затраты на подготовку и отработку выемочного столба в сравнении с рыночной ценой добытого угля. Подобный подход был предложен П. Маккинали для решения задач развития горных работ на шахтах, однако, по мнению автора, может быть использован и в рассматриваемом случае. По результатам ранее проведенных исследований был предложен соответс твующий алгоритм. Ниже приведены результаты расчетов, выполненных для условий пласта «Четвертый» Воркутского месторождения.
Рис. 3. Ранжирование областей применения технологических схем подготовки выемочных участков по газообильности и глубине разработки Таблица Зона Показатель А В С D E Глубина до 300-400 до 300-400 400-800 400-800 более разработки, м Газообиль ность выемочного до 60 более 60 до 60 более 60 любая участка, м /мин Окончание табл. Зона Показатель А В С D E бесцелико Подготовка бесцелико- бесцелико много- много- вая, спарен выемочных вая, много- вая, много штрековая штрековая ными выра участков штрековая штрековая ботками Ширина любая любая до 0,1l до 0,1l до 0,1l целиков возвратно- возвратно Схемы про- прямо- прямо точные, точные, прямо-точные ветривания точные точные прямо- прямо точные точные необходима необходима необходима при газо- при газо- при газо Дегазация обильности необходима обильности необходима обильности более 25 более 25 более 3 3 м /мин м /мин м /мин необходим Изолирован- при газо ный отвод - необходим - необходим обильности М ВС более м /мин Общая цена запасов угля в выемочном столбе зависит от мощности пласта, размеров выемочного столба, а также цены на конечную угольную продукцию, получаемую в результате переработки добытого угля. В настоящее время при плановой зольности горной массы шахт ОАО «Воркутауголь» от 38,2 % до 41,7 % после переработки на ЦОФ «Печорская» выход концентрата колеблется от 49,2 % до 53,0 % при плановом выходе промпродукта 5%. Расчет общей цены запасов угля выполнялся по формуле (1) С=0,5*Qст*Цк+0,05* Qст*Цп, руб., (1) где С – цена запасов угля в выемочном столбе, руб.;
Qст – запасы угля в выемочном столбе, т;
Цк – цена угольного концентрата, руб./т;
Цп – цена промпродукта, руб./т.
Затраты на отработку выемочного столба определялись по формуле (2):
Зв.с. = Зпр.+ Змон.+ Зо.р.+ Здем.+ Здег.+ Зусм, руб., (2) где Зв.с. – затраты на подготовку и отработку выемочного столба, руб.;
Зпр. – затраты на проведение выработок на выемочном участке, руб.;
Змон. – затраты на монтаж оборудования, руб.;
Зо.р – затраты на очистные работы, руб.;
Здем. – затраты на демонтаж оборудования, руб.;
Здег. – затраты на дегазацию (управление газовыделением), руб.;
Зусм – затраты на управление состоянием массива (мероприятия), руб.
Критерий оценки эффективности варианта:
К = С – Зв.с.
Чем выше значение К, тем более экономически привлекательным является рассматриваемый вариант подготовки и отработки выемочного участка.
К рассмотрению принимались 4 технологические схемы: бесцеликовая;
с использованием спаренных (двух) выработок;
с использованием строенных выработок;
с использованием четырех выработок с каждой стороны выемочного столба. При многоштрековой подготовке (две, три или четыре выработки с каждой стороны с толба) между выработками предполагается оставление податливых целиков, т.е. целиков, не способных накапливать упругую энергию, не предс тавляющих опасности по горным ударам и не создающих зоны повышенного горного давления (ПГД) на сближенных пластах. В данном случае ширина целиков принималась равной 0,1l (6 м), где l – ширина зоны опорного давления.
Затраты на проведение выработок включают в себя затраты на проходку выемочных выработок, а также проходку монтажной камеры. Причем при бесцеликовой схеме предполагается крепление выемочных выработок рамной металлической крепью КМП-А3, а при многоштрековых схемах – анкерной крепью. Затраты на проведение выработок, а также на монтаж-демонтаж оборудования при длине лавы 200 м приняты по фактическим данным ОАО «Воркутауголь» за 2005 год.
Затраты на очис тные работы включают затраты на заработную плату персонала, амортизацию оборудования (при норме амортизации 20 %), а также электроэнергию и материалы. При этом, к рассмотрению принимались как отечественные, так и зарубежные очистные механизированные комплексы стоимостью от 100 млн. руб. до 1500 млн. руб. Затраты на управление газовыделением и управление состоянием массива приняты условно постоянными для всех рассматриваемых схем.
Зависимость затрат на отработку выемочного столба по пласту «Четвертый» (длина столба 2000 м, длина лавы 200 м) от нагрузки на очистной забой при различных схемах подготовки выемочных учас тков представлена на рис. 4.
При этом, обозначение ОМК означает отечественный механизированный комплекс, ЗМК – зарубежный механизированный комплекс;
индексы «с», «т» и «ч» означают подготовку спаренными, строенными и четырьмя выработками с каждой стороны выемочного столба соответс твенно. Отсутствие индекса соответс твует бесцеликовой схеме подготовки.
На рис. 5 представлена зависимость затрат на отработку выемочных столбов от длины с толба при длине лавы 200 м, при различных схемах подготовки столбов и разной нагрузки на очистные забои.
Затраты на отработку, млн.руб 40 60 80 100 120 Нагрузка на забой, тыс.т/мес ОМК З МК ОМКс З МКс ОМКт З МКт ОМКч З МКч Стоимость угля в столбе Рис. 4. Затраты на отработку в зависимости от нагрузки на очистные забои при различных схемах подготовки выемочных столбов ОМК-40 ОМК- ЗМК-40 ЗМК- Затраты н а отработку, млн.руб.
1600 ОМКс-40 ОМКс- ЗМКс-40 ЗМКс- 1400 ОМКч-120 ЗМКч- Стоимость угля в столбе 1000 1500 2000 2500 Длина столба, м Рис. 5. Затраты на отработку при разных схемах подготовки выемочных участков в зависимости от длины выемочных столбов Обозначения при этом приняты аналогичные рис. 4. Цифра «40» или «120» в названии схемы соответствует нагрузке на очистной забой 40000 т/мес или 120000 т/мес.
На обоих рисунках также показаны прямые стоимости угля в выемочном столбе. Очевидно, что чем больше разница между стоимостью угля в выемочном столбе и затратами на отработку столба, тем более экономически оправдано применение соответс твующих технических решений. Как видно из рис. 4 и 5, эта раз ница увеличивается при повышении нагрузок на очис тные забои, а также при увеличении длины выемочных столбов. Эффективнос ть использования дорогостоящих зарубежных механизированных комплексов при нагрузках менее 100000 т/мес начинает резко снижаться.
Бесцеликовая подготовка выемочных столбов является наиболее экономичной с точки зрения затрат на проведение выработок и эксплуатационных потерь угля, но вследствие ограничения нагрузки на забой на уровне 45000 т/мес, представлена на рисунках лишь в качестве базового варианта.
Применение многоштрековых схем позволяет подавать большее количество воздуха на выемочный участок, организовать изолированный отвод метановоздушной смеси (МВС), создать условия для применения анкеров в качестве основной крепи выработок. В совокупности это повышает нагрузку на забой по газовому фактору, снижает трудоемкость поддержания сопряжений, позволяет более полно использовать возможности современной выемочной техники. В то же время проведение дополнительных выработок увеличивает затраты на проходку, также увеличиваются эксплуатационные потери за счет оставляемых целиков. Дополнительные затраты на проведение выработок могут быть оправданы лишь в случае соответствующего увеличения нагрузки на забой.
Подготовка с использованием четырех выработок с каждой стороны столба является наиболее трудоемкой и затратной. Вместе с тем, при этом возможна отработка выемочных столбов практически любой длины, отпадает необходимос ть в проведении через каждые 1500 м и последующем переходе механизированными комплексами вентиляционных сбоек. По таким схемам работали 10 из 52 (19 %) длинных очистных забоев в США в 2006 году. При этом длина выемочных столбов колебалась от 2,0 до 3,9 км, глубина ведения работ не превышала 600 м. В условиях пласта «Четвертый» Воркутского месторождения экономическая целесообразность применения таких схем появляется при отработке столбов длиной не менее 3000 м с нагрузкой не менее 120000 т/мес. Однако, применение таких схем в условиях месторождения недопустимо вследствие опасности возникновения горных ударов в ленточных целиках между выработками (расчеты НДС массива в главе 3).
Подготовка с использованием трех выработок является наиболее распространенной для длинных забоев на шахтах США (71 % в 2006 году). В рассматриваемых условиях применение данных схем предс тавляется экономически целесообразным при обеспечении нагрузок на забой не менее 100000 т/мес и длине столба не менее 1500 м. В то же время, расчеты НДС массива (глава 3) показывают возможность формирования горных ударов в целиках. Для решения вопроса о применении таких схем необходимо предусмотреть проведение дополнительных мероприятий по управлению состоянием массива, что приведет к увеличению затрат на отработку выемочных участков.
Подготовка с использованием спаренных выработок позволяет обеспечить дегазацию и изолированный отвод МВС. В этом случае каналом для изолированного отвода МВС будет являться примыкающая к выработанному пространству и специально не поддерживаемая выработка. Несмотря на то, что расчеты показывают сохранение остаточного сечения такой выработки на уровне 5 м2, что дос таточно для отвода МВС, при длине столба более 1500 м для обеспечения остаточного сечения будет необходимо предусматривать дополнительные мероприятия по поддержанию выработки. Использование схем подготовки спаренными выработками обеспечивает наибольшее значение критерия К. при использовании как отечественных, так и зарубежных механизированных комплексов.
3. Наиболее предпочтительной на больших глубинах разработки с точки зрения обеспечения безопасности работ в сложных по газовому и геодинамическому факторам условиях следует считать подготовку выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними.
Обобщение результатов проведенных исследований привело к формированию алгоритма выбора технологии подготовки и отработки выемочных участков, в укрупненном виде представленного на рис. 6.
Предлагаемый алгоритм позволяет на стадии проектирования определить экономические перспективы отработки отдельных участков плас тов, выбрать рациональную технологию подготовки и отработки выемочных участков, определить необходимость и целесообразность перехода от бесцеликовых схем подготовки выемочных участков к использованию многоштрековой подготовки.
Для оценки возможностей бесцеликовых схем подготовки выемочных участков на защитных пластах Воркутского месторождения в ходе исследований проведен анализ показателей работы четырех добычных участков в дни повышенной добычи (65 дней), отрабатывавших пласт «Четвертый» на шахтах «Северная», «Воркутинская», «Комсомольская» и «Заполярная» в период с 19.09.2003 по 31.12.2004 г. В рассматриваемый период отрабатывались выемочные столбы 123-ю-IV (шахта «Северная»);
832-ю-IV (шахта «Воркутинская»);
512-с-IV (шахта «Комсомольская») и 314-с- IV (шахта «Заполярная»). Характеристика горно-геологических и горнотехнических условий разработки представлена в табл. 3, показатели работы очистных забоев – в табл. 4.
Определение Анализ Выбор параметров г.г.у. комплекса выемочног о столба Определение Определение З в.с., Ас и Ас (вент.), выбор Определение С расчет К = С – Зв.с.
схемы подг отовки Рис. 6. Алгоритм выбора технологии подготовки и отработки выемочных участков в сложных горно-геологических условиях Таблица Характеристика выемочных участков по пласту «Четвертый» № Показатель 123-ю-IV 832-ю-IV 512-с-IV 314-с- IV М ощность 1, 1. 1,36-1,61 1,45 1, пласта, м (средняя) Угол падения, Лава 8°-4°, 2. 2° 2-3° 13° град. бремсберг 8°-11° 3. Глубина работ, м 920 640-900 960 2КМ -138, 2КМ -138, 2КМ -138, 2КМ -138, Средства 2ГШ-68Б РКУ-10, 2ГШ-68Б 2ГШ-68Б 4. механизации (РКУ-10), СПЦ-271 (РКУ-10), (РКУ-10), очистных работ СПЦ- (А-30) М Л-30 М Л- (А-30) 5. Длина лавы, м 200 200 202 выемочная 1320, 6. Длина столба, м 1680 1820 полная Направление по прости- по прости- по прости 7. по падению подвигания лавы ранию ранию ранию алевролит Непосредст 8. аргиллит аргиллит аргиллит ниже ср. уст.
венная кровля m=1,7м аргиллит, песчаник алевролит, 9. Основная кровля песчаник песчаник m=7-10м песчаник Окончание табл. № Показатель 123-ю-IV 832-ю-IV 512-с-IV 314-с- IV Подготовка бесцели- бесцели- бесцели 10. бесцеликовая выемочных ковая ковая ковая участков Схема 11. 3-В-Н-н-пт 3-В-Н-н-пт 3-В-Н-н-пт 3-В-Н-н-пт проветривания бурение бурение бурение бурение Применение дегазационн дегазационны дегазационны 12. дегазационных дегазации ых скважин х скважин по х скважин по скважин по КШ по КШ КШ КШ Сечение выемоч- Арка, 10,3 м, Арка, 9,0 м, по Арка, Арка, 13. ных выработок в по КШ – 12,8 м2 12,8 м КШ – 12,8 м свету 12,8 м золоблочная золоблочная золоблочная золоблоч-ная Поддержание за 14. полоса, полоса, полоса, полоса, лавой ремонтины ремонтины ремонтин ремонтины Таблица Показатели работы забоев в дни повышенной добычи (65 дней) ш. Комсомольская ш. Воркутинская ш. Заполярная ш. Северная 123-ю-IV 832-ю-IV 314-с- IV 512-с-IV № Показатель Норматив суточной нагрузки на 1. 1500 1500 1500 забой, т/сут Число дней с нагрузкой равной или 2. 16 (25%) 8 (12%) 10 (15%) 5 (8%) выше норматива Число дней с нагрузкой менее 3. 29 (45%) 27 (42%) 36 (55%) 52 (80%) т/сут 4. в том числе дней простоев (0 т/сут) 20 (31%) 0 8 (12%) 12 (18%) М аксимально достигнутая нагрузка, 5. 2700 2250 2000 т/сут Общий объем добычи за 6. 61998 67150 57650 рассматриваемый период (65 дней), т 7. Средняя нагрузка на забой, т/сут 954 1033 887 Как видно из табл. 4, суточная нагрузка на очистные забои в рассматриваемые дни превышала установленный норматив менее чем в 25 % случаев (по лаве 314-с-IV – в 8%). В то же время число дней с нагрузкой менее 1000 т/сут составляет от 45 % (123-ю-IV) до 80 % (314-с-IV) при значительном (до 31 %) количес тве дней простоев. Это свидетельс твует о низкой эксплуатационной надежнос ти применяемого оборудования, несовершенстве технологических схем, а также завышенном значении норматива нагрузки. Максимально достигнутый уровень нагрузки – 2700 т/сут можно считать пределом для бесцеликовых схем в данных условиях.
В качестве факторов, ограничивающих уровень нагрузок на очис тные забои в рассматриваемых схемах, следует отметить, помимо надежности оборудования, высокую трудоемкость работ на сопряжениях лав, а также газовый фактор.
Управление газовыделением средствами вентиляции и дегазации (с эффективностью до 70 %) на выемочных учас тках пласта «Четвертый» при бесцеликовых схемах обеспечивает уровень нагрузок по газовому фактору не более 1500 т/сут.
Таким образом, при достигнутых глубинах разработки увеличение нагрузки на очистные забои по пласту «Четвертый» до 2000 т/сутки и более, а также существенное снижение затрат на поддержание подготовительных выработок при бесцеликовой технологии практически недостижимо. Для решения пос тавленных задач необходимы технические решения, выходящие за рамки бесцеликовых схем. При использовании более совершенных средств механизации очистных работ, для обеспечения их высокопроизводительной работы необходим переход от бесцеликовой к многоштрековой подготовке выемочных участков.
При выборе вариантов многоштрековой подготовки выемочных участков (двумя, тремя или четырьмя выработками) необходимо произвести оценку удароопасности межштрековых целиков, которая проводится на основе расчета параметров НДС массива.
Для оценки НДС межштрековых ленточных целиков и его динамики при многоштрековой подготовке выемочных участков были проведены экспериментально-аналитические исследования методом граничных элементов.
Исследования проводились для пластов «Четвертый» и «Пятый» Воркутского месторождения, которые являются защитными для вышележащих продуктивных плас тов «Тройной» и «Мощный», выполнены с привлечением современных подходов к оценке напряженно-деформированных состояний изучаемых областей массива горных пород, включающих в рассматриваемом случае выемочные штреки как при их расположении в «невозмущенных» очистной выемкой зонах, так и в зонах влияния на их мехсостояние выработанного прос транс тва (ВП). При проведении исследований учитывался и такой технологический фактор как суточная нагрузка на очистной забой. Базовые результаты исследований, полученные для условий отработки пласта «Четвертый», можно экстраполировать и для пласта «Пятый».
Геологические характеристики донной части Воркутского месторождения (H 10001200 м) обобщены на основе дифференцированных оценок углевмещающих толщ по полям шахт «Комсомольская», «Северная», «Воркутинская». Схемы подготовки выемочных участков, принятые для анализа, показаны на рис. 7. Вентиляционные выработки за очистным забоем не поддерживаются. Примыкающая (конвейерная) к лаве выработка поддерживается только до первой (по направлению от очистного забоя к выработанному пространству) сбойки, т.е. на расстоянии порядка 100 метров.
Отработка последующего (примыкающего к рассматриваемому) столба реализуется при использовании лишь одной (нижней на схемах) выработки.
Выемочные штреки (по всем схемам – прямоугольного сечения) имеют габариты: ширина 5,2 м;
высота – 3,0 м. Проходка штреков реализуется с подрывкой пород как кровли (1,0 м), так и пород почвы (0,5 м). Средняя мощность пласта «Четвертый» в процессе оценки НДС массива принята равной 1,5 м. Во всех случаях предусматривается анкерное крепление выработок.
Согласно существующим нормативным требованиям ширина междуштрековых целиков на данном пласте принята равной 6,0 м.
Горно-геомеханические модели (ГГМ) разработаны применительно к квазиоднородному вмещающему пласт «Четвертый» массиву, отвечающему натурным условиям по средневзвешенным механическим (деформационным Ед и д) характерис тикам выделенных в массиве «пакетам» пород. Параметр Ед – модули деформаций указанных «пакетов», отражающие наличие плас тических свойств в рассматриваемых комплексах пород (либо в выделенных литотипах, например, в пласте).
Наличие изотропии в массиве, вмещающем выемочные штреки, позволило выполнить оценку параметров НДС в постановке задач плоской деформации, что и нашло отражение в соответствующих горно геомеханических моделях.
Граничные с татис тические условия для решаемых методом разрывных смещений задач приняты с учетом реальных для рассматриваемых глубин разработки величин геостатических давлений во вмещающем изучаемые объекты массиве, корректируемых с учетом места расположения сечения, характерного для соответствующих ГГМ.
На рис. 8 приведена схема расположения указанных сечений в пределах выемочного участка, которым отвечают ГГМ I, ГГМ II и ГГМ III. На рис. приведена ГГМ IIIi, где «I» – индекс наличия в ГГМ соответствующего числа выемочных штреков (i = 2 – два штрека;
i = 3 – три штрека;
i = 4 – четыре штрека).
Рис. 7. Схемы подготовки выемочных участков пласта «Четвертый» (аналогично – «Пятый») а – двухштрековая;
б – трехштрековая;
в – четырехштрековая Для оценки опасности возникновения в межштрековых целиках (МШЦ) горных ударов (ГУ) необходим анализ, в частнос ти, полей компоненты У тензора ij.
Рис. 8. Схема расположения сечений исследуемых в соответствующих им ГГМ:
«I-I» – сечение в «невозмущенном» массиве впереди забоя лавы;
«II-II» – сечение в зоне опорного давления (ОД) лавы (с учетом «смещения» ОД в околоштрековую область – к границе столба);
«III-III» – сечение, соотносимое с областью ВП (на протяжении 100 м от плоскости очистного забоя) Рис. 9. ГГМ IIIi массива вмещающего пласт «Четвертый» в зоне позади очистного забоя (в зоне его влияния), где «I» – индекс наличия в ГГМ соответс твующего числа выемочных штреков (i = 2 – два штрека;
i = 3 – три штрека;
i = 4 – четыре штрека) В общем случае возможность развития горного удара оценивается соотношением модулей спада (М) и модуля упругости (Е) в «очаге» формирования динамического явления: = M/E;
при 1 – возможно развитие ГУ. Кроме того, необходимым условием возникновения в целике горного удара является выполнение неравенс тва: Рn Рm, где: Рn – фактическая нагрузка, передаваемая породами на целик;
Рm – максимальная (предельная) нагрузка, воспринимаемая тем же целиком.
Параметр Рm может быть определен по зависимости:
Pm = Kf 0S, где Kf – коэффициент формы;
0 – прочность МШЦ на одноосное сжатие (определяемая с учетом «масштабного фактора»);
может быть – в нашем случае – принята равной 15 МПа;
S – площадь продольного сечения конкретного целика (в нашем случае:
S = 2Ll;
2L– ширина целика;
l – «единичная» длина целика).
Параметр Рn может быть определен достаточно элементарно на основе статического условия только для варианта «большого» числа горизонтально (примерно горизонтально) расположенных целиков. В нашем случае расчеты «Рn» могут быть реализованы только на базе анализа полей У, получаемых дифференцировано для характерных зон выемочного учас тка (рис. 9) при варьируемом количес тве штреков (от 2-х до 4-х) на базе, например, методических подходов, изложенных в предыдущем разделе. Следовательно, определив величины средневзвешенных по ширине целика компонент Ус.в. (с учетом рассматриваемых, как отмечалось, горногеомеханических и технологических вариаций) параметр Рn будет соответс твовать:
Рn Ус.в.S.
Коэффициент формы (Kf) может быть определен по зависимости:
/ 1+ * L Kf + e0, 2 h где * – нормированная (по 0) величина ос таточной (*) прочности угля, / то есть: */ = * ;
2L – ширина межштрековых целиков;
2h – высота межштрековых целиков;
е0 – эмпирический параметр для углей изменяющийся в диапазоне:
0,60,8.
Возможный диапазон колебаний величины * в среднем оценивается значениями (0,20,4) 0 (для пласта «n11» величина 0 15 МПа).
С учетом приведенных данных (учитывая и геометрию целиков) параметр Kf может быть охарактеризован величинами: K /f 3,0 (для «условий» при ЕС 700 МПа) и K /f 3,9 (для «условий» Ед 13103 МПа).
Параметр «S» для рассматриваемой геометрии целиков составит:
610 см2.
Величины предельных нагрузок на целики, следовательно, определятся как:
Pm 27103 т (для «условий» ЕС 700 МПа) и Pm 35,1103 т (для / // «условий» Ед 13103 МПа).
Параметры Рп в соответствие с каждой из схем определяются для конкретных целиков как средневзвешенные по их ширине величинами значений У.
По полученным соотношениям P m и Рn оценивается возможность развития (или отсутствие таковой) в конкретном целике динамического явления типа горного удара. Результаты выполненного обобщения приведены в табл. 5.
Таблица Оценка удароопасности межштрековых целиков (МШЦ) по результатам определения НДС массива Условия удароопасности МШЦ Коли- Мех. харак Достаточное условие чество теристика Возможно Индекс сечения безопасности – штреков МШЦ (“Ед” развитие ГУ отсутствие ГУ (i) или “Ес ”) (Рn P m), (тонн) (Рm Р n) (тонн) I-I Ед 35 100 19 878 - Ес 27 000 6 420 - Ед 35 100 25 020 - Ес 27 000 17 040 - II-II Ед 35 100 29 700 - Ес 27 000 9 600 - Ед -- 37 400 35 Ес 27 000 12 180 - III-III Ед -- 70 800 35 Ес 27 000 24 600 - Ед -- 97 500 35 Ес -- 52 500 27 Ед -- 100 500 35 Ес 27 000 16 080 - Примечание. Количественные оценки параметров Рn выполнены применительно к целикам, примыкающим к выработанному прос транс тву.
На основе проведенных исследований напряженно-деформированного состояния массива с помощью разработанных горно-геомеханических моделей применительно к спаренным выработкам, разделенным целиком угля, установлено:
целики угля шириной от 2 до 6 м, переходя впереди очистного забоя под влиянием опорного давления в предельное состояние, не опасны по горным ударам, что подтверждают также данные натурных наблюдений;
Применительно к схемам подготовки тремя и четырьмя выработками по результатам исследований установлено:
при трехштрековой подготовке целики угля, относимые в соответс твии с инструкцией по горным ударам к податливым, т.е. шириной не более 0,1l (l – ширина зоны опорного давления), не являются удароопасными вне зоны опорного давления впереди очис тного забоя;
выходят на грань удароопасности по критерию дейс твующих на целик нагрузок в зоне влияния лавы;
становятся удароопасными по этому критерию за лавой. Неопасное состояние возможно лишь в случае перехода целиков в податливый режим, т.е.
деформирования за пределом прочности. Возможность перехода в указанный режим, подтвержденная натурными наблюдениями для спаренных выработок, требует дополнительной экспериментальной проверки в случае подготовки выемочных участков тремя и более выработками;
при подготовке выемочных участков четырьмя штреками податливые целики за лавой представляют опасность по горным ударам в обеих рассматриваемых режимах деформирования;
во всех рассмотренных вариантах многоштрековой подготовки отмечается наличие зон растяжения (и в условиях Ед и Ес) в почве выработок, что предполагает развитие в них процессов пучения (пучение почвы отмечено также в натурных условиях при подготовке выемочных участков спаренными выработками на шахтах ОАО «Воркутауголь»).
Таким образом, в условиях больших глубин наиболее предпочтительной среди схем подготовки выемочных учас тков по факторам геодинамической безопасности и эффективного управления газовыделением является схема с использованием спаренных выработок с податливым целиком между ними.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации на основе проведенных исследований разработаны научно обоснованные технические и технологические решения по эффективной и безопасной подготовке и отработке выемочных участков газоносных угольных пластов на больших глубинах, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики. Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем:
1. Бесцеликовые схемы подготовки выемочных участков при отработке высокогазоносных плас тов на больших глубинах обеспечивают безопаснос ть по горным ударам, но не позволяют полностью использовать возможности современных средств механизации очистных работ вследствие существенных ограничений нагрузки на очистные забои по газовому фактору.
2. Многоштрековые схемы подготовки выемочных учас тков, применяемые в ведущих угледобывающих странах мира на плас тах с благоприятными условиями залегания, могут быть использованы на пластах в сложных по газовому и геодинамическому факторам горно-геологических условиях лишь при условии обеспечения геодинамической безопасности целиков между штреками;
3. Проведение спаренных выработок с податливым целиком между ними для подготовки выемочных участков позволяет в комплексе решить вопросы управления газовыделением и поддержания выработок на пластах со сложными горно-геологическими условиями.
4. Оставление податливого целика между спаренными выработками позволяет обеспечить канал для изолированного отвода метановоздушной смеси на границе с выработанным пространством, улучшить условия поддержания сохраняемой для повторного использования выработки, изолировать выемочные столбы друг от друга при обеспечении безопасности горных работ с точки зрения динамических явлений.
5. Применение трех- и четырехштрековых схем подготовки выемочных участков позволяют использовать одну из выработок в качестве канала для изолированного отвода МВС, являются наиболее предпочтительными с точки зрения управления газовыделением, но в каждом конкретном случае требуют обеспечения геодинамической безопасности целиков.
6. При трехштрековой подготовке целики угля, относимые в соответс твии с действующими в отрасли нормативными документами к податливым, т.е. шириной не более 0,1l (l – ширина зоны опорного давления), не являются удароопасными вне зоны опорного давления впереди очистного забоя;
выходят на грань удароопасности по критерию действующих на целик нагрузок в зоне влияния лавы;
становятся удароопасными по этому критерию за лавой. Неопасное состояние возможно лишь в случае перехода целиков в податливый режим, т.е.
деформирования за пределом прочности. Возможность перехода в указанный режим, подтвержденная натурными наблюдениями для спаренных выработок, требует дополнительной экспериментальной проверки в случае подготовки выемочных участков тремя и более выработками.
7. При подготовке выемочных участков четырьмя штреками податливые целики за лавой представляют опасность по горным ударам в обеих рассматриваемых режимах деформирования.
8. В условиях высокой природной метаноносности (до 50-75 м3/т) наиболее эффективной является прямоточная схема проветривания в сочетании с подземной дегазацией с коэффициентом эффективности не менее 0,7 и изолированным отводом части потока метановоздушной смеси, вымываемой утечками воздуха из выработанного пространс тва, по дренажному штреку в исходящую выемочного участка.
9. Изолированный отвод метановоздушной смеси на выемочном участке может быть эффективно организован лишь при обеспечении необходимого поперечного сечения дренажной выработки не менее 5 м2 на всем протяжении выемочного столба.
10. В случае невозможности или нецелесообразности вследствие высокой трудоемкости обеспечения необходимого поперечного сечения дренажной выработки на границе с выработанным пространством, возможен переход от подготовки спаренными выработками к трех- или четырехштрековым схемам и использованию в качестве канала для изолированного отвода выработки, отделенной от выработанного пространства податливым целиком;
целесообразность перехода к трех- или четырехштрековым схемам подготовки в каждом конкретном случае определяется на основе сравнения затрат на проведение дополнительных выработок и соответствующего увеличения нагрузки на очистной забой по газовому фактору.
11. Предложенный алгоритм выбора технологии отработки выемочных участков высокогазоносных пластов на больших глубинах позволяет на с тадии проектирования определить экономические перспективы отработки отдельных участков пластов, выбрать рациональную технологию, определить необходимос ть и целесообразность перехода от бесцеликовых схем подготовки выемочных участков к многоштрековым схемам.
12. Подготовка выемочных участков спаренными выработками с податливым целиком между ними позволяет обеспечить эффективность и безопасность горных работ в широком диапазоне горно-геологических условий, имеет существенное преимущество по сравнению с другими технологиями на глубинах более 800 м при абсолютной газообильности выемочных участков более 60 м3/мин.
Полученные выводы и рекомендации могут быть использованы для эффективной и безопасной отработки высокогазоносных, опасных по динамическим явлениям пластов на шахтах Печорского, а также других угольных бассейнов.
Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:
1. Математическое моделирование работы очистных забоев на шахтах ПО Воркутауголь // Записки СПГГИ им. Г.В.Плеханова. Том 139 Подземная разработка месторождений, С-Пб, 1994 (Соавтор: Ковалев О.В.) 2. Состояние и перспективы развития Печорского угольного бассейна в условиях рыночной экономики // III международная научно-практическая конференция «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», Новокузнецк, 1996, с.28-29 (Соавторы: Коршунов Г.И., Лобес Ю.Р.) 3. Mine development techniques at Vorkutaugol // Proceedings of the ' International Symposium on Mining Science and Technology, A.A.BALKEMA, /ROTTERDAM/, BROOKFILD/, 1996, p.367-368 (Соавторы: Коршунов Г.И., Лобес Ю.Р.) 4. Анализ возможностей реализации структуры «шахта-лава» на шахте «Центральная» ОАО «Воркутауголь» // IV международная научно практическая конференция «Перспективы развития горнодобывающей промышленности», Новокузнецк, 1997, с. 144 – 145 (Соавтор: Краснер Л.И.) 5. Efficiency analysis of coal bed mining technology at Vorkutskoe deposit // Mining Equipment and Technology towards 21 Century – Review and Prospect, PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL MINING TECH`97 SYMPOSIUM, 1997, p. 813-815 (Соавторы: Коршунов Г.И., Экгардт В.И.) 6. Пути совершенствования технологии отработки удароопасных газоносных угольных пластов Воркутского месторождения // Уголь, № 6, 1998, с.23-25 (Соавтор: Веселов А.П.) 7. Патент № 2109952 (Российская Федерация). «Способ крепления горных выработок». ОАО «Воркутауголь». Бюллетень изобретений №12, (Соавторы: Коршунов Г.И., Погудин Ю.М.) 8. Патент № 2134789 (Российская Федерация). «Способ крепления кровли в очистных забоях». ОАО «Воркутауголь». Бюллетень изобретений № 23, 1999 (Соавторы: Погудин Ю.М., Экгардт В.И., Веселов А.П.) 9. Опыт использования спаренных выработок для подготовки выемочных столбов на шахтах ОАО Воркутауголь// М.: МГГУ, ГИАБ № 8, 1999, с. 39-41 (Соавторы: Прутян В.А., Гусельников Л.М.) 10. Оценка влияния скорости подвигания очистных забоев на напряженно-деформированное состояние окружающего массива //М.: МГГУ, ГИАБ №1, 1999, с.44-46 (Соавторы: Коршунов Г.И., Баранов В.Н.) 11. Оценка влияния на природную среду процессов производства товарного угля ОАО «Воркутауголь» // Уголь, № 5, 1999, с. 50-52 (Соавтор:
Экгардт В.И.) 12. Анализ эффективности способов прогноза и предотвращения динамических явлений на Воркутском угольном месторождении // Актуальные проблемы горной науки и образования: Сборник трудов научно-методической конференции / СПГГИ (ТУ), СПб, 1999, с. 80-82 (Соавтор: Гусельников Л.М.) 13. Gas Emission Control on Longwall Panels at the Vorkuta Coal Mines // Proceedings of the 8-th U.S. Mine Ventilation Symposium, 1999, p. 41- (Соавторы: Бобровников В.Н., Веселов А.П.) 14. Сопоставительная оценка геодинамической безопасности схем подготовки выемочных участков шахт ОАО «Воркутауголь» // Тезисы докладов научно-методической конференции «Уголь в XXI веке», СПб.: изд. СПГГИ (ТУ), 2000, с.62-63 (Соавторы: Коршунов Г.И., Гусельников Л.М.) 15. Методологические принципы выбора параметров эффективной технологии отработки угольных плас тов в сложных горно-геологических условиях // М.: МГГУ, ГИАБ, № 3, 2001, с.178- 16. Патент № 2134789 (Российская Федерация). «Способ опережающего крепления кровли краевой части плас та очис тной выработки». Бюллетень изобретений № 29, 2001 (Соавторы: Погудин Ю.М., Иванов А.А.) 17. Патент № 2178526 (Российская Федерация). «Способ разработки пологих и наклонных угольных пластов». Бюллетень изобретений № 2, (Соавторы: Веселов А.П., Погудин Ю.М., Шейман Э.М., Березин Л.И., Пантелеев А.С.) 18. Исследование НДС податливого угольного целика при подготовке выемочных учас тков спаренными выработками // М.: МГГУ, ГИАБ №9, 2002, с.146-149 (Соавтор: Ковалев О.В.) 19. Оценка уровня безопасности схем подготовки выемочных учас тков шахт ОАО «Воркутауголь» по фактору риска // М.: МГГУ, ГИАБ №2, 2004, с.
133-135 (Соавторы: Булдакова Е.Г., Коршунов Г.И.) 20. Рекомендации по управлению газовым режимом выемочных участков шахт Воркуты в условиях высокой метанообильности // М.: МГГУ, ГИАБ №8, 2004, с. 16-20 (Соавторы: Шувалов Ю.В., Бобровников В.Н.) 21. Патент № 2232272 (Российская Федерация). «Способ разработки пластов полезных ископаемых». Бюллетень изобретений № 19, 2004 (Соавторы:
Экгардт В.И., Коршунов Г.И., Погудин Ю.М., Волковская С.Г., Акоева И.Л.) 22. Подземная разработка угольных пластов в сложных горно геологических условиях: тенденции развития технологии // Народное хозяйство Республики Коми, том 14, № 3, 2005, с. 619- 23. К оценке возможностей технологических схем очистных работ и горизонтов шахт Воркутского месторождения в условиях высокой метанообильнос ти // М.: МГГУ, ГИАБ №9, 2005, с. 115-121 (Соавторы:
Бобровников В.Н., Зуев В.А., Сальников А.А.) 24. О перспективах струговой выемки пласта «Пятый» Воркутского месторождения // Народное хозяйство Республики Коми, том 15, №1, 2006, с.
105-107 (Соавтор: Полищук Л.В.) 25. Патент № 2282030 (Российская Федерация). «Способ разработки свиты сближенных высокогазоносных угольных пластов». Бюллетень изобретений №23, 2006 (Соавторы: Зуев В.А., Погудин Ю.М., Бобровников В.Н., Вовк А.И., Сальников А.А., Бучатский В.М., Бочаров И.П.) 26. Стоимостная оценка многоштрековых схем подготовки выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь» // М.: МГГУ, ГИАБ №1, 2007, с. 233 237 (Соавторы: Зайцева М.М., Иванов В.С.) 27. Интенсивная отработка высокогазоносных угольных пластов на больших глубинах //Монография;
СПб.: изд. МАНЭБ, 2007, 250 с. (Соавтор:
Задавин Г.Д.) 28. Возможности и перспективы скоростного проведения выработок при многоштрековой подготовке выемочных участков на шахтах ОАО «Воркутауголь» // Уголь, № 12, 2007, с. 4-8 (Соавторы: Долоткин Ю.Н., Задавин Г.Д.)