автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок

На правах рукописи

АТРУШКЕВИЧ Виктор Аркадьевич

УДК 622.232.5:622.271.325

РАЗРАБОТКА ИНТЕНСИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНОЙ ГИДР0МЕХАНИЗНР0ВАНН0Й ДОБЫЧИ УГЛЯ ИЗ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

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

Официальные оппоненты:

' докт. техн. наук, проф. КАПЛУНОВ Д. Р.,

< ■• ' -. • . ' С ; Ь '1

докг. техн. наук, проф. КАТКОВ Г. А.,

докт. техн. наук, проф. МАЛУХИН Н. Г.

Ведущая организация — АООТ «Лепинскуголь» (г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской обл.).

Защита диссертации состоится 24 декабря 1997 г. в 12 час.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 11. » ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ 10. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Программой реструктуризации угольной отрасли намечено сокращение в шахтном фонде доли нерентабельных угольных предприятий, среди которых закрытию подлежат 80 шахт и 27 разрезов. Основными причинами низкой рентабельности большинства действующих предприятий являются сокращение вскрытых и подготовленных запасов угля, благоприятных для использования высокопроизводительного отечественного и зарубежного оборудования, а также недостаточная гибкость технологических схем, обусловленная сложностью их структуры, низким уровнем эксплуатационной надежности и адаптивности к неменяющимся горногеологическим условиям и конъюнктуре рынка.

Одним из направлений выхода из сложившейся ситуации является создание интенсивных технологий добычи и переработки угля, основу которых составляют высокопроизводительные элементы традиционных и нетрадиционных способов разработки угольных месторождений. Новые интенсивные технологии должны соответствовать комплексу требований, среди которых обеспечение малооперационности, гибкости, мобильности, поточности и экологической безопасности производства.

Среди известных технологий добычи угля в большей степени указанным требованиям соответствует в первую очередь подземная гидротехнология, которая обладает как положительными свойствами (высокая производительность, малоопе-рацпоипость, поточность), так ,и отрицательными (большая энергоемкость, низкая надежность отдельных элементов, повышенный износ оборудования). Технология открытых горных работ в свою очередь может рассматриваться как альтернативный вариант с присущим ей комплексом достоинств и недостатков: высокая производительность, безопасные условия труда, негативное экологическое воздействие на окружающую среду, высокая зольность горной массы, ограниченная область применения и т. п.).

Исследованиями, направленными на создание интенсивных технологий с параметрами, отвечающими современному уровню развития научно-технического прогресса в отрасли, н

способных б изменяющихся горно-геологических условиях обеспечивать качество продукции, соответствующее требованиям рынка, заняты коллективы ученых и специалистов ИГД им. А.'А. Скочинского, ИПКОН, ИФЗ РАН, ВНИМИ, НИГРИ, НИОГР, ИГД СО РАН, Института угля СО РАН, ВостНИИ, ВНИИгидроугля, КузНИУИ, Центрогипрошахта, Сибгипро-шахта, Кузбассгнпрошахта, МГГУ, С-ПбГИ, КузГТУ, Сиб-ГГМА и многих других организаций. Однако результаты этих исследований не привели к созданию интенсивных технологий, обеспечивающих значительный рост технического уровня производства и конкурентоспособности продукции действующих шахт и разрезов России на внутреннем и внешнем рынках в современных экономических условиях.

В связи с изложенным можно утверждать, что теоретическое обоснование и создание интенсивных, гибких, высокоадаптивных технологий и технических средств, обеспечивающих форсированный возврат инвестиций и успешное решение экономических, социальных и экологических задач угледобывающих регионов, представляет актуальную научную проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Целью работы является установление закономерностей функционирования прогрессивных элементов технологических систем угледобывающих предприятий в различных горно-геологических условиях для создания интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок, обеспечивающей повышение эффективности и экологической безопасности отработки запасов угольных пластов.

Идея работы заключается в направленной дезинтеграции существующих технологических систем угледобывающих предприятий и поэтапном синтезе новой интенсивной техно-гии добычи и первичной переработки угля с учетом специфики проявлений геомеханнческих и технологических процессов в условиях взаимного влияния открытых и подземных горных работ.

Методы исследований. В диссертации использован комплексный метод исследований, включающий технико-экономический анализ, обобщение и научно-техническое прогнозирование состояния и путей развития подземной гидромеханизи-рованноп и открытой добычи угля, технологическое моделирование, математическое моделирование, закономерностей взаимодействия открытых н подземных горных работ, системный анализ функционирования элементов технологических систем угледобывающих предприятии, производственные эксперименты с использованием апробированных и специально разработанных методик, экономико-математическое моделирование для установления области эффективного использования разработанных техннко-техиологических решений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Научной основой конструирования вариантов интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок является концепция, предусматривающая реализацию системного подхода к поэлементному анализу технологических систем угледобывающих предприятий, интеграции элементов в группы, анализу последствий взаимодействия групп, созданию новых объединяющих группы элементов и синтез гибких технологических схем, способных к адаптации с учетом изменений горно-геологнче-ских условий и конъюнктуры рынка.

2. Приоритетными технологическими и техническими решениями, обеспечивающими высокий уровень интенсификации добычи угля, являются: вскрытие угольных пластов поэтапно углубляемыми разрезными траншеями, подготовка запасов к выемке делением на блоки диагональными подземными горными выработками, переход на поточные малооперационные технологии очистных и подготовительных работ иа основе гидромеханизации и переработка горной массы в технологическом цикле угледобывающего предприятия.

3. Корректная оценка механизма деформирования угле-вмещающего массива при взаимовлиянии открытых и подземных горных работ обеспечивается с использованием адаптивной математической модели для решения задачи прогнозирования распределения смещений горных пород в двух- и трехмерном пространстве.

4. Выявление закономерностей изменения геомеханической обстановки в очистных забоях при интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок от основных горно-геологических и технологических факторов (глубина разработки, мощность пластов, угол падения, свойства вмещающих пород, топология сети открытых и подземных горных выработок и др.), являет собой научную базу для обоснования рациональных вариантов и параметров технологических схем, адаптированных поэлементно и интегрированно к заданному диапазону условий их применения.

5. Высокая адаптивность интенсивной технологии подземной гидродобычи угля из открытых горных выработок достигается применением многофункциональных элементов технической базы, включающей очистные и проходческие агрегаты, средства механизации транспорта и возведения крепи, комплексы модульного типа по переработке горной массы.

6. Эффективность применения технологии угледобычи из открытых горных выработок проявляется через форсированный возврат инвестиций за счет сокращения сроков строительства и поэтапного ввода в эксплуатацию гидроучастков с рациональными качественными и количественными характе-

ристнками их технологических схем, определяемыми посредством экономико-математического моделирования.

7. По критерию экономической отдачи наиболее высокий ранг предпочтения имеет вариант технологии с отработкой запасов выше горизонта открытых горных работ действующего разреза, далее следуют варианты с отработкой запасов выше дна разрезной траншеи, с ведением работ ниже эксплуатационного горизонта разреза и с отработкой запасов ниже дна разрезной траншеи.

8. Высокий уровень эффективности функционирования единой технологической системы «выемка угля — самотечный гидротранспорт— магистральный транспорт с переработкой горной массы — подъем» достигается на базе реализации поточной технологии обезвоживания угля при его транспортировании без разделения на классы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждаются:

значительным объемом длительных аналитических и экспериментальных исследований при разработке и внедрении предложенных вариантов технико-технологических решений;

удовлетворительной сходимостью (85—90%) прогнозируемых и фактических показателей при эксплуатации 3 гидроучастков с элементами интенсивной технологии подземной гид-ромеханизпровапной добычи угля из открытых горных выработок;

повышением фактической производительности труда на гидроучастках в 1,7—2,0 раза но сравнению с производительностью на разрезах и 3—6 раза — на шахтах с традиционной технологией;

использованием при реальном проектировании и эксплуатации разработанного оборудования на 3 угледобывающих предприятиях Кузбасса.

Научная новизна работы.

1. Разработана концепция создания интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок, предусматривающая синтез вариантов технологии на основе: декомпозиции существующих технологических схем на элементы, последовательного интегрирования элементов в группы, научного обоснования техни-ко-технологпчеекпх решений, являющихся базой для объединения групп в единую технологическую систему.

2. Предложено конструирование альтернативных вариантов интенсивной технологии осуществлять с использованием: варианта схемы вскрытия угольных пластов поэтапно углубляемыми разрезными траншеями при подготовке запасов делением на блоки диагональными подземными горными выработками, поточных малооперационных технологий очистных и подготовительных работ на основе гидромеханизации.

3. Разработано методическое обеспечение прогнозирования деформаций массива горных пород в двумерном и трехмерном пространствах при взаимодействии открытых и подземных горных работ.

4. Установлены закономерности изменения минимально устойчивой ширины выемочных столбов и барьерных целиков, предельных обнажений пород кровли и допустимых деформаций контура подземных горных выработок от глубины разработки, мощности и угла падепия пластов, топологии сети открытых и подземных горных выработок и сейсмических параметров массовых взрывов.

5. Разработаны варианты и обоснованы параметры интенсивной технологии подземной гидромеханизнрованиой добычи угля из открытых горных выработок с использованием технической базы нового поколения.

6. Разработана методика оптимизации параметров технологических схем угледобычи и области их применения в широком диапазоне изменений горно-геологических условий и конъюнктуры рынка по критерию максимальной прибыли с учетом ограничений по срокам возврата инвестиций.

7. Разработана классификация вариантов интенсивной технологии, позволяющая определять ранги предпочтения их в направлении достижения максимальной прибыли с учетом схемы вскрытия угольных пластов и положения вскрытых запасов относительно горизонта открытых горных работ.

Научное значение диссертации состоит в создании методической базы конструирования и оптимизации параметров интенсивной технологии подземной гндромехаиизировашюн добычи угля из открытых горных выработок иа основе выявленных закономерностей функционирования ее элементов в гео-мехаиической обстановке, определяемой взаимным влиянием открытых и подземных горных работ.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты выполненных исследований позволяют:

конструировать альтернативные варианты интенсивной технологии подземной гидроыехппизировашюй добычи угля из открытых горных выработок при проектировании отработки запасов угля в условиях ограниченных инвестиций;

прогнозировать характеристики проявлений геомеханических процессов в углевмещающем массиве при взаимном влиянии открытых и подземных горных работ;

объективно выбирать варианты интенсивной технологии подземной гидромеханизированпоя добычи угля из открытых горных выработок, обеспечивающие при эксплуатации высокую прибыль и быстрый возврат инвестиций;

использовать разработанные средства механизации очистных, подготовительных и транспортных работ, обезвоживающие и перерабатывающие установки при техническом перево-

оруженип действующих и строительстве новых угледобывающих предприятий;

повысить эффективность использования инвестиций за счет рентабельной отработки балансовых и забалансовых для традиционных технологий запасов угля;

внести действенные коррективы в практику проектирования угледобывающих предприятий в направлении учета сбалансированной интеграции открытых и подземных горных работ.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные в диссертации, использованы: при составлении каталога «Оборудование и технологические схемы для подземной гидравлической добычи угля»; Методики расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких очистных забоях; Методики определения устойчивости механогидравлических комбайнов и обоснования параметров технологии подготовки и отработки крутых пластов наклонными блоками;

рекомендации по обоснованию параметров и выбору технологических схем гидроучасгков разрезов «Листвянский», «Кедровский» АООТ «Концерн Кузбассразрезуголь» и шахты «Нагорная» АОУК «Кузнецкуголь» использованы при реальном проектировании институтом ВНИИгидроуголь;

при внедрении рекомендаций автора на 3 гидроучастках-АОЗТ «Фэсткол» в 1996 г. была достигнута добыча 448 тыс.т, а на разрезе «Листвянский» была осуществлена переработка горной массы с интенсивностью 2,5 тыс. т в сутки;

результаты исследований используются в учебных процессах по дисциплинам профиля специальности 0902 в Московском государственном горном университете и Сибирской государственной горно-металлургической академии.

Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 91,489 млрд. руб. в ценах 1996 г. (доля автора 5% равна 4,574 млрд. руб.).

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции «Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений» (Москва, 1989); Научном совете по выполнению государственной научно-технической программы «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России» при Министерстве науки и технической политики РФ (Москва, 1994); Международной научно-практической конференции «Проблемы реформирования региональной экономики» (Кемерово, 1994); Научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработки к размещения отходов» (Москва, 1995); Международном симпозиуме «Современное горное дело: образование, наука, про-

е

мышленностъ» (Москва, 1696); Научном симпозиуме «Неделя горияка-97» (Москва, 1997); Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1996 -1997); научно-технических советах государственной угольной компании «Росуголь» (Москва, 1993—1996); научных семинарах кафедры ТПУ Московского государственного горного университета (Москва, 1993—1997); ученых советах института ВНИИгид-роуголь (Новокузнецк, 1994—1996).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 64 печатных трудах, включая 3 монографии, 25 патентов РФ н авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, изложена на 322 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 213 наименований и приложения.

Автор выражает благодарность Л. А. Пучкову, 10. Н. Кузнецову, А. С. Малкину, С. А. Ярунину, 10. Ф. Васючкову за методическую помощь и ценные консультации при работе над диссертацией, а также коллективу ученых и специалистов института ВНИИгидроуголь за участие в производстве экспериментов и апробации разработанных технико-технологических решений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ современного состояния и направлений развития технологии добычи угля в условиях рыночных отношений. Современное состояние угольной промышленности России характеризуется резким спадом объемов производства и переходом гс интенсивным технологиям, обеспечивающим конкурентоспособность продукции на внутреннем и внешнем рынках с учетом экономических, социальных и экологических последствий.

Причинами ухудшения ситуации в угольной промышленности России являются: старение шахтного фонда и сокращение вскрытых и подготовленных запасов, благоприятных для использования высокопроизводительного оборудования; недостаточная гибкость технологических схем из-за их сложности и мпогооперационности, низкой ' адаптивности традиционных технологий к изменяющимся горно-геологическим условиям; снижение капитальных вложений за последние пять лет п 4,3 раза. Это привело к сокращению объемов добычи в период с 1991 по 1996 гг. в 1,54 раза, производительность труда за этот период снизилась в 1,3 раза.

В соответствии с программой реструктуризации угольной промышленности России сохраняются тенденции развития традиционных технологий отработки угольных пластов, зале-

гающнх в благоприятных горно-геологических условиях на перспективных шахтах и разрезах с использованием передовой отечественной и зарубежной техники.

В разработку научных основ традиционных технологий, их создание и реализацию крупный вклад внесли ученые:

A. И. Арсеньев, А. С. Бурчаков, Н. К. Гринько, А. В. Докукин, Г. А. Катков, Ю. Н. Кузнецов, А. С. Малкин, Ю. Н. Малышев, О. В. Михеев, Л. А. Пучков, В. В. Ржевский, А. В. Стариков, М. И. Устинов, П. И. Томаков, В. А. Харченко и др.

В процессе совершенствования открытой и подземной технологий добычи угля накоплена база технических, технологических и методологических решений, позволяющих с использованием достижений пауки и техники синтезировать качественно новые технологии. Примером такого синтеза может служить создание комбинированной, открыто-подземной технологий, получивших более широкое развитие в горнорудной промышленности.

Значительный вклад в создание и развитие вариантов комбинированной разработки месторождений внесли М. И. Агош-ков, В. К- Вороненко, Д. Т. Горбачев, Д. В. Гордин, Д. М. Казикаев, Д. Р. Каплунов, И. Н. Лось, Т. М. Мухтаров, К. Н. Трубецкой, К. Г. Христокн, М. Ф. Шнайдер, В. И. Шубодеров,

B. А. Щелканов и др.

Существующий опыт применения комбинированной разработки в угольной промышленности показал ее высокую эффективность, что подтверждает целесообразность дальнейших исследований в этом направлении, в частности, научного обоснования использования и реализации потенциальных возможностей элементов других технологий.

Одним из резервов развития комбинированных технологий является использование при их синтезе элементов гидравлического способа добычи угля, который характеризуется мало-операциокностью, поточностью, относительно низкими капитальными затратами, высокой производительностью труда.

Созданию и совершенствованию гидравлической технологии добычи угля посвятили свои работы В. Ж. Арене, А. А. Атрушкевич, Э. Б. Голланд, А. Е. Гонтов, Ю. Н. Кузнецов, А. Я. Коденцев, А. С. Кузьмич, И. А. Кузьмич, В. Г. Лу-рип, Н. Г. Малухин, М. Н. Маркус, О. В. Михеев, В. С. Мучник, Б. П. Одиноков, К. Ф. Сапицкнй, В. В. Сенкус, Б. А. Тео-дорович, Г. Т. Тютиков, С. Г. Фомичев, В. Н. Фрянов, Н. Ф. Цяпко и др.

Современный этап развития гидротехнологии характеризуется разработкой и внедрением технологических схем, включающих гидромехапнзированную выемку, самотечный гидротранспорт н обезвоживание горной массы в подземных условиях. Интеграция этих элементов с элементами открытых горных работ на новом научно-техническом уровне позволяет ре-

шить научную проблему теоретического обоснования и создания интенсивной технологии и технической базы подземной гндромехапизированной добычи угля из открытых горных выработок, что имеет важное народнохозяйственное значение для угольной промышленности России.

Научное обоснование и конструирование вариантов технологических схем интенсивной подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. Научной основой конструирования вариантов интенсивной технологии подземной гндромехапизированной добычи угля из открытых горных выработок является концепция, предусматривающая системный лодход, декомпозицию технологических схем открытой, подземной и гидравлической технологий на элементы, интеграцию элементов в группы, анализ последствии взаимодействия групп, создание новых объединяющих группы элементов и синтез новых гибких технологических схем, способных к адаптации с учетом изменений горно-геологических условии и конъюнктуры рынка.

Конструирование вариантов интенсивных гибких технологических схем осуществлялось с использованием следующих технологических и технических решений: вскрытие угольных пластов разрезными поэтапно углубляемыми траншеями; подготовка запасов делением на блоки диагональными подземными горными выработками; ведение очистных работ по поточным малооперационным технологиям на основе гидромеханизации; переработка горной массы в технологическом цикле угледобывающего предприятия.

Варианты технологических схем разделены на четыре группы. К первой группе отнесены варианты технологических схем отработки запасов выше горизонта открытых горных работ действующего разреза. Во вторую группу включены технологические схемы с отработкой запасов выше дна разрезной траншеи. К третьей группе отнесены технологические схемы отработки запасов ниже горизонта открытых горных работ действующего разреза. Четвертую группу составляют варианты технологических схем отработки запасов ниже дна разрезной траншеи. Возможен порядок отработки запасов с последовательным или параллельным применением технологических схем указанных групп.

Разработанные технологические схемы включают вскрытие запасов поэтапно углубляемыми разрезными траншеями, проводимыми вкрест простирания (рис. 1) или по простиранию (рис. 2) пластов. Из разрезных траншей проводятся штольни. Подготовка блоков осуществляется проведением диагональных подземных горных выработок по поточной технологии ме-ханогидравлнческими комбайнами опорно-шагающего типа. С диагональных подготовительных выработок проводятся выемочные штреки. Отбойка угля производится по малоопера-

циоиной технологии с использованием гидромониторных или мехаиогидравлических выемочных машин. Горная масса безнапорным гидротранспортом направляется от забоя до комплекса обезвоживания угля, осветления технологической воды и водоснабжения, располагаемого на транспортном горизонте в подземных илп открытых горных выработках. На дне траншеи монтируется перерабатывающий комплекс модульного типа, осуществляющий дробление, обогащение и классификацию угля.

В диссертации разработаны базовые варианты технологических схем, замена элементов в которых позволяет создать другие варианты технологических схем отработки одиночных и свиты пластов для различных горно-геологических условий: мощность пласта 1,3—10 м; угол падения более 10°. Рекомендуемый диапазон изменения параметров: высота подэтажа 3—20 м, длина блока 150—600 м, высота блока 30—200 м.

Для снижения негативного экологического воздействия разработана технология рекультивации земной поверхности, включающая складирование плодородного слоя в бурты, засыпку отработанных траншей вскрышными породами и их заиливание глинистой пульпой и отходами перерабатывающего комплекса, а также нанесение плодородного слоя на заило-ванную поверхность.

Разработка математической модели прогноза геомеханических параметров интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. Эффективность применения технологических схем в значительной мере зависит от степени соответствия их геомеханических параметров условиям эксплуатации. Так как объем шахтных измерений параметров горного давления при отработке крутых пластов гидромеханизированным способом из открытых горных выработок ограничен, то исследования геомеханических параметров технологии проводились методами математического моделирования с настройкой параметров модели по результатам натурных экспериментов.

Для этого была разработана математическая модель прогноза параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород с учетом пространственного положения открытых и подземных горных выработок.

Математическая модель включает алгоритмы и программное компьютерное обеспечение решения двумерной и пространственной задач механики горных пород.

Решение двумерной задачи осуществляется с использованием метода конечных элементов для вертикального сечения, включающего систему анизотропных породных слоев и угольных пластов, а также подземных и открытых горных выработок. По результатам моделирования определяются напряжения и смещения в любой точке вертикального сечения и уста-

навливаются предельные размеры угольных целиков, углы откосов бортов траншей и оценивается устойчивость открытых и подземных горных выработок при отработке одиночного или свиты пластов.

Решение пространственной задачи осуществлено на основе метода теории плит, деформирующихся на податливом основании. При разработке алгоритма использованы научные исследования А. А. Борисова и В. 3. Власова. Предлагаемый в данной работе алгоритм отличается возможностью интегрирования гравитационных сил в податливом основании, ослабленном системой горных выработок, а также введением ограничении бесконечной породной плиты на контуре открытой горной выработки (рис. 3).

Математическая модель позволяет прогнозировать смещения пород кровли пласта при любой конфигурации открытых и подземных горных выработок. Настройка параметров математической модели метода теории плит осуществляется по результатам экспериментальных исследований или моделирования методом конечных элементов.

Смещения пород кровли предлагается определять численно путем разделения поверхности пласта на элементарные площадки и интегрирования по поверхности пласта согласно формуле

= —-и-=г-2 , (1)

к

.v

ab — 2 с,д ¿=1

fllfyl

где W — смещение пород кровли;

а,- —нормальные к напластованию напряжения;

Дг/г-, A/j — размеры элементарной площадки при численном интегрировании;

1V — число элементарных 'площадок в пределах площади подземного выработанного пространства; fit, fyi — значение функции влияния в середине элементарной площадки;

К — жесткость угольного пласта;, а, в — интегралы ло поверхности пласта до начала горных работ;

С/, Dt—интегралы по t-й элементарной площадке в пределах площади подземного выработанного пространства.

Для оценки влияния сейсмических волн на устойчивость подземных горных выработок при массовых взрывах на разрезах путем замены динамического поля напряжений квазн-статическим, была разработана методика определения напряжений на контуре горной выработки, которая учитывает глубину ее заложения, расстояние до эпицентра взрыва, свойст-

ва горных пород, массу заряда. По полученным напряжениям с использованием нормативных документов ВНИМИ определяются деформации горных выработок и выбираются тип и конструкция крепи.

В качестве мероприятий по снижению негативного влияния массовых взрывов предлагается короткозамедленное взрывание, расположение горных выработок перпендикулярно линии взрывных скважин, создание экранирующего пространства в виде ранее отработанных участков пласта между охраняемой выработкой и эпицентром взрыва.

Разработка методики расчета геомеханических параметров интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. Для создания инженерной методики расчета геомеханических параметров интенсивной технологии было проведено математическое моделирование и установлены эмпирические зависимости. Методика позволяет определить следующие геомеханические параметры (рис. 4): наклонную высоту целика ¿, высоту подэтажа Л, минимальную ширину целика между диагональными горными выработками с1и минимальную ширину межблокового целика минимальную ширину барьерного целика между открытыми и подземными горными выработками ¿/з, длину блока Ь6л, нагрузки на крепь подземных горных выработок, площадь устойчивых обнажений пород кровли в очистной за-ходке.

Для исследования были разработаны базовые варианты моделей, в которых изменялась мощность пластов в пределах от 3,5 до 10,0 м, угол падения от 10 до 80°, наклонная высота подэтажа от 5 до 16 м. На рис. 5 в качестве примера приведены типичные графики изменения напряжений в угольном пласте по высоте подэтажа. По результатам расчета на ПЭВМ для каждого варианта модели определялись коэффициенты концентрации напряжений в угольном пласте, параллельных и нормальных к напластованию. Для анализа использовались среднее и максимальное значения коэффициентов концентрации, а также их значения у нижней и верхней границ подэтажа.

Анализ графиков изменения коэффициентов концентрации от основных горно-геологических и горнотехнических факторов позволил с использованием метода наименьших квадратов выявить эмпирические зависимости. Установлено, что наиболее значимым фактором, влияющим на коэффициенты концентрации напряжений, является отношение наклонной высоты подэтажа к мощности пласта. На рис. 6 приведены графики, иллюстрирующие эти зависимости при корреляционном отношении 0,79—0,87.

На основе моделирования из анализа графиков и эмпирических зависимостей установлены закономерности изменения

геомеханических параметров в коротких очистных забоях при отработке крутых пластов от основных горно-геологических и горнотехнических факторов.

При изменении:

глубины разработки от 100 до 600 м происходит увеличение минимальной устойчивой высоты подэтажа с 3 до 16 м, смещений пород кровли в рабочей зоне очистного забоя с 15 до 300 мм, высоты свода обрушения в выемочном штреке от 0 до 2,4 м;

угла падения от 10 до 80° уменьшаются: устойчивая высота подэтажа (выемочного столба) на 30%, смещения пород кровли — на 40%, высота свода обрушения кровли в 2,2 раза;

мощности пласта от 3 до 16 м высота устойчивого подэтажа увеличивается и в среднем равна трехкратной мощности пласта, смещения пород кровли возрастают пропорционально мощности пласта (коэффициент пропорциональности составляет 1,6—1,8).

Площадь устойчивого обнажения пород кровли заходки зависит от структуры и прочностных свойств пород (для аргиллита площадь составляет 18—26 м2, алевролитов — 25— 35 м2, песчаников до 60 м2).

Увеличение площади выработанного пространства открытых и подземных горных выработок при их взаимном влиянии приводит к периодическому изменению деформаций пород кровли подземных горных выработок п откосов траншей.

По результатам анализа экспериментальных и аналитических исследований была разработана методика расчета параметров технологических схем. Согласно методике расчет проводится в следующей последовательности. По формуле (1) определяются смещения пород кровли в заданной на плане горных работ точке подземной горной выработки. Интегрирование проводится по площади выработанного пространства до границ открытых горных работ. Аналогично определяются смещения для бесконечной выработки без учета границ блока. По отношению смещений определяется приведенная глубина разработки. С использованием эмпирических зависимостей или методом конечных элементов вычисляются коэффициенты концентрации напряжений с учетом приведенной глубины разработки. Коэффициент концентрации напряжений позволяет по инструкциям ВНИМИ определить нагрузки на крепь горных выработок и выбрать ее конструкцию. Затем рассчитываются нагрузки на угольные целики и устанавливаются их устойчивые размеры.

Разработка технической базы интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. Для реализации разработанных вариантов интенсивной технологии, кроме конструкторской проработки технологических схем и обоснования их параметров, была

разработана техническая база. Основными требованиями к элементам технической базы, обеспечивающим интенсификацию процессов проведения горных выработок, выемки, транспорта и переработки угля, являются низкие затраты на производство и эксплуатацию, модульность и взаимозаменяемость, высокая адаптивность к изменяющимся в широком диапазоне природным, технологическим и экономическим условиям.

В соответствии с указанными требованиями разработаны и защищены патентами РФ многофункциональные элементы технической базы интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок: механогидравлические проходческие комбайны опорно-шагающего типа с передвижной механизированной крепью для проведения выработок с углом наклона до 25°; гидромониторный агрегат с гибким исполнительным органом, обеспечивающий увеличение размеров очистных заходок в 1,5—2 раза; фронтальный агрегат с рассредоточенными по длине забоя выемочными машинами и единой системой перемещения для интенсивной отработки пластов средней мощности с нагрузкой до 3000 т/сут; комплекс предварительного обезвоживания с пропускной способностью до 1500 м3 пульпы в час; высокочастотные обезвоживающие установки с пропускной способностью до 60 т/ч; перерабатывающие комплексы модульного типа, обеспечивающие дробление, нородоотделение н классификацию угля с производительностью до 600 т/ч.

Обоснование параметров, экономической эффективности и области рационального использования интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. Поэтапная оптимизация вариантов и параметров разработанной технологии осуществляется с помощью логической модели, в структуру которой входит экономико-математическая модель. Логическая модель включает четыре этапа (рис. 7). На первом этапе осуществляется формирование банка данных и знаний и синтез вариантов технологии из элементов существующих технологий. На следующих этапах проводятся разработка, внедрение, адаптация и совершенствование новой интенсивной технологии. Результаты работ в конце каждого этапа оцениваются с помощью экономико-математической модели.

В разработанной экономико-математической модели в качестве основного критерия принят интегральный экономический эффект, дополнительным критерием является период возврата инвестиций. Алгоритм модели реализован в виде программного модуля в объеме, который позволяет*осущест-влять одновременный анализ 10 вариантов.

Многообразие вариантов синтеза элементов (вскрытие, подготовка и отработка) открытого и подземного способов

Рис. I. Схема «скрытия месторождения угля ¡шре шыми траншеями вкресг простирания пластов с што.чь-невой пластовой подготовкой и офайоткон пол-земным гидравлическим способом: 1 - ф.чншея; 2 - штольня; 3 - скат; 4 - выемочный и рек

Г ^УУ У ¿У УИЧ^"

'Рис.2 Схема вскрытия месторождения угля разрезными траншеями но простиранию пластов и штольнями по породе с пластовой подготовкой и отработкой подземным гидравлическим способом: ]-разрезная траншея; 2 - штольня

Рис 3 Схема расчета смешений порол кроили при обработке подомным способом \члстка Н1 открыгон горной выработки

Открытые горныг 8ырй50гки

Рис. 4. Расчетная схема базового варианта полготовки и отработки одиночного крутого пласта: I - вентиляционная штольня; 2- транспортная штольня; 3- диагональный скат; 4- пульповентиляционная печь; 5 - орт; 6- подэтажный штрек ; 7- заезд ; 8- сбойка ; 9- граница открытых горных разработок; 10 - предохранительный целик

Рис. 5. Схема отработки крутого угольного пласта подэтажами ( а, в) и распределения нормальных ( сплошные линии) и параллельных ( пунктирные линии) напластованию напряжений ( в ) при наклонной высоче модтгажа т - 8 м и мощности пласта т - 3,5 м , т - 6м , т - Юм

Отношение высоты подэтпжв к мощности ПЛЙСТП

средний коэффициент концентрации

МИКСНМ(.Л1.КИЙ КОЭФФИЦИЕНТ КОНЦЕЙТРПЦИН

Рис. 6. Графики зависимостей коэффициентов концентрации нормр.^ьных к плоскости пласта напряжений от отношения высоты подэтажа к мощности пласта:

1 - средний коэффициент концентрации ;

2 - максимальный коэффициент концентрации

СЪрно-геолого'коггт и » горгютозашчое/гио услолил |

Пе'озьй а?г\-"

Ли» данных'и зиеаай

Технические средства

1! г*у;:гио тохнологиа дооычи

Открытия

Открыто-подземная (комбинированная)

Подзег-иая

т

агорой этвд-разрайотка новой технологи!

Констру- Алго- Модель ЗкОНОМИ-

ирова- ритмы ческиЯ

ние эффект О)

'1ретиа атап-внедрение новой технологии

Создание средств обеспечения

Шедренка

Эконо-мичес-

фект(Э)

Четвертый этал-адалтадия технологии

Модернизация ЗКОНОШЗ-

элементов ческий

о технологии эфЬе^у

J

потребитель

нет инвестирование убыточно

Рис.7. Логическая модель поэтапной оптимизации новых гехно.ютй

потребитель

ОЛЕМЕНТМ ТЕХНОЛОГИИ

^СКРЫТИЕ (В)

ПСШТОВКЙ(П)

Комбинированные

технологий ДОРМЧИ УГАЯ

Вцрнкнты К С М 5 Н II Н Р £ Б Я Н .4 Ь! .X ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ

0- п

0- -п

0- ■п

ОТРАШКЯ(Р)

Условные обознпчения

1 I о элемент техь'олсгий ОГ Г. РЫТЫХ ГОРНИХ гаеот

2 | П ЭЛЕМЕНТ ТЕХНОЛОГИИ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ РП50Т

3 [0411 - КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

ШкФР вприйптг. хпрккте ристнкй вйрнйнтй

мт -?й &ск1>ытне и п0дг0т06кк шшв производятся ОТКРЫТЫМ сп0с050м. А 1<7№ 807кв-подшаимм способом

В1 П2 Р2 &сш1тие iа п р. с с в пр0нз-годктся открытыми ГОРНИМИ аыРйБОТКЙМИ, Р.ПОД-гстош н отряеоткй- поазем-1н1м сп30с5п»л

ВЗ П2 Р2 &ркрытие » г; г, к с 0 в производится открытыми и подземными гориыл'.н выработкой, л 0т"".50ткй и поагото&хи - псдзегдяым способом

ВЗ ПЗ Р2 СсКРЫТЛ£ 1! ЯОИГвТОй' кй запасов, ПРОИЗВОДИТСЯ открытыми и подзе>лк!-> ми горными сырк&отк; -я отрг.бстпй - гольегл- и*ш еппсвшл.

позволяет сформировать 27 вариантов комбинированных технологий, из которых два варианта — традиционные с нулевым комбинированием (рис. 8) .

Для обоснования параметров, экономической эффективности и области рационального использования разработанной интенсивной технологии было проведено математическое моделирование на ПЭВМ следующих восьми вариантов угледобывающих предприятий: гидрошахта, отрабатывающая запасы угля из открытых горных выработок действующего разреза; гидрошахта с двуступенчатым гидроподъемом и дальним гидротранспортом; шахта с традиционной «сухой» технологией; угольный разрез; гидрошахта с одноступенчатым гидроподъемом и дальним гидротранспортом; гидрошахта с траншейным вскрытием и отработкой запасов ниже дна траншеи; гидрошахта с траншейным вскрытием и отработкой запасов выше дна траншеи.

В качестве переменных параметров при моделировании приняты: проектная мощность шахты, промышленные запасы, угол падения пластов, мощность наносов, глубина разработки, число пластов в свпте, размеры шахтного поля, расстояние между вскрывающими траншеями и ставка процента по долгосрочным займам. В качестве исходных стоимостных параметров приняты фактические показатели работы шахт и разрезов-аналогов по состоянию на 1.01.97 г.

По результатам моделирования установлено, что действующие в современных рыночных условиях шахты и разрезы с коэффициентом вскрыши более 9 являются нерентабельными. Гидрошахты и гидроучастки, использующие элементы разработанной интенсивной технологии, характеризуются положительным экономическим эффектом, что объясняется относительно низкими (в 8—10 раз по сравнению с шахтами и разрезами-аналогами) удельными капитальными затратами и наличием перерабатывающего комплекса, что позволяет за счет повышения качества продукции увеличить цены в 1,3— 2,4 раза. Результаты моделирования подтверждены показателями работы действующих угледобывающих предприятий. Фактическая прибыль на гидроучастках составляет 12,5— 257 тыс. руб. па тонну и существенно зависит от степени переработки угля в технологическом цикле предприятия. По результатам моделирования 336 вариантов развития угледобывающих предприятий построены графики, анализ которых позволил установить следующее:

при ограниченных промышленных запасах шахтного поля (4—8 млн. т) увеличение проектной мощности приводит к снижению экономического эффекта;

оптимальным вариантом развития угледобывающих предприятий с таким объемом промышленных запасов является применение интенсивной технологии подземной гидромехани-

зированной добычи угля из открытых горных выработок с производственной мощностью предприятия 0,2—0,6 млн. т/год. С увеличением промышленных запасов, при прочих равных условиях, эффективность технологии возрастает;

на интегральный экономический эффект значительное влияние, при существующих в настоящее время ставках процента по долгосрочным займам, оказывают сроки строительства предприятия и освоения его проектной мощности. Эффективными являются такие варианты технологии, которые обеспечивают форсированный возврат инвестиций за счет сокращения сроков строительства, попутной добычи и последовательного ввода в эксплуатацию участков мощностью 100— 200 тыс. т/год;

область конкурентного применения интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок ограничивается следующими параметрами: глубина разработки менее 300 м, мощность пластов 1,3—9,0 м, отношение глубины разработки к суммарной мощности отрабатываемых пластов менее 20, объем промышленных запасов более 2 млн. т, годовая мощность угледобывающего предприятия менее 0,6 млн. т/год, срок строительства не более 3 лет.

Опытно-промышленная апробация, эффективность реализации и перспективы развития интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, интегрированные в виде вариантов технологических схем, элементов технической базы и проектов строительства угледобывающих предприятий, частично апробированы в процессе опытно-промышленных испытаний на трех гндроучастках.

Методика натурных исследований включала анализ работоспособности отдельных элементов в технологической системе угледобывающего предприятия, разработку рекомендаций по совершенствованию элементов и системы в целом, а также их использованию в проектах новых гидроучастков и шахт.

В качестве объектов апробации результатов исследований рассмотрены: гидроучасток разреза «Листвянский» и проект гидроучастка разреза «Кедровский» АООТ «Концерн Кузбасс-разрезуголь», гидроучастки шахты «Нагорная» АОУК «Куз-нецкуголь».

По результатам экономико-математического моделирования было установлено, что наибольшая эффективность дости: гается при отработке с борта действующего разреза запасов, расположенных выше горизонта открытых горных работ. Этим условиям удовлетворяют участки разрезов «Листвянский», «Кедровский» и др.

Исследования па первом этапе Проводились в условиях разреза «Листвяпскнй» при отработке свиты крутонаклонных пластов мощностью более 3 м. Угольные пласты вскрывались штольнями, подготовка блоков проводилась диагональными горными выработками. Согласно разработанной технологической схеме очистные работы ведутся механогндравлическим способом комбайнами КПА и ГПК.Г из подэтажных штреков.

Горная масса из забоев безнапорным гидротранспортом поступает в комплекс обезвоживания, откуда уголь класса + 13 выдается конвейером на склад, а класса —13 перерабатывается на виброобезвоживателе. Комплекс обезвоживания и водообеспечения модульного типа расположен на дне траншеи и обеспечивает сглаживание пульсаций технической воды в замкнутом цикле водоснабжения, аккумулирование пульпы в бункере, осветление воды, обезвоживание угля, резервирование технологической воды.

В результате исследований было установлено. Производительность гидроучастка достигла по пульпе 400 м3/ч, по добыче угля— 12 тыс. т/мес. Влажность угля за счет применения разработанной конструкции виброобезвожнвателя составила 8—11%- Схемы вскрытия, подготовки и отработки с использованием диагональных горных выработок обеспечивают непрерывность технологических процессов выемки, транспорта и переработки. Новые элементы технической базы (комбайны серии КПА, комплекс предварительного обезвоживания, высокочастотные виброобезвоживатели) подтвердили высокую работоспособность и адаптивность. Экономическая эффективность за период эксплуатации составила в 1996 году 1229 млн. руб. при объеме добычи 98 тыс. т. Полученные результаты исследований и разработанные на их основе рекомендации включены в проект гидроучастка разреза «Кедров-ский».

Для исследования варианта интенсивной технологии подземной гидромеханизированной отработки запасов, расположенных ниже дна траншеи, был выбран экспериментальный участок на поле шахты «Нагорная» АОУК «Кузнецкуголь». Эксперимент проводился с целью изучения закономерностей поточных процессов в технологической системе: выемка угля самотечный гидротранспорт->- транспорт с переработкой горной массы-»-подъем.

На экспериментальном участке размерами по простиранию 900 м и падению 540 м отрабатывается пласт 26а мощностью 2,3—2,4 м с углом падения 12°. Вскрытие пласта осуществлено наклонными выработками, пройденными по пласту с поверхности. От вскрывающих выработок проводятся аккумулирующие штреки. Отработка пласта ведется короткими очистными забоями механогидравлическими комбайнами КПА и ГПКГ с обрушением кровли. Отбитый уголь с водой поступа-

2

17

ет в камеру переработки, где уголь обезвоживается без разделения на классы и конвейером выдается на поверхность. Реализованный вариант разработанной технологии позволяет снизить зольность горной массы до 9% за счет селективной выемки, гидросмыва и утилизации высокозольных илов в выработанное пространство.

В результате шахтных экспериментов доказана работоспособность технологической системы: выемка угля, самотечный гидротранспорт, транспорт с переработкой горной массы и утилизацией высокозольных илов.

Добыча угля в 1996 году составила 350 тыс. т, а экономический эффект равен 90,260 млрд. рублей.

На основании положительных результатов эксперимента технологическая схема рекомендована для использования в качестве варианта интенсивной технологии подземной гидромеханизированной отработки запасов угля, расположенных ниже дна траншеи на разрезе «Кедровский». Всего по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны проекты строительства и эксплуатации 4 гидроучастков.

Полученные результаты исследований позволяют рекомендовать:

1. Широкое применение элементов интенсивной технологии подземной гидромехапизированной добычи угля из открытых горных выработок на действующих угледобывающих предприятиях, что позволит на первом этапе реструктуризации угольной промышленности России включить в производственный процесс запасы угольных пластов, неблагоприятные для отработки по традиционным технологиям, в том числе на нерентабельных предприятиях, подлежащих закрытию. Это позволит снизить социальную напряженность в угледобывающих регионах путем создания дополнительных рабочих мест. Например, на гидроучастках АОЗТ «Фэсскол», где реализованы элементы технологии, в настоящее время читленность основного производственно-промышленного персонала и обслуживающих подразделений составляет 318 человек.

2. Промышленное внедрение интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок на новых месторождениях с полным циклом добычи, транспорта и переработки горной массы. Это позволит улучшить потребительские свойства угля, что в свою очередь обеспечит повышение цепы продукции и конкурентоспособность предприятия в условиях рыночных отношений. Масштабное применение технологии позволит снизить экологический ущерб от ведения открытых и подземных горных работ за счет сокращения объемов вскрыши и локализации негативного воздействия горного производства на дне открытых техногенных выемок.

Таблица

Тип технологии Характеристика технологии Схематическое изображение Пример реализации

Незамкнутая с гидротранспортом на поверхности Гидрошахта с углесоснш подъёмом и гидротранспортом на поверхности до обогатительной фабрики д 2км_ п и."Юбилейная", ш.":зюкая"

Незамкнутая без гидротранспорта на поверхности Обезвоживавшая фабрика входит в технологический комплекс поверхности гидрошахты [гП А ш."Заречная" ш. "Красногорская" е. " Уфа ся сарме.';-ская

Частично-замкнутая "^дрошахта с обезвозвваниа: крупных фракций угля э подземных условиях и вкдачел мелких <Ьракц.зй на поверхность в виде пульпы 1п а - п ш."Тырганская"

Замкнутая циклично-поточная Гидрошахта с подземным замкнутым циклом обеззонивак-л угля с разделением на классы.Осветление воды в наклонных емкостях,фильтрующих бункеоах, У-образных го^лых "сиабот- с щ—Ш и."5-6"

Замкнутая поточная с частичной переработкой СбвзЕожиланчо угля а подземных условиях без разделения его на классы. Поточность процесса осиатлмгия тех- з-'ологичоскол ,;оды ш—ш Гидрсучасток "Листвянсдгй"

¡Замкнутая поточная с полной переработкой 5 ОбвЗЕС.жвггг^г угля и ее. тлекле тех-исхг.".га ческе', веди $ пг-зцоссо г;анс-pf.pi иооаания с выдачей на пог»лрх-обогащенного угля дп 1 Г,1дроучастк:; "Яа^орная-Т" "Нах-орао/т-^"

Основой предложенных рекомендаций по дальнейшему развитию интенсивной технологии подземной гидромеханизи-рованпой добычи угля из открытых горных выработок является реализация потенциальных возможностей гидромеханизации. В связи с этим в диссертации для оценки перспективы развития гидравлической технологии была произведена систематизация существующих, предложенных и перспективных технологических схем по уровням.

В таблице отражается динамика и перспективы развития гидротсхнологии, наблюдается тенденция последовательного перехода от незамкнутых технологических систем с переработкой угля на обогатительной фабрике к замкнутым поточным системам с полной переработкой горной массы в технологическом цикле угледобывающего предприятия. Примерами предприятий, работающих по замкнутой поточной технологии с частичной и полной переработкой горной массы, являются гидроучастки разреза «Лнствянский» и шахты «Нагорная».

Результаты теоретических и шахтных исследований убедительно подтверждают эффективность интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок, способной за счет высокой адаптивности, мобильности и экологической безопасности обеспечить отработку угольных пластов и социальную защиту трудящихся, высвобождаемых в процессе закрытия шахт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных автором исследований осуществлено решение научной проблемы создания интенсивной технологии подземной гндромеханнзированной добычи угля из открытых горных выработок, имеющей важное народнохозяйственное значение для угольной промышленности в условиях действия рыночных отношений в экономике России.

Основные научные и практические результатькработы заключаются в следующем:

1. Разработана и реализована концепция создания интенсивной технологии отработки запасов угольных месторождений на основе декомпозиции технологических схем открытой и подземной гидравлической добычи угля на элементы, функционально ориентированного синтеза элементов в группы, направленного поиска и научного обоснования новых технико-технологических решений, объединяющих группы элементов в единую технологическую систему.

2. Предложено конструирование новых вариантов технологических схем осуществлять с ориентацией на вскрытие угольных пластов разрезными поэтапно углубляемыми траншеями; подготовку запасов делением на блоки диагональными под-

2*

19

земными горными выработками; ведение очистных и подготовительных работ по поточным малооперационным технологиям с использованием элементов переработки горной массы в технологическом цикле угледобывающего предприятия.

3. Разработана адаптивная математическая модель прогноза деформаций массива горных пород в двумерном и трехмерном пространствах при взаимодействии открытых и подземных горных работ. Решение двумерной задачи осуществлено методом конечных элементов, что позволяет определять в вертикальном сечении массива горных пород, включающем открытое и подземное выработанное пространство, значения смещений и напряжений, а также оценивать состояние горных пород па контурах подземных выработок, бортов разрезов и устанавливать диапазон условий безопасного ведения горных работ. Решение пространственной задачи распределения смещений пород кровли по плоскости отрабатываемого пласта с учетом уступной формы коротких очистных забоев реализовано на основе теории деформирования плит на податливом основании. В результате решения задачи получена возможность установления характера распределения смещений пород кровли в очистных и подготовительных выработках, рациональных размеров целиков и предельной площади обнажения кровли в заходке.

4. Установлены закономерности изменения характеристик напряженно-деформированного состояния массива горных пород вокруг коротких очистных забоев при отработке запасов крутых пластов в зависимости от основных природных и горнотехнических факторов. Так, в диапазоне глубины разработки от 100 до 600 м происходит прирост смещений пород кровли в рабочей зоне очистного забоя с 15 до 300 мм при увеличении высоты свода обрушения в выемочном штреке от 0 до 2,4 м. С увеличением мощности пласта от 3 до 16 м высота устойчивого подэтажа увеличивается при среднем значении, равном трехкратной мощности; смешение же пород кровли возрастает пропорционально мощности пласта (коэффициент пропорциональности составляет 1,6—1,8).

Площадь устойчивого обнажения пород кровли заходки зависит от структуры и прочностных свойств пород (для аргиллитов площадь составляет 18—26 м2, алевролитов — 25— 35 м2, песчаников — до 60 м2).

Увеличение плошади выработанного пространства открытых и подземных горных выработок при их взаимовлиянии приводит к плавному периодическому изменению деформаций пород кровли подземных горных выработок и откосов траншей.

5. Разработаны многофункциональные элементы технической базы интенсивной технологии подземной гидромеханнзи-рованной добычи угля из открытых горных выработок, обес-

печивающие интенсивную отработку пластов средней мощности с нагрузкой на очистной забой до 3000 т/сут; предварительное обезвоживание до 1500 м3 пульпы в час; высокочастотное обезвоживание до 60 т/ч, а также переработку горной массы (дробление, породоотделенпе и классификацию угля) с производительностью до 600 т/ч.

6. Разработаны логическая и экономико-математическая модели синтеза вариантов и оценки эффективности интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок. По результатам моделирования установлено, что действующие угольные шахты и разрезы с коэффициентом вскрыши более 9 являются нерентабельными, угледобывающие предприятия, использующие разработанную технологию, обеспечивают прибыль 12— 257 тыс. руб. на тонну добычи за счет снижения фондоемкости и повышения качества продукции при переработке угля в едином с добычей технологическом цикле. Оптимальной проектной мощностью гндроучастков с промышленными запасами от 2 до 8 млн. т является мощность 0,2—0,6 млн. т/год. Разработанная технология конкурентоспособна с технологией открытой добычи угля в следующих условиях: мощность пласта до 9 м, отношение глубины разработки к суммарной мощности пластов до 20. В рыночных условиях форсированный возврат инвестиций обеспечивается: сокращением сроков строительства и освоения проектной мощности, снижением капитальных затрат, поэтапным наращиванием производственной мощности угледобывающего предприятия путем последовательного ввода гидроучастков с объемом добычи 100— 200 тыс. т/год каждый.

7. Проведена опытно-промышленная проверка варианта интенсивной технологии отработки запасов угля выше дна траншеи, в результате которой установлено, что схемы вскрытия и подготовки с использованием диагональных горных выработок обеспечивают непрерывность технологических процессов выемки, транспорта и переработки угля. Предложенные элементы технической базы нового поколения (комбайны серии КПА, комплекс предварительного обезвоживания, высокочастотные виброобезвоживателн) подтвердили высокую работоспособность и адаптивность. Экономическая эффективность реализации исследуемого варианта технологии в условиях действующего разреза составила в 1996 г. 1229 млн. руб. при общем объеме добычи 98 тыс. т.

8. Варианты разработанной технологии ранжируются по экономической эффективности следующим образом: вариант с отработкой запасов выше горизонта открытых горных работ действующего разреза; вариант с отработкой запасов выше дна разрезной траншеи; вариант с отработкой запасов ниже

горизонта открытых горных работ действующего разреза и вариант с отработкой запасов ниже дна разрезной траншеи.

9. Определены направления дальнейшего развития интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля из открытых горных выработок, эффективного природопользования и обеспечения требуемого уровня экологической безопасности угледобывающих регионов.

10. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 91489 млн. руб. (в цепах 1996 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Атрушкевич В. А. Научные основы, конструирование и прогноз геомеханических параметров интенсивной технологии подземной гидромеханизированной разработки крутых угольных пластов с открытых горных выработок. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1997,— 153 с.

2. Атрушкевич В. А. Обоснование ширины захвата выемочных машин при гндроагрегатной технологии добычи угля// Технология подготовки шахтных полей с добычей угля и метана: Сб. науч. тр. — М.: МГИ, 1987. — С. 92—96.

3. Атрушкевич В. А. Направление совершенствования тсх.-нологических схем проведения подготовительных выработок// Нетрадиционные технологии разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр. —М.: МГИ, 1988, —С. 10—13.

4. Атрушкевич В. А. Разработка поточных технологических схем проведения подготовительных выработок в условиях гидрошахт.— М.: МГИ, 1989.— С. 10—13.

5. Атрушкевич В. А. Агрегатная технология проведения горных выработок на гидрошахтах//Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений: Матер. Всесоюз. науч.-техн. конф. — М.: МГИ, 1989.— С. 56-57.

6. Атрушкевич В. А. Создание агрегатной технологии проведения горных выработок на гидрошахтах/Уголь. 1989.— № 7. — С. 23—25.

7. Атрушкевич В. А. Технология интенсивной доработки запасов угольных разрезов подземным гидромеханизированным способом и обоснование ее параметров/МГГУ. — М., деп. МГГУ 27.12.96. №27/9-262.- 121 с.

8. Атрушкевич В. А. Концепция и принципы создания интенсивной технологии подземной гидромеханизированной добычи угля с открытых горных выработок/Матер, научного симпозиума «Неделя горняка-97». — М.: МГГУ//Гориый информационно-аналитический бюллетень, 1997. — Вып. 1.— С. 15—16.

9. Атрушкевич В. А. Методическое обеспечение прогноза геомеханнческих параметров комбинированной технологии добычи угля/Матер, научного симпозиума «Неделя горняка-97». — М.: МГГУ//Горный информационно-аналитический бюллетень, 1997. — Вып. 3. — С. 15—17.

10. Атрушкевич В. А. Совершенствование открыто-подземного способа разработки угольных месторождений с учетом геомеханической ситуации//Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. III Междунар. науч,-практ. конф. — Новокузнецк, СибГГМА, 1996. С. 93—94.

11. Атрушкевич В. А. Прогноз геомеханических параметров комбинированной технологии добычи угля на основе гид-ромеханизации//Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. IV Междунар. научно-практ. конф, —Новокузнецк, СибГГМА, 1997, — С. 56—57.

12. Атрушкевич В. А., Мельник В. В. Интенсификация до-ставочных работ при проведении подготовительных выработок на гидрошахтах//Разработка локальных гидрокомплексов добычи угля в сложных условиях. — М.: МГИ, 1990. — С. 159— 161.

13. Атрушкевич В. А., Атрушкевич О. А. Перспективы использования механизированных безразгрузочных крепей при проведении подготовительных выработок//Перспективы развития технологии разработки угольных месторождений. — М..-МГИ, 1990, —С. 45—47.

14. Оборудование и технологические схемы для подземной гидравлической добычи угля//Каталог под ред. А. А. Атруш-кевича, —М.: ЦНИЭИуголь, 1990, —71 с.

15. Методика расчета параметров гидравлической выемки угля в коротких очистных забоях/А. С. Бурчаков, О. В. Михеев, А. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич и др. — М.: МГИ,

1990, —68 с.

16. Перспективы развития технологии добычи угля гидравлическим способом/А. А. Атрушкевич, В. К. Беликов, В. Е. Зайденварг, В. А. Атрушкевич.: Обзор. — М.: ЦНИЭИуголь,

1991, —38 с.

17. Михеев О. В., Атрушкевич В. А. Новые технологические схемы подземной гидродобычи угля и средства обезвоживания: Обзор, —М.: ЦНИЭИуголь, 1991, —30 с.

18. Атрушкевич В. А., Карпов Н. П. Теоретические исследования процесса вибрационного обезвоживания горной мас-сы//Проблемы экологически чистой автоматизированной шахты глубокого заложения. — М.: МГИ. — С. 68—70.

19. Совершенствование проходческих комбайнов избирательного действия/А. А. Атрушкевич, В. 3. Шабловский, А. С. Бурчаков, В. А. Атрушкевич, О. А. Атрушкевич и др.: Обзор. —М.: ЦНИЭИуголь, 1991, —28 с.

20. Атрушкевич В. А., Карпов Н. П., Абрамкин Н. И. Разработка технологической схемы подземного гидрокомплекса на основе использования виброобезвоживающих устройств// Региональная подготовка угольных месторождений к эффективной и безопасной разработке.—М.: МГИ, 1991.—С. 54—56.

21. Скороделов С. М., Атрушкевич В. А., Воспанчук Е. А. Разработка требований к комплексу оборудования при поточной механогидравлической технологии проведения подготовительных выработок//Прогрессивные технологии подземной разработки угольных месторождений. — М.: МГИ, 1992, С. 21—24.

2. Технико-экономическое обоснование целесообразности развития гидротехнологии на низкорентабельных шахтах, отрабатывающих крутые пласты/В. П. Митенев, Б. П. Одино-ков, А. А. Атрушкевич, Л..М. Савченко, А. Н. Аладин, В. А. Атрушкевич и др.: Обзор. — М.: ЦНИЭИуголь, 1992. — 40 с.

23. Исследование влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на конструктивные элементы систем разработки при гидродобыче и расчет количественных характеристик их параметров/В. В. Сенкус, Б. П. Одиноков, А. И. Петров, Е. А. Воспанчук, В. А. Атрушкевич и др.: Обзор.— М.: ЦНИЭИуголь, 1992, —59 с.

24. Анализ опыта создания и реализации гидравлических технологий с подземной переработкой угля/В. А. Атрушкевич, О. В. Михеев, О. А. Атрушкевич и др.: Обзор. — М.: ЦНИЭИуголь, 1993, —30 с.

25. Оптимизация параметров гидравлического вибрационного обезвоживателя/О. В. Михеев, В. А. Атрушкевич, В. В. Плужников и др. — М.: МГИ, 1993. — 37 с.

26. Обоснование параметров технологии гидродобычи с замкнутым циклом обезвоживания угля и осветления технологической воды/О. В. Михеев, В. В. Мельник, В. А. Атрушкевич и др. — М.: МГИ, 1993, —21 с.

27. Гидромеханизированная технология на шахтах с традиционным способом добычи угля/О. В. Михеев, В. А. Атрушкевич, В. В. Мельник и др. — М.: МГИ, 1993. — 51 с.

28. Комплексные технологические и технические решения по отработке угольных месторождений открыто-подземным гидравлическим способом/В. А. Атрушкевич, О. В. Михеев, О. А. Атрушкевич//Научно-технические разработки МГГУ, АО УК «Кузнецкуголь» и института ВНИИгидроуголь. — М.: МГГУ, 1994, —С. 106—116.

29. Атрушкевич В. А., Михеев О. В. Интенсификация отработки запасов крутых пластов на основе оптимального комбинирования способов, технологий и технических средств добычи и переработки угля//Научно-техничсские разработки МГГУ, АО УК «Кузпецкуголь» и института ВНИИгидро-уголь, —М.: МГГУ, 1994. — С. 119—124.

30. Разработка нового экологически чистого способа гидравлической добычи угля на основе синтеза подземной и открытой технологий/А. А. Атрушкевич, Б. П. Одииоков, С. П. Казаков, В. В. Сенкус, С. Г. Фомичев, Б. Я. Целлермаер,

B. А. Атрушкевнч//Проблемы реформирования региональной экономики: Матер Международ, конф.— Кемерово, 1994.—

C. 116—118.

31. Гидротранспорт угольных шахт/А. А. Атрушкевич, С. П. Казаков, Б. М. Стефанюк, В. А. Атрушкевич. — М.: МГУК, 1994, — 144 с.

32. Михеев О. В., Атрушкевич В. А., Саламатин А. Г. Разработка угольных месторождений с использованием открытых техногенных выемок. — М.: МГГУ, 1995. — 46 с.

33. Методическое обеспечение проектирования гидроучастков с подземным циклом обезвоживания угля и осветления технологической воды/В. В. Сенкус, С. Г. Фомичев, С. П. Казаков, В. А. Атрушкевич/МГГУ. — М. Деп. МГГУ 13.11.95. № 27/9-207. — 198 с.

34. А. с. № 1474064 (СССР), МКИ В 66 В 11/04. Гидропривод грузоподъемного органа/В. А. Атрушкевич.— № 3974701/27-11. Заявлено 11.11.85. Опубл. 23.04.89. Бгол. № 15, —3 с.

35. А. с. № 1724865 (СССР), МКИ Е 21 С 27/24. Исполнительный орган проходческого комбанна/В. А. Атрушкевич.—

4712771/03. Заявлено 03.07.89. Опубл. 8.12.91. Бюл. № 21,— 4 с.

36. А. с. № 1289804 (СССР), МКИ В 66 D 1/08 F15B 15/06. Гидравлический привод лебедки/О. В. Михеев, В. А. Атрушкевич, А. А. Атрушкевич. — № 3823292/22-11. Заявлено 14.12.84. Опубл. 15.02.87. Бюл. № 6. — 2 с.

37. А. с. N9 1224434 (СССР), МКИ F 03 В 1/00. Станция для привода гидромонитора/А. А. Атрушкевич, В. А. Ковалев, О. В. Михеев, В. А. Атрушкевич. — № 3796352/25-06. Заявлено 01.10.84. Опубл. 15.04.86. Бюл. № 14, — 2 с.

38. А. с. № 1283412 (СССР), МКИ Е 21 D 21/00. Анкер для крепления горных выработок и устройство для его извлечения/А. С. Бурчаков, А. Е. Гонтов, О. В. Михеев, А. А. Атрушкевич,—№ 3947375/22-03. Заявлено 22.08.85. Опубл. 15.01.87. Бюл. №2.-3 с.

39. А. с. № 1301966 (СССР), МКИ Е 21 С 27/32, 25/20. Фронтальный струг для безлюдной выемки полезного ископаемого/А. С. Бурчаков, А. Е. Гонтов, О. В. Михеев, А. А. Атру-шкевич, В. А. Атрушкевич, Л. А. Гапонов. —№ 3884278/22-03. Заявлено 09.04.85. Опубл. 07.04.87. Бгол. № 13. — 4 с.

40. А. с. 1320123 (СССР), МКИ В 65 6 17/36, В 65 6 23/00. Шахтный подъемник/А. С. Бурчаков, А. Е. Гонтов, О. В. Михеев, А. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич. В. Н. Галкин.— № 4012522/27-03. Заявлено 14.01.86. Опубл. 30.06.87. Бюл. № 24. — 2 с.

41. А. с. № 1435787 (СССР), МКИ Е21 С 45/00, 25/60. Гидромониторный агрегат/А. С. Бурчаков, О. В. Михеев, В. А. Атрушкевич и др. — № 4172105/22-03. Заявлено 04.01.87. Опубл. 07.11.88. Бюл. № 41, —3 с.

42. А. с. № 1399460 (СССР), МКИ Е21 С 27/00. Фронтальный агрегат/А. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич, В. Н. Малышев и др. —№ 3982390/22-03. Заявлено 27.11.86. Опубл. 30.05.88. Бюл. № 20.-4 с.

43. Заявка № 4488063/24-03. Проходческий комбайн/

A. А. Атрушкевич, А. С. Бурчаков, О. В. Михеев, М. И. Най-дов, В. А. Атрушкевич. — Заявлено 21.09.88; (положит, решение) 10.03.89, (СССР).—3 с.

44. Заявка № 4788199/03. Транспортное средство/А. А. Атрушкевич, О. В. Михеев, В. А. Атрушкевич, А. И. Петров.— Заявлено 14.12.89; (положит, решение) 01.03.91, (СССР).— 3 с.

45. А. с. № 1744249 (СССР), МКИ Е 21 С 27/24. Опорно-подающее устройство горной машины/А. А. Атрушкевич,

B. Н. Галкин, А. И. Петров, В. А. Атрушкевич,—№ 4764009/03. Заявлено 05.12.89. Опубл. 30.06.92. Бюл. № 24.-4 с.

46. Заявка № 4632127/0). Переносной бурильный станок/ А. С. Бурчаков, О. В. Михеев, А. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич.— Заявлено 04.01.89; (положит, решение) 14.07.89, (СССР). —3 с.

47. Заявка № 4642148/08. Переносной бурильный станок/

A. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич. — Заявлено 26.01.89; (положит, решение) 14.07.89, (СССР). — 4 с.

48. А. с. № 1830289, МКИ В 04 В 3/04. Устройство для обезвоживания материалов/О. В. Михеев. В. А. Атрушкевич,

B. В. Мельник, В. В. Сенкус. — № 4870746/13. Заявлено 03.10.90. Опубл. № 24. 23 с. (СССР).

49. Пат. № 2038870 РФ, МКИ В07 В 1/40. Устройство для разделения материалов/А. А. Атрушкевич, В. С. Вотинцев, В. А. Атрушкевич, О. В. Михеев, Н. Б. Карпов, —№ 4918504/ 03. Заявлено 24.01.91. Опубл. 09.07.95. Бюл. № 19.— 3 с.

50. Пат. № 2046683 РФ, МКИ В07 В 1/40. Виброобезво-жнватель/Л. Л. Лтрушкевич, В. А. Атрушкевич, В. Н. Галкин, Л. Ф. Еремина, —№ 5034857/03. Заявлен 11.11.91. Опубл.

27.10.95. Бюл. № 30, —4 с.

51. Пат. № 2064849 РФ, МКИ В 07В1/40. Внброобезвожн-патель/А. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич, В. Н. Галкин, Л. Ф. Еремина, — № 5039485/03. Заявлен 20.04.92. Опубл.

10.08.96. Бюл. № 22, —3 с.

52. Заявка № 5039462/11. Желоб для транспортирования пульпы/А. А. Атрушкевич, Б. М. Стефанюк, Б. П. Одиноков, В. А. Атрушкевич п др. — Заявлено 22.04.92, (решен, о выд. пат. Р Фна изобрет.) 29.06.94. — 3 с.

53. Пат. № 2058257 РФ, МКИ В 65 6 53/30. Желоб для транспортирования пульпы/А. А. Атрушкевич. А. И. Петров, Л. Ф. Еремина, В. А." Атрушкевич и др. —№ 5036964/11. Заявлен 13.04.92. Опубл. 20.04.96. Бюл.№ П. —2 с.

54. Пат. № 2029082 РФ, МКИ Е21 С 27/24. Проходческий комбайн/А. А. Атрушкевич, А. И. Петров, А. А. Рогачев, В. А. Атрушкевич и др. — № 4942495/03. Заявлен 06.06.01. Опубл. 20.02.95. Бюл. № 5. — 4 с.

55. Пат. № 2029092 РФ, МКИ Е21Д 9/10. Проходческий комбайн/А. А. Атрушкевич, А. И. Петров, А. А. Рогачев, В. А. Атрушкевич и др. —№ 4946018/03. Заявлен 14.06.01. Опубл. 20.02.95. Бюл. №5.-3 с.

56. Заявка № 93006177, МКИ Е 21С 47/00. Передвижной дробильно-сортировочный комплекс/А. А. Атрушкевич, В. А. Атрушкевич, А. А. Резииченко и др. — Заявлено 22.02.93; (решен. о выд. пат. РФ на изобрет.) 22.02.95. — 4 с.

57. Заявка № 9308216, МКИ Е21 С 41/02. Способ отработки верхних горизонтов полезных ископаемых/А. А. Атрушкевич, О. В. Михеев, А. И. Петров, Б. П. Одиноков, В. А. Атрушкевич и др. — Заявлено 12.02.93, (решен, о выд. пат. РФ па изобр.) 28.08.96, — 3 с.

58. Заявка № 93053971, МКИ В65 С 19/28. Скребковый конвейер для предварительного обезвоживания транспортируемого материала/А. А. Атрушкевич, А. И. Кравченко, В. А. Атрушкевич, О. А. Атрушкевич. — Заявлено 02.12.93, (решен, о выд. пат. РФ па изобрет.) 04.04.96. — 4 с.

59. Фрянов В. Н., Атруш кевич В. А. Геомеханические процессы гидротехнологии/МГГУ. — М., деп. МГГУ 30.12.96, № 27/9-263, — 132 с.

60. Курлов Ю. Я., Атрушкевич В. А., Зараменских В. И. Аэродинамическая сушка рядового угля холодным воздухом// Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. III Междунар. научно-практ. конф.— Новокузнецк, СнбГГМА, 1996, —С. 68—69.

61. Технические средства сушки"угля в гидротехнологии/ А. А. Атрушкевич, А. И. Петров, В. С. Вотинцев, А. М. Поту-рилов, В. А. Атрушкевич: Обзор. — М.: ЦНИЭИуголь, 1991.— 45 с.

62. Одинокое Б. П., Атрушкевич В. А. Итоги работы института ВНИИгидроуголь и АОЗТ «Фэсткол» по строительству и эксплуатации гидроучастков//Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. IV Междупар. пауч.-практ. конф.— Новокузнецк, СпбГГМА, 1997. — С. 18— 19."

63. Атрушкевич В. А., Сенкус В. В. Интенсивная отработка тонких пластов гидромеханизироваиным способом//Пер-спективы развития горнодобывающей промышленности: Тез. докл. IV Междупар. науч.-практ. конф. — Новокузнецк, Сиб-ГГМА, 1997, —С. 23—24.

64. Развитие гидравлической технологии добычи угля/ С. П. Казаков, А. А. Атрушкевич, Б. П. Одиноков, Е. А. Вос-панчук, В. Б. Одиноков, В. Н. Фрянов, В. А. Атрушкевич/Об-зор, — М.: ЦНИЭИуголь, 1992.— 33 с.

Подписано в печать 18.11.1997 г. Формат 60X90/16 Объем 1„75 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 10S.

Типография Московского государственного горного университета. Ленинский проспект, 6