автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обеспечение устойчивого и безопасного функционирования технологических систем угольных шахт

' 7 ' > ' -Л V' ^ Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Московский государственный горный университет

На правах рукописи ДИКОЛЕНКО Евгений Яковлевич

УДК 622.272

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОГО И БЕЗОПАСНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» Специальность 05.26.04—«Промышленная безопасность»

_ Д и с сертация____

на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

и- " " 19 г.. % рп а у Уо ..............

Москва 1998

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. СРЕБНЫЙ М. А., докт. техн. наук, проф. СТАРИКОВ А. В., докт. техн. наук, проф. ЗАХАРОВ Е. И.

Ведущая организация — Институт угля и углехимии СО РАН (г. Кемерово). , л

Зашита диссертации состоится « ^.1/. » ^ . 1998 г.

в УУ. час. на заседании диссертационного совета Д-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в^ виде научного доклада разослана

•М'» //

Ученый секретарь дис докт.

ов ю. н.

Общая характеристика работы

Диссертация, представленная в виде научного доклада, являет собой научное обобщение опубликованных в 1979— 1998 гг. работ автора по исследованию, разработке и реализации на шахтах СНГ прогрессивных технико-технологических решений, обеспечивающих надежную и безопасную отработку запасов уголь-ных месторождений в широком диапазоне горно-геологических условий.

Актуальность проблемы. Переход экономик стран СНГ на рельсы рыночных отношений предопределил необходимость коренных изменений в механизме функционирования секторов промышленных производств. В значительной мере эти изменения приходятся на долю угольной промышленности, в которой технический уровень производства, безопасность и экологично'сть разработки месторождений угля ранее практически напрямую зависели от степени государственной поддержки предприятий. Действовавшая в отрасли система экономических отношений отличалась целым рядом негативов и приводила к далеко не всегда обоснованной адресации инвестиций. Как правило, основным критерием эффективности работы угледобывающей отрасли многие годы являлись объемы производства при значительной абстрагированное™ от «цены» ошибок из-за несвоевременного технического перевооружения угледобывающих предприятий, необоснованных изменений в структуре шахтного фонда, игнорирования приоритетных направлений повышения уровней безопасности производства и полноты использования природных ресурсов.

В угольной промышленности России эти негативные процессы проявляются в виде ежегодного снижения добычи угля, отставания от высокоразвитых угледобывающих стран в 1,8...4 раза по уровню производительности труда, а по уровню нагрузки на очистной забой — в 2...5 раз.

Низкий уровень инженерных решений и обеспечения безопасности работ особенно в условиях высокого метановыделе-пия и пылеобразования, неудовлетворительный оперативный

контроль за соблюдением пылегазового режима во многом являют собой причины крупных аварий, приводящих к травматизму со смертельным исходом и выводу из строя шахт на продолжительное время.

Программой реструктуризации угольной промышленности России определены стратегические направления вывода отрасли из кризисного положения. Так, в производственной сфере намечается, в частности, отказ от разработки особо неблагоприятных угольных пластов, снижение издержек производства, строительство высокоэффективных угледобывающих предприятий, улучшение потребительских свойств угольной продукции, реализуемой на рынке при наличии должной ее конкурентоспособности. В то же время эти меры государственного масштаба получат свою практическую реализацию на перспективных и стабильных шахтах при оптимальном планировании развития горных работ, поддержании требуемого уровня технической оснащенности производства, рациональном согласовании функциональных звеньев технологической системы шахты по их пропускной способности, локализации негативных проявлений геомеханических факторов в направлении обеспечения ритмичной работы предприятия и должного уровня охраны труда производственного персонала.

Таким образом, заключая вышеизложенное, можно утверждать о достаточной актуальности научных исследований, направленных на обоснование комплекса решений, обеспечивающих устойчивое и безопасное функционирование технологических систем угольных шахт.

Целью диссертации является выявление закономерностей функционирования элементов технологической системы шахты в различных горно-геологических, производственно-технических и организационных условиях для объективной выработки комплекса решений, обеспечивающих надежное и безопасное ведение подземных горных работ.

Основная идея работы заключается в реализации проблемно-ориентированного подхода к поэлементному снижению 'производственного риска в технологической системе угольной шахты в направлении вывода ее на режимы устойчивого и безопасного функционирования.

Методы исследований. За основу был принят комплекс методов исследований, включающий методы анализа и научного обобщения передового производственного опыта, технологическое моделирование, методы математической статистики и теории вероятностей, корреляционный и регрессионный анализ, аналитические, лабораторные и натурные исследования с использованием апробированных и специально разработанных автором методик.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Потребность горного производства в постоянном инженерном сопровождении и формировании системы надежного прогнозирования перспектив устойчивого его развития определяет собой проблемное поле оптимального проектирования угольных шахт [3, 4, 29, 30].

2. Реализация эффективной технологии тампонажных работ при сооружении капитальных горных выработок в обводненных породах и надежный оперативный контроль за их состоянием с использованием выявленных закономерностей формирования изоляционных завес в интервалах физического воздействия на массив во многом обеспечивают устойчивое и безопасное функционирование технологических систем угледобывающих предприятий [16, 17, 19].

3. Эффективное и безопасное использование выработанного пространства шахт как в процессе добычи угля, так и в по-слеэксплуатанионном периоде при сохранении высокого технического уровня производства обеспечивается за счет объективного учета закономерностей деформирования горного массива как основы для выработки рациональных технических и технологических решений по управлению им и размещению пороты и других промышленных отходов в шахте ¡"10, 25, 27, 33].

4. Эффективность управления газовой обстановкой в шахте определяется величиной изменения природной метанонос-ности пласта и количеством каптируемого газа, находящихся в зависимости от технологии дегазации запасов угля, темпов подвигания очистных и подготовительных забоев, а также степенью склонности пластов к газодинамическим проявлениям [23,36].

5. Прогноз динамических явлений в массиве горных пород может быть осуществлен с использованием выявленной закономерности изменения выхода ртути в атмосферу, показывающей возрастание концентрации ртути в атмосфере в периоды формирования зон очагов динамических явлений [14, 15].

6. Концентрация вредностей (примесей) в потоке шахтного воздуха формируется под влиянием комплекса различного рода факторов, в первую очередь коррелирует с аэродинамическими параметрами потока (длина вихря, интенсивность турбулентности, продольная скорость потока, угол сдвига фазы движения частицы и среды) [20].

7. Пылевая обстановка в очистном забое во многом определяется рабочей скоростью подачи выемочной машины. С увеличением скорости подачи комбайна запыленность воздуха р лаве снижается, что в первую очередь вызвано интенсификацией развития трешиноватости угольного массива различного влагосодержания, пористости и крепости впереди комбайна [13, 22, 24].

8. Эффективность гидродинамического воздействия на массив горных пород с целью заблаговременного снижения пыле-образования определяется условиями контакта зонально перемещающихся гидравлических полей. При взаимодействии однородных по свойствам зон воздействия момент их смыкания фиксируется равенством коэффициентов приемистости смежных активных и пассивных зон нагнетания рабочей жидкости [12, 18, 21, 26].

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и геофизических исследований в производственных условиях предложенного способа контроля за целостностью там-ио-нажных завес в процессе их формирования вокруг проводимой горной выработки (расхождение 8...15'%);

экспериментальным подтверждением возможности формирования однородных по свойствам горных пород зон физических полей и площади участков угольных месторождений при гидродинамическом воздействии на массив, обеспечивающем эффективную и безопасную отработку запасов высокогазоносных, выбросо- и пожароопасных пластов, а также перевод их в категорию пониженной пыльности;

положительным опытом внедрения предложенных технических и технологических решений по обеспечению устойчивых и безопасных режимов ведения подготовительных, очистных и транспортных работ на шахтах Донецкого и Львовско-Во-лынского бассейнов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

предложены методические принципы оптимального проектирования угольных шахт, предусматривающие возможность учета изменений технического прогресса и экономических отношений в отрасли при сохранении должной совместимости элементов структур технологических систем [3, 4, 29, 30];

обоснованы технические и технологические решения по эффективному и безопасному использованию подземного пространства шахт как в процессе добычи угля, так и после такового [10, 27, 31];

разработаны методические принципы и способ контроля за качеством формирования тампонажных завес вокруг капитальных горных выработок, проводимых в обводненных породах [16, 17, 19];

выдвинута и физически обоснована гипотеза о возможности использования геохимического подхода к прогнозу газодинамических явлений ® горных выработках на основе оценки ртутоносности угольных пластов [14, 15];

аналитически описан процесс формирования концентрации вредных примесей в воздушном потоке в зависимости от соот-

ношений плотностей вредностей и среды, удельной энергии входа вредностей в поток, вязкости среды, числа Шмидта и размеров частиц [20];

обоснованы условия проветривания очистных забоев и забоев тупиковых и спаренных горных выработок при их проведении на газоносных угольных пластах, а также технологические решения по устранению газового барьера [23, 36, 38];

выявлена закономерность изменения запыленности воздуха в лаве в зависимости от рабочей скорости подачи комбайна, конструктивных особенностей его исполнительного органа и состояния угольного массива в зонах гидродинамического воздействия на пласт [13, 22];

обоснован способ контроля за смыканием между смежными скважинами зон гидрообработки угольного пласта с целью заблаговременного снижения пылеобразования [18, 21, 26].

Значение работы. Научное значение диссертации состоит в выявлении закономерностей устойчивого и безопасного функционирования элементов технологических систем шахт для обоснования прогрессивных решений, минимизирующих негативные проявления природных, производственно-технических и организационных факторов.

Практическое значение работы:

предложены прогрессивные технологические схемы интенсивной подготовки и отработки запасов маломощных угольных пластов, позволяющие повысить производительность и безопасность труда подземных рабочих [1, 2, 5, 6, 7];

разработаны и рекомендованы программы технического перевооружения шахт Львовско-Волынского бассейна в направлении обеспечения устойчивого и безопасного ведения горных работ в рамках производственных комплексов угледобывающих предприятий {8, 9];

предложена прогрессивная технологическая схема возведения околоштрековой бутовой полосы с устранением ручного труда, позволяющая существенно снизить выход породы из шахты и обеспечить безопасную и надежную охрану подготовительной выработки [10, 31];

разработан и реализован способ оперативного контроля за качеством тампонажных работ при проведении капитальных горных выработок в обводненных породах, обеспечивающий надежную и безопасную эксплуатацию их в течение всего срока службы [16, 17, 19];

предложены рекомендации по управлению газовыделением в выработки, обеспечивающие повышение уровней безопасности горных работ [23, 32, 36, 38];

разработаны технологические решения по улучшению пылевой обстановки при ведении горных работ на угольных шахтах [ 13, 22, 24, 26];

предложены решения по рационализации процесса гидродинамического воздействия на угольные пласты с целью заблаговременного снижения пылеобразования и способ контроля качества гидрообработки массива через наземные скважины [11, 12, 18, 22, 24, 26, 34, 35];

разработаны требования к переносным приборам нового поколения для контроля состава рудничной атмосферы [37].

Реализация работы. Технологические схемы транспорта угля с осредняющими емкостями внедрены на шахтах «Заря» и «Объединенная» ПО «Торезантрацит».

Разработаны и внедрены рекомендации по совершенствованию вентиляционной системы шахты «Объединенная».

Перевод шахт ПО «Торезантрацит» по предложению автора на отработку запасов выемочных полей по столбовым системам позволил более чем в 2 раза уменьшить число подготавливаемых горизонтов, на 25% снизить затраты на строительство горизонтов, а удельное проведение горных выработок довести с 13,7 до 12 м на 1000 т добычи угля.

Разработаны и эффективно внедрены комплексные программы технического перевооружения шахт ПО «Укрзапад-уголь».

Разработанный при непосредственном участии автора способ оперативного контроля за качеством формирования там-понажных завес успешно прошел промышленную проверку при сооружении стволов шахт «Вергелевская» ПО «Стаха-новуголь», «Краснокутская» ПО «Донбассантраиит» и АООТ «Шахта «Обуховская».

Промышленная проверка на шахте им. Скочинского ПО «Донецкуголь» подтвердила работоспособность и эффективность способа контроля за смыканием зон гидрообработки угольных пластов.

Методические рекомендации по оптимальному проектированию угольных шахт приняты к использованию институтом «Центрогипрошахт» и в учебном процессе Московского государственного горного университета.

Предложения автора по эффективному регулированию азрО'Пьтлегазовых режимов шахт получили реализацию в «Правилах безопасности в угольных шахтах», а также в «Типовом положении о системе управления охраной труда на предприятиях по добыче и переработке угля».

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на VI съезде НТО Горное (Москва, 1979), Международном симпозиуме «Интергаз-95» (Алабама, 1995), Междуна-

родном симпозиуме «Применение компьютеров в горной промышленности», АРСОМ (Лондон, 1998), Международном симпозиуме по охране окружающей среды и захоронению отходов в энергетической и горной промышленности «5ШЕ'МР'98» (Анкара, 1998), научно-технической конференции «Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках» (Варна, 1998), Научном симпозиуме в рамках «Недели Горняка — 98» (Москва, 1998), на научно-технических совещаниях по выполнению комплексных программ «Недра России», «Уголь России» (Москва, 1992—1994), научно-технических совещаниях в Госгортехнадзоре РФ (Москва, 1993— 1997), научно-технических советах ПО «Торезантрацит» (Торез, 1979—1983), научно-технических советах ПО «Укрзапад-уголь» (Сокаль, 1984—1987), объединенном научном семинаре кафедр ТПУ и АОТ Московского государственного горного университета (Москва, 1998).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 38 опубликованных работах, в том числе 9 монографиях, 1 брошюре, 27 научных статьях, 1 авторском свидетельстве на изобретение.

Краткое содержание опубликованных работ

1. Обоснование рациональных технологических решений при проектировании угольных шахт [3, 4, 29, 30].

Опыт реализации проектных решений показывает, что существенные просчеты, допускаемые при проектировании, негативно сказываются на устойчивости, эффективности и безопасности функционирования технологических систем шахт. Во многом эти просчеты являются следствием идеализации природных ус�