автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование параметров крепления и поддержания выработок при отработке участков пологих угольных пластов короткими очистными забоями

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ КОРОТКИМИ ЗАБОЯМИ, СПОСОБОВ И СРЕДСТВ КРЕПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВЫРАБОТОК.

1.1. Общая характеристика и область применения систем разработки короткими очистными забоями.

1.2. Анализ технологических схем очистных работ камерами.

1.3. Анализ технологий камерно-столбовой системы разработки.

1.4. Анализ способов и средств крепления выработок при ведении очистных работ короткими забоями.

1.4.1. Общее состояние вопроса.

1.4.2. Краткий анализ анкерных крепей, применяемых на шахтах Кузбасса.

1.4.3. Стационарно-передвижные гидрофицированные крепи.

1.4.4. Передвижные крепи коротких забоев.

1.5. Краткий анализ методов расчета и обоснования параметров систем разработки.

1.6. Цель, идея и задачи исследований.

1.7. Выводы по главе 1.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В ВЫРАБОТКАХ, ЗАКРЕПЛЕННЫХ АНКЕРНОЙ КРЕПЬЮ.

2.1. Цель и задачи исследований.

2.2. Объекты экспериментальных исследований.

2.2.1. Характеристика экспериментального участка.

2.2.2. Схемы крепления горных выработок.

2.3. Методика проведения экспериментальных исследований.

2.4. Результаты исследований проявлений горного давления.46 2.4.1. Результаты экспериментальных исследований вне зоны влияния подготовительного забоя.

2.4.2. Результаты экспериментальных исследований в зоне влияния подготовительного забоя.

2.5. Выводы по главе 2.

3 . ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЯВЛЕНИЙ' ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ

КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК КРЕПЬЮ КШУ.

3.1. Цель исследований.

3.2. Конструкция и техническая характеристика крепи КШУ.

3.3. Технология монтажа-демонтажа секций крепи в выработках.

3.4. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4.1. Объекты и задачи исследований.

3.4.2. Горно-геологическая и горнотехническая характеристика участка проведения экспериментальных исследований.

3.4.3. Измерительная аппаратура и порядок проведения исследований.

3.5. Результаты исследований проявлений горного давления при взаимодействии крепи сохраняемой выработки с углепородным массивом.

3.6. Организация работ в выработке на участке установки крепи усиления КШУ.

3.7. Выводы по главе 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ОБОСНОВАНИЕ

КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ КСК ДЛЯ ВЫЕМКИ УГЛЯ КОРОТКИМИ ОЧИСТНЫМИ ЗАБОЯМИ.

4.1. Горнотехнические требования и условия применения.

4.2. Разработка метода расчета крепей коротких очистных забоев.

4.2.1. Математическая модель расчета.

4.2.2. Реализация математической модели на ПЭВМ.

4.2.3. Апробация математической модели расчета.

4.3. Методика исследования несущей способности крепи коротких очистных забоев при предельных нагружениях

4.4. Исследование несущей способности элементов проектируемой крепи КСК при предельных нагружениях.

4.4.1. Исследование несущей способности и обоснование конструктивных параметров перекрытия.

4.4.2. Исследование несущей способности и обоснование конструктивных параметров основания крепи КСК.

4.5. Конструкция и техническая характеристика крепи КСК.

4.6. Выводы по главе 4.

5.РАЗРАБОТКА И ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ КАМЕРНО-СТОЛБОВОЙ СИСТЕМЫ.

5.1.Принципиальные технологические схемы очистных работ.

5.2. Геомеханическое обоснование параметров системы разработки.

5.3. Варианты технологических схем на основе гидрофицированных крепей.

5.4. Выводы по главе 5.

В условиях становления рыночных отношений и реструктуризации работы угледобывающей отрасли особую важность приобретает решение вопросов, связанных с созданием новых или совершенствованием уже известных технологий разработки месторождений угля. При этом такие технологии должны обеспечивать в большинстве случаев совместное выполнение следующих требований: высокие технико-экономические показатели при минимальных затратах труда и материальных ресурсов; минимальные нарушения целостности подрабатываемых слоистых массивов и земной поверхности; селективная разработка месторождений с учетом энергетических, химических и физических характеристик углей и строения пластов в целях более эффективного использования полезного ископаемого в различных областях промышленности; отработка участков шахтных полей с ограниченными запасами угля при их доработке и выемка охранных целиков под природными, гражданскими и промышленными объектами.

Особого внимания заслуживает необходимость отработки оставляемых в недрах запасов в виде ограниченных участков и целиков различного назначения, вызывающих преждевременное сокращение сроков эксплуатации горизонтов или панелей и снижение эффективности капитальных и текущих вложений. Проведенными исследованиями установлено, что только на пяти шахтах ОАО "УК "Ленинскуголь" общий объем теряемых запасов оценивается почти в 20 млн т угля, что при условии его реализации при доработке могло бы привести при сегодняшнем среднем уровне цен к выручке более 2 млрд руб.

Оценка влияния пространственно-планировочных решений на эффективность использования ППО, проведенная автором [12,70], показывает: если оборудование работает с недоиспользованными параметрами, то наступает омертвение части капитала, что в рыноч6 ных условиях хозяйствования является недопустимым. Исследованиями было установлено, что применение длинных очистных забоев для отработки ограниченных запасов, участков со сложной гипсометрией и с геологическими нарушениями экономически неэффективно.

В этих условиях целесообразным является применение коротко-забойных технологий, отличающихся быстрым, не требующим высоких затрат, вводом в эксплуатацию, гибким реагированием на изменение горно-геологических условий, однотипностью, маневренностью и сравнительно низкими капитальными вложениями на подготовку очистного фронта и приобретение оборудования при высоких технико-экономических показателях эксплуатации. Кроме того, использование систем разработки короткими забоями дает возможность решения проблемы занятости высвобождающегося персонала в период переподготовки очистного фронта или в процессе ликвидации шахт.

В то же время недостаточный опыт применения данных технологий в России и практически полное отсутствие нормативной документации не позволяют произвести обоснованный выбор параметров технологических схем ведения подготовительных и очистных работ, где одной из главных задач является определение способов и средств крепления и поддержания выработок при снижении потерь угля в предохранительных целиках. Мировая практика угледобычи показывает, что высокие технико-экономические показатели при короткозабойных системах разработки достигаются, с точки зрения рассматриваемой проблемы, за счет применения универсальных средств крепления и поддержания как очистных, так и подготовительных выработок, на создание и опьггную эксплуатацию которых необходимо в настоящее время обратить особое внимание.

Немаловажное значение имеет и установление размеров очистных пространств и целиков; последние играют роль естественных опор, обеспечивающих восприятие основной части давления вышеле7 жащих пород, разгружая применяемые крепежные конструкции. Сложность задачи при этом объясняется необходимостью рассмотрения механизма взаимодействия геомеханической системы, включающей подрабатываемый слоистый массив горных пород, предохранительные целики угля и средства крепления и поддержания выработок при самых разнообразных схемах их расположения.

В связи со всем выше изложенным исследования, направленные на обоснование параметров крепления и поддержания выработок при системах разработки короткими забоями, являются актуальными.

Диссертационная работа подготовлена на основе обобщения результатов исследований, выполненных в рамках научно-технического проекта ЛЛ Разработать прогрессивные технологии и создать средства комплексной автоматизации выемки запасов угля на перспективных шахтах" отраслевой программы "Научно-техническое и проектное обеспечение реструктуризации угольной промышленности" (№ ГК 98-02-896). 8

Основные результаты исследований использованы при разработке Технических требований на крепь самодвижущуюся камерную КСК в АО "Подмосковный НИУИ", "Технологического проекта применения крепи КСК" при отработке ограниченных запасов камерно-столбовой системой в условиях ш. Октябрьская Кузнецкого угольного бассейна и технологических схем ведения очистных работ короткими забоями с применением гидрофицированных крепей.

168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научным квалификационным трудом, в котором содержится новое решение актуальной задачи обоснования параметров крепления и поддержания выработок при отработке участков пологих угольных пластов короткими забоями на основе камерно-столбовой системы разработки, базирующейся на использовании в комбинации с анкерным сталеполимерным креплением самодвижущейся комплектной механизированной крепи КСК и секционных гидрофицированных крепей КШУ, обеспечивающих снижение потерь угля в недрах и безопасность ведения очистных и подготовительных работ.

1. Анкерная крепь: Справочник/ А.П.Широков, В.А.Лидер, М.А.Дзауров и др. М.: Недра, 1990. - 205 с.

2. Архипов Г.Н., Фомин Е.В., Скуров А.Г. Анализ технологии проведения выработок комбайнами с навесным оборудованием // Уголь. 1993. - № 11. - С. 15-17.

3. Безопасная выемка угля под водными объектами / В.Я. Гвирцман, H.H. Канцельсон, Е.В. Бошенятов и др. М. : Недра, 1977. - 323 с.

4. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов. М. : Недра, 1980. - 360 с.

5. Будник В. В. Особенности проявлений горного давления и выбор параметров механизированных крепей для осваиваемых месторождений Подмосковного угольного бассейна: Дис.канд. техн. наук/ТулПИ.- Тула, 1982.- 139 с.

6. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учеб. для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1994,- 382 с.

7. Бурчаков A.C., Гринько Н.К., Ковальчук А.Б. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. М. : Недра, 1978.- - 586 с.

8. Бурчаков A.C., Гринько Н.К., Черняк И.Л. Процессы подземных горных работ. Учебник для вузов. М. : Недра, 1982. -423 с.

9. Венецкий И.Г., Кильдишев Г.С. Основы теории вероятностей и математической статистики. М.: Статистика, 1968. - 360 с.

10. Воронин Б.И., Новиков В.Я. Опыт отработки целиков угля короткими очистными забоями // Уголь. 1979. - № 6.- С. 15-17.

11. Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Кузнецкого бассейна. Прокопьевск, 1996.

12. Глазов Д.Д., Роут Г.Н. Анализ структур пространственно-планировочных решений, выявление системообразующих признаков и базисов их иерархической системы // Уголь. 1993. - № 7. - С. 22-24.

13. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1984. - 679 с.

14. Горное дело. Энциклопедический справочник. Т.1. М.: Углетехиздат, 1957. - 760 с.

15. Горное дело. Энциклопедический справочник. Т. 5. М. : Углетехиздат, 1958, - 448 с.

16. Грицаюк Б.И. Методы оптимизации параметров механизированных крепей / Сб. : Прогнозирование условий и повышение эффективности подземной разработки угольных месторождений. Новомосковск: Изд. АО "ПНИУИ", 1997. - С. 54-56.

17. Грицко Г.И., Лазаренко С.Н., Кочетков В.Н. О роли угля в экономике и о направлениях совершенствования угольных технологий // Уголь. 1998. - № 9.- С. 28-30.

18. Громов Ю.В., Бычков Ю.Н., Кругликов В.П. Управление горным давлением при разработке мощных пластов угля. М. : Недра, 1985. - 239 с.

19. Докукин A.B., Коровкин Ю.А., Яковлев Н.И. Механизированные крепи и их развитие. М.: Недра, 1984. - 288 с.

20. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. М.: Недра, 1989. - 256 с.

21. Зубов В.П. О совершенствовании способов охраны и поддержания выработок // Уголь. 1994. - № 2. - С. 9-11.

22. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса / Воет НИИ. Кемерово, 1989.

23. Исследование параметров конструктивной схемы и испытания экспериментального образца камерного защитного перекрытия170

24. ПЗК / В.Ф. Орлов, Д.Ф. Ненахов, Ж.П. Вареха, Е.А. Судариков // Сб.: Совершенствование средств и технологии разработки угольных пластов Карагандинского бассейна.- Караганда, 1987.- С. 138149.

25. Карасев А.И. Основы математической статистики: Учебное пособ. М.: Росвузиздат, 1962. - 360 с.

26. Каретникова Т.Б. Обеспечение прочности элементов механизированных крепей на основе статико-кинематической модели предельных нагружений: Дис.канд. техн. наук/ТулПИ.- Тула, 1984.- 206 с.

27. Клейменова Э.А. Исследование несущей способности секций механизированных крепей при сложных нагрузках: Дис.канд. техн. наук/ ТулПИ.- Тула, 1972. 193 с.

28. Корецки Дж. А. Самоходная механизированная крепь для камерно-столбовой системы разработки в ЮАР // Глюкауф. 1987. - № 20.

29. Коряков А.Е. Математическое моделирование предельных нагружений и оценка прочности конструкций механизированной крепи: Дис.канд. техн. наук/ТулПИ. Тула, 1991.- 200 с.

30. Косков И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок. М.: Недра, 1987. - 196 с.

31. Краткий справочник горного инженера угольной шахты / Под общ. ред. A.C. Бурчакова и Ф.Ф. Кузюкова. 3-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Недра, 1982. - 454 с.

32. Крашкин И.С., Брайцев A.B., Шатиров C.B. Оценка целесообразности внедрения камерно-столбовой системы разработки на шахтах Российской Федерации // Уголь. 1998. - № 3.- С. 21-25.

33. Крашкин И.С. Разработка пологих угольных пластов в неустойчивых породах. М.: Недра, 1986. - 207 с.

34. Крепь самодвижущаяся камерная КСК. Руководство по эксплуатации КСК.00.00.ООО РЭ. Новомосковск, ПНИУИ, 1996.

35. Кроус Ф. Камерно-столбовая система разработки на каменноугольной шахте "СИГМА" в ЮАР // Глюкауф. 1985. - № 14. - С. 22-26.

36. Курс строительной механики. Часть III. Статика сооружений./ Под общ. ред. проф. Б.Н. Жемочкина. М. : Госстройиздат, 1960. - 304 с.4 0. Мазикин В.П. Реструктуризация без закрытия и ликвидации // Уголь. 1998. - № 8. - С. 24-29.

37. Машины и оборудование для угольных шахт: Справочник / Под ред. В.Н. Хорина. 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Недра, 1987. - 424 с.

38. Методика автоматизированного проектирования крепей капитальных горных выработок для условий Кузнецкого угольного бассейна / КузНИИШахтострой. Кемерово, 1988. - 120 с.

39. Методы и средства решения задач горной геомеханики / Г.Н. Кузнецов, К.А. Ардашев, H.A. Филатов и др. М. : Недра, 1987. - 248 с.

40. Навитний A.M., Иофис М.А., Айруни А.Т. Опыт разработки угольных пластов под инженерными и природными объектами: Обзор / ЦНИЭИуголь. М., 1987. - 37 с.

41. Нисковский Ю.Н., Кульнев В.Д., Алексеев Ю.И. Опыт разработки угольных пластов под водоемами // Уголь. 1976. - № 5. - С. 37-40.

42. Об особенностях крепления подготовительных горных выработок на угольных шахтах КНР и Кузнецкого угольного бассейна / В.В. Першин, Ван Цзу-Хэ, Цзяо Ви-Го, A.B. Угляница, Ван Минь-Юань // Уголь. 1998. -№ 5.- С. 27-29.

43. Потапенко В.А., Грицаюк Б.И., Коровин М.Д. Технология сохранения выработок механизированной крепью // Уголь.- 1990.-№8. С. 29-31.

44. Потапенко В.А. Разработка прогрессивных технологических схем отработки запасов пологих угольных пластов: Автореф. дис. д-ра техн. наук / ПНИУИ. М., 1991. - 32 с.

45. Потапенко В.А., Ремезов A.B., Шапошников В.И. Применение крепи усиления штрека КШУ при поддержании сохраняемых выработок / Сб. науч. тр. / ИГД им. А.А. Скочинского, ПНИУИ. Тула, 1990. - С. 4-7.

46. Потапенко В.А., Роут Г.Н., Копылов А.Б. О смещениях пород и нагрузках на крепь подготовительных выработок / Сб. : Технология и механизация горных работ. М.: Изд-во АГН, 1998.-С.125-130.

47. Потапенко В.А. Создание ресурсосберегающих технологий и средств комплексной механизации добычи полезных ископаемых // Горный вестник. 1996. -- № 3.- С. 19-21.

48. Потапенко В.А., Цыплаков Б.В., Шапошников В.И. Результаты исследования в повторно используемых выработках / Сб. науч. тр. / ПНИУИ. Тула, 1992. - С.21-25.

49. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. -М.: Недра, 1976. 400 с.

50. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях / Министерство угольной промышленности СССР. М. : Недра, 1981. - 288 с.

51. Проблемы разработки метаноносных пластов в Кузнецком угольном бассейне / Ю.Н. Малышев, Ю.Л. Худин, В.П. Васильчук и др. М.: Изд. АГН, 1997. - 463 с.

52. Проведение и поддержание выработок в неустойчивых породах / В.А. Потапенко, Ю.В. Казанский, Б.В.Цыплаков и др. М. : Недра, 1990. - 336 с.

53. Прогрессивные паспорта крепления, охраны и поддержания подготовительных выработок при бесцеликовой технологии отработки угольных пластов. J1.: Изд. ВНИМИ, 1984. - 112 с.

54. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Ч. 1, Ч. 2. / ИГД им. A.A. Скочинского. -М., 1979.

55. Разработать технологический проект применения крепи КСК (04.1137.001.02): Отчет о НИР (промежут.) / АО "Подмосковный НИУИ"; Руководитель Б.В. Цыплаков. Новомосковск, 1998.- 70 с.

56. Разработка мощных угольных пластов в СССР и за рубежом/ Под общ. ред. проф. В.Ф. Парусимова. М. : Углетехиздат, 1959. - 180 с.

57. Разработка принципиальных схем подготовки и отработки участков камерными системами (0492285000) : Отчет о НИР / АО " Подмосковный НИУИ" ; Руководители Б. В. Цыплаков и В. И. Шапошников. Новомосковск, 1998. - 33 с.

58. Разработка угольных месторождений короткими очистными забоями / А.П. Судоплатов, В.Ф. Парусимов, JI.H. Гапанович, A.B. Стариков, А.П. Сахаров. М.: Углетехиздат, 1962. - 304 с.

59. Ремезов A.B., Кадошников A.B. Центр анкерного крепления Кузбасса (ЦАКК) создан и успешно решает свое дело // Уголь. -1998. № 12.- С. 17-19.

60. Роут Г.Н. Проект отработки ограниченных запасов камерами // 1-ая Региональная конференция "Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых ЦР РФ": Тез. докл. Тула: Изд. ТулГУ, 1998. - С. 31-33.

61. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи. М.: Стройиздат, 1983. - 272 с.

62. Сапицкий К.Ф., Дорохов Л.В., Якушевский А.Ю. Технология, механизация и автоматизация производственных процессов при подземной разработке пологих месторождений. М.: Недра, 1974.

63. Слесарев В.Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. М.: Углетехиздат, 1948. - 303 с.

64. Солод В.И., Зайцев В.И., Перов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. М. : Недра, 1981. - 503 с.

65. Сохранение и повторное использование подготовительных выработок / В.А.Потапенко, A.B.Ремезов, Б.В.Цыплаков, Г.Н.Роут. Тула: Гриф и К0, 1998. - 142 с.

66. Технология безлюдной выемки угля / П.Е. Левкович, Н.Е. Галевко, B.JI. Дроздов и др. Киев: Техника, 1980.

67. Технология разработки пластовых месторождений. Под общей ред. проф. A.A. Борисова. М.: Недра, 1977.

68. Торф Ю.Д., Лукашев Г.Е. Короткозабойная технология отработки пологих пластов // Уголь. 1998. - № 7.- С. 18-21.

69. Угольная промышленность США // Уголь. 1993. - № 5.-С. 36-41.

70. Указания по рациональному расположению, охране и поддержанию горных выработок на угольных шахтах СССР. Изд. 4-е, дополненное. -Л.: Изд. ВНИМИ, 1986. - 222 с.

71. Феодосьев В.И. Слпротивление материалов. М. : Наука, 1979. - 560 с.

72. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1956. - 728 с.1.I

73. Широков А.П., Лидер В.А., Писляков Б.Г. Расчет анкерной крепи для различных условий применения. М.: Недра, 1976. -208 с.

74. Широков А.П. Теория и практика применения анкерной крепи. М.: Недра, 1981. - 381 с.

75. Шманов М.Н., Бейсембаев K.M. Приоритетные направления развития крепей для короткозабойных технологий // Уголь. 1992. № 8.- С. 37-39.

76. Штумпф Г.Г. Повышение надежности работы и эффективности применения анкерной крепи в подготовительных выработках // Уголь. 1998. - № 2.- С. 27-29.

77. Ялевский В.Д., Тищенко С.М. Геомеханическое обоснование длиннокамерной адаптивной системы разработки пологих и наклонных пластов // Уголь. 1992. - № 4. - С. 47-49.

78. Якоби О. Практика управления горным давлением. Пер. с нем. М.: Недра, 1987. - 566 с.180

79. Рис.П.1.2. Схема анкерного крепления вентиляционного штрекана замерном пункте №2181

80. Рис.П.1.3. Схема анкерного крепления вентиляционного штрекана замерном пункте №31. А I -►.

81. Еис.П.1.4. Схема анкерного крепления вентиляционного штрекана замерном пункте №4

82. Рис.П.1.5. Схема анкерного крепления вентиляционного штрекана замерном пункте №5

83. Рис.П.1.6. Схема анкерного крепления вентиляционного иггрекана замерном пункте №6

84. Рис.П.1.7. Схема анкерного крепления конвейерного штрекана замерном пункте № 2187