автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров технологии подготовки и отработки угольных пластов месторождения "Куанг нинь" СРВ

?V б О И

2 7 ОМ

На правйх рукописи

НГУЕН АНЬ ТУАН

УДК 622.272 + 622.268.1.001.2

«ОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ И ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «КУАНГНИНЬ» СРВ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горно.ч университете.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. ВИТКАЛОВ В. Г.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. СТАРИКОВ А. В., канд. техн. наук КИЛИМНИК В. Г.

Ведущая организация ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочин ского.

Защита диссертации состоится «лв. »Ш^ь 1998 год

в /З.ДОчас. на заседании диссертационного совет К-053.12.02 Московского государственного горного универси тета по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский прс спект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке униве}: ситета.

Автореферат разослан « . . . »..... 1998 1

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Р

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В основных направлениях экономического и социального развития СРВ на 1996 - 2000 гг., перед угольной промышленностью страны поставлены задачи дальнейшего развития подземной добычи угля, повышения производительности труда, безопасности работ и улучшения условий труда шахтеров.

Государственным пятилетним планом развития народного хозяйства СРВ на 1996 - 2000 гг. намечено довести добычу угля в 2000 г. до 10 млн. т. Эта цель будет достигнута как за счет строительства новых и реконструкции действующих шахт, так и дальнейшей концентрации и интенсификации угледобычи на горных предприятиях. Значительное улучшение показателей работы действующих шахт будет достигнуто за счет их дальнейшего перевооружения на основе комплексной механизации, внедрения новой техники и технологии.

Темпы роста нагрузки на лаву и особенно на комплексно-механизированные забои за последние годы не растут. Так, на шахтах месторождения Куангнинь нагрузка на механизированный комплекс за период 1990 - 1995 гг. (на пластах с углами падения до 35°) находилась в пределах 130 - 160 т/смену. Кроме того, на действующих шахтах параметры выемочных полей в большинстве случаев не отвечают современным требованиям высокоэффективного использования механизированных комплексов, из-за необходимости отработки большого количества коротких столбов, а простои комплексов в монтаже-демонтаже достигают в ряде случаев 30 - 35 % от срока их службы. В 1995 г. средняя длина выемочного блока по простиранию на шахтах бассейна Куангнинь находится в пределах 150 - 250 м. В результате этого объемы работ по перемонтажу комплексов растут, что приводит к снижению эффективности их использования. Современная технология и техника отработки пологих и наклонных пластов средней мощности позволяют значительно повысить эффективность производства, но они сильно зависят от негативных проявлений природных факторов. По данным Ханойского института горной науки и технологии (ХИГНИТ) горно-геологические условия месторождения Куангнинь характеризуются мульдообразным залеганием пластов, наличием пликагивных нарушений, часто встречается расщепление, выклинивание и утонение пластов, а на ряде месторождений распространены тектонические нарушения - 10-20 нарушений с амплитудой от 1,0 до 5,0 м на 1 км2 площади.

На основе анализа средств комплексной механизации, применяемых на шахтах России, можно сделать вывод, что применение на шах-

тах СРВ технологии и механизации в чистом виде вызывает большие сомнишя, из-за весьма сложных горно-геологических условий.

Известны два решения, позволяющих повысить эффективность использования комплексов.

Первый из них заключается в совершенствовании технологии монтажно-демонтажных работ с целью уменьшения продолжительности перемонтажей комплексов. Однако недостатками этого пути являются неустранимые простои дорогостоящего оборудования очистного забоя (даже в благоприятных условиях продолжительность перемонтажей составляет 30 - 40 суток) и связанный с этим ущерб от недополучения добычи, а также неизбежное наличие периодов развития и затухания добычи в начальный и заключительный период отработки выемочного столба, когда нагрузка на лаву значительно снижается.

Проведенный нами анализ горно-геологических и горнотехнических условий на действующих шахтах и анализ.института горного дела ХИГНИТ показывают, что количество участков с благоприятными горно-геологическими условиями будет сокращаться в связи с переходом горных работ ниже уровня штольневого горизонта. Следовательно, уменьшение объема монтажно-демонтажных работ является актуальной проблемой, от решения которой зависит сама идея применения мобильных коротколавных средств комплексной механизации и не менее важная сторона, - это цена 1 т угля при переходе к рыночным условиям хозяйствования.

Более реальным на наш взгляд является второй путь, основанный на разработке новых коротколавных технологических схем подготовки и отработки частей шахтного поля, позволяющий свести к минимуму количество перемонтажей мехкомплексов. Это становится реальным при отработке частей шахтного поля, с разворотом коротких лав. Поэтому разработка и внедрение новых коротколавных технологий добычи угля, позволяющих вести комплексно-механизированную отработку угольных пластов в месторождении Куангнинь, является актуальной задачей.

Целью работы является установление зависимостей характеристик геомеханических процессов в горном массиве от комплекса природных и производственно-технических факторов для обоснования параметров технологии подготовки и отработки угольных пластов, обеспечивающих повышение технического уровня шахт СРВ.

Идея работы заключается в комплексном использовании параметров коротколавной технологии с учетом влияния горногеологических и производственно-технических факторов.

Основные научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна;

- комбинированная технология подготовки и отработки выемочных блоков ограниченных размеров и сложной конфигурации обеспечивает повышение технического уровня шахт СРВ без значительных капитальных вложений на освоение месторождения;

- реализация коротколавных технологических схем эффективной и безопасной отработки запасов угольных пластов способствует повышению гибкости комбинированной технологии в плане применения мобильных средств комплексной механизации с разворотом их на флангах;

- расчет рациональных параметров технологии подготовки и отработки угольных пластов отличается учетом взаимосвязей их нагрузки на забой с факторами, определяющими горнотехнические условия производства, характерные для шахт месторождения "Куангнинь", и предусматривает корректировку скорости подвнганкя очистного забоя, согласованную по фактору безопасного крепления рабочего пространства мехкрепями;

- Математическая модель для исследования и выбора рациональных технологических параметров коротколавной технологии отличающиеся учетом влияния геомеханнческих характеристик массива.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказаны:

- представительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате шахтных исследований необходимых для объективной оценки деформации контура выработки в конкретных горно-геолог ических условиях. Эксперименты проводились в выработках шести выемочных участков в течение всего срока отработки их запасов на шахтах Вангзань, Танлап, Хечам, Халам и Маохе;

- удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований с экспериментально полученными смешениями породного массива (расхождение не более 8-10 %).

Научное значение работы заключается в установлении зависимости скорости подвигания очистного забоя от длины лавы, времени отработки выемочного столба ог смешения пород кровли и обосновании на этой основе технологических параметров отработки выемочного блока короткими лапами с разворотом мехкомплекса.

Практическая ценность диссертации состоит в разработке комбинированной технологии отработки выемочных блоков с формированием подготовительных выработок вслед за подвиганием

очистного забоя и разворотом мехкомплекса на флангах, обеспечивающей эффективность использования коротколавных комплексов и позволяющей без дополнительных капитальных вложений вовлечь в эксплуатацию участки сложной конфигурации, тем самым увеличить промышленный потенциал шахт и полноту извлечения угольных запасов, что повысит технико-экономическую эффективность эксплуатации угольного месторождения Куангнинь.

Реализация выводов и рекомендаций. Результаты исследования и разработанные коротколавные технологии утверждены ученым советом ХИГНИТ и используются для внедрения коротколавных технологических схем и реализации программы развития горного производства на шахтах месторождения Куангнинь.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на техническом совете Ханойского научно-исследовательского института горного дела (г. Ханой, 1993 - 1995 гг.), семинарах научных симпозиумов «Неделя горняка - 97 и 98), научном семинаре кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, 1998).

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором опубликовано 5 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 184 страницы машинописного текста, 62 рисунка, 19 таблиц, 2 приложения, список литературы из 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Постоянный рост потребления природных материалов для народного хозяйства СРВ, в том числе угля, обуславливается быстрым ростом промышленного производства и необходимостью обеспечения жизненного уровня населения. Добыча угля является одним из важнейших источников валютных поступлений, пятилетним планом развития народного хозяйства СРВ на 1996 - 2000 гг. предусматривается увеличение добычи угля до 10 млн. т в год.

Рост объема добычи угля в стране в этот период будет осуществляться путем реконструкции действующих и создания новых шахт. Это требует значительных капитальных вложений, что предопределяет необходимость разработки новых технологий по подготовке и отработке шахтных полей на основе максимального учета новейших достижений горной науки и техники.

В этой связи, а также благодаря детальному анализу состояния и перспектив развития угольной промышленности СРВ, конкретизированы задачи исследовании:

- конкретизация горно-геологических и горнотехнических условий производства, систематизация структуры объемов очистных работ и технологических схем отработки угольных пластов месторождения «Куангнинь»;

- разработка вариантов коротколавных технологических схем подготовки и отработки выемочных блоков с разворотом мехкомплекса на флангах;

- разработка методики расчета и выбора рациональных параметров технологии подготовки и отработки угольных пластов применительно к конкретным условиям горного производства;

- расчет технологических параметров коротколавной технологии с повторным использованием подготовительных выработок и с разворотом мехкомплекса.

Очистные работы при выемке угольных пластов сопряжены с большими трудностями. В основном применяется буровзрывной способ отбойки угля с ручной погрузкой его на конвейер. Основным способом управления горным давлением является полное обрушение кровли. Для крепления очистных забоев применяется деревянная крепь (98 %).

Анализ проведенных исследований 50 действующих очистных забоев на шахтах Куангнинь за последние 3-4 года показал: '

- средняя длина по простиранию одного выемочного участка колеблется от 110 до 240 м;

- средняя длина лавы составляет 26 - 143 м;

- 52 % очистных забоев находится на глубине < 100 м от поверхности, 48 % на глубине 100 - 200 м;

- угол падения пласта при отработке лавами колеблется от 0 до 35°.

В настоящее время в угольной промышленности стран мира ведутся работы по созданию коротколавной технологии. Короткие комплексно-механизированные лапы являются качественно новым видом технологии очистных работ, перспективным для широкого применения благодаря таким преимуществам, как:

- универсальность применяемого оборудования и широкие возможности применения в сложных горно-геолопгческих условиях;

- возможность высокопроизводительной отработки запасов угля в сложных горно-геологических условиях, где неприменимы или неэкономичны длинные лавы и камеры;

- высокая скорость подвигаиия лавы, исключающая или сводящая к минимуму такие неблагоприятные явления в забое, как отжим угля, вывалы кровли, пучение почвы, что значи-

тельно облегчает условия труда и повышает надежность работы очистного оборудования;

- относительно небольшие первоначальные затраты на приобретение оборудования, меньшая (в 2 - 5 раз) стоимость комплекса короткой лавы по сравнению с длинной, что позволяет экономически оправданно применять короткие лавы в качестве резервных для фронта длинных комплексно-механизированных лав, а также и для отработки новых участков, не требующих больших первоначальных затрат на приобретение оборудования.

Недостатками применения коротких комплексно-механизированных лав являются:

- отсутствие высокопроизводительного оборудования для проведения подготовительных выработок;

- большой объем монтажно-демонтажных работ.

Выполненные обзор и анализ исследований по развороту механизированных комплексов на шахтах СНГ и передовых стран мира позволили установить общие проблемы и закономерности, возникающие при развороте мехкомплекса, которые связаны преимущественно с формированием обводных выработок и управлением горным давлением у центра разворота, подготовкой технологической схемы и соблюдением технологии работ по развороту лавы, разработкой мероприятий по уменьшению потерь угля и управлению вентиляцией выемочного участка.

Горно-геологические условия месторождения Куангнинь позволяют применять комбинированную технологии отработки угольных пластов короткими комплексно-механизированными лавами с разворотом их на флангах выемочного блока. Предлагаемая технология имеет преимущество по сравнению с традиционными технологическими схемами, применяемыми на шахтах Куангнинь, в следующем: высокая производительность, универсальность применяемого оборудования, широкий диапазон применения технологии по горно-геологическим факторам, небольшие первоначальные затраты на приобретение оборудования, невысокая квалификация кадров и т.д.

В условиях месторождения Куангнинь может применяться различное оборудование в коротких комплексно-механизированных лавах - как специально созданное применительно к ограниченной длине очистного забоя и работе в тупиковой его части (оборудование, выпускаемое в США, Австралии, Канаде, ЮАР и др.), так и серийно выпускаемое для длинных и коротких очистных забоев (оборудование, выпускаемое в ряде стран СНГ, Великобритании, ФРГ, Чехии и др.).

Установлено, что особенностью развития горнодобывающей промышленности за последние десятилетия является постоянное ухуд-

шенне горно-геологических условий эксплуатации. На шахтах России и СРВ не проведены научно обоснованные эксперименты по использованию коротколавной технологии выемки угля, нет рекомендаций по выбору и внедрению рациональных коротколавных технологических схем с разворотом мехкомплекса и их параметров, что сдерживает широкое внедрение прогрессивной технологии на шахтах.

В СНГ научно-исследовательскими, учебными и проектными институтами проведены большие работы по исследованию технологических схем выемки угля и выбора их параметров.

Большой вклад в развитие теории проектирования и выбора оптимальных параметров технологических схем выемки угля внесли известные ученые: Бокий Б.И., Шевяков Л.Д., Судоплатов А,П., Звягин П.З., Борисов Д.Ф., Тагомир К.И., Найдыш A.M., Липкович С.М., Го-ломалзин Б.И., Бурчаков АС., Жежелевский Ю.А., Капустин Н.Г., Курносое A.M., Еремеев В.М., Адилов К Н., Квон С.С., Килячков А.П., Кузнецов Ю.Н., Малкин A.C., Михеев О.В., Устинов М.И., Стариков A.B., Астахов A.C., Харченко В.А., Шаровар И.И. и др. Их фундаментальные труды посвящены проектированию и выбору оптимальных параметров технологических схем выемки угля на базе применения математических методов и электронных вычислительных машин.

Нами предложена комбинированная технология по подготовке и отработке угольных пластов короткими лавами длиной 20 - 50 м с разворотами их на флангах выемочного блока с целью исключения монтажно-демонтажных работ н увеличения времени непрерывной работы комплекса.

Сущность предложенной технологической схемы отработки выемочных полей заключается в подготовке выемочного блока путем проведения основных и эксплуатационных выработок (рис. I)

Рис. 1. Схема подготовки и отработки выемочного блока.

При разработке технологии отработки пластов рекомендуется руководствоваться следующими основными положениями:

комплексное решение всех вопросов, связанных с ведением горных работ в очистных и подготовительных забоях в выемочном блоке;

максимально высокий уровень комплексной механизации очистных и подготовительных работ, а также эффективное использование горной техники в наиболее соответствующих ее техническим параметрам горно-геологических условиях;

максимально возможная концентрация очистных работ и достижение наибольшей технически и организационно допустимой нагрузки на очистной забой;

высокая степень извлечения запасов полезных ископаемых и охрана окружающей среды человека;

минимальный объем работ по монтажу и демонтажу очистных механизированных комплексов, проходческого оборудования и средств транспортирования угля в эксплуатационных выработках;

применение пластовой (при технической необходимости полевой) подготовки выемочного блока с использованием бесцеликового способа поддержания подготовительных выработок путем их сохранения в выработанном пространстве для повторного использования; погашение повторно используемых выработок позади очистного забоя; применение комбинированной системы разработки как единственно возможной, когда один из выемочных столбов отрабатывается прямым, а другой - обратным ходом;

отработка выемочных столбов, как правило, одиночными лавами; использование разворота механизированного комплекса с одновременной выемкой угля с целью перевода его в смежный выемочный столб без перемонтажа комплекса.

Таким образом, осуществляется идея технологии совмещения очистных и подготовительных работ в едином комплексе очистного оборудования, работающего без предварительного деления выемочного поля на отдельные столбы и перемещения очистного забоя из отрабатываемой полосы в новую полосу с помощью разворота механизированного комплекса (рис. 2а, 26,2в, 2г).

Важным условием улучшения технико-экономических показателей работы угольных шахт СРВ является повышение устойчивости подготовительных выработок, поддержание которых в настоящее время требует значительных затрат материальных и людских ресурсов. О его важности можно судить по такому факту: только на шахтах месторождения Куангнинь ежегодно ремонтируют выработки, протяженность которых в среднем составляет 25 %, причем на ремонте и восстановлении занято около 50 % численности подземных рабочих.

Рис. 2. Схема разворота короткой лавы с применением мехкомплекса.

Естественно, что первопричиной геомеханических процессов являются горные работы. В зависимости от технологии ведения горных работ изменяется и естественное состояние окружающих пород. Поэтому, изменяя технологию или технологические параметры ведения работ, можно управлять геомеханическими процессами.

В познание геомеханических процессов в массивах горных пород при разработке угольных месторождений большой вклад внесли ученые России, - A.A. Ардашев, Б.И. Бокий, A.A. Борисов, И.В. Баклашов, Г.И. Грицко, М.П. Зборщик, Б.А. Картозия, С.Т. Кузнецов, Ю Н. Кузнецов, Ю.М. Либерман, О.В. Михеев, В.Л. Попов, М.М. Протодьяконов, В.Д. Слесарев, П.М. Цимбаревич, И.Л. Черняк, С. А. Ярунин и др.

Для обоснования коротколавной технологии и параметров отработки выемочного блока автором были проведены экспериментальные исследования.

Для отработки пологих и наклонных угольных пластов месторождения Куангнинь, где глубина горных работ в основном колеблется от 100 до 200 м, зона интенсивного, действия временного опорного давления впереди очистного забоя распространяется, на

основании диализа проведенных шахтных экспериментов Ханойского научно-исследовательского горного института с участием автора, на 15-20 м. Под воздействием временного опорного давления часть угольного массива шириной 2 - 3 м разрушается, в результате чего максимум опорного давления перемещается в глубь массива на 7 -10 м. В связи с этим оставляемые целики угля шириной 7 - 10 м для охраны подготовительных выработок не выдерживают больших напряжений, вызванных опорным давлением и разрушаются.

Шахтные инструментальные исследования также были проведены нами на пласте «8» шахты «Вангзань», типичном для всех пологих и наклонных пластов средней мощности месторождения Ку-ангнинь по своим горно-геологическим и горнотехническим характеристикам, для обоснования параметров коротколавной технологии.

Анализируя динамику изменения опорного давления и смещений пород кровли на основании проведенных нами исследований на шахтах месторождения Куангнинь, можно сделать вывод:

- максимальная величина опорного давления по падению пласта, находится на расстоянии 4 - 6 м от кромки угольного массива, которая затем плавно уменьшается, и на расстоянии 15 - 18 м она равна уН.

- размеры зон опорного давления по простиранию пласта колеблются от 20 - 25 м впереди и 25 - 30 м позади очистного забоя.

Задача но оптимизации параметров коротколавной технологии может быть решена математическим моделированием. Среди существующих методов математического моделирования поведения горного массива особенно широкое распространение получил в последний период численный метод конечных элементов, основанный на приемах механики сплошной среды и численного интегрирования.

Расчеты производя!ся как в упругой постановке, так и с учетом вязко-упругого деформирования и разрушения элементов массива за период полного существования выработки Рассматриваемая область разбивается на треугольные элементы, соединенные в узлах. Графическое изображение исследуемой области с нанесением граничных условий и с безмасштабной сеткой конечных элементов показано на рис. 3. и является расчетной схемой.

Расчет зон предельно-напряженного состояния массива вокруг повторно используемой выработки методом конечных элементов ведется по программному модулю «СЯЕР» с использованием ЭВМ

Распределение нормальных напряжений в массиве и вертикальные смещения пород кровли и почвы в подготовительной выработке приведены на рис. 4.

Оу*уН

Рис. 3. Фрагмент расчетной схемы с сеткой конечных элементов. Ф......© - Типы конечных элементов

ыш

Рис. 4. Распределение Нормальных напряжений в массиве и вершкаль-ные смещения пород кровли и почвы в подготовтелыюй выработке.

Подводя итог сказанному, можно сделать следующий общий вывод: максимум опорного давления в угольном пласте находится »и расстоянии 7 - 8 м от кромки подготовительной выработки, средняя скорость смещения пород кожура вырабогки составляет 2 мм/сутки.

Основные закономерности проявлений горного давления при очистной выемке пологих пластов наиболее полно освещены в работах В.Д. Слесарева, Ю Н. Кузнецова, A.A. Борисова, И.Л. Черняка, С.Т. Кузнецова, ММ. Протодьяконова, П.М. Цнмбаревича, С.А. Ярунина и др. Основное внимание ими уделялось изучению:

- опорного давления, значений ожидаемых смещений пород кровли, необходимой несущей способности крепи;

- предельных величин шага обрушения основной и непосредственной кровель;

- процессов деформаций и разрушений вмещающих пласт боковых пород, взаимодействие пород основной и непосредственной кровель между собой и с крепью и.т.д.

В связи с тем что отработка выемочного блока по коротколав-ной технологии требует больших скоростей подвигания очистного забоя, нами были проведены аналитические исследования по влиянию скорости подвигания очистного забоя на несущую способность крепи. Учеными МГТУ была получена формула определения необходимой несущей способности крепи (R) в зависимости от скорости подвигания очистного забоя

3 х 1

R-—qL cosA — + (ию , — ст., „, Л,! )е 2 V 6

Для решения полученного уравнения нами был разработан программный модуль, который позволил с использованием программы EXCEL в среде WINDOWS построить зависимости нагрузки крепи от скорости подвигания очистного забоя и закрепляющей нагрузки для условий месторождения Куангнинь (рис. 5).

2 4 « В 10 12 14 16 1> скород» побвишши очистою забоя, у (u/cymut

I

£ SO

{v - 10 k.cytw 1

hmcvtiw! . Эм/сутм J

100 200 300 400 500 600 700 800 000 1000

мхргллякндо нвтуж*, Q

Рис. 5. Графики зависимости нагрузки на крепь от скорости подви-> гания очистного забоя и закрепляющей нагрузки.

Анализируя полученные зависимости, можно сделать следующий вывод: наиболее благоприятной скоростью подвигами« очистного забоя в период между осадками основной кровли с точки зрения улучшения работы крепи является скорость подвигания более 8 м/сутки. Нагрузка на крепь находится в пределах 60 - 70 тс, Следовательно, важным условием, определяющим нагрузку на крепь, является стабилизация конвергенции, которая может быть достигнута постоянным перемещением короткой лавы.

Анализируя зависимость реакции крепи от закрепляющей иа-грузки при скорости подвигания очистного забоя от 5 - 20 м/сутки, можно утверждать, что чем больше в месте заделки основная кровля испытывает сжатие от вертикальной составляющей тензора напряжений <1зак и чем меньше скорость подвигания очистного забоя, тем с более высокой несущей способностью необходимо применять крепь.

Для обоснования безремонтного поддержания повторно используемых подготовительных выработок нами были проведены аналитические исследования с использованием методики В НИМИ.

Суммарная нагрузка на крепь за весь срок службы подготовительной выработки определяется по величине общих смещений кровли и'кр, основная крепь устанавливается при проведении выработки, которая впоследствии повторно используется:

У'кр = иКр + ^->1 Кк + т К0Хр).К5.К|ф, мм

Нами был разработан программный модуль по выбору типа и типоразмера основной крепи подготовительной выработки и крепи усиления, который был реализован с использованием ЭВМ.

Анализируя полученные графики, отражающие характер проявлений горного давления при ведении очистных работ и величин ожидаемых смещений в выработках при изменении мощности и угла падения пласта, глубины отработки, типа пород кровли, сопротивления крепи и времени отработки, возможно определить ожидаемые смещения в выработках как за весь период их существования, так и в определенные периоды их поддержания. Эго дает преимущественную возможность обосновать вопрос о выборе мероприятий, необходимых для обеспечения сохранности выработок в эксплуатационном состоянии за весь период их существования.

Из анализа представленных графиков следует, 41 > при равных условиях наибольшие смещения развиваются при мощности пласта более 3,0 м, глубине отработки более 300 м и при труднообрушае-мых породах кровли. Угол падения пласта мало влияет на величину смещения. Наименьшие смещения пород кровли достигаются при

сопротивлении крепи в диапазоне 260 кн, дальнейшее увеличение несушей способности крепи не приводит к уменьшению смещения пород кровли При выборе размера выемочного блока по простиранию строго рассчитывают соотношение между скоростью подвига-ния очистного забоя и длиной эксплуатационной выработки, чтобы срок работ по поддержанию выработки не превышал 6-8 мес.

Автором разработана математическая модель, предназначенная для расчета нагрузки на очистной забой, оборудованный узкозахватным комбайном и механизированной крепью, и основанная на использогании зависимостей, связывающих нагрузку на забой с горно-геологическими условиями, параметрами добычного и транспортного оборудования.

Для расчета по данной методике нами был разработан программный модуль, который позволил с использованием программы MATHCAD 7 PROFESSIONAL в среде WINDOWS построить зависимости между нагрузкой и скоростью подвигания очистного забоя, оборудованного узкозахватным комбайном и механизированной крепью, от длины лавы, для условий месторождения Куангнинь.

Анализируя зависимости изменения нагрузки и скорости подвигания очистного забоя от длины лавы при разных мощностях угольного пласта, можно сделать следующий вывод - увеличение мощности пласта вызывает увеличение нагрузки на очистной забой и уменьшение скорости подвигания очистного забоя при равной длине лавы. Для безопасного крепления рабочего пространства лавы крепями необходимая скорость подвигания очистного забоя должна быть £ 8 м/сутки при длине лавы £ 18 м. Отсюда следует, что рациональными технологическими параметрами коротколавной технологии являются: длина лавы, изменяющаяся от 18 до 50 м, скорость подвигания очистного забоя от 8 до 16 м/сутки и нагрузка на очистной забой от 800 до 1500 т/сутки.

Технико-экономическая эффективность коротколавной технологии была проведена по отраслевой методике «ЦНИЭИуголь»:

3c = (Ci-C2).Q2

Ci, Cj - себестоимость добычи 1 т угля до и после внедрения коротколавной технологии; .

СЬ - планируемая производительность шахты после внедрения коротколавной технологии.

Экономическая эффективность предлагаемой технологии по сравнению с традиционной технологией выемки угля, принимаемой на шахте «Халам» месторождения Куангнинь составляет 0,8 $/т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является квалификационной научной работой, в которой дано решение актуальной для угольной промышленности СРВ задачи обоснования параметров коротколавных технологических схем очистных работ с разворотом мехкомплексов в условиях месторождения Куангнинь, обеспечивающей повышение эффективности отработки запасов выемочных полей и улучшение условий труда шахтеров.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Анализ состояния угольной промышленности СРВ, перспектив роста углепотребления и горно-геологических условий залегания угольных пластов месторождения Куангнинь показал необходимость перехода на коротколавную технологию с использованием мобильных средств комплексной механизации, что позволит на современном уровне вести добычу угля.

2. В результате исследований выявлена необходимость нового подхода к обоснованию решений по подготовке и отработке запасов угля на малых глубинах, обеспечивающих существенное снижение потерь угля в недрах, повышение безопасности ведения горных работ, снижение затрат на работы по поддержанию подготовительных выработок и существенное снижение первоначальных капитальных затрат на приобретение очистного оборудования.

3. Предложенные варианты коротколавных технологических схем подготовки и отработки запасов угля с разворотом мехкомплекса на 180° отличаются универсальностью в плане применения мобильных коротколавных средств комплексной механизации и наличием резервов для технического переоснащения действующих шахт СРВ.

4. Разработана аналитическая модель расчета нагрузки на крепь, позволяющая количественно решить задачу установления несущей способности крепи в зависимости от скорости подвигания очистного забоя и закрепляющей нагрузки.

Для условий месторождения Куангнинь, где отработка уголь' ных пластов в основном ведеггся на глубине 100 - 200 м, наиболее оптимальной является скорость подвигания очистного забоя более 8 м/сутки.

5. Выполнен расчет зон предельно-напряженного состояния массива вокруг повторно используемой выработки методом конечных элементов, который показал удовлетворительную сходимость результатов аналитических исследований с экспериментально получен-

ными смещениями породного массива и расположением максимума опорного давления от кромки подготовительной выработки.

Установлено, что размеры зон опорного давления по простиранию пласта колеблются от 20 до 30 м, а максимальная величина опорного давления по падению пласта находится на расстоянии от 4 до 6 м от кромки подготовительной выработки.

6. Разработан программный модуль, позволяющий выбирать параметры коротколавной технологии при повторном использовании подготовительных выработок и дающий возможность определить ожидаемые деформации выработки как за весь период их существования, так и в определенные периоды поддержания.

Установлено, что оптимальное время поддержания повторно используемой подготовительной выработки составляет не более 6-8 мес.

7. Разработана математическая модель для исследования и выбора рациональных технологических параметров коротколавной технологии (с использованием программы Mathcad7 Professional в среде Windows) при отработке выемочных полей с разворотом мехкомплекса.

Рациональными технологическими параметрами коротколавной технологии являются - длина лавы, изменяющаяся от 18 до 50 м, скорость подвигания очистного забоя от 8 до 16 м/сутки и нагрузка на очистной забой от 800 до 1500 т/сутки.

8. Определена технико-экономическая эффективность предложенной технологии применительно к условиям шахты «Халам», месторождения Куангнинь.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Фунг Мань Дак и Нгуен Ань Туан - Некоторые результаты применения технологической схемы бесцеликовой выемки угля, Горные научно-технические сообщения - Ханой 1993, Ханойский научно-исследовательский институт горного дела - №1/1993.

2. Нинь Куанг Тхань и Нгуен Ань Туан - Применения систем разработки с короткими забоями на угольных шахтах, Горные научно-технические сообщения - Ханой 1994, Ханойский научно-исследовательский институт горного дела - №2/1994.

3. Нинь Куанг Тхань и Нгуен Ань Туан - Системы разработки с короткими забоями за рубежом и опыты применения систем разработки с короткими забоями на угольных шахтах СРВ, Горные на-

учно-технические сообщения - Ханой 1995, Ханойский научно-исследовательский институт горного дела - №1/1995.

4. В.Г. Виткалов и Нгуен Ань Туан - Интегральная технология отработки угольных пластов с углами падения до 25° в сложных горно-геологических условиях, Горный информационно-аналитический бюллетень - Москва 1997, Московский государственный горный университет, выпуск 4.

5. В.Г. Виткалов и Нгуен Ань Туан - Технологические схемы выемки угля короткими лавами с разворотом механизированного комплекса, Горный информационно-аналитический бюллетень - Москва 1998, Московский государственный горный университет, выпуск 4.

¿у.

$ А

с/ V,,/ г.-"'

Государственный комитет Российской федерации

по высшему образованию Московский государственный горный университет

На правах рукописи УДК 622.272 + 622.268.1.001.2.

НГУЕН АНЬ ТУ АН

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ И ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ "КУАНГ НИНЬ" СРВ

Специальность 05.15.02 - «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доцент, кандидат технических наук, В. Г. ВИТКАЛОВ.

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДО- 7 ВАНИЯ.

I-1 • Современное состояние и перспективы развития добычи

угля на шахтах месторождения Куангнинь. 7

1.2. Краткий анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки угольных пластов на шахтах месторождения Куангнинь - СРВ. 13 1-3. Анализ технологий подземной разработки угля, принимаемых на шахтах СРВ. 20 1-4. Цель, задачи и методы исследования. 30 Выводы. 33

П. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОДГОТОВКИ И 35 ОТРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В УСЛОВИЯХ МЕСТОРОЖДЕНИЯ КУАНГНИНЬ. ПЛ. Обзор и критический анализ технологии подземной разработки угля, короткими механизированными лавами, принимаемых за рубежом. 3 5

П.2. Анализ исследований по развороту механизированных комплексов. 45 П.З. Обоснование схем подготовки пологих и наклонных пластов в условиях месторождения Куангнинь. 54 П.4. Анализ средств механизации очистных работ для отработки пологих и наклонных пластов. 57 П.5. Обоснование эффективности использования коротколав-ных комплексов для отработки угольных пластов на шахтах СРВ. 62 Выводы. 73

III. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОЛАВНОЙ ТЕХНОЛО- 75 ГИИ И СПОСОБОВ ПОДДЕРЖАНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

Ш.1. Разработка вариантов технологических схем выемки угля, для отработки пологих и наклонных пластов, на шахтах бассейна Куангнинь. 75

Ш.2. Способы охраны и поддержания подготовительных выработок в зоне влияния очистных работ. 90

Ш.З. Характеристика объекта и результаты шахтных экспериментальных исследований по проявлению горного давления в подготовительных горных выработках при ведении

Ш.4. Расчет зон предельно-напряженного состояния массива вокруг повторно используемой выработки методом конеч-

IV. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОЛИЧЕСТВЕННЫХ 113 ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОЛАВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТНЫХ РАБОТ.

IV. 1. Разработка аналитической модели по исследованию влияния скорости подвигания очистного забоя на несущую способность крепи. 113

IV.2. Разработка программного модуля по определению параметров крепи подготовительной выработки сохраняемой для повторного использования. 119

IV.3. Экономико-математическая модель для исследования и выбора параметров коротколавной технологии при отработки выемочных блоков с разворотом комплекса. 127 Выводы. 136

V. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОРОТКОЛАВНОЙ ТЕХНОЛО- 137 ГИИ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

V.l. Технико-экономическая эффективность коротколавной технологии. 137

V.2. Рекомендации по установлению области эффективного применения коротколавной технологии с разворотом комплекса. 142 Выводы. 146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 147

ЛИТЕРАТУРА. 149 ПРИЛОЖЕНИЕ.

Приложение 1. 156

Приложение 2. 163

очистных работ.

ных элементов. Выводы.

102 111

ВВЕДЕНИЕ

В основных направлениях экономического и социального развития СРВ на 1996 - 2000 гг., перед угольной промышленностью страны поставлены задачи дальнейшего развития подземной добычи угля, повышения производительности труда, безопасности работ и улучшения условий труда шахтеров [61, 63].

Государственным пятилетним планом развития народного хозяйства СРВ на 1996 - 2000 гг. намечено довести добычу угля в 2000г. до 10 млн. т. Эта цель будет достигнута как за счет строительства новых и реконструкции действующих шахт, так и дальнейшей концентрации и интенсификации угледобычи на горных предприятиях. Значительное улучшение показателей работы действующих шахт будет достигнуть за счет их дальнейшего перевооружения на основе комплексной механизации, внедрения новой техники и технологии.

Темпы роста нагрузки на лаву и особенно на комплексно-механизированные забои за последние годы не растут. Так, на шахтах месторождения Куангнинь нагрузка на механизированный комплекс за период 1990 - 1995 гг. (на пластах с углами падения до 35°) находилась в пределах 130 - 160 т/смену. Кроме того, на действующих шахтах параметры выемочных полей в большинстве случаев не отвечают современным требованиям высокоэффективного использования механизированных комплексов, из-за необходимости отработки большого количества коротких столбов, а простои комплексов в монтаже-демонтаже достигают в ряде случаев 30 - 35 % от срока их службы. В 1995 г. средняя длина выемочного блока по простиранию на шахтах бассейна Куангнинь находится в пределах 150 - 250 м. В результате этого объемы работ по перемонтажу комплексов растут, что приводит к снижению эффективности их использования. Современная технология и техника отработки пологих и наклонных пластов средней мощности позволяют значительно повысить эффективность производства, но они сильно зависят от негативных проявлений природных факторов. По данным Ханойского института горной науки и технологии (ХИГНИТ) горногеологические условия месторождения Куангнинь характеризуются мульдообразным залеганием пластов, наличием пликативных нарушений, часто встречается расщепление, выклинивание и утонение пластов, а на ряде месторождений распространены тектонические нарушения - 10-20 нарушений с амплитудой от 1,0 до 5,0 м на 1 км2 площади.

На основе анализа средств комплексной механизации, применяемых на шахтах России, можно сделать вывод, что применение на шахтах СРВ технологии и механизации в чистом виде вызывает большие сомнения, из-за весьма сложных горно-геологических условий.

Известны два решения, позволяющих повысить эффективность использования комплексов.

Первый из них заключается в совершенствовании технологии монтажно-демонтажных работ с целью уменьшения продолжительности перемонтажей комплексов. Однако недостатками этого пути являются неустранимые простои дорогостоящего оборудования очистного забоя (даже в благоприятных условиях продолжительность перемонтажей составляет 30 - 40 суток) и связанный с этим ущерб от недополучения добычи, а также неизбежное наличие периодов развития и затухания добычи в начальный и заключительный период отработки выемочного столба, когда нагрузка на лаву значительно снижается.

Проведенный нами анализ горно-геологических и горнотехнических условий на действующих шахтах и анализ института горного дела ХИГНИТ показывают, что количество участков с благоприятными горно-геологическими условиями будет сокращаться в связи с переходом горных работ ниже уровня штольневого горизонта. Следовательно, уменьшение объема монтажно-демонтажных работ является актуальной проблемой, от решения которой зависит сама идея применения мобильных коротколавных средств комплексной механизации и не менее важная сторона, - это цена 1 т угля при переходе к рыночным условиям хозяйствования.

Более реальным на наш взгляд является второй путь, основанный на разработке новых коротколавных технологических схем подготовки и отработки частей шахтного поля, позволяющей свести к минимуму количество перемотажей мехкомплексов. Это становится реальным при отработке частей шахтного поля с разворотом коротких лав. Поэтому разработка и внедрение новых коротколавных технологий добычи угля, позволяющих вести комплексно-механизированную отработку угольных пластов в месторождении Куангнинь, является актуальной задачей.

В связи с выше изложенным целью работы является установление зависимостей характеристик геомеханических процессов в горном массиве от комплекса природных и производственно-технических факторов для обоснования параметров технологии

подготовки и отработки угольных пластов, обеспечивающих повышение технического уровня шахт СРВ.

Основная идея работы заключается в комплексном использовании параметров коротколавной технологии с учетом влияния горно-геологических и производственно-технических факторов.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

- комбинированная технология подготовки и отработки выемочных блоков ограниченных размеров и сложной конфигурации обеспечивает повышение технического уровня шахт СРВ без значительных капитальных вложений на освоение месторождения;

- реализация коротколавных технологических схем эффективной и безопасной отработки запасов угольных пластов способствует повышению гибкости комбинированной технологии в плане применения мобильных средств комплексной механизации с разворотом их на флангах;

- расчет рациональных параметров технологии подготовки и отработки угольных пластов отличается учетом взаимосвязей их нагрузки на забой с факторами, определяющими горнотехнические условия производства, характерные для шахт месторождения "Куангнинь", и предусматривает корректировку скорости подвигания очистного забоя, согласованную по фактору безопасного крепления рабочего пространства мехкрепями;

- Математическая модель для исследования и выбора рациональных технологических параметров коротколавной технологии отличающиеся учетом влияния геомеханических характеристик массива.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказаны:

- представительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате шахтных исследований необходимых для объективной оценки деформации контура выработки в конкретных горно-геологических условиях. Эксперименты проводились в выработках шести выемочных участков в течение всего срока отработки их запасов на шахтах Вангзань, Танлап, Хечам, Халам и Маохе;

- удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований с экспериментально полученными смещениями породного массива (расхождение не более 8-10 %).

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимости скорости подвигания очистного забоя от длины лавы, времени отработки выемочного столба от смещения пород кровли и обосновании на этой основе технологических параметров отработки выемочного блока короткими лавами с разворотом мехкомплекса.

Практическая ценность работы состоит в разработке комбинированной технологии отработки выемочных блоков с формированием подготовительных выработок вслед за подвиганием очистного забоя и разворотом мехкомплекса на флангах, обеспечивающей эффективность использования коротколавных комплексов и позволяющей без дополнительных капитальных вложений вовлечь в эксплуатацию участки сложной конфигурации, тем самым увеличить промышленный потенциал шахт и полноту извлечения угольных запасов, что повысит технико-экономическую эффективность эксплуатации угольного месторождения Куангнинь.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на техническом совете Ханойского научно-исследовательского института горного дела (г. Ханой, 1993 - 1995 гг.), семинарах научных симпозиумов «Неделя горняка - 97 и 98), научном семинаре кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, 1998).

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором опубликовано 5 научных работ.

Автор выражает глубокую благодарность руководителю доц., к.т.н. В.Г. Виткалову и коллективу кафедры «Технологии, механизации и организации подземной разработки угля» МГГУ за постоянную помощь и внимание к выполняемой работе.

ГЛАВАI

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Современное состояние и перспективы развития добычи угля на шахтах месторождения Куангнинь.

Горнодобывающая промышленность поставляет народному хозяйству страны топливо, руды металлов, удобрения и другие необходимые минералы. Большое значение для топливно-энергетического комплекса СРВ имеет добыча угля, преобладающая часть которого приходится на подземный способ.

Высокие темпы развития промышленности, транспорта, сельского хозяйства, подъем благосостояния народа, - обуславливает значительный рост потребности в топливе. За прошедшее десятилетия после окончания войны в СРВ введено в действие угледобывающих предприятий общей годовой мощностью около 6 млн. т. По перспективному плану развития угольной отрасти, годовую добычу угля в стране предусматривается довести до 10 млн. т в 2000 г.

С 1995 г. В СРВ изменены структуры государственного управления народным хозяйством страны. Угольная отрасль является одним из звенев министерства промышленности. Управление угольной отраслью осуществляется Вьетнамской генеральной угольной компанией (ВГУК), которая состоит из компаний, по добыче, по экспорту и импорту угля, по проектированию, а также научно-исследовательского института горного дела и профессиональных горных училищ. Структурная схема ВГУК приведена на рис. 1.1. Компании ведут добычу угля в месторождении Куангнинь, кроме компании Нойдиа, которая разрабатывает угольные медторождения в остальных частях страны.

Географическое распределение добычи угля в СРВ, определяется планомерным и рациональным развитием производительных сил отдельных экономических районов и всей страны в целом. Все большое значение приобретает разработка месторождений центральных районов страны, что связано в первую очередь с развитием в этих районах крупной промышленности и многих энергоёмких производств.

Угольные месторождения расположены преимущественно на Севере, Северо-востоке и в центральной части страны. Наиболее крупные из них Куангнинский, Фанмеский, Ханойский бассейны. На

Управляющие отделы

Генеральный директор

Технический совет

Производственные структуры

Исполнительные структуры

Г 1 1 г

компания Камфа компания Хонгай компания Уонгби компания Нойдиа компания Хетам компания ДЧи ХТХШ компания Куанг-нинь компания Донгбак

1 ' 1 г

Шахты, карьеры, обслуживающие предприятия и.т.д

компания по экспорту и импорту угля

компания горнохимического вещества

компания по проведению и проектированию шахт и карьер

научно-исследователь-ский институт горного дела

профессиональные горные училища

Рис. 1.1. Структурная схема вьетнамской генеральной угольной компании.

оо

рис. 1.2 иллюстрируется расположение угольных добывающих компаний в месторождении Куангнинь.

Рис. 1.2. Схема расположения угольных добывающих компаний в

месторождении Куангнинь.

Общие геологические запасы каменных углей и антрацитов СРВ оценены в 20 млрд. т, бурых углей - в 37 млрд. т. Балансовые запасы, оцененные до глубины -300 м от минимальной мощности угольных пластов 0,8 м, составляют 3.728 млн. т., из которых примерно 90 % сосредоточены в месторождении Куангнинь.

Современный период развития экономики страны характеризуется ускорением научно-технического прогресса и повышением эффективности производства на базе внедрения достижейий науки и техники.

Дальнейшая интенсификация основных подземных производственных процессов и на этой основе улучшения технико-экономических показателей работы компаний, связано с вовлечением в эксплуатацию месторождений и угольных пластов со сложными горно-геологическими условиями.

К наиболее благоприятным условиям по газовому фактору следует отнести разработку месторождения Куангнинь, все шахты данного месторождения отнесены к 1ой категории по относительной метанообильности.

В месторождениях Фанме, Назыонг и Хебо, разработка угольных пластов ведется при относительной метанообильности шахты

о

более 15 м /т.

Потребность в угле на современном этапе развития народного хозяйства республики Вьетнам постоянно возрастает. Угольная промышленность обеспечивает углем для коксования бурно развивающуюся тяжелую и легкую промышленность. Значительный спрос на уголь представляют коммунальные хозяйства и бытовые потребители города и села. В возрастающих масштабах используют уголь в качестве сырья химической промышленности.

В табл. 1.1 приведены данные по использованию и перспективной потребности различных отраслей промышленности республики Вьетнам в угле, по годам, по данным ВГУК министерства промышленности СРВ.

В перспективе уголь останется одним из ведущих топливных ресурсов страны, а к концу XX столетия абсолютные размеры его добычи достигнуть 10 млн.т в год. В табл. 1.2 приведена плановая добыча угля на период с 1996 по 2000 гг. угольными компаниями СРВ по данным ВГУК [63].

Не смотря на постоянное увеличение добычи угля, потребность народного хозяйства в топливе и технологическо