автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Экспериментально-аналитическое исследование и совершенствование технологии выемки крутых тонких пластообразных залежей графита в месторождении Богала (Шри-Ланка)

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская академия наук Институт горного дела им. А.А.Скочинского

На правах рукописи

МАНИККУ ВАДУ РАНДЖИТ ПРЕМАВАНСА

УДК 622.232.063:622.831.325

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫЕМКИ КРУТЫХ ТОНКИХ ПЛАСТООБРАЗНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ГРАФИТА В МЕСТОРОЖДЕНИИ БОГАЛА (ШРИ-ЛАНКА)

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов.

Научный руководитель -

профессор, канд.техн.наук ИЛ.Машковцев

Официальные оппоненты:

проф., докт.техн.наук В.И.Ильин, докт.техн.наук А.С.Диманштейн.

Ведущее предприятие - шахта Богала (графитовое месторождение Богала, Шри-Ланка).

Автореферат разослан " X// 1993 г.

Защита диссертации состоится ■■ЛУ" /// 1993 г. в ч

на заседании специализированного совета К135.05.03 ИГД им. А.А.Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета дохт.техн.наук

И.Г.Ищук

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Подземная разработка графитовых месторождений в Шри-Ланка - одна из ведущих отраслей народного хозяйства страны, приносящая значительный доход при продаже г?о,Т::та (до 95% от объема добычи) иностранным государствам (СНА, ¿ракг.нл, Япония и другие страны).

Графит в месторождении Богала находится в виде тонких крутых (падение 70-90°) пластообразных залежей мощностью от 0,2 до 1,1 м. Окружающие породы залежей - крепкие кварциты п гран::то-гнейсы, однако в непосредственной кровле (около 0,3 и) залетает графитизированный гкейс со слабым контактом с другими порода?.-::, что отражается на устойчивости выработок, особенно при утолщен:::: залеж.

На шахте Богала графит добывается горизонтальными слоями в восходящем порядке и с полной закладкой выработанного пространства нижележащего слоя пустыми породами, отбиваемыми в забое-присечке. Пол-е размером 40x50 м имеет на границах два гезенка. Добыча характеризуется высокой трудоемкостью отделения (отбойными молотками) и доставки (в тачках) графита. Неэффективно т шахте проветривание из-за больших утечек воздуха через выработанное пространство, а также низка безопасность работ.

Устранение указанных недостатков определило актуальность исследования, которое направлено на выбор способа совершенствования технологии и установление ее параметров.

Исследуемое предложение по совершенствованию технолог:::: предусматривает отработку выемочного (или шахтного) поля по простиранию, а движение забоя-присечки по восстанию такне с оставлением пустых пород в выработанном пространстве. При этом создаются благоприятные условия для механизированного отделения графита, эффективного поддержания забоя-присечки при утолщениях залежи и проветривания участка возвратноточной струек воздуха через массив. Графит на откаточный штрек, а породы в закладочную печь поступают самотеком.

При разработке технологии необходимо исследовать и выбрать стбойньй механизм, раскрыть закономерности проявлений горного давления при изменениях мощности залежи, определить способ поддержания боковых пород, параметры технологии в целом и народнохозяйственный экономический эффект.

Работа выполнялась автором целенаправленно в соответствии с планом кафедры горного дела Российского университета дружбы народов (РУДН) по темам 134015 "Научные основы прогнозирования проявлений горного давления" (тос. регистрация ls0I.86.008 4355), 21/90 "Способ выемки графита" (гос. регистрация № 9200745С).

Целы, исследования является научное обоснование предлагаемого способа выемки крутой тонкой пластообразной залежи графита с движением забоя-присечки по восстанию и отработкой поля по простиранию в условиях месторождения Богала (Шри-Ланка).

"дея -работы - установить физико-механические свойства пород к закономерности проявлений горного давления, на основе которых определить параметры, подготовки и технологии очистных работ при выемке крутой тонкой пластообразной залежи в условиях месторождения Богала (Шри-Ланка).

Методы исследования - обобщение и анализ особенностей горногеологических условий и опыта разработки залежей графита, экспериментальные наблюдения, аналитические и технико-экономические расчеты.

Основные научные положения, выносимые на защиту: рост давления пород висячего бока на крепь забоя-присечки до максимального значения (около 1,35 /Н) при утолщении залежи и возможном вывалообразовании;

формирование нагрузки на ограждение транспортно-ходовой печи со стороны заложенных в выработанном пространстве пород и ее максимального значения около 0,4 МПа при наклоне линии забоев-присечек к горизонту, равном 75°.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые: раскрыта закономерность изменения бокового давления пород на крепь забоя-присечки и опорного давления, согласно которой первое растет, а второе падает при выемке утолщенной залежи, что указывает на наличие разгрузки пород от напряжений и постепенного опускания кровли над выработанным пространством;

установлена зависимость ме:кду скорость::- ксдвкган;:ь забсл-прксечки и боковым давлением пород, в результате чою по аномальному давлению определена рациональная скорость подвигатя;

на основе гранулометрического состава определена зависимость заданной (для потребителя) сортности графита от параметров его резания кольцевым баром.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и аналитических исследований (расхождение 1015$); представительным объемом выполненных совместно с ИГД имени А.А.Скочинского исследований физико-механических свойств графита и пород месторождения, давления боковых пород на забой-прп-сечку на блочно-лазерном стенде РУДН и нагрузки на ограждение транспортно-ходовой печи на стенде ИПКОН РАН; уточнением напря-женнс-деформированного состояния пород (ДКСП) методом конечных элементов с применением ЭВМ; положительным решением о внедрении предлагаемой технологии на шахте Богала (Шри-Ланка).

Практическая ценность работы заключается в рекомендации научно обоснованной технологии выемки тонкой крутой пластообраз-ной залежи графита в забое-присечке, . двигающемся по восстанию. Предлагаемая технология предусматривает механизированное отделение графита с заданной сортностью, установку распорной крепи, обеспечение самотечной доставки отбитого графита и пустых пород, ограждение транспортно-ходовой печи со стороны заложенных пород с использованием местного материала Cocoi, осуществление воз-вратноточного проветривания через массив. Параметрами подготовки и технологии очистных работ являются длина линии забоев-при-сечек - 60 м, этажа (выемочного поля) - 400 м, сечения транспортно-ходовой и вентиляционно-закладочной печей - 1,0x1,2 м, величина среза графита кольцевым баром - 20 мм и расстояние между линиями среза - 60 мм, скорость подвигания забоя-присечки -5,0-5,2 м/сут, сопротивление стоек крепи забоя-присечки - 550 кН, число рядов в ограждении выработанного пространства - 2 о установкой распорной однорядной перемычки.

Реализация результатов работы. Требования к предлагаемой технологии приняты менеджером шахты Богала (Шри-Ланка) и направлены в Проектное управление в г.Коломбо для осуществления первого этапа работ по внедрению технологии, имеется договор о взаимодействии между шахтой и ИГД им.А.А.Скочинского при внедрении технологии; расчетный народно-хозяйственный экономический эффект при внедрении составит на один участок I млн.рупий в год.

ь

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные по-ло"етая диссертации докладывались на ХХ1У-ХХ1Х научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава инженерного факультета Российского университета дружбы народов (г. Москва, 1988-1993 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано шесть печатных работ и получено положительное решение на изобретение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

К особенности разработки графита в месторождении Богала относится наличие вывалообразования при изменении мощности залежи и соответствующем расположении при этом в забое-присечке графи-тизированных гнейсов кровли. При существующей технологии затрудняется борьба с вывалами вдоль слоевого штрека и повышается трудоемкость работ по доставке иле уборке породы при утолщении или утэненш: ззле;ки.

При отделении графита отбойными молотками получаются куски различно"; крупности, поэтому на поверхности графит дробится до размеров, необходимых заказчикам. Эти работы также характеризуются болызими трудовыми затратами.

Предложение по технологии автором было сделано после анализа практики разработки графита и крутых угольных пластов.Была установлена возможность сохранить принципиальные положения применяемого способа, т.е. выемку с присечкой боковых пород и оставлением их в выработанном пространстве, но перейти на отработку поля по простиранию по типу "лава-этаж" длинными столбами. Выемка, как и ка вахте Богала, зедется в забое-присечке, который, однако, движется по восстанию, причем полосы графита и пустой породы каждый раз вынимаются от откаточного л вентиляционному штрекам. Трэнспортно-ходозая печь создается за забоем-присечкой, а вентиляцпокно-закладочной печью является транспортно-ходовая печь от предыдущей полосы (рпс.1).

Как видно на рис. I, графит после отбойки попадает в грузовое отделение транспортно-ходэвой печи и под собственной массой опускается о: киточкий штрек. Отбитая пустая порода направляется в за/чт:.-) .гуь часть вонтиляшюнко-закладочной печи также самотеком.

А\/

по. I. Предложение по технологии выемки крутог тонко:! штстообразной зале?и графита:

л - план участка; б - узел Л (верхняя площадка опутчсна}; г - сечение 1-1; г - вид по П, только к'оепь; д - вид по 111; I - кольцевой бар; 2 - полок; 3 - вощиляиионная печь; 4 - бункер;5 - верхняя плоаадка; 0 - механизированная коепь; 7-10 - сто!'кн креш,; ¡1-18 - нчгеклпдшш; 19 - нижняя плоцотл; 20 - скат; 21 - закладочная печь; 22 - тгзнспоитнач труба; к:' - телескопическая часть трубы; 24 - ограждение; 25 - транспортно-ходотч печь; - хвост сю/ канат потка

Согласно предлагаемой технологии выработанное пространство не находится под забоем-присечкой и поэтому нет опасности получения травм при падении людей в пустоты между кусками пород, как это случается на шахте. Несмотря на в целом устойчивые боковые породы при существующей технологии производится только полная закладка, а по предлагаемой технологии при недостатке породы (при утолщении залежи) может осуществляться частичная закладка.

Механизированное отделение графита производится с подвесного полка, перемещающегося вместе с отбойным механизмом в свободной части ьентиляционно-закладочной печи. Механизированная распорная крепь забоя-присечки передвигается также с помощью каната полка. Утечки воздуха сокращаются (до 5-10$) благодаря только переходу на воззратноточноэ провэтривание через массив.

На основе анализа рассмотренных ранее, другими авторами, вопросов (проведенных исследований), входящих в тему диссертации, были определены задачи и выполнены экспериментально-аналитические исследования, результаты которых заключаются в следующем.

С учетом установленных физико-механических свойств графита (крепости1 динамического модуля упругости, пределов прочности на сжатие п растяжение) выбран механизм его резания типа кольцевого бара, а с учетом зависимости заданной сортности (измельчен-ностк) от параметров резания определены толщина среза графита, равная 20 мм, и расстояние между линиями срезов (60 мм), обеспечиваемые при резании кольцевым баром. Оизико-механические свойства графита и механизм его отделения устанавливались совместно с ИГД им.А.А.Скочинского.

Давление боковых пород в забое-присечке и нагрузка обрушенных пустых пород на ограждение транспортно-ходовой печи определены методом физического моделирования на блочно-лазерноы стенде РУДН и стенде с переменным давлением ИПКОН РАН. Кроме того, на стенде РУДН устанавливалось и опорное давление впереди забоя-присечки. В масштабе 1:50 моделировались два варианта отработки залежи "На" (угол падения 75°) со средней мощностью 0,5 м - вариант I и с утолщением залежи (на 50-60^) - вариант П. В каждом варианте проверялись три скорости подвигания забоя-присечки по восстанию: существующая небольшая скорость и две скорости, которые вьез в 2 я 7 раз с учетом механизированного отделения графита.

Замеры смещения пород и конвергенции производились тензодат-чнка.мп, опорного давления - $отосопротпвлеи::ем после прохождения

луча лазера через напряженное фотоупругое основание, находящееся вдоль полосы, вынимаемой забоем-присечкой.

Я

®

Расстояние от забоя-присечкн, м

Рис. 2. Зависимость максимального опорного давления от расстояния

до забоя-прпсэчки:

I - при виемке без утолщения залет.и; 2 - то ~в с утолщением аалегя

Наблюдения показали, что давление боковых пород на крепь при утолщении залежи (вызванное вывалообразованием) обратно пропорционально опорному давлению впереди забоя-присечкп, т.е. если первое давление растет, то второе падает. Зто объясняется тем, что при вывалах давление на крепь боковых пород растет, так как до этого массив был устойчив. Опорное давление при утолщении залежи падает до 0,25-0,3 /'Н, так как вывалообраэозание приводит в целом к разгрузке пород от напряжений (рис. 2). При этом расстояние от забоя до максимума опорного давленая увеличилось с 0,1 до 3,1 м. Указанное опорное давление способствует укенызе-ккю сопротивления графита при резании,что очень вазио для обоснования способа механизации отделения полезного ископаемого.

Боковое давление при вывалообразовании растет при различных скоростях подвигания забоя-присечки. По минимальному значению давления выбрана рациональная скорость подвигания забоя-присечки, равная 5,0-5,2 мУсут, т.е. в семь раз больше существующей. При данной скорости подвигания забой-присечка выходит из зоны максимального давления. С учетом бокового давления определено и сопротивление крепи забоя-присечки.

Максимальная нагрузка обрушенных пород на ограждение печи составила 0,4 МПа, что позволило скорректировать конструкцию ограждения и перемычек внутри транспортно-ходовой печи.

Результаты экспериментальных исследований были подтверждены различными аналитическими расчетами, в том числе и с применением мзтода конечных элементов (МКЭ). Установленные закономерности проявлений горного давления и полученные значения нагрузки на ограждение выработанного пространства достоверны. Расхождение экспериментальных и аналитических данных не превышало 10-15$.

По результатам исследования составлены требования, необходп-' мне для внедрения на шахте предлагаемой автором технологии. Рекомендации касаются параметров подготовки шахтного поля, порядка отработки этажа и технологии очистных работ. Механизация работ в забое-присечке является комплексной, так как касается отделения графита, поддержания боковых пород и управления процессами доставки полезного ископаемого и пустых пород (см.рис.1). Кольцевой бар I с приводом находится на полке 2, подвешенном в вентиляционной печи 3. При отделении графита на шаг с опережением пустых пород на 5,2 м он падает в бункер 4, который прижат к верхней площадке 5. Механизированная металлическая крепь 6 типа костровой, устанавливаемая нормально к кровле и почве, имеет четыре стойки трения 7-10 и перекладины между ними 11-18. Крепь связана с бункером и нижней площадкой 19.

Пустая порода отделяется на такой же шаг с помощью БВР. При этом верхняя площадка вместе с бункером опускается, образуя наклонную плоскость 20 для направления породы в закладочную часть 21 вентиляционно-закладочной печи.

Графит самотеком спускается в откаточный штрек по транспортной трубе 22, верхняя часть которой 23 является телескопической для удобства прижатия верхней площадки к забою и ее опускания. Ограждение 24 транспортно-ходовой печи 25 сделано двухрядным из местного материала Сосог, имеющего достаточное сопротивление на разрыв. Для усиления ограждения в печи установлены однорядные

перемычки, подпирающие ограждение к обрушенные породы. Перемычка сделана также из материала Сосо5 и является однорядной.

Графит на один шаг вынимается в одну рабочую смену, пустая порода отбивается в другую смену, третья смена является монта^но-ремонтной по передвижке крепи, наращиванию трубы и ограждения.

Расчет народно-хозяйственного экономического эффекта сделан по методикам ИГД им.А.А.Скочинского, ЦНИЭИугля и РУДН. Существующий и предлагаемый способы выемки сравниваются только по отличающимся затратам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе анализа практики у. обобщения результатов проведенных комплексных экспериментально-аналитических исследований дано новое решение актуальной для государства Шри-Ланка научно-практической задачи обоснования подготовки и технологии очистных работ,, определения их параметров (включая технико-экономический эффект) при подземной добыче крутой тонкой пластообразной залежи графита в месторождении Еогала.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Усовершенствован способ выемки тонкой крутой пластообразной залежи графита с отделением его в забое-присечке по восстанию и при отработке поля по простиранию. В результате повышается устойчивость забоя-присечки при возможном вывалообразовакип пород, сокращается трудоемкость доставки отбитого графита и пустой породы за счет самотека, улучшается проветривание выработок в связи с сокращением утечек воздуха и повышается безопасносаь работ.

2. Предложен способ механизированного отделения залежи с помощью кольцевого бара, выбранный на основе установленных физико-механических свойств пород, причем для обеспечения заданно/ сортности полезного ископаемого расчетным путем определены глубина среза графита, равная 20 мм, и расстояние между линиям:: срезов - 60 мм.

3. Раскрыты закономерности проявлений горного давления со стороны боковых и обрушенных пород, Так, давление на крепь при вывалообразовании составляет 1,35/'Н, при этом сопротивление стоек крепи равно 550 кН и рациональная скорость подвиганпя забоя-присечки - 5,0-5,2 м/сут. Если давление на крепь повышается, то опорное давление впереди забоя-присечки в зоне резания гра-

фита падает из-за разгрузки пород от напряжений. Максимальная нагрузка отбитых пустых пород на ограждение равна 0,4 МПа. Это давление локализуется двухрядным ограждением из местного материала Cocos с распором его в боковые породы однорядными перемычкам;: транспортно-ходовой печи. Расхождение экспериментальных и аналитических данных не превысило 10-15$.

4. Научно обоснованное предложение по технологии принято к внедрению на шахте Богала; технико-экономическими расчетами -сказано, что народно-хозяйственный эффект при внедрении составит на один участок I млн.рупий в год, в том числе от снижения себестоимости - 240 тыс.рупий, уменьшения потерь графита -7 тыс.рупий, сокращения сроков отработки этажа (выемочного поля) - ISO тыс.рупий,повышения нагрузки на участок - 450тыс.рупий, сокращения трудоемкости работ по измельчению графита - 98 тыс. рупий, повышения качества графита и продажи его иностранным государствам - 15 тыс.рупий.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях автора.

1. Подземная разработка графитового месторождения в условиях пахты Богала (Шри-Ланка) // В сб.: "Вопросы разработки месторождений полезных ископаемых и подготовки специалистов применительно к условиям развивающихся стран J Ун-т дружбы народов. -ГЛ., 1968. - Деп. в ЦНИЭИуголь, Js 4720/24. - С.130-134.

2. К вопросу приложения к подземной добыче месторождения графита нетрадиционного способа добычи J J В сб.: "Совершенствование добычи полезных ископаемых и подготовки специалистов для развивающихся стран / Ун-т дружбы народов. - М., 1989. - Деп.

в ГШЭНуголь, 5014/3. - С. 12-16.

3. К вопросу устойчивости боковых пород в лаве и штреках очистного участка при выемке свиты угольных пластов Карагандинского бассейна с повторно используемыми выработками // В сб.: "Вопросы подготовки специалистов и исследования в области горного дела / Ун-т дружбы народов. - Ы., 1991. - Деп. в ЦНИЭИуголь, J3 5250/5. - С.35-38 (в соавторстве).

4. йизихо-ыеханические характеристики боковых пород месторождения графита в Шри-Ланка // В сб.: "Научные исследования в горном деле и языковая подготовка специалистов / Российский университет дружбы народов. - М., 1992. - Деп. в ЦНИЭИуголь,

6135/5. - С.23-26.

5. Разработка методики экспериментально-аналитических исследований технологии подземной добычи графита (очистные работы и проветривание) в Шри-Ланка. УУ В сб.: "Научные исследования в горном деле и языковая подготовка специалистов У Российски:1: университет дружбы народов. - И., 1992. - Деп. в ЦНИЭИуголь,

6135/6. - С.21-31.

6. Способ выемки графита из тонкой пластообразной залежи крутого падения и устройство для его осуществления. - Положительное решение на заявку й 007450 от 22.03.93 (в соавторстве).

7. Рациональные параметры отработки по простиранию гонкой крутой залежи графита с полной закладкой выработанного пространства (подготовка залежи, механизация отделения графита заданно" крупности, крепление забоя-присечки, ограждение транспортно-хо-довой и вентиляционно-закладочной печей) // В сб.: "Наука в подготовке горных инженеров из разных стран" У Российский университет дружбы народов. - М., 1993. - Деп. в ЦНИЭИуголь, .'.'7216/2.~ С.6-10.