автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Разработка рациональных технологических схем подготовки и отработки весьма сближенных пологих и наклонных пластов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

КУЗБАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КРАСИЛЬНИКОВ Борис Васильевич

УДК 622.273.03154

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СХЕМ ПОДГОТОВКИ И ОТРАБОТКИ ВЕСЬМА СБЛИЖЕННЫХ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ

(на примере Аижерского района Кузбасса)

Специальность 05.15.02 — Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1991-

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском н проектно-конструкторском угольном институте и на шахтах ГТУ «Главкузбассуголь».

Научный руководитель— лауреат Государственной

премии СССР, доктор технических паук, профессор

Егоров Петр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Теодоро'вич Борис Александрович;

кандидат технических наук Шалауров

Виссарион Александрович

Ведущее предприятие— производственное объединение

«Северокузбассуголь» • Министерства угольной .промышленности СССР.

Защита состоится «27» мая 1991 года в 14 часов па заседании специализированного совета Д 0G3.70.01 при Кузбасском политехническом институте по адресу: СС0026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского политехнического института.

Автореферат разослан «26» апреля 1991 года.

Учены» секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор ' • Б. А. АЛЕКСАНДРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Происходящие в СССР процессы совершенствования экономического механизма и подготовка шахт, как самостоятельных предприятий, к работе в условиях рыночной экономики требуйг решения главнейшей задачи - повышения эффективности производства на основе научно-технического прогресса и рационального использования всех ендов ресурсов. В решении этой задачи важное значение имеет интенсификация разработки весьма сближенных пологих пластов.

Балансовые запасы угля на весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластах только на действущих тахтах Кузбасса составляют свыше 330 млн.т. Наибольшее распространение при этом получила последовательная отработка весьма сближенных пластов, причем рзботы на нижерасположенном пласте начинают после отработки вышерасположенного пласта и усадки обрушенных пород. Однако раздельная отработка весьма сближенных пластов не всегда технически осуществима, требует высоких затрат ручного труда и обуславливает высокую себестоимость добываемого угля.

В связи с этим разработка и внедрение эффективной технологии отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях является актуальной задачей.

Результаты работы получены при выполнении научно-исследовательских работ КузНИУИ по отраслевому плану министерства угольной промышленности СССР 025610, 023910 (№ ГР 01890057613).

Целью работы является разработка и обоснование рациональных технологических схем подготовки и отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов, повышающих безопасность и эффективность горных рабрт.

Идея работы заключается в использовании установленных закономерностей проявления горного давления для обоснования рациональных технологических схем подготовки, порядка и параметров отработки весьма сближенных пластов.

Методы исследований включают научное обобщение и анализ отечественного и зарубежного опыта разработки весьма сближенных угольных пластов, аналитические расчеты напряженно-деформированного сос-

тояния массива горных: пород, лабораторные исследования проявления горного давления'методом моделирования, шахтные инструментальные наблюдения за проявлением горного давления и обработка результатов методами математической статистики, технико-экономический анализ технологических решений.

Научные положения, разработанные лично диссертантом, и новизна:

- установлена зависимость изменения длины консоли надрабаты-ваемого пласта от мощности и прочности пород междупластья, служащая критерием для выбора способа отработки"весьма сближенных пластов;

- установлены зависимости величин и скоростей смещений гор-ньйс пород в выработках от расстояния между очистными забоями, отличающиеся тем, что позволяют определить оптимальное значение опережения при отработке весьма сближенных пластов в нисходящем порядке;

- разработана технология и параметры ведения очистных и подготовительных работ при совместной разработке весьма сближенных угольных пластов в нисходящем порядке, позволяющая повысить безопасность и эффективность горных.работ.

Обоснованность и достоверность научных положений^ выводов и рекомендаций подтверкается:

- комплексным характером проведенных исследований, включающих достаточный объем'шахтных и лабораторных экспериментов;

- корректным использованием апробированных' методов расчета . напряженно-деформированного состояния массива горных пород, моделирования, шахтных инструментальных наблгдений и обработки результатов методами математической статистика;

- внедрением результатов на проипводстве и полученным экономическим эффектом.

Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении закономерностей проявления горного давления при разработке весьма сближенных угольных пластов.

Практическое значение работы заключается в обосновании и внедрении технологических схем совместной подготовки и отработки

весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов, позволяющей повысить эффективность их разработки.

■ Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы при составлении "Технологических'схем подготовки и отработки пологих и наклонных весьма сближенных пластов угля для шахт Анжерского месторождения Кузбасса", утвержденных в 1909 году начальником ГТУ "Главкузбассуголь". Экономический эффект от внедрения на шахтах производственного объединения "Се-верокузбассуголь" технологии совместной разработки весьма сближей-ных; пластов составил 75,4 тыс.руб.

Агтробапия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на технических совещаниях шахт "Анжерская" и "Суд-женская" (г. Анжеро-Судженск, 1986-1990 г.^), на Всесоюзной конференции по развитию производительных сил Сйбири. Угольный комплекс (г. Лпнинек-Кузнешгий, 1939 г.), на ХП Всесоюзном семинаре> по исследованию горного дг,пления и охране капитальных и подгото-вителытх в:«ряс:оток (г. Алма-Ата, 1990 г.), на научно-практической конфереш™, посвященной 40-летию КузПИ {г.Кемерово, 1990 г.)

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано II научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 126 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 28 рисунков, список использованной литературы из 107 наименований, I приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

. Хпрчггргиой чертой угольных месторождений Кузбасса является большое строение на них весьма силиженных угольных- плас-

тов, интенсификация разработки которых сопряжена со значительными трудностями, вызываемыми сложными горно-геологическими и горнотехническими уСЛОВИ/ШИ.

Большой вклад в исследование вопросов подготовки и отработки весьма сближенных пластов внесли Ю.П. Бажин, В.П. Белов, Б.В. Вла-сенко, Т.Ф. Горбачев, Г.И. Грицхо, И.Л. Давидович, П.В. Егоров,

В.Н. Замышляев, С.И. Запреев, В.И. Ильин, С.И. Калинин, К.В. Картин, Г.Н. Кузнецов, В.И. Мурашев, В.П. Середенко, H.A. Федоров, Ф.М. Цыба, В.И. Черняев, В.А. Шалауров, Г.Г. Щтумпф и др. Наиболее полно были изучены весьма сближенные мощные пласты крутонаклонного падения; исследованы вопросы влияния надработки и подработки пластов на напряженно-деформированное состояние углевмещаю-щего массива с целью разработки теории защит«« пластов..

Полученные результаты позволяют осуществить новый шаг, заключающийся в переходе к рассмотрению закономерностей-изменения напряженно-деформированного состояния массива в районе ведения горных работ на весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластах и разработке рациональной технологии их отработки.

С учетом анализа состояния вопроса и поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:.

- установить закономерности проявления горного давления в подготовительных выработках при совместной разработке весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов в зависимости от их расположения;

- на основе установленных закономерностей проявления горного давления обосновать рациональную технологию и параметры совместной отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных, пластов;

- провести промышленные испытания новых, технических разработок и произвести их технико-экономическую оценку.

Исследования проводились на примере шахт Анжерского месторождения Кузбасса.

Анжерское месторождение представлено тремя самостоятельными складками; Анжерской, Андреёнской и. Козяинской, и является наиболее сложным в бассейне по горно-геодогическиы условиям. Из семи рабочих пластов месторождения пять нижних: Двойной, Петровский, Тонкий, Случайный и Коксовый - являются весьма сближенными. Мощность весьма сближенных пластов изменяется от 1,0 до 2,2 м, при средней 1,8 м; угол, падения - от 0° до 35°, а расстояние между пластами от 0,2 до 7 м. Глубина разработки пластов составляет 500-600 м.

Для выявления основных- закономерностей перераспределения напряжений вокруг очистной выработки о'ыл использован аналитический метод расчета, разработанный в Кузбасском политехническом институте, учитывающий напряженное состояние нетронутого пасеига и степень его анизотропии. Проведенный анализ изменения напряженного состояния в зависимости от первоначального поля напрн.кении, свойств среды и угла падения пласта позволил определить величину и ориентацию зон опасного влияния надрао'отки на устойчивость подготовительных выработок. Установлено, что в условиях, наклонного залегания пластов возникает ассиметрия в расположении изолиний напряжений относительно малой оси выработки, а при определении зон разгрузки следует учитывать не только нормальные к пласту напряжения, но и касательные и растягивающие.

Лабораторные исследования проявлений горного давления и характера деформации пород иеждуготстья осуществлялись с поморья метода эквивалентных материалов. Эквивалентный материал изготовлялся по методике КузНИУИ из смесей, состощих из мелкого кварцевого песка, молотой слюды и парафина. Подбор эквивалентных материалов производился в соответствии с геологическими колонками весьма, сближенных пластов. Установлено, что ло мере выемки верхнего пласта в его кровле сначала появлялись трещины, а затем периодически происходило обрушение основной кровли с образованием консоли величиной до 8-Ю м. При выемке нижнего пласта происходит дальнейшее увеличение зоны обрушения, а величина консоли изменялась в зависимости от прочности и мощности пород меядупластья. При этом мепду длиной консоли { ¿к), прочностью (<э ) и мощностью (/7г з ) пород междупластья установлены зависимости вида:

вк - 0.34 + 0.9<6 - 0.03<6*, при Мь-Мм (R-- 0.995);

ек = 2.64 +0.846 - 0.02&* при т5 = 2.0м (R=0.995)\

-¿к^З.05 +{.256 -О.О 6 6% при т. s-4.0 м (R-0.9&7);

£к = 4.25 + 145<6 -0.09СЗf при т3 = 8.0м (R =0.982),

где R - коэффициент парной корреляции.

Установленные зависимости могут использоваться для определения рациональной области применения совместной отработки весьма сближенных пластов в нисходящем порядке, тая как длина консоли определяет величину устойчивого пролета обнажения. Длина консоли 2-4 м и более позволяет осуществлять крепление призабойного пространства и выемку обоих весьма сближенных пластов. С уменьшением длины консоли значительно осложняются вопросы поддержания • очистного пространства, что приводит либо к списанию надрабаты-ваемого пласта, либо к разработке двух пластов как одного, имеющего твердые включения (при малой мощности, междупластья).

Шахтные исследования включали визуальные наблюдения за состоянием подготовительных выработок и инструментальные наблюдения за смещением контура подготовительных выработок. Конвергенция измерялась с помощью рулетки конструкции ВНИМИ и стойки СУИ по типовым методикам. За период 1986-1989 г.г. наблюдениями было охвачено 18 лав по парам весьма сближенных пластов Случайный-Коксовый, Двойной-Петровский, Петровский-Тонкий.

Установлено, что надработка нижележащих пластов отмечалась с расстояния 25-40 м, причем наиболее интенсивные смещения вмещающих пород и деформация крепи в выработках наблюдались с расстояния 12-15 м впереди линии очистного забоя лавы вышележащего пласта до 10-20 м позади забоя. Абсолютные смещения достигали 500 мм при расстоянии между линиями очистных забоев 80-90 м, 300 мм -при расстоянии 10-20 м и уменьшались до 150-200 мм при расстоянии 25-35 м. (Рис.1). Визуальные наблюдения за состоянием крепи подготовительных выработок показали, что ее деформация была связана с наблюдаемыми смещениями и определялась ими. Большие скорости-' смещений (до. 30-40 мм/сут.) характеризуют случаи, когда расстояние между линиями очистных забоев составляет 10-20 м. С увеличением расстояния до 30-35 м, скорость смещения уменьшается до 10 мм/сут., а затем снова нарастает до 20-30 мм/сут. При большом отставании (80-100 ы) возникают дополнительные трудности, связанные с проветриванием и поддержанием подготовительных выработок. Зависимости смещения ( h ) и скорости смещения ( V ) горных пород от расстояния между очистными забоями могут быть представлены в виде:'

8 <в <30 ;

50 < е < 100 ;

8< е <30 ;

5о < е < уоо .

Рис.1. Зависимость смещений.горных пород от расстояния ыеяду очистными забоями

. Давление на крепь и смещения в значительной степени зависят от месторасположения чадрабатываемой подготовительной выработки по отношению к краевой части ветерасподоленного пласта. При расположении подготовительных выработок под краевой частью'отрабатываемого вышележащего пласта или оставленным целиком смещения возрастали в 2,5-4,5 раза, по сравнению со смещениями в полностью подработанных выработках, и достигали 300-400 мм. Установлено, что величина оптимального смещения подготовительной выработки долкна быть не менее мощности междупластья.

579.8-/ - 9.28 € при. 86./3 + 4. 482 , при

( 57.5 - 1712. , ' при [ /.03 + 0.29 е , при

Проведенные исследования показали, что для весьма сближенных пологих и наклонных пластов Анжерского района Кузбасса наиболее эффективной и безопасной является их совместная разработка в нисходящем порядке. При этом опережение очистного забоя подрабатывающего пласта забоя лавы надрабатываемого пласта должно составлять 25-35 м. Усиление крепи подготовительных выработок следует осуществить на величину зоны опорного давления, но не менее 40 м до подхода забоя вышележащей лавы. Расположение очистных забоев и подготовительных выработок, время и порядок их проведения, способы и параметры охраны и крепления должны учитывать влияние очистных работ на собственном и смежном пластах в течение всего срока службы.

Полученные зависимости позволили разработать рациональные технологические схемы подготовки и отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов в нисходящем порядке, учитывающих напряженно-дефорлтрованное состояние массива, мощность междупластья и сближенных пластов и совместный порядок их отработки (рис.2). В зависимости от мощности междупластья и весьма сближенных пластов разработано девять технологических схем. Технико-экономические расчеты показали, что при разработке весьма сближенных пластов по нижкеыу пласту проводятся групповые штреки, которыми при мощности междупластья до 2 м вскрывается верхний пласт. При большей мощности междупластья в период ведения очистных работ по верхнему пласту проводятся просеки, которые соединяют с групповыми выработками нижележащего пласта породными сбойками. Схема 1,2 (рис. 2 а) рекомендуется при т4 + т.г +т.5 <3.5 м, а /л 2 < 0.5 м ( , т2 , т3 - соответственно мощности

нижнего и верхнего пластов и междупластья). Групповые конвейерный и вентиляционный штреки проводят на всю длину выемочного участка. Отработку весьма сближенных пластов осуществляют одновременно одним очистным забоем как одного пласта мощностью менее 3,5 м.

Схема 3 (рис. 2, б) рекомендуется при пг1 +т.5 < 3.5м . Групповые конвейернкй и вентиляционный штреки проводят на всю длину выемочного участка. При осуществлении очистных работ в вьтпелсжащей лаво у конвейерного штрека вынимают нишу, опережающую забой на две ленты, а у вентиляционного штрека ниша опережает забой на одну ленту. Крепление ниш осуществляют деревянными

рамами. Рамы состоят из верхняка, подвешенного на два винтовых анкера, под который устанавливают деревянные стойки. Если величина междупластья не превышает 0,5 м, то отработку вышележащей лавы ведут с настилом на почву пласта гибкого металлического.перекрытия.

Схема 4 (рис. 2, в) рекомендуется при М-1 +т3<4м и угле залегания пласта 20-35°. По нижележащему пласту проводят групповые конвейерный площадью сечения до 10,5 м^ и вентиляционный штреки на всю длину выемочного участка. При отработке вышележащей лавы у конвейерного,штрека вынимают нишу, опережающую забой на две ленты, а у вентиляционного штрека проводят просек с опережением забоя лавы на 6-8 м. Просек соединяют с групповым вентиляционным штреком нижележащего пласта сбойками через 5 м.

Схема 5 (рис. 2, г) рекомендуется при т4 + (Пз< , <3м . . По нижележащему пласту проводят групповые конвейерный и вентиляционный штреки. По вышележащему пласту сооружают просеки, опережающие забой вышележащей лавы на 6-8 м. Просеки срединяют с выработками нижележащего пласта сбойками через 5 м.

Схема б (рис. 2, д) рекомендуется при. пг4 + гп3 5м, т3 =з-5м. По нижележащему пласту проводят групповой конвейерный штрек на всю длину выемочного участка. По вышележащему пласту проводят просек к конвейерному штреку с опережением забоя.лавы на 6-8 м. Вентиляционные штреки проводят по обоим пластам на всю длину выемочного участка.

Схема 7 (рте. 2, е) рекомендуется при г 5м, т3 =з -&м.

По нижележащему пласту проводят групповой конвейерный штрек, а по вышележащему - групповой.вентиляционный штрек на всю длину выемочного участка. По вышележащему пласту проводят просек к групповому конвейерному штреку.с опережением забоя лавы на 6-8 м, по нижележащему - просек к групповому вентиляционному штреку с опережением забоя лавы нижележащего пласта на 6-8 м.

Схемы 8, 9 предусматривают случаи, когда свита весьма сближенных пластов-состоит из трех пластов, причем расстояние между-средним и верхним пластом не дотщно превышать 5 м„ а мощность двух нижних пластов (с учетом междупластья) - не более 3,5 м.

При промышленном внедрении разработанных технологических схем был получен экономический эффект в размере 75,4 тыс.руб. Для оценки технико-экономической эффективности предложенных технологических схем была разработана методика, так как существующие не позволяют определить истинный экономический эффект. При расчете экономического эффекта все показатели устанавливались в хозрасчетном исчислении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи разработки технологии отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов на основе изучения закономерностей проявления горного давления в очистных и подготовительных выработках.

1. Выявлено, что несмотря на большое распространение весьма сближенных пластов в Кузбассе, их эффективная разработка сопряжена со значительными трудностями, вызываемыми сложностью и ыало-изученностью закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива в районе ведения горных работ,

2. Установлено, что критерием для выбора способа отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных пластов может слу- . жить зависимость изменения длины консоли надрабатываемого пласта от мощности и прочности пород междупластья. Рациональной, при мощности междупластья от 1,0 до 8,0 м, следует считать совместную разработку весьма сближенных пластов в нисходящем порядке.

3. Установлены зависимости величин и скоростей смещений горных пород в выработках от расстояния между очистными забоями,позволяющие выбирать рациональное значение опережения при отработке весьма сближенных пластов в нисходящем порядке. Оптимальное расстояние между линиями очистных забоев составляет 25-35 м.

4. На основе полученных закономерностей лабораторных исследований и шахтных наблюдений определены границы опасных зон, места рационального расположения подготовительных выработок при их над-работке. Величина оптимального смещения подготовительной выработки относительно краевой части пласта должна быть не менее мощности

ыеждупластья ( А > т3 ),

5. Впервые разработаны и внедрены технологические схемы совместной подготовки и отработки весьма сближенных пологих и наклонных угольных" пластов, учитывающие мощность и число разрабатываемых пластов, мощность междупластья и физико-механические свойства угле-вмещащего массива. Внедрение разработанных технических предложений позволило получить экономический эффект в сумме 75,4 тыс.руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

а

1.Калинин С.И., Середенко М.И., Красильников Б.В. и др. Технологические схемы подготовки и отработки пологих и наклонных 'весьма- сближенных пластов угля для шахт Анжерского месторождения Куз'басса /МУП СССР, КузНИУИ. - Кемерово - Анжеро-Судженск, 1989.47 с.

2. Красильников Б.В., Деделов B.C. Опыт отработки весьма сближенных пластов наклонного падения на пахте "Судженская" //Научно-технические проблемы развития иахт: Ыежвуз.сб.науч.тр. -Кемерово; 1989. - 4 с..

3. Егоров П.В., Квон С.С., Красильников Б.В. и др. Временное руководство по применению винтовой анкерной крепи для крепления подготовительных выработок на шахтах Кузбасса /МУП СССР, ИУ Тлавкузбассуголь". - Кемерово, 1989, - 22 с.

4. Егоров П.В., Цурзанцев О.С., Красильников Б.В. и др. Методика оценки тектонической структуры массива для рационального планирования горных работ /МУП СССР, ГТУ 'Тлавкузбассуголь1', -Кемерово, 1989. - 34 с,

5. Егоров П.В., Бобер Е.А., Плесков Ii.M., Красильников Б.В. Практикум по технологии, подземной разработки пластовых месторождений /Кузбас.политехи.ин-т. - Кемерово, 19С9. - 92 с.

6. Красильников Б.В. Установление пределов экономической эффективности применения подготовительных выработок увеличенного сечения при отработке весьма сближенных пластов //Совершенствование технологии шахтного строительства: Ыежвуз.сб.науч.тр. - Кемерово, 1990. - 3 с.

7. Головин D.H., Калинин С.И,, Красильников Б.В. и др. Технологические схемы проведения подготовительных выработок проходческими комбайнаш на угольных шахтах Кузбасса /МУП СССР, Куз-НИУИ. - Прокопьевск, 1990. - 125 с.

8. Красильников Б.В. Совериенствование схем подготовки и отработки весьма сближенных пластов //Совершенствование подземной разработки месторождений: Межвуз.сб.науч.тр. - Кемерово, 1990,- -5 с.

9. Красильников Б.В., Замьпнляев В.Н., Шевелев D.A. Совершенствование технологии разработки весьма сближенных пластов //Подготовка горных инженеров и развитие научных исследований. - Кемерово, 1990. - 2 с.

10. Кторов П.В., Деделов B.C., Красильников Б.В. Геомеханическое обоснование разработки весьма сближенных пластов //Уголь, 1990, И. - 3 с. ' " '

11. Красильников Б.В. Совершенствование технологии разработки весьма сближенных пластов пологого и наклонного падения^ //Угольный комплекс-90: Труды Всесоязн.крнф.по развитию производительных сил Сибири. - Ленинск-Кузнецкий, 1990. - 4 е..