автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров технологии механизированной разработки крутонаклонных и крутых пластов Кузбасса столбами по падению

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская академия наук

ННЦ ГП - Институт горного дела им. А.А.Скочинского

На правах рукописи

Евгений Александрович ПАНТЕЛЕЕВ

УДК 622:273.001.76(043)

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКИ КРУТОНАКЛОННЫХ И КРУТЫХ ПЛАСТОВ КУЗБАССА СТОЛБАМИ ПО ПАДЕНИЮ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Москва

1999

к?

'3

Работа выполнена в Национальном научном центре горного производства - ИГД им. Скочинского и в ОАО "УК "Прокопьевскуголь".

Научный руководитель - докт. техн. наук Н.Л.Разумняк

Официальные оппоненты: проф., докт. техн. наук А.И.Петров, чл.-корр. РИА, к.т.н. Д.Т.Горбачев

Ведущее предприятие - ИГД Сибирского отделения РАН Диссертация разослана

г.

Защита диссертации в час на засед? ИГД им.А.А.Скочинскогс

'Г.

' 03 ННЦ ГП ■

С диссертацией А.А.Скочинского.

е ИГД им.

Отзывы в двух экземгш» : г. Люберцы Московской облаем,

^ ху: 140004,

I ГП - И1 д ш, Скочинского

Ученый секретарь диссертационно^рсш^РСТ ¡Ш*** проф., докт. техн. наук п

-«ШОТШКЛ

>- 09

И.Г.Ищук.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация представлена в форме научного доклада, является обобщением результатов выполненных автором в 1985-1999 гг. исследований по научному обоснованию и разработке эффективных и безопасных технологий механизированной выемки мощных крушх и крутонаклонных угольных пластов Кузнецкого бассейна.

Актуальность проблемы. Из мощных крутых и крутонакпонных угольных пластов в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса добываются коксующиеся угли наиболее ценных марок для металлургического и коксохимического производств России. Разработка этих пластов производится в сложных горно-геологических условиях, характеризующихся большим диапазоном мощностей, наличием дизъюнктивных и пликативных нарушений, сближенностью, склонностью угля к самовозгоранию, высокой газообильностью и т.д., которые с увеличением глубины еще более осложняют ведение горных работ.

До настоящего времени выемка угля осуществляется с применением буровзрывных работ (около 90 %) и креплением очистных забоев деревянной стоечной крепью. Добыча угля характеризуется низкими нагрузками на очистной забой (100-150 т/сут), большим удельным расходом лесных материалов (до 70 м3 на 1000 т добычи), значительными потерями угля в недрах (30-40%).

Несмотря на то, что на шахтах Прокопьевско-Киселевского района были опробованы практически все известные в мировой практике способы разработки мощных крутых пластов, технико-экономические показатели добычи угля не улучшаются.

В последние 25 лет научно - исследовательскими и другими институтами проведен большой объем НИОКР, посвященных совершенствованию технологии разработки мощных крутых и крутонаклонных пластов. Однако из-за недостаточной комплексности применяемых подходов с учетом геомеханической ситуации проблема эффективной разработки этой группы пластов не решена.

Одним из наиболее перспективных направлений в технологии является выемка крутых и крутонаклонных пластов столбами по падению, однако при глубине разработки свыше 200м она в традиционном исполнении становится неэффективной и небезопасной. Современная тенденция развития технологии отработки угольных пластов, в том числе столбами по падению, сводится к комплексной механизации всех производственных процессов по добыче угля. При решении этой задачи разработаны, прошли промышленные испытания и серийно выпускаются. агрегаты 1АЩМ, 1АНЩ и 2АН1Д, рассчитанные на диапазон мощностей пласта 0,7-2,2 м с углами падения 55-90°, а для пластов мощностью до 3,5 м прошел испытания агрегат ЗАНЩ.

■дя более мощных пластов были разработаны различные комплексы и агрегаты щитовыми крепями с распорными и опорными элементами (АЩК, МЩК, Щ и др.). Однако полная механизация производственных процессов при .же угля не достигнута, комплексы и агрегаты не доведены до серийного .изводства из-за сложности распорных устройств И большой массы : сялексов, значительных затрат на монтаж-демонтаж, наличия большого ма технологических режимов и проблем с финансированием.

На основании изложенного можно констатировать, что основным недостатком в решении задач механизированной разработки крутых пластов столбами по падению является отсутствие должного геомеханического обоснования разработок, учета сложности условий залегания пластов, в результате чего создавались громоздкие трудноуправляемые и дорогостоящие конструкции. Движение по такому пути нерационально даже в условиях нормального финансирования научных изысканий. Наиболее целесообразным следует считать решение задач повышения производительности и обеспечения безопасности щитовых забоев путем применения комбинированных решений по разработке технологий выемки угля и создании конструкций щитовых перекрытий

Цель работы. Создание эффективной и безопасной технологии и технических средств для механизированной отработки мощных крутонаклонных и крутых пластов столбами по падению на основе геомеханического обоснования ее основых технологических параметров.

Идея работы. Повышение производительности очистных забоев при отработке мощных крутонаклонных и крутых пластов столбами по падению за счет использования известных средств механизации и сил гравитации.

Основные задачи исследований:

разработка технологических и конструктивных решений, обеспечивающих высокопроизводительную и безопасную механизированную отработку мощных крутых пластов столбами по падению, включая механизированные и комбинированные способы выемки пласта и транспортирования угля, управление передвижными щитовыми перекрытиями, способы борьбы с прорывами глин, обеспечение условий сохранения устойчивости угольного и породного массивов;

- выявление закономерностей проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках при подвигании очистных забоев по падению пласта по результатам проведения шахтных и лабораторных исследований;

- обоснование конструктивных параметров щитовых перекрытий и средств механизации выемки и транспортирования угля по результатам проведения их стендовых и шахтных испытаний;

- обоснование рациональных параметров технологии механизированной разработки крутых пластов столбами по падению.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий обобщение и анализ средств и способов отработки мощных крутонаклонных и крутых пластов, моделирование методом эквивалентных материалов, шахтные исследования, а также аналитические методы, основывающиеся на применении механики сплошной среды с использованием ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

комплекс новых технологических и конструктивных решений по разработке мощных крутых и крутонаклонных угольных пластов столбами по падению под щитовыми перекрытиями, включающий в себя механизированную выемку угля конвейеростругом и буровзрывную выемку опорных целиков с одновременным перемещением щита; шпренгельную конструкцию щитового перекрытия с устройством для подвески к нему конвейероструга;

кинематическую схему механизированной крепи с горизонтальным расположением щитового перекрытия, пбзволяющие обеспечить эффективность и безопасность горных работ при глубине разработки более 200м на пластах с неустойчивыми угольным и породным массивами;

ширина опорных целиков (краевых частей пласта) при механизированной выемке средней части пласта под щитовым перекрытием находится в корреляционной зависимости от угла падения пласта, ширины щита и прочности угля, причем с уменьшением угла падения пласта с 75 до 55° и увеличением размера щита с 4 до 8м ширина опорного целика должна быть увеличена с 0,3 до 1,0м, а при применении БВР - в 1,2-1,3 раза/

технология создания породоугольной подушки над щитовым перекрытием взрыванием скважинных зарядов, решающая проблему предотвращения прорыва глины в рабочее пространство и являющаяся более экономичной и менее трудоемкой по сравнению с применяемым способом взрывания минными камерами. Метод расчета параметров технологии (удельный расход ВВ и т.п.) основан на необходимости заполнения 50% объема выработанного пространства щитового столба;

при механизированной выемке угля интенсивность геомеханических процессов, деформирование крепи конвейерных штреков и износ углеспускных печей в 1,3-1,8 раза меньше по сравнению с обычным щитовым забоем, что следует учитывать при выборе параметров крепи подготовительных выработок;

на протяженность зоны эксплуатационного опорного давления влияют следующие основные факторы: глубина расположения выработок, мощность и угол падения пласта, прочность угля и пород., наличие геологических нарушений и расположение выработок относительно границ ранее отработанных выемочных участков. Протяженность этой зоны по простиранию пласта в зависимости от этих факторов определяется по разработанным для разных глубин номограммам. Протяженность зоны эксплуатационного опорного давления по падению пласта на 35% меньше, чем по его простиранию, а при наличии остаточного опорного давления протяженность общей зоны опорного давления увеличивается в 1,6-1,8 раза.

Научное значение работы заключается в обосновании параметров зон опорного давления и крепи подготовительных выработок, примыкающих к очистному забою, установлении зависимости размеров опорных целиков от угла падения, мощности и прочности угольного пласта, а также в определении длины очистного забоя в зависимости от себестоимости угля.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистически обоснованным объемом

лабораторных, стендовых и шахтных испытаний новых тенологий разработки крутых пластов и конструкций щитовых перекрытий, высоким значением критериев достоверности и надежности установленных зависимостей, удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами шахтных экспериментов, а также положительными результатами производственных испытаний и внедрения предложенных технологий и конструкций.

. Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по параметрам крепления подготовительных выработок; в создании эффективной и безопасной технологии (механизированной и буровзрывной) отработки мощных крутых пластов столбами по падению под оградительными щитовыми крепями, в создании конструкций щитовых перекрытий и агрегатов, подтвержденными патентами и авторскими свидетельствами на изобретения; в обосновании технической возможности и экономической целесообразности замены минных камер скважинными зарядами.

Реализация работы. Результаты исследований вошли в разработанные с участием автора нормативно-методические документы: "Паспорта подготовительных и очистных работ для крутых пластов Кузбасса", Прокопьевск, 1990, 174 е.; "Экспериментальные технологические схемы", Прокопьевск, 1990, 41 е.; "Техническое задание на комплекс ЩСК при отработке пласта Горелого на шахте "Зиминка". На шахте "Зиминка" реализован монтаж и демонтаж щитовых перекрытий и секций агрегата ЩРП, проведены испытания щитового комплекса ЩК6, монорельсовой дороги с грузоподъемным устройством. В результате внедрения получен экономический эффект более 116,0 млн.руб .. (в ценах 1996 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и получили одобрение на заседаниях научно-технического совета АО "УК "Прокопьевскуголь" (1990-1999 гг.), семинарах СФ ВНИМИ и АО "КузНИУИ" (1992-1997 гг.), ИГД им.А.А.Скочинского (1994-1999 гг.) и ИГД СО РАН (1995 г.).

Публикаиш. Основные положения диссертации опубликованы в 12 научных статьях, получено 2 авторских свидетельства на изобретания и 2 патента, которые использовались в технических и рабочих проектах при отработке мощных крутонаклонных и крутых пластов.

Автор выражает благодарность сотрудникам ННЦ ГП - ИГД им. ААСкочинского и СФ ВНИМИ за методическую и практическую помощь в работе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Сложность разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса обусловлена крутонаклонным и крутым залеганием пластов, их сближенностью и большим диапазоном мощностей и углов падения, наличием значительного количества тектонических нарушений с амплитудой смещения до 100 м и др.

Стратиграфический разрез включает до 28 угольных пластов рабочей мощности, причем около 60% балансовых запасов составляют мощные пласты и 32 % - пласты средней мощности. Запасы в тонких пластах незначительны.

В тектоническом отношении месторождение представляет собой брахисинклинальный складчатый комплекс, осложненный синклиналями и антиклиналями второго порядка, которые, в свою очередь, поражены густой сетью разрывных нарушений различных типов и амплитуд, что является основным препятствием для применения средств комплексной механизации в очистных забоях. В этой связи разработка крутонаклонных и крутых пластов средней мощности и мощных в Прокопьевско-Киселевском районе осуществляется до настоящего времени преимущественно буровзрывным способом под щитовыми перекрытиями с транспортированием угля на фланговые печи скреперными установками.

Очевидно, что и для комплексно-механизированной выемки технология разработки пластов по падению с применением щитовых перекрытий наиболее перспективна.

С целью комплексной механизации выемки угольных пластов мощностью 0,7-2,2 м с углами падения 55-90° разработаны, прошли испытания и серийно выпускаются агрегаты 1АЩМ, 1АНЩ, 2АНЩ, а для пластов до 3,5 м прошел испытания агрегат ЗАНЩ. При этом для уменьшения вероятности встречи механизированного комплекса с разрывным нарушением длина забоя ограничена 30-40 м.

Для более мощных пластов разработаны различные агрегаты со щитовыми крепями, оснащенными распорными и опорными элеменами (АЩК, МЩК, ВМЩ и др.).Анализ результатов промышленных испытаний этих агрегатов показал, что:

технологические способы и конструкции средств комплексной механизации при разработке тонких и средней мощности пластов не пригодны для добычи угля из мощных пластов;

слоевая выемка мощных крутых пластов по технологии разработки пластов средней мощности небезопасна и малоэффективна из-за больших потерь угля в междуслоевых целиках и значительных затрат на подготовительные работы;

на мощных крутых пластах полная механизация производственных процессов неэффективна из-за большой сложности конструкции комплексов, большой их массы и, следовательно, трудностей в их удержании за счет распорных устройств, а также значительных затрат на монтаж-демонтаж оборудования;

отсутствуют эффективные и надежные конструктивные решения по управляемости передвижных щитовых перекрытий для отработки пластов с неустойчивыми угольным массивом и боковыми породами;

применяемые при отработке мощных крутых пластов столбами по падению способы борьбы с прорывами глин (минные камеры) требуют больших затрат материальных и трудовых ресурсов;

в достаточной мере не изучены проявления горного давления при механизированной выемке мощных крутых пластов по падению и не установлено их влияние как на параметры системы разработки, так и на параметры щитовых перекрытий.

Для достижения поставленной цели - создания эффективной механизированной технологии разработки мощных крутых пластов - автором предпринята попытка использования в одном очистном забое положительных сторон традиционной щитовой технологии и наиболее работоспособных узлов серийных средств комплексной механизации тонких и средней мощности крутых пластов [1-7].

Разработанная технология включает в себя:

механизированную выемку средней части мощного пласта И транспортировку угля конвейеростругом от серийных а1регатов АЩМ и буровзрывную выемку краевых частей пласта;

применение секционного щитового перекрытия на всю мощность пласта для ограждения призабойного пространства и размещения на нем выемочного и транспортирующего механизированного оборудования (комплекс ЩСК);

перемещение комплекса по падению путем посадки щита при буровзрывной отработке краевых частей пласта (целиков);

надежное управление горным давлением и предотвращение прорывов глины в рабочее пространство путем создания породной подушки над щитовым перекрытием с применением скважинных зарядов; применение агрегата для проведения скатов.

Для решения вопроса комплексной механизации выемки угля под щитом на первом этапе был принят комплекс ЩСК (щит с конвейеростругом). В основу этого комплекса положено оборудование агрегат