автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка безопасных параметров механизированной выемки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения

На правах рукописи

Филатов Юрий Михайлович

Разработка безопасных параметров механизированной выемки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения

Специальности: 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» 25.00.22 - «Геотехнология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в угольной промышленности ВостНИИ (НЦ ВостНИИ)

Научный руководитель:

доктор технических наук

Ли Хи Ун

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Соболев Виктор Васильевич

доктор технических наук Ялевский Владлен Данилович

Ведущая организация - Управление Ростехнадзора по Кемеровской области

Защита диссертации состоится "23" декабря 2005 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 222.007.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в горной промышленности ВостНИИ (НЦ ВостНИИ) по адресу:

650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 34-30-95.

Электронный адрес НЦ ВостНИИ: vostni i@kemnet.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ ВостНИИ.

Автореферат разослан "23"ноября 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук

г*«* 2 2£ИИ

2.7

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Значительное место в развитии добычи угля в Кузнецком угольном бассейне отводится Прокопьевско-Киселевскому району, запасы которого составляют около 31 млрд.тонн. По своему геологическому составу это месторождение является весьма сложным. Характерной особенностью его является наличие большого количества рабочих сближенных пластов угля крутого падения мощностью от 0,8 до 23,3 м.

Угленосная свита подвергнута сильным тектоническим нарушениям, осложнена разрывами сплошности, изменениями мощности и углов падения пластов. Выкроенные прямоугольные ненарушенные участки пластов имеют ограниченные запасы, то есть отработка угля с применением средств комплексной механизации может производиться только выборочно. Эта средства должны быть безопасными, простыми по своей конструкции, малотрудоемкими по монтажу и демонтажу, иметь приемлемую стоимость.

Следовательно, увеличение добычи угля в этих условиях связано, прежде всего, с концентрацией горного производства, экономией как живого, так и овеществленного труда. Вместе с тем, дальнейшее развитие горного производства обусловливает возникновение целого ряда опасных горнотехнических и технологических факторов. Так, каждые 10 лет глубина разработки увеличивается примерно на 100 м, а газообильность выработок - в 1,5-2,0 раза. С ростом объемов добычи угля открытым способом на горных отводах шахты нарушается изоляция горных работ от дневной поверхности, возрастает аэродинамическая связь между шахтой и поверхностью, что приводит к активизации ранее потушенных или возникновению новых подземных эндогенных пожаров. В этих условиях наиболее распространенной является щитовая система разработки, которая по сравнению с другими системами разработки является экономически выгодной: нагрузка на выемочное поле выше в 1,15-2,0 раза, производительность труда рабочего по участку - в 1-2 раза, затраты на добычу 1 т угля ниже в 1,2 раза при отработке пластов средней мощности и в 1,6 раза - мощных пластов. Вместе с тем, сложное строение угольного месторождения, большая доля ручного труда и многие другие

изводственным травматизмом. Числс

причины определяют и положение с пророс. НАЦИОНАЛЫ'/-1. 1 ПОГИ§ЩВД( ЯОТЕ$9РЬГЧе' 1 МЛН. тонн угля

щитовой системой с обрушением и тенденция изменения их участия в производстве приведены в нижеследующей таблице, из которой видно, что за последние 14 лет увеличилась доля травматизма в общем объеме добычи угля при щитовой системе разработки с 10,3 до 13,2% (таблица 1).

Таблица 1

Система 1991-2004 1991 2004

разработ- Добыча Процент Число Добыча Про- Добыча Про-

ки угля, от очи- погиб- угля, цент от угля, цент от

тыс. стной ших на тыс. очист- тыс. очист-

тонн добычи 1 млн. тонн ной тонн ной

тонн добычи добычи

Щитовая -ЩО 7076 14,3 2,1 353 10,3 472 13,2

В основе совершенствования технологии щитовой выемки угля на шахте должны лежать направления по обеспечению механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя, а также технические направления, которые могли бы устранить негативные последствия проявления повышенного горного давления, т.е. обеспечить разгрузку пластов от горного давления и устранить перепуск обрушенных пород с верхних горизонтов.

В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений управления аэрогазодинамическими процессами в многофакторной вентиляционной системе высокогазообильных шахт, которая объединяет в аэрогазодинамически связанную вентиляционную сеть действующие очистные и подготовительные забои с допустимым содержанием метана и выработанное пространство, являющееся коллектором газа и источником возникновения эндогенного пожара.

Целью работы является разработка безопасных параметров механизированной выемки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения.

Идея работы заключается в обосновании новых подходов в направлении обеспечения механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя и разработке на их основе безопасных аэрогазодинамических параметров ведения горных работ на крутопадающих пластах.

Задачи исследований:

провести анализ состояния безопасности ведения горных работ при щитовой системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения;

провести технико-экономический анализ эффективности систем разработки и определить области безопасного их применения в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения;

развить экспериментально-аналитические модели аэрогазодинамических процессов в прилегающем к очистному забою выработанном пространстве и на их основе разработать методы определения эффективных параметров по борьбе с эндогенными пожарами;

разработать прогрессивные технологические решения по проветриванию очистных и подготовительных выработок, обеспечивающие эффективное управление газовой обстановкой при щитовой системе отработки крутопадающих пластов механизированными способами выемки угля.

Методы исследований:

анализ и обобщение опыта по безопасному ведению подземных горных работ на угольных шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения;

аналитические исследования процессов газовой обстановки и очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве;

экспериментально-статистическое обоснование аэрогазодинамических процессов в вентиляционной системе горного массива, очистных и подготовительных выработок и выработанных пространств;

методы математической статистики при отработке и анализе экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

эффективное использование технических средств очистного забоя с учетом соблюдения правил технической эксплуатации и важнейших принципов организации производства является основой обеспечения безопасности технологических процессов в шахте;

последовательное нахождение поля давления, скоростей фильтрации, температуры и концентрации кислорода обусловило разработку способа определения места возникновения эндогенного пожара в выработанном пространстве выемочного столба при отработке крутопадающих пластов механизированным способом;

разработанная математическая модель позволяет определять последовательно на каждом временном слое на границах выработанного пространства в пределах выемочного столба скорости фильтрации каждого из химических компонентов смеси и их концентрации в омывающем выработанное пространство потоке воздуха.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

представительным объемом длительных шахтных исследований с применением апробированных методов и приборов при внедрении технических и технологических решений (1985-2004 гг.; 20 шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса);

применением современного метода математического моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в горном массиве и выработанном пространстве;

удовлетворительной сходимостью результатов экспериментально-статистических исследований (погрешность не более 15% при доверительной вероятности 0,95);

положительным результатом практического применения разработанной системы механизированной выемки угля и обеспечения безопасности горных работ при щитовых системах разработки крутопадающих пластов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработана математическая модель, рассматривающая технологический процесс как систему, состоящую из независимо действующих очистных забоев в пределах выемочного поля, а структурно-технологическая схема добычи угля принимается как процесс, состоящий из определённых технологических операций, подчиняющихся цикличной организации производства;

разработана математическая модель для решения комплекса задач для описания процесса формирования очага эндогенного пожара путём определения степени распространения утечек воздуха в выработанном пространстве, баланса кислорода, теплопереноса в обрушенном массиве и теплообмена между скоплением и фильтрующимся воздухом;

разработана математическая модель фильтрационных процессов для щитовой системы отработки крутопадающих пластов при механизированной выемке угля для определения в выработанном пространстве концентрации газовоздушных смесей в его искомом поле;

установлено, что сокращение количества эндогенных пожаров в шахте может быть достигнуто при обеспечении нулевой депрессии выемочного поля, применении предварительного охлаждения горной массы азотом в выработанном пространстве и учете увеличения скорости подвигания очистного забоя в единицу времени и снижения потерь угля в контуре выемочного столба;

установлено, что при прочих равных условиях ведения горных работ природные условия определяют лишь потенциальные возможности отрицательного проявления горнотехнических факторов, а характер и интенсивность их протекания обусловливаются применяемыми системами разработки;

научно обоснована и экспериментально доказана целесообразность создания и внедрения способа эффективной и безопасной механизированной выемки угля на пластах мощностью более 6,5 м с углами наклона 35-90°. Личный вклад автора состоит:

в проведении анализа и обобщении состояния безопасности горных работ при щитовой системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского района;

в проведении технико-экономического анализа эффективности систем разработки крутопадающих пластов и определении области применения их механизированной выемки;

в разработке математической модели фильтрационных процессов в выработанном пространстве очистных забоев;

в разработке математической модели процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве;

- в разработке математической модели технологического процесса "очистные работы";

в разработке и освоении очистного агрегата ЩРПМ-4 (щит раздельно передвигающийся, механизированный);

в создании и внедрении способа механизированной выемки угля крутопадающих пластов на базе агрегата ЩРПМ-4. Практическая ценность работы Полученные соискателем результаты позволяют:

анализировать, обобщать состояние безопасности горных работ на крутопадающих пластах, определять эффективность применения на них механизированной выемки угля;

определять газовую обстановку и очаги эндогенных пожаров в выработанном пространстве очистных забоев;

определять эффективность работы технологического процесса "очистные работы";

увеличить в два раза нагрузку на забой по сравнению со щитовой системой, увеличить безопасность ведения очистных работ, снизить трудоёмкость, уменьшить потери угля;

за счет высокой скорости подвигания очистного забоя, сокращения времени отработки выемочного столба и потери угля снижать пожароопас-ность системы и влияние горного давления на очистное оборудование;

за счет конструктивных особенностей крепи агрегата отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями, со слабыми сползающими почвами;

за счет механизированной транспортировки угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сократить количество подготовительных выработок (углеспускных печей) и снизить трудоёмкость работ по их креплению и поддержанию;

за счет простоты конструкции и надежности составляющих элементов забойного оборудования обеспечить безаварийную работу очистного забоя.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: «Методические указания по выбору механизированных комлексов для отработки угольных пластов, опасных по горным ударам» (Минтопэнерго, Куз-НИУИ), «Методика расчета допустимых нагрузок на очистные забои по метану для предупреждения загазирования выработок участка» (Кузнецкое управление Госгортехнадзора СССР, 1970), «Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт восточных бассейнов страны» (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР, 1979), «Временное положение по составлению паспорта прогноза технологичности угольных пластов Кузбасса» (Минтопэнерго РФ), «Временные технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения» (Минтопэнерго РФ, Куз-НИУИ), «Руководство по прогнозу эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса» (ВО ВНИГД, 1974).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1995, 2005 гг.), КузНИУИ (г. Прокопьевск, 1993, 1994, 1996, 1998 гг.), НТС ПО «Прокопьевскуголь» (г. Прокопьевск, 1994-1998 гг.), ПО «Киселевскуголь» (г.

Киселевск, 1995-1998 гг.), Управления Кузнецкого округа Госгортехнадзора РФ (г. Кемерово, 1995-2000 гг.), IV Международной научно-практической конференции по перспективам развития горнодобывающей промышлености (Новокузнецк, 1997, 1999 гг.), международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 1994,1998,2000 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 монографии, 6 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 101 странице машинописного текста, включая 4 рисунка, 4 таблицы, 1 приложение, список использованных источников из 30 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Раздел 1

При отработке пластов щитовой системой до глубины 250 м сдвижения основной кровли протекают, как правило, плавно, в виде консольного изгиба слоев и по величине составляют 10 - 15% от мощного пласта. В этих условиях заполнение выработанного пространства перепускающими породами (наносы, обрушающиеся слои непосредственной кровли) при высокой устойчивости основной кровли даже способствовало сохранению устойчивости межстолбовых целиков в отработанном пространстве. Малая величина оседания основой кровли и небольшие (18 - 30 м) ее пролеты межстолбовых целиков не создавали условий для развития опорного давления в окрестности очистных забоев.

На глубине разработки пластов более 250 м происходит изменение механизма сдвижений подработанного массива и напряженного состояния угольного массива и вмещающих пород. На данной глубине подработанный массив начинает смещаться с периодическими осадками и обломами слоев основной кровли, характеризующимися резким увеличением интенсивности смещений и проявлений горного давления в очистных и прилегающих подготовительных выработках. До периода осадок основной кровли опорное давление развивается до максимума и вызывает разрушение угольных целиков, углепускных печей, прорывы породы в призабойное пространство, разрыв канатных связей между отдельными секциями, зажатие щитовой крепи, что, в конечном счете, приводит очистной забой в нерабочее состояние. Одной из основных причин, ослож-

няющих применение щитовой разработки в условиях повышенного горного давления, является наличие углеспускных скважин (печей), проводимых в каждом щитовом столбе через 6 м по простиранию.

Проводимые мероприятия по обеспечению нулевой депрессии выемочного поля, способ предварительного охлаждения горной массы (азотом) в выработанном пространстве без учета увеличения скорости подвигания очистного забоя в единицу времени и снижения потерь угля в контуре выемочного столба не обеспечивали должного сокращения количества эндогенных пожаров в шахте.

Анализируя количественную и качественную оценки щитовой системы разработки в целом, необходимо отметить, что в основу совершенствования технологии щитовой выемки угля на шахте должны быть заложены направления по обеспечению механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя, а также технические направления, которые могли бы устранить негативные последствия проявления повышенного горного давления, т.е. обеспечить разгрузку пластов от горного давления и устранить перепуск обрушенных пород с верхних горизонтов.

В рамках этого решения для отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов институтами КузНИУИ, Донгипроуглемаш, ИГД СО АН СССР и другими было предложено, разработано, испытано большое количество крепей: КПК - 1М, АК-3, ЗАНЩ, А-2С, КНК, КМ1, КГС, КС, ШРП, МГСЛТЗ, АКЗ, КВЗ. Подавляющее большинство конструкций и технологий не пошли дальше стадии эскизных проработок или не получили дальнейшего развития из-за несовершенства конструкций, отрицательных результатов испытаний экспериментальных образцов или их малой эффективности.

В результате проведения большого объема научно-исследовательских, проектно-конструкторских и внедренческих работ, основной целью которых было решение вопроса комплексной механизации очистных работ при щитовой системе разработки, был создан и внедрен в промышленное производство на шахте им. Калинина ПО «Прокопьевскуголь» принципиально новый тип очистного оборудования - щитовой агрегат безраспорного типа ЩРПМ (рис.1).

и

1 -гидрофицированая щитовая оградительная крепь, 2-конвейероструг, 3-гидрооборудование

Рис. 1. Комплекс оборудования агрегата ЩРПМ

Отличительной конструктивной особенностью агрегатов ЩРПМ является то, что крепи этих агрегатов не распираются между боковыми породами, а удерживаются от сползания по падению за счет попеременной опоры на угольный целик у кровли или у почвы пласта. Это в значительной мере снижает возникновение аварийных ситуаций в очистном забое и позволяет обрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями и почвами. Наличие же в конструкции агрегата независимой, раздельной от основания, без предварительного снятия с распора передвижки щитового перекрытия снижает вероятность проникновения обрушенных пород в призабойное пространство.

Основные преимущества технологии отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов длинными столбами по падению с применением ЩРПМ следующие (рис. 2,3,4):

- механизированная выемка угля позволяет в два раза увеличить нагрузку на забой по сравнению со щитовой системой с применением традиционных щитовых перекрытий и в 3-4 раза по сравнению с системами НСО и ДСО увеличить безопасность ведения очистных работ, снизить их трудоемкость, уменьшить потери угля;

- высокая скорость подвигания очистного забоя, сокращение времени отработки выемочного столба, сравнительно небольшие потери угля снижают пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование;

- конструктивные особенности крепи агрегата (отсутствие распора и возможности раздельной принудительной передвижки секций) позволяют отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями и слабьми сползающими почвами;

- механизированная транспортировка угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сокращает количество подготовительных выработок и снижает трудоемкость работ по их креплению и поддержанию.

Накопленный положительный опыт промышленной эксплуатации агрегатов позволяет с уверенностью говорить о правильности выбранного направления по механизированной отработке мощных крутых и крутонаклонных пластов Кузбасса.

Рис.2. Схема отработки мощных крутопадающих пластов с применением очистных агрегатов ЩРПМ-4

Рис. 3. Технологическая схема монтажа щитовых агрегатов ЩРПМ

а гта

Рис. 4. Схема проветривания с применением агрегатов ЩРПМ при отработав пластов столбами по падению: а - при нормальной работе; б - при доработке столба

В качестве эталона, т.е. за единицу, при анализе принималось полное отсутствие травм в очистном забое. Сравнение относительных коэффициентов частоты производственного травматизма производилось с системой разработки мощных крутонаклонных пластов столбами по падению буровзрывным способов с применением обычных жестких щитов.

Показатели уровня травматизма в зависимости от способов выемки угля

Агрегатами ЩРПМ 1

Буровзрывным с крепями ЩРП 1,22

Буровзрывным с жесткими щитами 1,55

Простота и надежность конструкции агрегата, минимальное количество взрывных работ, регулируемый перепуск угля по углеспускным печам, отсутствие их забучивания обусловливают высокую безопасность работ под агрегатами ЩРПМ.

Раздел 2

В этом разделе приведена математическая модель технологического процесса «очистные работы» при щитовой системе разработки с применением агрегатов ЩРПМ, которая понимается как построение функции нагрузки в единицу времени на очистной забой для конкретной системы разработки в зависимости от параметров очистного забоя, численного состава сменного звена горнорабочих, последовательности и продолжительности выполнения операций технологического цикла и т.д.

т/сут, (1)

где А^ - суточная нагрузка на очистной забой, г,

Р^ - количество рабочих смен по добыче угля; Т» ■ продолжительность рабочей смены, мин;

- регламентированные затраты рабочего времени на личные надобности в течение рабочей смены, мин; / - длина очистного забоя, м;

m - мощность пласта или вынимаемого слоя, м; с - коэффициент извлечения запасов по мощности пласта; Ч - численный состав сменного звена горнорабочих очистного забоя, чел.;

t„ - затраты рабочего времени на выполнение подготовительно-

заключительных операций, мин; t„ - продолжительность технологических перерывов, мин; к„ - коэффициент, учитывающий дополнительные затраты рабочего

времени на отдых рабочих в процессе работы; t, - затраты рабочего времени на выполнение i-той операции технологического цикла, мин; г - подвигание очистного забоя за цикл, м/сут; А„ - добыча угля за цикл, т.

Каждая операция технологического цикла ЩРПМ производится одновременно по всей длине очистного забоя.

Объем добытого за сутки угля можно определить по формуле

А^ = А„п„К^, (г\

сут ц ц рст, Vх/

где А„ - добыча угля за цикл, т,

п. - количество циклов в сутки;

Крст - коэффициент работоспособности выемочного столба. Добыча угля за цикл, в свою очередь, определяется параметрами очистного забоя

A^frj{l^mc-Sj, (3)

Щ

где !„ - длина очистного забоя, м;

1Щ - расстояние между углеспускными печами, м;

г - шаг перемещения щитовой крепи за цикл, м;

j - плотность угля в целике, т/м3;

ш - мощность пласта, м;

с - коэффициент извлечения угля по мощности пласта;

Sj. - сечение углеспускной печи, м2.

Количество циклов в сутки п„ определяется числом рабочих смен по добыче угля, продолжительностью рабочей смены, затратами рабочего времени на выполнение работ, не зависящих от объема добычи угля (приемка и сдача

смены) горнорабочими в течение смены, и продолжительностью цикла

N (т )

У * - (4)

После подстановки формул (3), (4) в выражение (2) и необходимых преобразований получим математическое описание технологического процесса «очистные работы» в общем виде

, _ ^ {Тс, 'Крем - ХК,™ ~ УМ реп,

лст--^ • (3)

Продолжительность цикла при ЩРПМ можно описать

тч =(с-О+лО-^оХ'+О-^М+^Ч. (6)

где К0- коэффициент, учитывающий дополнительное время на отдых в процессе выполнения основных и вспомогательных операций, К„ - 0,01;

Кг - коэффициент готовности технологической схемы к выполнению

основных и вспомогательных операций; Ащ - добыча угля из-под щита за цикл, т.

• 7. (7)

Коэффициент извлечения запасов по мощности пласта можно определить по известной формуле

С = 0,907+М5£. (8)

т

Затраты рабочего времени на проветривание очистных забоев со щитовыми перекрытиями определяется по формуле

, а , "^Р"-мин, (9)

где I - коэффициент, учитывающий утечки воздуха; для щитовой разработки Ъ =2;

Кт - коэффициент турбулентной диффузии;

(Зу, - количество воздуха для проветривания очистных забоев в пределах выемочного поля, м3/мин;

£ЧЗ„- необходимое количество воздуха для проветривания подготовительных забоев в пределах выемочного поля;

<3^ - утечки воздуха через щитовое перекрытие и изолирующие сооружения, м3/мин;

у - объем подщитового пространства, м3;

, (\$Пта + 2,6а + 393,4/я - 554.

-),м3, (10)

а - угол падения пласта, град.

Раздел 3

Возгоранию и горению угля в выработанном пространстве предшествует длительный процесс его самонагревания. На этом этапе происходит формирование очага будущего эндогенного пожара. С одной стороны, основное влияние на процесс в это время оказывают физические условия окисления угля. С другой стороны, медленное протекание самонагревания позволяет успешно применять математическое моделирование для его описания.

- ^гай Р =

+ -к I

\

F + F; (11)

<И^р?)=-у,{Х), (12)

где V = + Уу] + У,1с - вектор скорости фильтрации, м/с,

Р - давление воздуха в каждой точке пористой среды, Па;

р - плотность фильтрующегося воздуха, кг/м3;

к - коэффициент проницаемости, м2;

1 - масштаб макрошероховатости, м;

/X - коэффициент динамической вязкости, нс/м2;

Р = ^г + Ру]+- вектор массовых сил, кг/м2 с2;

- функция, описывающая массообмен с поверхностью через дегазационные скважины, кг/м2 -с.

Описывая процесс теплонакопления в выработанном пространстве действующего выемочного участка, будем определять самонагревание как теплофи-зический процесс. То есть, абстрагируясь от химической стороны явления, будем рассматривать обрушенные породы кровли, потери угля как сплошную среду, наделенную теплофизическими и фильтрационными свойствами, источниками тепла и стоками концентрации кислорода.

Уравнение тепло - массопереноса для выработанного пространства выемочного участка в векторной форме имеет вид

ссРс (1 - П)^- -\diAgrad Тс XI - Я) = от

= ЧсуРу{\-П)иоеЕ/*т-аг(Тс-Т,)-к'р,сИ^(Х,Т.У\

плМег^ Т.)+с.р.Л^Т. Р)= = аг{Тс-Т.),

пссиАягаа с)+<яфк)= -иасру (1 - пуЕ/кт

(13)

(14)

(15)

Ри{Тв)=Роехр{-^ЯТв1 где Тс - температура твердой среды (соответственно Ту - температура угля, Тп -температура пород),°К;

Т,- термодинамическая температура воздуха, °К;

С - концентрация кислорода в фильтрующемся воздухе (в долях единицы);

Сс, Св- соответственно теплоемкость твердой среды и воздуха, Дж/кг °К; Лс,Яв- теплопроводность, соответственно, твердой среды и воздуха, Вт/м°К;

ССУ- коэффициент объемной теплоотдачи, Дж/м3 с-°К; ио - константа скорости сорбции кислорода углем, м3/кгс; Е - температурный коэффициент константы скорости сорбции кислорода углем,

рс,рв- плотность, соответственно, твердой среды и воздуха, кг/м3;

Р6 - барометрическое давление воздуха, Па;

Рн - давление насыщенных паров, Па;

Ь - удельная теплота парообразования, Дж/моль;

Я - универсальная газовая постоянная, Дж/моль -°К;

Сп - теплоемкость водяных паров, Дж/кг -°К;

к - отношение молекулярного веса воды к молекулярному весу воздуха

(к* =0,622);

V - вектор скорости фильтрации, м/с;

О - коэффициент диффузии кислорода, м2/с;

П - пористость скопления;

П5 - просветность скопления;

Т0 - начальная температура комплекса «твердая среда - воздух», °К.

Систему уравнений замыкают граничные и начальные условия, которые определяются режимом фильтрации и тепло - массопереноса на границах выработанного пространства выемочного столба.

Таким образом, для определения температурного поля последовательно находим поле давлений, скоростей фильтрации, температуры и концентрации кислорода.

Раздел 4

Произведено математическое моделирование фильтрационных процессов в выработанном пространстве при щитовой отработке крутопадающих пластов для определения концентрации газовой смеси в выработанном пространстве.

При моделировании допускалось:

1. Без большой потери точности предполагалось, что фильтрующийся поток является смесью азота, кислорода, метана и двуокиси углерода. Компоненты смеси химически нейтральны, т.е. не вступают между собой в химические реакции.

2. Режим фильтрации считался установившимся в условиях постоянства температуры.

3. Область фильтрации рассматривалась как сплошная среда, наделенная фильтрационными свойствами, источниками метана и двуокиси углерода и стоками концентрации кислорода.

4. Проницаемость скопления считалась постоянной во времени и зависящей только от расстояния выбранной точки выработанного пространства до линии очистного забоя.

5. При скоростях фильтрации, заведомо меньших скорости звука, поведение фильтрующейся смеси мало отличается от поведения идеального газа.

Для каждого химического компонента справедливы уравнения сохранения импульса

(вшГ(Р)+^); (16)

&к=рСкУк (17)

и массы

<Иу{<р&ас1(Р)) - <ру? ■ ёга<1{раР) = 0; (18)

Л &

у?=(0^8та,£со5а), (19)

где V* = V*! + V*] + У*к - скорость фильтрации к-того компонента в потоке в точке с координатами (х,у,г), м/с;

С* - молярная концентрация к-того компонента в смеси, в долях единицы;

Р - полное давление в потоке, Па;

р0 - плотность смеси при нормальных условиях, кг/м3;

Р0 - давление воздуха в нормальных условиях, Па;

Рк - Р*« + Ру] + Р*к - вектор массовых сил, Н;

у* - коэффициент кинематической вязкости к-того компонента смеси,

м*/с;

к- коэффициент проницаемости пород, м2; /- коэффициент макрошероховатости, м; /- время, с.

С другой стороны, материальный баланс каждого компонента смеси складывается из:

изменения массы в единице объема за единицу времени;

УГк = -

V1 Г\

— + ]—1

к I

диффузионного переноса; конвективного переноса; источника (стока) концентрации.

В силу сделанных предположений материальный баланс компонентов смеси имеет вид

Для СОг:

Пр^{ссо')-От'рЛ^а(1Ссо')+рЛу(рсо^Ссо')=дсо'. (20)

Для СЯ4:

Л/з| (С-)- Оа'-рЛЧ^С™')+ /^у(кс"'Сс"' )= е®' . (21)

Для Ыг:

Г1р—{С')- Оы'рс!м{^а<1С)+ р¿™{у "¡С"2)= 0. (22)

Для 02:

Пр^{с0')-00'р<И^гЫС0')+ = , (23)

где О* - коэффициенты диффузии компонентов, м2/с;

б* - источники (сток) компонентов смеси, кг/ м3с.

Начальные и граничные условия определяют режим фильтрации и массо-обмена на границах выработанного пространства в пределах выемочного столба и в первоначальный момент времени.

Описанная система уравнений была реализована не явной схемой расщепления, с помощью которой последовательно на каждом временном слое определялись скорости фильтрации каждого из химических компонентов смеси и их концентрации в омывающем выработанное пространство потоке воздуха.

Раздел 5

Произведена комплексная оценка технико-экономической эффективности щитовой системы разработки с применением очистного агрегата ЩРПМ. За основу комплексного метода оценки принято положение, что рациональными системами разработки считаются такие, которые в условиях промышленного развития обеспечивают высокую безопасность горных работ, максимальную полноту извлечения запасов, высокую производительность труда, высокое ка-

чесгво угля и минимальные издержки производства. Сущность метода заключается в том, что эффективность систем разработки определяется на основе их полной технической и экономической оценки.

Основными показателями технической оценки систем разработки приняты:

1. Пожароопасность - степень возможности возникновения пожаров на участке пласта или выемочном поле.

Пожароопасность определяется как степенью склонности угля к самовозгоранию, так и внешними условиями возможности возникновения пожара. Поэтому при одинаковой склонности угля к самовозгоранию пожароопасность различных систем различна.

Пожароопасность по системам К,,*, пож/1 млн.тонн, определялась на основании фактических данных о количестве возникших пожаров >1пж и добыче угля Д по системе за истекший период

(24)

2. Безопасность систем разработки по производственному травматизму Кт, случ/1000 вых., получена делением количества тяжелых и смертельных несчастных случаев в очистных N° и подготовительных N° забоях на количество отработанных выходов рабочих В за рассматриваемое время

ь.Щрй. т

3. Аварийность - неожиданное, внезапное нарушение ритмичной работы участка, вызывающее потери добычи угля и наносящее материальный ущерб, а иногда и угрожающее безопасности людей.

Аварийность по системам разработки К ,ч/год, определяется на основании данных о количестве аварий и их продолжительности

(26)

где Па - количество аварий по системе за исследуемый период;

^ - продолжительность одной аварии, ч;

1 - продолжительность исследуемого периода, лет.

4. Полнота извлечения запасов КА, %, характеризуется объемом добываемого угля Д и теряемого при эксплуатации П3. В качестве измерителя полноты извлечения запасов приняты эксплуатационные потери угля

• К.-ЛЖ. (27)

д+пэ

5. Учет абсолютного и удельного объемов подготовительно-нарезных выработок производится в метрах. Характеристика систем разработки по объёму подготовительно-нарезных работ проведена в м^/ЮОО т. Объем проведения подготовительно-нарезных работ по каждой системе определяется расчетным путем на основании типовых схем ведения горных работ и фактических горнотехнических параметров.

6. Показатель среднемесячной добычи угля по системам разработки определяется в расчете на один забой и по сумме возможного количества их, то есть с учетом возможной концентрации очистных работ внутри выемочных полей с соблюдением сопоставимости по горнотехническим факторам.

Определена экономическая эффективность системы с применением очистного агрегата ЩРПМ взамен щитовых крепей Чинакала со скреперованием и без скреперования угля вдоль очистного забоя.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задач по разработке безопасных параметров технологического процесса при механизированной выемке крутопадающих пластов, имеющих существенное значение для обеспечения безопасности горных работ.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что при отработке мощных крутых и крутонаклонных пластов длинными столбами по падению применение механизированной выем-

ки с помощью агрегатов ЩРГГМ позволяет в два раза увеличить нагрузку на забой по сравнению со щитовой системой с традиционными щитовыми перекрытиями, увеличить объемы ведения очистных работ, снизить трудоемкость, уменьшить потери угля.

2. Установлено, что высокая скорость подвигания очистного забоя, со- , кращение времени отработки выемочного столба, сравнительно небольшие потери снижают пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование.

3. Механизированная транспортировка угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сокращает количество подготовительных выработок и снижает трудоемкость работ по их креплению и поддержанию.

4. Простота конструкции и надежность составляющих элементов забойного оборудования обеспечивают безаварийную работу очистного забоя, не требуется специальной длительной подготовки обслуживающего персонала.

5. Возможность проведения под агрегатом всех вспомогательных операций в сочетании с механизированной выемкой без нарушения целостности механизмов агрегатов позволяет обеспечить гибкую технологию ведения очистных работ, варьирование способами отработки забоя и передвижкой крепи, прохождение сбросов и сужений пласта.

6. Разработана математическая модель технологического процесса «очистные работы» при механизированной выемке угля с помощью агрегатов ЩРПМ, представляющая функцию нагрузки в единицу времени, в зависимости от параметров очистного забоя, численного состава горнорабочих за смену, последовательности и продолжительности выполнения операций технологическо- * го цикла и т.д.

7. В результате теоретических исследований получена математическая ' модель процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве при механизированной выемке крутопадающих пластов, имеющая научно-практическое значение для обнаружения очага эндогенного пожара ран-

ней стадии самовозгорания угля и принятия своевременных мер по профилактике.

8. Разработана математическая модель фильтрационных процессов для щитовой системы отработки крутопадающих пластов при механизированной выемке угля для определения концентрации газовоздушной смеси в омывающем выработанное пространство потоке воздуха.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Филатов, Ю.М. Математическое описание технологического процесса - очистные работы при отработке пластов угля крутого падения буровзрывным и механизированным способами /Ю.М. Филатов, Н.С. Арсенов. -Прокопьевск, 1993.-73 с.

2. Филатов, Ю.М. Расчет нагрузки на очистной забой при щитовой отработке пластов / Ю.М. Филатов, Н.С. Арсенов, В.Д. Голобоков // Вопросы отработки крутых угольных пластов: сборник научных трудов/ КузНИУИ. -Прокопьевск, 1993.

3. Филатов, Ю.М. Техническая и экономическая целесообразность применения агрегатов ЩРПМ взамен щитов Чинакала на шахте им. Калинина АО Угольная компания «Прокопьевскуголь» / Ю.М. Филатов, Н.С. Арсенов; КузНИУИ. - Прокопьевск, 1994. - 110 с.

4. Филатов, Ю.М. Оценка эффективности, выбор рациональных систем разработки и направления повышения конкурентоспособности добычи угля на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса /Н.С. Арсенов, Ю.М. Филатов. - Прокопьевск. 1995. - 96 с.

5. Филатов, Ю.М. Теоретические исследования процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве при отработке крутых пластов /Ли Хи Ун, A.M. Рыков, Ю.М. Филатов // Научные сообщения ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 2005. -№330.

6. Филатов, Ю.М. Выбор безопасных параметров технологического процесса (очистные работы) при отработке крутопадающих пластов / Ли Хи Ун, A.M. Рыков, Ю.М.Филатов // Научные сообщения ННЦ ГП - ИГД им. A.A. Скочинского. -М., 2005. - №331.

7. Филатов, Ю.М. Управление аэрогазодинамическими процессами и опасностью загазирования на выемочных участках в многофакторной системе проветривания газообильных шахт / Ли Хи Ун, Г.И. Аксенов, Ю.М. Филатов, И.Д. Мащенко /Вестник НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2005. -№2. -С.140-148.

8. Филатов, Ю.М. Анализ производственного травматизма на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения/ Г.И. Аксенов, Ю.М. Филатов, Ли Хи Ун, A.M. Рыков / Вестник НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2005. -№2. -С.91-95.

9. Филатов, Ю.М. Исследования изменения газового режима в результате сейсмической активности в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения /Ли Хи Ун, Г.И. Аксенов, А.Н. Рыков, Ю.М. Филатов // Вестник НЦ ВостНИИ. -Кемерово, 2005. -С. 95-99.

Подписано в печать 17.11.05. Тираж 100 экз. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ № 72 2005 г. Кемерово. Ротапринт НЦ ВостНИИ, ул. Институтская, 3

'' 7 2 6

m русски а 200G-¿¡ ZlGAO

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ КРУОПАДАЮ-ЩИХ ПЛАСТОВ ПРОКОПЬЕВСКО-КИСЕЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

ГОРНОТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ТЕНДЕНЦИИ ИХ ' ИЗМЕНЕНИЯ

1.1. Глубина ведения горных работ.

1.2. проявление горного давления.

1.3. Газообильность пластов.

1.4. Выбросоопасность пластов.

1.5. Проветривание шахт.

1.6. Многогоризонтность шахт.

1.7. Потери угля при разработке месторождений.

1.8. Технологические схемы разработки крутых и крутонаклонных пластов с применением агрегата ЩРПМ.

1.9. Анализ травматизма при работе с агрегатом

ЩРПМ.

1.10. Выводы.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА «ОЧИСТНЫЕ РАБОТЫ» ПРИ ОТРАБОТКЕ КРУТОПАДАЮЩИХ ПЛАСТОВ МЕХАНИЗИРОВАННЫМ СПОСОБОМ С ПОМОЩЬЮ АГРЕГАТА ЩРПМ.

2.1. Общие положения. '

2.2. Математическое описание технологического процесса «очистные работы».

2.3. Выводы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА •Г ФОРМИРОВАНИЯ ОЧАГА ЭНДОГЕННОГО ПОЖАРА В ВЫРАБОТАННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ОТРАБОТКЕ КРУТО

ПАДАЮЩИХ ПЛАСТОВ.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ И ИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ В ОМЫВАЮЩЕМ ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО ПОТОКЕ ВОЗДУХА.

5. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЩИТОВОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ С

ПРИМЕНЕНИЕМ ОЧИСТНОГО АГРЕГАТА ЩРПМ.

5.1. Техническая оценка системы разработки.

5.2. Экономическая оценка целесообразности отработки мощных пластов угля с применением агрегата

ЩРПМ взамен щитовых крепей Чинакала со скре-перованнем и без скреперования угля вдоль очистного забоя.

Актуальность работы. В Кузнецком угольном бассейне значительное место в развитии добычи угля отводится Прокопьевске- Киселевскому району, запасы которого составляют порядка 31 млрд.т. По своему геологическому составу это месторождение является весьма сложным. Характерной особенностью его является наличие большого количества рабочих сближенных пластов угля крутого падения мощностью от 0,8 до 23,3 м.

Угленосная свита подвергнута сильным тектоническим нарушениям, осложнена разрывами сплошности, изменениями мощности и углов падения пластов. Выкроенные прямоугольные ненарушенные участки пластов имеют ограниченные запасы, то есть отработка угля с применением средств комплексной механизации может производиться только выборочно. Эти средства прежде всего должны быть безопасными, простыми по своей конструкции'и обладать незначительной трудоемкостью по монтажу и демонтажу, иметь незначительную стоимость.

Следовательно, увеличение добычи угля в этих условиях связано, прежде всего, с концентрацией горного производства, экономии как живого, так и овеществленного труда. Вместе с тем дальнейшее развитие горного производства обусловливает возникновение целого ряда опасных горнотехнических и техног логических факторов. Так, каждые Юлет глубина разработки увеличивается примерно на 100 м, а газообильность выработок - в 1,5 — 2,0 раза. С ростом объемов добычи угля открытым способом на горных отводах шахты нарушается изоляция горных работ от дневной поверхности, возрастает аэродинамическая связь между шахтой и поверхностью и, как следствие, активизация ранее потушенных или возникновение новых подземных эндогенных пожаров. В этих условиях наиболее распространенной является щитовая система разработки, г которая по сравнению с другими системами разработки является экономически выгодной: нагрузка на выемочное поле выше в 1,15-2,0 раза, производительность труда рабочего по участку - в 1-2 раза, затраты на добычу 1 т угля ниже в 1,2 раза при отработке пластов средней мощности и в 1,6 раза - мощных пластов. Вместе с тем, сложное строение угольного месторождения, большая доля ручного труда и многие другие причины определяют и положение с производственным травматизмом. Число погибших при добыче I млн тонн угля щитовой системой с обрушением и тенденция изменения их участия в производстве приведены в нижеследующей таблице №1, из которой видно, что за последние 14 лет увеличилась доля травматизма в общем объеме добычи угля при щитовой системе разработки от 10,3 до 13,2%.

Таблица 1

Система разработки 1991-200^ 1991 2004

Добыча угля, тыс. тонн Процент от очистной добычи Число погибших на 1 млн. тонн Добыча угля, тыс. тонн Процент от очистной добычи Добыча'угля, тыс. тонн Процент от очистной добычи

Щитовая -ЩО 7076 14,3 2,1 353 10,3 472 13,2

В основу совершенствования технологии щитовой выемки угля на шахте должны быть заложены направления по обеспечению механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя, а также технические направления, которые могли бы устранить негативные последствия проявления повышенного горного давления, т.е. обеспечить разгрузку пластов от горного давления и устранить перепуск обрушенных пород с верхних горизонтов.

В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений управления аэрогазодинамическими процессами в многофакторной вентиляционной системе высокогазообильных шахт, которая объединяет в аэрогазодинамически связанную вентиляционную сеть действующие очистные и подготовительные забои с допустимым содержанием метана и выработанное пространство, являющееся коллектором газа и источником возникновения эндогенного пожара.

Целью работы является разработка безопасных параметров механизированной выемки крутопадающих пластов Прокопьевско - Киселевского местог рождения.

Идея работы заключается в обосновании новых подходов в направлении обеспечения механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя и разработка на их основе безопасных аэрогазодинамических параметров ведения горных работ на крутопадающих пластах.

Задачи исследований: провести анализ состояния безопасности ведения горных работ при щитовой системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско - Киселевского месторождения; провести технико-экономический анализ эффективности систем разработки и определить области безопасного их применения в условиях шахт Прокопьевско - Киселевского месторождения; развить экспериментально-аналитические модели аэрогазодинамических процессов в прилегающем к очистному забою выработанном пространстве и на их основе разработать методы определения эффективных параметров по борьбе с эндогенными пожарами; разработать прогрессивные технологические решения по проветриванию очистных и подготовительных выработок, обеспечивающие эффективг ное управление газовой обстановкой при щитовой системе отработки крутопадающих пластов механизированными способами выемки угля.

Методы исследований: анализ и обобщение производственных работ по безопасному ведению подземных горных работ на угольных шахтах Прокопьевско - Киселевского месторождения; аналитические исследования процессов газовой обстановки и очагов эндогенных пожаров в выработанном пространстве; экспериментально-статистическое обоснование аэрогазодинамических процессов в вентиляционной системе очистных и подготовительных выработок и выработанных пространств; методы математической статистики при отработке и анализе экспег риментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту: эффективное использование технических средств очистного забоя с учетом соблюдения правил технической эксплуатации и важнейших принципов организации производства является основой обеспечения безопасности технологических процессов на шахте; последовательное нахождение поля давления, скоростей фильтрации, температуры и концентрации кислорода обусловило разработку способа определения места возникновения эндогенного пожара в выработанном пространстве выемочного столба при отработке крутопадающих пластов механизированным способом; разработана математическая модель, позволяющая определять последовательно на каждом временном слое на границах выработанного пространства в пределах выемочного столба скорости фильтрации каждого из химических компонентов смеси и их концентрации в омывающем выработанное пространство потоке воздуха.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом длительных шахтных исследований аэрогазодинамического процесса с применением апробированных методов и приборов при внедрении технических и технологических решений (с 1985 г. по 2004 г.; 20 шахт Прокопьевско - Киселевского района Кузбасса); применением современного метода математического моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в горном массиве и выработанном пространстве; удовлетворительной сходимостью результатов экспериментально-статистических исследований, (погрешность не более 15% при доверительной вероятности 0,95); положительным результатом практического применения разработанной системы механизированной выемки угля и обеспечения безопасности горных работ при щитовых системах разработки крутопадающих пластов.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана математическая модель, рассматривающая технологический процесс как систему, состоящую из независимо действующих очистных забоев в пределах выемочного поля, а структурно- технологическая схема добычи угля принимается как процесс, состоящий из определённых технологических операций, подчиняющихся цикличной организации производства; разработана математическая модель для решения комплекса задач г для описания процесса формирования очага эндогенного пожара путём определения степени распространения утечек воздуха в выработанном пространстве, баланса кислорода, теплопереноса в обрушенном массиве и теплообмена между скоплением горных пород и фильтрующимся воздухом; разработана математическая модель фильтрационных процессов для щитовой системы отработки крутопадающих пластов при механизированной выемке угля для определения в выработанном пространстве концентрации г газовоздушных смесей в его искомом поле; установлено, что сокращение количества эндогенных пожаров в шахте может быть достигнуто при обеспечении нулевой депрессии выемочного поля, применении предварительного охлаждения горной массы азотом в выработанном пространстве и учете увеличения скорости подвигания очистного забоя в единицу времени и снижения потерь угля в контуре выемочного столба; установлено, что при прочих равных условиях горных работ при» родные условия определяют лишь потенциальные возможности отрицательного проявления горнотехнических факторов, а характер и интенсивность их протекания обусловливаются применяемыми системами разработки; научно обоснована и экспериментально доказана целесообразность создания и внедрения способа эффективной и безопасной механизированной выемки угля на пластах мощностью более 6,5 м с углами наклона 35-90°. Личный вклад автора состоит: в проведении анализа и обобщения состояния безопасности горных работ при щитовой системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского района; в проведении технико-экономического анализа эффективности систем разработки крутопадающих пластов и определения области применения их механизированной выемки; в разработке математической модели фильтрационных процессов в г выработанном пространстве очистных забоев; в разработке математической модели процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве;

- в разработке математической модели технологического процесса "очистных работ"; в разработке и освоении очистного агрегата ЩРПМ (щит раздельно передвигающийся механизированный); в создании и внедрении способа механизированной выемки угля крутопадающих пластов на базе агрегата ЩРПМ. Практическая ценность работы Полученные соискателем результаты позволяют: анализировать, обобщать состояние безопасности горных работ на крутопадающих пластах, оценить эффективность работы механизированной выемки угля; определять газовую обстановку и очаги эндогенных пожаров в выработанном пространстве очистных забоев; определять эффективность работы технологического процесса "очистные работы"; увеличить в 2 раза нагрузку на забой по сравнению с щитовой системой, увеличить безопасность ведения очистных работ, снизить трудоёмкость, уменьшить потери угля; за счет высокой скорости подвигания очистного забоя, сокращения времени отработки выемочного столба и потери угля снижать пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование; за счет конструктивных особенностей крепи агрегата отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями со слабыми сползающими почвами; за счет механизированной транспортировки угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сократить количество подготовительных выработок (углеспускных печей) и снизить трудоёмкость работ по их креплению и поддержанию; за счет простоты конструкции и надежности составляющих элементов забойного оборудования обеспечить безаварийную работу очистного забоя.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертациI онной работе использованы при разработке и совершенствовании следующих нормативных документов: «Методические указания по выбору механизированных комлексов для отработки угольных пластов, опасных по горным ударам» Минтопэнерго, КузНИУИ, «Методика расчета допустимых нагрузок на очистные забои по метану для предупреждения загазирования выработок участка» (Кузнецкое управление Госгортехнадзора СССР, 1980г., 1990 г.), «Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт г восточных бассейнов страны» (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР,

1989г.), «Временное положение по составлению паспорта прогноза технологичности угольных пластов Кузбасса» Минтопэнерго РФ, «Временные технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско - Киселевского месторождения» Минтопэнерго РФ, КузНИУИ, «Руководство по прогнозу эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт Прокопьевско - Киселевского района Кузбасса», ВО ВНИИГД, 1998г. г

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово 1995, 2005), КузНИУИ (г. Прокопьевск 1993, 1994, 1996, 1998), НТС ПО «Про-копьевскуголь» (г. Прокопьевск 1994-1998г.г.), ПО «Киселе веку голь» (г. Кисе-левск 1995-1998г.г.), Управления Кузнецкого округа Госгортехнадзора РФ (г. Кемерово 1995-2000г.г.), IV Международной научно-практической конференции по перспективам развития горнодобывающей промышленности (НовокузI нецк 1997,1999г.г.), Международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (Кемерово 1994, 1998,2000).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 монографии, 6 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 101 странице машинописного текста, включая 4 рисунка, 4 таблицы, приложения, списка использованных источников из 30 наименований.

5.3. Выводы и предложения.

Полувековой опыт использования щитовой системы разработки отражает по существу ее положительные и отрицательные возможности. Простота технологии, адаптивность к сложным горно-геологическим условиям до настоящего времени являются непревзойденными. Однако на глубине разработки пластов более 250 м с резким увеличением интенсивности смещений подработанного массива и проявлением высокого опорного давления на призабойные угольные целики при буровзрывной технологии щитовые крепи Чинакала не в полной мере обеспечивают устойчивое состояние угольных целиков в приза-бойной части из-за отсутствия возможности работы щитовых перекрытий в постоянном контакте с угольным массивом. В результате высокая аварийность с щитовыми забоями и, как следствие, высокие потери угля и опасность возникновения подземных пожаров. По этой причине за последние годы наблюдается неуклонное снижение нагрузки на щитовые забои по шахте.

Естественно, что без дальнейшего совершенствования щитовая система разработки не могла иметь широкого перспективного применения.

Результаты эксплуатации опытных образцов агрегатов ЩРГТМ-1,1ЦРПМ-2 показывают правильность принятых конструктивных и принципиальных рег шений не только для пластов круто наклонно го, но и крутого падения.

С внедрением очистных агрегатов ЩРПМ на пластах Мощном, IV Внутреннем, Двойном, Горелом щитовая система разработки получит новый качественный скачок: значительно улучшатся условия и комфортность механизированного труда и безопасность ведения очистных работ; позволит на шахте довести механизированную выемку угля под щитами до 35—40%, в целом по шахте повысить нагрузку на очистной забой в 1,5—2,0 раза и производитель» ность труда рабочего в 1,5 раза при снижении себестоимости добычи угля в 1,3 раза, на 50% снизить расход лесных материалов на монтаж щитовых перекрытий, в 1,3 раза сократить сроки отработки выемочных полей. Механизированная добыча из-под агрегатов ЩРПМ составит 75%, а транспортировка угля из забоя—100%.

Применение агрегата ЩРПМ в одном забое в год дает экономический эффект 350 млн. руб.

Анализ ввода и выбытия очистных забоев на перспективу до 2005 г. дает основание считать, что только техническое перевооружение - перевод отработки пластов на очистные агрегаты ЩРПМ вместо старой технологии - в целом по шахте даст экономию денежных средств с 1997 г. по 2005 г. по 3 млрд. рублей ежегодно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно - квалификационной работой, в которой содержится решение задач по разработке безопасных параметров технологического процесса при механизированной выемке крутопадающих пластов, имеющих существенное значение для обеспечения безопасности горных работ в условиях шахт Прокопьевско - Киселевского месторождения. г

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что при отработке мощных крутых и крутонаклонных пластов длинными столбами по падению с применением механизированной выемки с помощью агрегатов ЩРПМ позволяет в 2 раза увеличить нагрузку на забой по сравнению с щитовой системой с традиционными щитовыми перекрытиями, увеличить фронт очистных работ, 1 снизить трудоемкость, уменьшить потери угля.

2. Установлено, что высокая скорость подвигания очистного забоя, сокращение времени отработки выемочного столба, сравнительно небольшие потери снижают пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование.

3. Механизированная транспортировка угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сокращает количество подготовительных выработок и снижает трудоемкость работ по их креплению и поддержанию.

4. Простота конструкции и надежность составляющих элементов забойного оборудования обеспечивает безаварийную работу очистного забоя и не требует специальной длительной подготовки обслуживающего персонала.

5. Возможность проведения под агрегатом всех йспомогатель-ных операций в сочетании с механизированной выемкой без нарушения целостности механизмов агрегатов позволяют обеспечить гибкую технологию ведения очистных работ, варьировать способами отработки забоя и передвижку крепи, проходить сбросы и сужения пласта.

6. Разработана математическая модель технологического процесса «очистные работы» при механизированной выемке угля с помощью агрегатов ЩРПМ, представляющую функцию нагрузки в единицу времени в зависимости от параметров очистного забоя, численного состава горнорабочих за смену, последовательности и продолжительности выполнения операций технологического цикла и т.д.

7. В результате теоретических исследований получена математическая модель процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве при механизированной выемке крутопадающих г пластов, имеющая научно-практическое значение для обнаружения ранней стадии самовозгорания угля и принятия своевременных мер по профилактике.

8. Разработана математическая модель фильтрационных процессов в выработанном пространстве при щитовой системе отработки крутопадающих пластов для определения в конечном итоге концентрации газовоздушной смеси в омывающем выработанное пространство потоке г воздуха.

1. Определить оптимальные уровни концентрации горных работ, «Отчет» тема 0501420002, инв. №6205653, КузНИУИ, 1973.

2. Мясников A.A. Проветривание горных выработок при различных системах разработки. М., Госгортехиздат, 1962.t

3. Руководство по прогнозу эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса. Ленинск-Кузнецкий, ВНИИГД, Восточное отделение, 1974.

4. Методические рекомендации расчета нагрузки на действующий очистной забой с буровзрывной выемкой угля из пластов крутого падения с обрушением и закладкой выработанного пространства. Прокопьевск, КузНИУИ, 1979.t

5. Временная инструкция по предотвращению прорывов глин в действующие горные выработки на шахтах Кузбасса. Ленинград, ВНИМИ, 1989.

6. Единые нормы выработки (времени) для шахт Кузнецкого бассейна. М., 1981.

7. Арсенов Н.С. Петров А.И. Широков А.П. Разработка пластов в сложных горно-геологических условиях. Кемерово, Кем. кн.,изд., 1984.

8. Ильин В.И. Потурилов A.M. Вскрытие и подготовка новых горизонтов на шахтах при разработке крутых пластов. Прокопьевск, «Пласт-1», 1994.

9. Грицко Г.И., Посохов Г.Е. Горное давление на мощных крутых пластах. Новосибирск, Наука, 1967.

10. Арсенов Н.С. Широков А.П. Рекомендации по совершенствованию технологии выемки угля с закладкой выработанного пространства. Прокопьевск, 1970.

11. Арсенов Н.С., Головня А.П., Шарипов М.Ш., Новиков В.М. Области эффективного применения систем разработки в Прокопьевско-Киселевском районе Кузбасса. Прокопьевск, 1970.

12. Новиков В.М., Головня А.П., Арсенов Н.С. Анализ травматизма при различных системах разработки. Техника безопасности труда и горноспасательное дело №4, 1970

13. Головня А.П., Новиков В.М. Комплексная оценка систем разработки. Сб. науч. тр. КузНИУИ№18. Прокопьевск, 1969.

14. Лебедев A.B., Воронцов Ю.В. Технология, безопасность работ и научная организация при разработке крутонаклонных пластов Кузбасса щитовыми агрегатами ЩРПМ. М., ЦНИЭИуголь, 1991.

15. Линденау Н.И., Буткевич Р.В., Кривобок К.П., Разработка мощныхгугольных пластов. М., Недра, 1965.

16. Филатов Ю.М., Арсенов Н.С. Техническая и экономическая целесообразность применения агрегатов ЩРПМ взамен щитов Чинакала на шахте им. Калинина АО «Угольная компания «Прокопьевскуголь», Прокопьевск, АООТ «КузНИУИ», 1994.

17. Провести исследования по установлению области применения выравнивания давления воздуха для борьбы с подземными пожарами и газами. Отчет (ВостНИИ): рук. Работы: Мащенко И.Д., Мясников A.A., Быкова З.С. № гос. регистрации 7607118.- Кемерово, 1979, 230с.

18. Определить оптимальные уровни концентрации горны работ. Отчет о НИР. Тема 050120002, инв № 6285653, КузНИУИ, 1973.

19. Ли Хи Ун, Рыков А.М. Аналитические исследования процесса формирования очага эндогенного пожара, Сб. ст./НЦ ВостНИИ, 2004.

20. Исследовать возможность локации эндогенных пожаров в отработанной части пластов угля: отчет НИР (заключ.) ВО ВНИИГД рук. Вы-легжанин В.Н. №ГР 1904520000, Прокопьевск, 1978, 160с.

21. Милетич Ф.Ф. Утечки воздуха и их расчет при проветривании шахт, М., Недра. 1988. 148с.

22. Глузберг Е.И. Теоретические основы прогноза и профилактики шахтных эндогенных пожаров. М., Недра. 1986. 256с.

23. Веселовский B.C. Научные основы борьбы с самовозгоранием углей. М., Недра. 1967.

24. Мясников A.A., Проветривание выработанного пространства выемочного участка при отработке обратным ходом. В кн.: «Вопросы безопасности в угольных шахтах», №2. М., Госгортехиздат, 1962. Вос-тНИИ)

25. Маевская В.М. Прогноз эндогенных пожаров, дисс. на сиск. уч. степ. докт. техн. наук. Кемерово, КузПИ, 1970.г

26. Маевская В.М., Морозов А.Д. Влияние утечек воздуха на развитие процесса самовозгорания угля. В кн.: «Вопросы безопасности в угольных шахтах», т.2. М., Госгортехиздат, 1962 ВостНИИ)

27. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., «Наука», 1969.75