автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование пространственно-планировочных решений по отработке перспективных угольных месторождений Кузбасса в условиях рыночных отношений

РГБ ОД

На правах рукописи

ЛОГИНОВ Александр Кимович УДК 622.272 + 622.268.13«313> (571.17) (043.3)

ОБОСНОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ОТРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА В УСЛОВИЯХ РЫНОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в АО УК «Кузнецкуголь» и Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, проф. МИХЕЕВ О. В.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. КРАШКИН И. С., канд. техн. наук СЕМЕНОВ С. Б.

Ведущее предприятие — АООТ «Ленинскуголь».

Защита диссертации состоится 12 марта 1998 г. в 13 час. па заседании диссертационного совета К-053.12.02 Московского государственного горного университета по адресу: 117935, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 11 февраля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доц. КОРОЛЕВА В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Динамичный переход экономики России к рыночным отношениям'предопределил целый ряд серьезных требований к качеству функционирования отраслей промышленного производства. Это в полной мере относится и к угольной промышленности. Исторически сложившаяся инфраструктура угольных предприятий требует значительных затрат времени и средств на ее перестройку. Незначительные объемы инвестиций и проводимая реструктуризация угольной отрасли затягивают и усугубляют этот процесс. В результате относительно благополучные сегодня угледобывающие предприятия завтра могут оказаться убыточными и попасть под закрытие.

Жесткие рамки дотационного и бюджетного финансирования наряду со стремительным ростом стоимости потребляемых ресурсов во многом обусловили необходимость глубокой реструктуризации шахтного фонда отрасли. В сло-. жившейся ситуации эффективность функционирования горного производства может быть обеспечена лишь на предприятиях высокого технико-экономического уровня, определяющего их жизнестойкость и конкурентоспособность. На первый план при этом выходят вопросы технического перевооружения шахт, повышения уровней безопасности и экологичности горного производства.

Применяемые в настоящее время технологические схемы действующих шахт Кузбасса, отрабатывающих, как правило, участки высокоугленосных месторождений, не отвечают в должной мере современным требованиям в направлении повышения уровня концентрации горных работ, роста нагрузки на Очистные забои, пропускной способности технологических систем транспорта и вентиляции. Отсюда становится очевидной необходимость поиска и реализации принципиально новых технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокоугленосных месторождений. В то же время производственный опыт показывает, что интенсификация очистных работ предопределяет серьезные требования к таким производственным комплексам, как подготовительные работы, поддержание и охрана горных выработок.

Создание мобильного высокоорганизованного предприятия по добыче угля должно решаться также с учетом его оснащения горношахтным оборудованием принципиально нового технического уровня, как путем создания или совершенствования отечественной очистной и проходческой техники, так и путем закупок передовой импортной техники. ' ,

Комплексно-механизированная технология очистных работ при подземной разработке интенсивно отрабатываемых угольных пластов пологого залегания создала научно-технические предпосылки для резкой интенсификации горноподготовительных работ и улучшения их технико-экономических показателей.

Зарубежная практика эксплуатации очистных забоев с высокой нагрузкой (5-5-10 тыс. т/сут) показала, что ширина примыкающих к очистному забою горных выработок (выемочных штреков) должна находиться в пределах 4,6+6,0 м.

Одним из основных факторов, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели горноподготовительных работ, является использование многоштрековых технологических схем подготовки и отработки выемочных полей. Каждая выработка должна иметь свое целевое назначение: одна -для настилки конвейеров, вторая - для подачи свежего воздуха, третья - для выдачи исходящей струи, четвертая - шщ доставки людей, оборудования и материалов.

Основные преимущества этих схем заключаются в обеспечении: высоких темпов проведения выработок по угольному пласту специально созданным оборудованием, полной механизации проходческих работ, безремонтного их поддержания, полноты использования потенциальных возможностей средств механизации очистных работ и повышения уровня безопасности технологических процессов по извлечению запасов угля.

В связи с изложенным можно утверждать об актуальности научной задачи, связанной с обоснованием пространственно-планировочных решений по отработке перспективных угольных месторождений Кузбасса и условиях рыночных отношений.

Цел б работы - установление структуры связей характеристик геомеханических процессов в горном массиве под влиянием горных работ для обоснования пространственно-планировочных решений по вскрытию, подготовке и отработке перспективных угольных месторождений Кузбасса, обеспечивающих эффективное и безопасное функционирование угледобывающего предприятия, оперативно изменяющего объемы добычи угля в соответствии с требованиями рынка.

Идея работы заключается в управлении геомеханическими процессами в углепородном массиве путем направленного регулирования характеристик топологии сети горных выработок в соответствии со спецификой горногеологических, производственно-технических и экономических условий отработки запасов угля.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Методические принципы создания мобильного угледобывающего предприятия, способного оперативно изменять объемы добычи угля в соответствии с требованиями рынка, предусматривают реализацию технологических схем эффективной и безопасной отработки запасов выемочных полей, без значительных капитальных вложений на освоение месторождения в течение всего срока эксплуатации.

2. Реализация технологии многоштрековой подготовки и отработки запасов выемочных полей обеспечивает снижение воздействия зон повышенного горного давления, увеличивает гибкость технологической системы при различных нарушениях нормальных режимов добычи угля, а также снижает напряженность в обеспечении полноты использования ресурсного потенциала очистной техники при росте уровня безопасности горных работ.

3. Корректное использование метода фотоупругости позволяет надежно имитировать горнотехнологические условия и физико-механические свойства горного массива с целью выявления структурных изменений напряженно-деформированного его состояния в окрестностях подготовительных выработок,

как элементов структуры многоштрековой системы подготовки и отработки запасов выемочных полей.

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

положительными результатами лабораторно-стендовых исследований технологии многоштрековой подготовки и отработки выемочных участков;

достаточным объемом экспериментальных исследований разработанной технологии интенсивного проведения подготовительных выработок с применением отечественного модифицированного горнопроходческого комбайна с исполнительным органом шарошечного типа (400 м подвигания проходческого забоя).

положительным опытом внедрения предложенных технологических схем вскрытия, подготовки и отработки запасов угольных месторождений.

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке методической базы обоснования пространственно-планировочных решений по вскрытию, подготовке и отработке перспективных угольных месторождений Кузбасса, обеспечивающих эффективное и безопасное функционирование угледобывающего предприятия, оперативно изменяющего объемы добычи угля в соответствии с требованиями рынка.

Практическое значение работы состоит в разработке технологических схем многоштрековой подготовки и отработки запасов участков угольных месторождений, обеспечивающих интенсивное воспроизводство очистного фронта без значительных капитальных вложений на освоение месторождений в течение всего срока отработки запасов угля.

Реализация работы. Технологические схемы вскрытия, подготовки и разработки свиты пологих и наклонных пластов, залегающих в виде брахи-сннклинали, внедрены на АОЗТ "Шахта "Казанковская".

Технологические схемы мноюштрековой подготовки и отработки запасов участков угольных месторождении включены в проект о. работки пласта 29а АООТ "Шахта "Есаульская".

Технология ускоренного проведения подготовительных выработок с применением отечественного модифицированного горнопроходческого комбайна с исполнительным органом трехкорончатого типа прошла промышленную апробацию в горно-геологических условиях пласта 29а АООТ "Шахта "Есаульская".

Результаты работы используются в учебном процессе Московского государственного горного университета по направлению 550600 - "Горное дело".

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических совещаниях по выполнению комплексных программ "Уголь России" (Москва, 1992), научно-практических совещаниях в научно-технической горной ассоциации (Москва, 1994-1996), Международной научно-практической конференции "Проблемы реформирования региональной экономики" (Кемерово, 1994), научно-технических советах АО УК "Кузнецкуголь" и АОЗТ "Шахта "Казанковская", АООТ "Шахта "Есаульская" (Новокузнецк, 1993-1997), научно-практической конференции Международной ярмарки-выставки "Уголь Кузбасса" (Новокузнецк, 1996), научном семинаре кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, 1997).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано четыре научные работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 96 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 23 таблицы, список литературы из 54 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность коллективам ученых и специалистов АО УК "Кузнецкуголь", кафедры «Технология, механизация и организация подземной разработки угля» Московского государственного горного университета за оказанную методическую помощь и поддержку при выполнении исследований и внедрении результатов в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Поиску и реализации принципиально новых технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных месторождений и разработке новых технологических схем подготовки выемочных полей посвящены научные исследования институтов ИГД им. А.А.Скочинского, ИПКОН РАН, ИГД СО РАН, ИУ СО РАН, ВНИМИ, МГГУ, С.-ПбГИ, КузНИУИ, КузГТУ и др., представленные ведущими учеными: Бурчаковым A.C., Горбачевым Д.Т., Евтушенко А.Е., Крашкиным И.С., Кузнецовым Ю.Н., Малкиным A.C., Малышевым Ю.Н., Михеевым О.В., Мясниковым А.А, Некрасовым В.В., Ники-шичевым Б.Г., Нильвой Э.Э., Саламатиным А.Г., Ялевским В.Д. и др.

Проведенный анализ действующего шахтного фонда АО УК "Кузнецкуголь" показал следующее. Шахтный фонд угольной компании "Кузнецкуголь" на 01.01.96 г. состоял из 18 шахт (21 технической единицы) общей производственной мощностью 17,85 млн. т угля в год. Шахтный фонд компании можно охарактеризовать, как изношенный, - это в равной степени относится как к активной части основных фондов, так и к ее пассивной части - горным выработкам, зданиям, сооружениям. В последние годы старение шахтного фонда и отставание реконструкции по поддержанию мощностей шахт подтверждается и расчетами производственной мощности, где с большой убедительностью подчеркиваются отставания технологических возможностей от фактически установленных и тем более проектных производственных мощностей. Все без исключения шахты требуют реконструкции , активная часть основных фондов - горношахтное оборудование очистных и подготовительных забоев, средства транспорта, водоотлива и вентиляции - в большинстве морально и физически устарела и требуются средства для перевода шахт на новый технический уровень.

Среднегодовая производственная мощность с учетом снятия мощностей за 19% год по сумме шахт компании составила 17,6 млн. г у ля. В 1996 г. шахтами компании добыто 14,5 млн. т, что обеспечило освоение среднегодовой про-изводстленной мощности на 82.3^.

В настоящее время развитие горных работ в силу объективных причин (отсутствие необходимых инвестиций на реконструкцию, поддержание и техническое перевооружение, недостаток средств на материально-техническое обеспечение подготовительных работ, сокращение численности рабочих па подготовительных работах и др.) не обеспечивает необходимого воспроизводства очистного фронта.

За 1996 г. предприятиями компании пройдено 103,7 км горных выработок (выполнение плана 85,1%), что на 18,1 км ниже намеченной программы и на 28,8 км меньше, чем в 1995 г. Вскрывающих и подготавливающих выработок пройдено 91,3 км (84,6%), что на 16,6 км ниже годовой программы и на 16,9 км меньше, чем в 1995 г.

Анализ динамики объемов проведения подготовительных выработок по годам показывает, что объем проведения выработок постоянно сокращается, а годовые программы, начиная с 1991 г., не выполняются. Это отрицательно сказывается на обеспечении шахт очистным фронтом и приводит к сокращению объемов добычи.

Резкое снижение объемов проведения подготовительных выработок по перспективным шахтам ставит под угрозу дальнейшее развитие производства и создает предпосылки к переводу этих шахт в разряд малоэффективных и ■ убыточных.

В результате анализа современного состояния шахтного фонда и технологии очистных работ на шахтах АО УК "Кузнецкуголь", существующей технологии и техники горноподготовительных работ на шахтах АО УК "Кузнецкуголь", научно-технических разработок и передового производственного опыта, посвященных многоштрековой технологии подготовки и отработки выемочных полей, в соответствии с постатейной целью в дисс ртацнн решались следующие задачи:

разработка вариантов технологических схем вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов перспективных месторождений Южного Кузбасса;

разработка концепции многоштрековой подготовки и отработки запасов выемочных полей на перспективных шахтах Южного Кузбасса;

выбор объектов исследований;

разработка предложений по совершенствованию отечественного проходческого комбайна легкого типа 1ГПКС и модернизации его исполнительного органа;

разработка технологии ускоренного проведения подготовительных выработок с применением отечественного модифицированного горнопроходческого комбайна;

разработка высокоэффективной технологии подготовки и отработки пласта 29а АООТ "Шахта "Есаульская" АО УК "Кузнецкуголь";

проведение исследований технологии многоштрековой подготовки и отработки выемочных полей методом физического моделирования с соблюдением критериев подобия и граничных условий, позволяющих полностью имитировать горнотехнологические условия и физико-механические свойства пород и угля применительно к конкретным горно-геологическим условиям залегания угольных пластов АО "Шахта "Есаульская" АО УК "Кузнецкуголь";

проведение шахтных экспериментальных исследований технологии ускоренного проведения подготовительных выработок с применением отечественного модифицированного горнопроходческого комбайна с исполнительным органом трехкорончатого типа;

разработка вариантов пространственно-планировочных решений по отработке Казанковско-Успенского района, предложений по использованию импортного горношахтного оборудования, планируемого к применению при многоштрековой технологии подготовки и отработки перспективных месторождений Кузбасса, рекомендаций к ускоренной технологии и техники горноподготовительных работ;

расчет нагрузки на очистной забой при многоштрековой технологии подготовки и отработки угольных пластов при использовании как отечественного, гак и импортного горношахтного оборудования.

Ятя обоснования пространственно-планировочных ре пений по отработке перспективных угольных месторождений Кузбасса в \с.юанях рыночных отношений были разработаны четыре технологические схемы вскрытия, подготовки

и отработки угольных пластов перспективных месторождений Южного Кузбасса. Данные схемы предлагаются для одновременной эффективной и безопасной разработки группы обводненных пожароопасных угольных пластов, залегающих в верхней части месторождений, и позволяют значительно уменьшить трудоемкость содержания производственной инфраструктуры и обеспечить повышение эффективности функционирования основных процессов, способствующих значительному снижению стоимости добываемого угля и повышению производительности труда за счет:

сокращения объема проведения горных выработок главного направления и выработок, проводимых по породе;

независимой подготовки и отработки крыльев шахтного поля; применения высокопроизводительной схемы транспортирования угля на основе полной конвейеризации;

обособленного проветривания подготовительных и очистных забоев; отработки пластов вдоль продольной оси брахисинклинали длинными столбами большой протяженности без перемонтажей оборудования механизированных комплексов и оставления межпанельных целиков угля; предварительного осушения пласта;

восходящего порядка отработки запасов в крыльях шахтного поля и очистки загрязненной шахтной воды в выработанном пространстве.

Комплексно-механизированная технология очистных работ при подземной разработке интенсивно отрабатываемых угольных пластов пологого залегания создала научно-технические предпосылки для резкой интенсификации горных работ и улучшения технико-экономических показателей.

В то же время не отмечается сколько-нибудь существенных изменений в способах подготовки выемочных полей. Разработанные и прнм>. .яемые на шахтах технологические схемы ориентированы на бесцеликовую подготовку, в том числе и с повторным использованием выработок. Как показывает практика, несмотря на многочисленные опытно-экспериментальные работы, не удалось найти достаточно эффективных, и что самое главное, нетрудоемких тех-

нико-технологических решений, обеспечивающих сохранность выработок на весь период их эксплуатации.

Достигнутые в странах с развитой рыночной экономикой при применении многоштрекового способа подготовки в сочетании с анкерным креплением высокие технико-экономические показатели говорят о целесообразности внедрения этой технологии и на отечественных шахтах, в соответствующих горногеологических условиях.

Предварительный анализ горно-геологических условий показал целесообразность проведения опытных работ в АООТ "Шахта "Есаульская" АО УК "Кузнецкуголь". Проходка выемочных выработок по пласту угля, без присечки пород со сбойками между ними не встретит технических трудностей при следующих условиях: мощность пласта более 2,0 м, угол падения пласта до+10°, ширина выработок до 4,8 м. В этом случае можно реально достичь средней скорости проходки (с учетом сбоек) - 200+250 м/мес на забой.

Разработана концепция многоштрековой подготовки и отработки запасов угля на перспективных шахтах Южного Кузбасса, позволяющая обеспечить:

нагрузку на лаву не ниже ЗОООт/сут за счет исключения трудоемких работ по сохранению прилегающих к лаве выработок, улучшения проветривания, возможности более четкой организации всех работ в пределах выемочного участка;

производительность труда рабочих по лаве не ниже 50 т/вЫход, механизацию всех производственных процессов, в том числе на сопряжениях лавы со штреками;

зольность добываемого угля не ниже пластовой ( горные работы ведутся только по пласту угля);

резкое повышение эффективности горнопроходческих работ (безремонтное содержание горных выработок; рост темпов проведения выработок не ниже, чем в 2 раза; снижение трудоемкости работ, затрат на материалы н т.п.). •

Отсутствие в необходимом количестве высокопроизводительного импортного проходческого оборудования, опыта его эффективного использования, а

также особенности характеристик пласта 29а делают предпочтительными две технологические схемы: диухштрековую и трехштрековую (рис.1). Между штреками дли целей вентиляции и перемещения проходческою оборудования через 30-50 м проводятся сбойки. Одновременно с отработкой выемочного столба осуществляется подготовка нижележащего путем проведения выемочных штреков.

Длина лавы является одним из важнейших параметров, влияющих на эффективность функционирования горного производства. Основываясь на практике работы ша\. и учитывая технические характеристики отечественного и импортного очистного оборудования, рекомендуется принимать длину лавы 200 м для отечественного оборудования и 250 м - для импортного. Применительно к условиям залегания пласта 29а п. пределах шахтного поля и разработанного способа подттовкп длина выемочного столба определялась границами шахтного поля и составила 1500-2000 м.

Для проведения выработок по пласту угля из серийно выпускаемых отечественных комбайнов предлагается использован» проходческий комбайн 1ГПКС (модернизированный), который с одной позиции проходит пырабож> шириной 4,8 м по пласту мощностью более 2 м, т.е. практически обесисчивас! проходку выработки сеченном 13,0 м2.

Шахтные исследования проходческого комбайна 1ГПКС с модифицированным рабочим органом осуществляли при проведении вентиляционного холка 29-12 сечением 13.0 м2 в АООТ "Шахта "Есаульская" АО УК "Кузнецкуголь". Было пройдено 400 м штрека, предусмотренных программой испытаний, при среднесуточной скорости подвиганим проходческого ¡абоя 5,5^8,0 м. Испытания показали работоспособность комбайна и трехкоронча-того исполнительного органа, но в то же время выявили недостатки 'электродвигателя ЭКВ4У5, установленного на исполнитель!, .ч органе комбайна, вызывающие высокий размах колебаний его мощности, достигающей, м момент рафушенин породной пачки крепостью у=6+7, 150 кВт. что превышает номинальную мощность двигателя.

а Двухштрекавая технологическая схема подготовки очистного забоя.

I'uï 1

Из зарубежных проходческих машин могут использоваться комбайны со стреловидным исполнительным органом легкого (АМ-50) и среднего (WAV 130/160) типа производства фирмы Фест-Альпине (Австрия). Кроме того, могут использоваться специальные комбайны, совмещающие в себе функциональные узлы обычных проходческих комбайнов и машины для установки крепи.

Значительное увеличение скорости проходки произойдет, если крепление выработки осуществлять с помощью двух анкеровальных станков, что позволит помимо сокращения общего времени крепления до 16 мин ликвидировать простои проходчиков путем привлечения для работы на втором анкеро-вальном станке машиниста комбайна и помощника. В этом случае продолжительность цикла будет равна 45 мин, что позволит произвести 7 циклов в смену. Скорость проведения выработки составит 22,4 м/сут (672 м/мес).

В качестве очистного отечественного оборудования рекомендуется хорошо зарекомендовавший и освоенный на шахте очистной механизированный комплекс 3KMI38. Целесообразность применения и^.гаргного очистного оборудования диктуется прежде всего его более высоким техническим уровнем.'

К числу очевидных преимуществ многоштрековой системы подготовки очистного фронта следует отнести:

большие перспективы использования систем контроля за работой горио-шахтного оборудования;

большее расстояние между смежными панелями, что уменьшает воздействие горного давления, обусдошенное ранее отработанными панелями;

большую гибкость многоштрекопой системы при различных нарушениях нормальной технологии добычи (например, обрушение крошш в штреках), т. е. возможность использования смежных штреков для поддержания нормального цикла работ.

В то же время данная схема подготовки неизбежно приводит к увеличению потерь угля в оставляемых предохранительных целиках.

При этом возникают две взаимоисключающие задачи: первая - максимальное увеличение размеров неликов, позволяющее повысить безопасность работ; вторая - их максимальное уменьшение, позволяющее снизить потери.

Данная задача по оптимизации может быть решена только математическим или физическим моделированием, поскольку шахтный эксперимент н данной постановке исключается. Ввиду сложности граничных и начальных условий (различные характеристики пород, слагающих кровлю, почву и угольный пласт; наличие неоднородное гей и т.д.) математическое моделирование может дать только достаточно приближенные решения.

В то же время физическое моделирование на оптически чувствительных материалах при тщательном выполнении критериев подобия позволяет полностью имитировать изменение технологических условий отработки - изменение величины предохранительных целиков - для определения их оптимальных параметров.

Для трехштрековои технологической схемы, предлагаемой к использованию в условиях пласта 2')а АООТ "Шахта "Есаульская", методом физического «

моделирования из оптически активных материалов были проведены исследования по оптимизации размеров межштрековых целиков угля. Длина лавы принималась раиной 200 м. Длина выемочного столба - 5500 м. Вынимаемая мощность пласта - 2,0 м. Лава отрабатывается в обратном порядке. Выемочные штреки проводятся предварительно в массиве угля.на всю /мину столба группами из трех параллельных выработок. Выемочные штреки используются повторно. Штрек, непосредственно примыкающий к лаве, погашается после ее отработки. Штреки имеют ширину 5.0 м и проводятся на »сю мощность пласта. Крепление штреков прямоугольного поперечною сечения проводится анкерами сплошного крепления с подхватывающим элементом. Между штреками оставляются педики, черо которые с интервалом 30-50 м проходятся сбойки. Сбойки после проходки перекрываются перемычками. Для горногеологических условии залегания пласта 29а моделировались целики шириной '5. 20 и 25 м. Масштаб изометрического моделирования: 400.

Модели массива горны y пород состояли in трех слоев. Каждый слой имитировал кроплю, угольный пласт и почну. Д/ 1я изготовления слоистой модели для данной задачи оптически чувствительные материалы должны быть изотропны, однородны, прозрачны, иметь линейную зависимость между напряжениями и деформациями, высокую оптическую чувствительность.

По данным теории упругости, с учеюм теории подобия напряженно-деформированное состояние плоской многосвязной слоистой среды зависш от модуля упругости и коэффициента Пуассона. При этом необходимо для каждого конкретного случая подбирать молельные материмы таким образом, чтобы коэффициенты Пуассона и отношения модулей упругости н модели и натуре были равны. В модсл1ь-как и в натуре, отношения модулей упругости угля, порол кроили и почвы определяются соотношением

E"yi / F."yr = Е»к / Е"к= Е"п / Емп , (1)

где Енуг, Е"к. Е"н - модули упругости упя, породы кровли и породы почвы в iiaiypc;

Eí'yr, Е"к, Емп - модули упругости материала модели для изготовления слоя yum, кровли и почвы.

При моделировании юрного массива применительно к условиям отработки угольного пласта 2')а АООТ "Ulaxia "Есаульская" приняты осредненкые показатели механических снопов порол и углей (см. Таблицу).

Показатели механических свойств пород и углей

Порода Модуль упругости Е, МПа Предел прочности на сжатие, МПа /

Песчаник 3 ю-* 40+50 4+5

Алевролит 2104 30+40 3*4

Уголь 3101 10+20 0.8+1.0

Отношение модулей упругости пород кроачи, почвы, угольного пласта в натуре:

Ек" : Е„" : Еу|" = 7:7:1 - (2)

В модели для илотвления угольного пласта был использован материал на основе желатина (шлаптип) с модулем упругости Еуг= 0,3 МПа. При этом мо-

дули упругости материала кровли и почвы равны 2,1 МПа. Составы, технология изготовления и свойства материалов с заданным диапазоном изменения модулей -эпоксиэластиков - освещены в литературе. В пластине из игдантина делались вырезы, имитирующие штреки, очистной забой и зону обрушенных пород в шахтных условиях.

Модель нагружалась на специальном стенде для моделирования задач в режиме плоской деформации. Фотографирование картин полос осуществлялось на установке проходящего света УИП при длине волны X =5>46-10 7 м.

Непосредственно на модели методом фотоупругости регистрировались величина и направление разности главных напряжений в плоскости модели, тем самым определялась величина главных касательных напряжений (тху). Используя специальные методы разделения напряжений, можно получить значения главных и нормальных напряжений.

Для всех исследованных моделей получены поля максимальных касательных напряжений, проведено разделение напряжений и построены эпюры вертикальных напряжений по горизонтальным сечениям.

Для удобства перехода от напряжений в модели к напряжениям в горном массиве результаты исследований представляются в безразмерном виде, а именно в виде коэффициента концентрации напряжений, который несет основную информацию о возмущениях в поле напряжений, т. е. во сколько раз изменяется напряжение в любой точке массива сравнительно с нетронутым массивом.

При расчете прочности и устойчивости пород кровли и угольных целиков использовались критерии теории прочности Кулона.

Ь соответствии с данными критериями разрушение происходит при выполнении условия

X > О tgф + К; (3)

где т , а - касательное и нормальное напряжения, МПа;

<Р - угол внутреннего трения, град;

К - коэффициент сцепления, МПа.

При этом условие предельного состояния соответствует прямолинейной огибающей и критерий разрушения представляется в виде (I + sin <р)

сг, — —-:--сг, > <тсж , (4)

' (1 - Sin /р) 1 "

где 0|, 02 - главные нормальные напряжения, МПа;

сгсж - предел прочности на сжатие, МПа.

С использованием данных критериев произведена оценка устойчивости кровли для рассмотренных моделей.

В соответствии с физико-механическими свойствами пород кровли пласта и с критерием прочности пород по теории Кулона: т г a tg<p + К, были определены для глубины залегания пласта Н=250 м коэффициенты концентрации напряжений, при которых происходит разрушение пород кровли и угля.

С целью определения наиболее жестких критериев расчеты проведены для минимальных значений пределов прочности на сжатие. При этом были получены следующие данные.

Для зон сжимающих напряжений породы кровли разрушаются при Кт >1,8, для зон растягивающих напряжений - при Кт >0,3. Для зон сжимающих напряжений угля разрушение происходит при Кт >1,4.

Для повышения информативности с учетом масштабного фактора модель разделена на два фрагмента: А и В. Фрагмент А моделирует часть горного массива вокруг выработанного пространства. На фрагменте В показана часть горного массива, в которой выемочные штреки проводятся предварительно на всю длину столба группой из трех выработок, т.е. одновременно с отработкой лавы осуществляется нарезка столба.

При ширине оставляемого целика, равной 15 м, непосредственно в кровле над первым штреком от выработанного пространства наблюдается высокая концентрация растягивающих напряжений (Кт=0,28), в кровле над вторым штреком (для аварийного выхода) концентрация растягивающих напряжений немного снижается (Кт < 0,28). Эти значения коэффиниемов концентрации растягивающих напряжений не превышают предела прочности на растяжение, коэффициент концентрации которого лля глубины 250 м и данных геологиче-

ских условий определяется величиной Кг=0,3. Концентрации напряжений в кровле нал штреками, пройденными предварительно для нарезки столба, почти одинаковы и равны Кт=0,2.

Распределение концентрации напряжений по горизонтальному сечению, пройденному в середине целика, выглядит следующим образом. Высокая концентрация напряжений наблюдается в краевой части угольного целика, непосредственно примыкающего к выработанному пространству. Наибольший коэффициент концентрации напряжений в краевой части целика со стороны выработанного пространства равен 1,29, а со стороны штрека составляет 1,2.

При ширин оставляемого целика 20 м высокая концентрация напряжений, равная 1,5, наблюдается на границе с выработанным пространством. По мере удаления по гори юн тали от выработанного пространства концентрация напряжений над оставляемыми цслика.ми снижается. Максимальное значение концентрации напряжений но горизонтальному сечению, расположенному на расстоянии, равном полумощности пласта, будет равно ¡.2.

Непосредственно в кровле штреков вблизи выработанного пространства в небольшой зоне существует концентрация растягивающих напряжений. Однако данная зона меньше, чем для mo.ic.ih с шириной целика 15 м. Непосредственно в кровле первого штрека от выработанного пространства концентрация растягивающих напряжений равна Кг = 0.23. В кровле над вторым штреком концентрация растягивающих напряжений снижается и равна 0.19. Концентрация напряжений 1! кровле пал штреками, пройденными предварительно, равна 0,17. Таким образом, наблюдается снижение зоны и величины растягивающих напряжений в кроше штреков при увеличении ширины оставляемых целиков. В результате выполненного физического моделирования было установлено, что безремонтное поддержание штреков при применении многоштрс-ковой технологии подготовки выемочных полей в условиях пласта 29а АООТ "Шахта "Есаульская" достигается при ширине целика в пределах 20 м.

На основании всестороннего анализа проектов шахт "Есаульская", "Казанковская", выполненных институтом "Кузбассгипрошахт" и ПКБ АО УК "Кузнецкуголь", способов вскрытия и подготовки шахтных полей и собствен-

ных предложений по подготовке и отработке участков месторождений разработаны два варианта пространственно-планировочных решений по отработке Казанковско-Успенского района (рис. 2, 3), предложения по использованию импортного горношахтного оборудования, планируемого к применению при многоштрековой технологии подготовки и отработки перспективных месторождений Кузбасса, и выполнен расчет нагрузки на очистной забой при данной технологии, которая составляет 1950+4700 т/сут при исполь шии отечественного оборудования и 4700+6150 т/сут - при импортном оборудовании.

Новым в технологических схемах вскрытия, подготовки и отработки "угольных пластов Казанковско-Успенского района, залегающих в виде брахи-синклинали, является то, что парные наклонные выработки для обслуживания водоотлива вначале проводят до самой низкой геодезической отметки шахтного поля на одном из крыльев поля под острым углом к поперечной оси бра-хисинклинальной складки и соединяют с выемочными наклонными выработками, оконтуривающими вдоль продольной оси складки дренажный столб, разделяющий шахтное поле на крылья, и смежные с ним выемочные столбы. Затем после отработки дренажного столба для обслуживания водоотлива от последнего вдоль продольной оси складки в сторону выхода пласта под наносы между выемочными столбами противоположных крыльев проводят ходки, а предыдущие парные наклонные выработки, пройденные на одном из крыльев под углом к поперечной оси складки, используют в качестве промежуточных уклонов, которые переходят очистными забоями при отработке запасов этого крыла.

Разработаны также рекомендации к технологии и технике горноподгото-Ьительных работ, заключающиеся в следующем. Для обеспечения высоких технико-экономических показателей горноподготовительных работ в состав ком-(тлекта отечественного проходческого оборудования должны входить: проходческий комбайн с повышенной устойчивостью; трехшарошечный исполнительный орган;

навесное оборудование для бурения шпуров в проходческом забое и механизмы для возведения различных видов крепи;

а. Схема отработки смежных с дренажным столбом выемочных столбов.

выработок""1 °тра6°тки дРенажнто столба с проведением парных выемочных

соотвеЛ ТеХ,ЮЛ°гическая схе»а > - ""носы: 2 - выход пласта; 3, 4 -

на~е ст2 ^Мьтя " вояе""""м оси > " "ромплощадка пласта; 6. 7 -

выработки П л ' 9 " бремсберг; 10 - парные склонные

м/щооотш, 11 - дополнительные наклонные выработки; 13 - водоотлив■ 14 15

7ос2а:::гт:выработхи: ,6 - —» .

вымоч2ест / \Г°еиеРИаЯ вЫРа6отха столба; ,9 - смежные

Та ОС 3 шТпф'^Л ' вЫеЛ"""'Ые вЫРа6°Ши: 2' * "">»»** * И " очистной присечнш п -^"^стсеино монтажная и дсмоптажнсш камеры; 26 -

крыл! и,21 - направление отработки; 2В - порлдок отработки на

крыльях шахтного поля ; 29 - поток шахтной соды 30

горных выработок; 3!, 32 - ^ 33 - «^а^'^^Т-

"арные наклонные выработки. «ыраштжа. 11

5

а. Схема вскрытия, подготовки и отработки дренажного столба.

г. Разрез вдоль продольной оси брахисинклипали.

£9' \/5

д. Разрез вдоль наклонной выработки.

Рис. 3. Технологическая схема 1 (продолжение).

система транспортирования горной массы, включающая в зависимости от условий применения самозачищающийся перегружатель, бункер-накопитель или самоходный вагон;

средства доставки оборудования и материалов в подготовительный забой. Для производительной и надежной работы отечественного проходческого комбайна необходимо, чтобы заложенные в его конструкцию технологические и технические решения отвечали следующим требованиям:

возможность проведения выработок шириной до 5,0 м для успешного применения многоштрековой технологии подготовки и отработки выемочных полей перспективных шахт;

возможность проведения выработок по смешанному забою с коэффициентом крепости присекаемых пород /=7 за счет применения трехшарошечного исполнительного органа, увеличения мощности двигателя и повышенной устойчивости комбайна;

расположение непосредственно на проходческом комбайне навесного бурильного оборудования, позволяющего повысить производительность бурения шпуров для анкерной крепи;

расположение на проходческом комбайне оборудования для механизации возведения различных видов крепи, а именно транспортировка верхняков через проходческий комбайн, поднятие верхняков к кровле выработок, завинчивание специальными гайковертами анкерных гаек.

Оборудование для бурения шпуров в проходческом забое должно обеспечивать:

производительность бурения шпуров под анкера до 1-2 м/мин; одновременное бурение нескольких шпуров, для чего необходимо располагать бурильные установки на исполнительном органе, за проходческим комбайном на специальных поддержках и- в случае необходимости - на специальных тележках.

Указанное оборудование должно быть надежным, простым и требовать минимум времени для проведения его из транспортного положения в рабочее

и, наоборот, и не должно мешать выполнению основных операций в проходческом забое.

Механизмы для возведения различных видов крепи должны обеспечивать: минимальную трудоемкость возведения крепи за счет применения гидравлических манипуляторов;

механизированную доставку элементов крепи из транспортной тележки к месту установки по специальным направляющим;

завинчивание специальными гайковертами гаек анкерной крепи. Система транспортирования горной массы должна включать и обеспечивать;

самозачищающийся перегружатель, максимально снижающий время зачистки почвы выработки;

производительную транспортировку отбитой горной массы средствами, определяемыми горно-геологическими условиями и горнотехническими факторами, например бункером-накопителем и самоходным вагоном;

исключение последовательного выполнения основных операций проходческого цикла по причине неудовлетворительной работы забойного транспорта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научной квалификационной работой, содержится решение задачи обоснования пространственно-планировочных решений по отработке перспективных угольных месторождений Кузбасса в условиях рыночных отношений, имеющей существенное значение для угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты работы заюгючаются в следующем:

1. Анализ современного состояния шахтного фонда АО УК "Кузнецкуголь" показал, что все исследуемые шахты требуют реконструкции, активная часть основных фондов (оборудование очистных и подготовительных забоев, средства транспорта, водоотлива и вентиляции) морально и физически

устарела, что вызывает необходимость вложения значительных средств для перевода шахт на новый технический уровень.

2. Разработаны методические принципы создания мобильного угледобывающего предприятия, отличающегося от ранее известных тем, что позволяет обеспечить сокращение объема вскрывающих выработок, получить значительный объем добычи угля за счет поочередного ввода в работу очистных забоев одновременно с подготовкой шахтоучастка, повысить производительность труда рабочих за счет концентрации подготовительных и очистных работ и поточной отработки выемочных участков, сократить потери угля и количество мон-тажно-демонтажных работ за счет отработки выемочных участков по простиранию пласта на всем протяжении шахтоучастка без перемонтажей оборудования.

3. Разработана концепция многоштрековой подготовки и отработки запасов угля на перспективных шахтах Южного Кузбасса, позволяющая обеспечить:

нагрузку на лаву не ниже ЗОООт/сут за счет исключения трудоемких работ по сохранению прилегающих к лаве выработок, улучшения проветривания, возможности более четкой организации всех работ в пределах выемочного участка;

производительность труда рабочих по лаве не ниже 50 т/выход за счет механизации всех производственных процессов, в том числе на сопряжениях лавы со штреками;

зольность добываемого угля не ниже пластовой, так как горные работы ведутся только по пласту угля;

резкое повышение эффективности горнопроходческих работ за счет безремонтного содержания горных выработок, роста темпов проведения выработок не ниже, чем в 2 раза, снижения трудоемкости работ, затрат на материалы и т.п.

4. Предложена технология трехштрековой подготовки и отработки запасов пласта 29а АООТ "Шахта"Есаульская", сущность которой заключается в том, что выемочные штреки проводятся предварительно в массиве угля на всю дли-

ну столба группами из трех параллельных выработок, которые затем используются повторно. Штрек, непосредственно примыкающий к лаве, предлагается погашать после ее отработки. Штреки имеют ширину до 5,0 м и проводятся на всю мощность пласта без присечки пород кровли. Крепление штреков прямоугольного сечения осуществляется анкерами с подхватывающим элементом. Между штреками оставляются целики, через которые с интервалом 30-50 м проходятся сбойки. Длину лавы рекомендовано иметь равной -200 м при использовании отечественного очистного оборудования и 250 м - при применении импортного оборудования. Применительно к условиям залегания пласта 29а в пределах шахтного поля и разработанного способа подготовки запасов длина выемочного столба определялась границами шахтного поля и составила 1500+2000 м.

5. В результате физического моделирования на моделях из оптически активных материалов технологии многоштрековой подготовки и отработки запасов выемочных полей применительно к условиям шахты "Есаульская" АО УК "Кузнецкуголь" установлено, что в зонах сжимающих напряжений породы кровли разрушаются при значении коэффициента концентрации Кт 21,8, а в зонах растягивающих напряжений - при Кт ¿0,3. В зонах сжимающих напряжений угля разрушение пород происходит при Кт Si,4. При ширине оставляемого целика, равной 15 м, непосредственно в кровле над первым от выработанного пространства штреком наблюдается высокая концентрация растягивающих напряжений (Кт=0,28), в кровле над вторым штреком (для аварийного выхода) концентрация растягивающих напряжений снижается (Кт < 0,28). Концентрация напряжений в кровле над штреками, пройденными предварительно для подготовки запасов выемочного столба, оказалась незначительной (Кт=0,2).

Моделирование показало, что безремонтное поддержание выработок при многоиЛ; вой подготовке запасов выемочных полей в условиях пласта 29а АООТ "Шахта "Есаульская" достигается при ширине целика в пределах 20 м.

6. В ходе шахтных испытаний интенсивной технологии проведения подго-а'телып выработок с применением опытного образца горнопроходческого

комбайна с исполнительным органом трехкорончатого типа в условиях пласта 29а АООТ "Шахта "Есаульская" пройдено 400 м вентиляционного ходка 29-12 при среднесуточной скорости подвигания проходческого забоя 5,5+8,0 м. Испытания показали работоспособность комбайна в целом, но в то же время выявили недостатки электродвигателя ЭКВ4У5, установленного на исполнительном органе комбайна, вызывающие высокий размах колебаний его мощности, достигающей в момент разрушения породной пачки крепостью /=6+7, 150 кВт, что превышает его номинальную мощность.

7. Предложены варианты перспективных пространственно-планировочных решений по подготовке и отработке Казанковско-Успенского района. Новым элементом в технологических схемах вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов Казанковско-Успенского района, залегающих в виде брахисинк-линали, является то, что парные наклонные вупаботки для обслуживания вЪ-доотлива вначале проводят до предельно низкой геодезической отметки шахтного поля на одном из крыльев под острым углом к поперечной оси брахи-синклинальной складки и соединяют с выемочными наклонными выработками, оконтуривающими вдоль продольной оси складки дренажный столб, разделяющий шахтное поле на крылья, п смежные с ним выемочные столбы.

8. Разработаны и реализованы рекомендации по использованию импортного горношахтного оборудования, планируемого к применению при многоштрековой подготовке и отработке запасов перспективных месторождений Кузбасса. Осуществлен расчет нагрузки на очистной забой, которая составляет 1950+4700 т/сут при использовании отечественного оборудования и 4700+6150 т/сут - при импортном оборудовании.

9. Разработаны требования к функциональным элементам интенсивной технологии проведения подготовительных выработок с применением опытного образца горнопроходческого комбайна с исполнительным органом трехкорончатого типа, в том числе к средствам бурения шпуров под анкерную крепь и механизмам для возведения различных видов крепи.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Коряга С.С., Логинов А.К. Оценка существующих технологических схем проведения горных выработок и технического уровня проходческих комбайнов избирательного действия. - В сб.: Научно-технические разработки МГГУ, АО УК "Кузнецкуголь" и института ВНИИГидроуголь. - М.: МГГУ, 1994, с.51-54.

2. Логинов А.К., Кусов А.Е., Кутаева Г.С.Физическое моделирование напряженного состояния горного массива при многоштрековой схеме подготовки и отработки угольного пласта. Депонированная рукопись №66 от 24.11.97, МГГУ, ГИАБ, №6, 1997.

3. Логинов А.К. Разработка технологических схем вскрытия, подготовки и отработки угольных пластов перспективных месторождений Южного Кузбасса. Депонированная рукопись №71 от 10.12.97, МГГУ, ГИАБ, №6, 1997.

4. Логинов А. К. Современное состояние шахтного фонда и технологии очистных работ шахт Южного Кузбасса. Депонированная рукопись №72 от 15.12.97, МГГУ, ГИАБ, №6, 1997.