автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка технических требований к созданию средств и способов безопасного управления кровлей при отработке угольных пластов в сложных горно-геологических условиях

Введение

1 Анализ аварийности, травматизма, горно-геологических и организационно-технических условий отработки тонких крутых пластов.

1.1.Анализ аварийности и травматизма в очистных забоях при отра- j ботке крутых пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.!.

1.2 Анализ горно-геологических условий залегания тонких крутых угольных пластов в Прокопьевско-Киселевском месторождении.

1.3 Анализ отработки угольных пластов системой длинные столбы с обрушением с индивидуальной крепью.

1.4 Анализ отработки угольных пластов системой длинные столбы с обрушением с механизированной крепью.,.

1.5 Анализ отработки угольных пластов щитовой системой.

1.6 Анализ безлюдных способов отработки угольных пластов.

1.7 Анализ отработки угольных пластов с применением пневматических крепей.

2 Аналитические исследования технологических параметров управления кровлей в очистных забоях.

2.1 Расчет нагрузок на крепь со стороны кровли пласта.

2.2 Расчет величины и скорости смещения кровли.

2.3 Расчет величин отхода забоя от целика, сохраняющих устойчивость обнажений кровли.

2.4 Расчет нагрузок на крепь со стороны обрушенных пород, условий передвижки крепи и ее удержания от сползания по падению.

3 Исследование технологических параметров управления кровлей в очистных забоях на физических моделях.

3.1 Методические положения к исследованию технологических параметров управления кровлей пневмобаллонной крепыо на физических моделях.

3.2 Исследование нагрузок на пневмобаллонную крепь

3.3 Исследование величины и скорости смещения кровли.

3.4 Исследование величин устойчивых обнажений кровли в лавах.

3.5 Исследование величин нагрузок на крепь со стороны обрушенных пород и условий передвижки пневмокрепи.].

3.6 Исследование усилий удержания крепи от сползания по падению пласта.

4 Технические требования к комплекту оборудования с пневмобагглон-ной крепью для очистных работ на пластах мощностью 1,0-1,6 м с углами падения 60-90°.

4.1 Эксплуатационно-технические требования к комплекту оборудования лавной крепи.

4.2 Конструктивные требования к комплекту оборудования и его составным частям.

4.3 Показатели назначения.

4.4 Требования безопасности.

5 Разработка экспериментальных технологических схем безопасного управления кровлей.

5.1 Технологическая схема с пневмобаллонной механизировгяной крепью и комбайновой выемкой угля.

5.2 Технологическая схема с пневмобаллонной механизированной крепью и буро-взрывной выемкой угля.

6 Расчет экономической эффективности применения пневмобаллонной крепи.

Актуальность работы обусловлена тем, что на угольных шахтах, разрабатывающих крутые пласты, исключительно важное значение приобрели вопросы безопасности и эффективности производства. Повышение безопасности и эффективности производства становится возможным только при создании надежных и безопасных средств комплексной механизации управления кровлей при ведении очистных работ.

При отработке крутых пластов мощностью 1,0-1,6 м в настоящее время применяется система длинных столбов по простиранию с буровзрывной выемкой угля и управлением кровлей индивидуальной крепью с полным обрушением. Данная технология характеризуется низкими технико-эконом^гческими показателями и опасными условиями труда, связанными с частыми обрушениями кровли. При этом пласты мощностью 0,7-1,0 м не отрабатываются, что приводит к потерям уже вскрытых запасов угля.

Существующие средства комплексной механизации очистных работ комплексами КТУ, агрегатами АЩ и АК-3 не нашли широкого применения из-за ограниченной области их применения в нарушенных месторождениях. Вместе с тем известно, что пневматические крепи обладают простотой конструкции, малой массой, хорошей контактируемостью с боковыми породами, высокой пригодностью к монтажу и демонтажу. Все это делает перспективным их применение при отработке тонких крутых угольных пластов, балансовые запасы которых в Прокопьевско-Киселевском районе составляют 150,5 млн. тонн. В связи с этим эффективное применение пневматических крепей и комплексов представляется актуальной научной и хозяйственной задачей по обеспечению безопасности горных работ в условиях отработки тонких крутых угольных пластов, решению которой посвящается настоящая работа.

Цель работы состоит в обосновании технических требований по обеспечению безопасного и эффективного управления кровлей пневмобаллонными крепями при очистной выемке тонких крутых угольных пластов.

Основная идея работы заключается в выявлении и использовании закономерностей поведения боковых поро|ц для обоснования требований по обеспечению безопасного и эффективного управления кровлей пневмобаллонными крепями при очистной выемке тонких крутых угольных пластов.

Объектом исследования является очистные забои по выемке тонких I крутых угольных пластов.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ безопасности и эффективности управления кровлей при очистной выемке тонких крутых угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса.

2. Выявить закономерности поведения боковых пород при управлении кровлей очистных забоев тонких крутых угольных пластов пневмобаллонными крепями.

3. Обосновать технические требования по механизированному управлению кровлей пневмобаллонными крепями в очистных забоях тонких крутых угольных пластов.

4. Разработать безопасные и работоспособные технические решения по механизированному управлению кровлей пневмобаллонными крепями в очистных забоях тонких крутых угольных пластов.

Методы исследований включают статистический анализ безопасности и эффективности производства, аналитическое и физическое модели]ювание, системный анализ.

Научные положения, выносимые на защиту, выражают зависимость технологических параметров безопасного управления кровлеР: от горногеологических особенностей залегания угольного пласта и состоит в следующем:.

- простота конструкции, малая масса пневмобаллонной крепи, хорошая их контактируем ость с боковыми породами делает перспективным их применение для безопасного управления кровлей в очистных забоях тонких крутых угольных пластов; ■

- с увеличением прочности пород кровли давление на крепь уменьшается в 3-4 раза и составляет от 40 до 170 кПа , а с увеличением длины лавы от 15 до 30 м горное давление на пневмобаллонную крепь возрастает в 2,4 раза и составляет при длинах лав 15 м - от 65 до 75 кПа, а при 30 м - от 40 до 170 кПа;

- начальный распор пневмобаллонной крепи должен быть не менее 50% от величины рабочего сопротивления, но не менее 100-150 кН/м, а конструкция i ограждения должна иметь необходимую податливость, при этом величина раз-движности должна быть не менее 20-25 % средней мощности пласта; - для безопасного управления кровлей в очистных забоях тонких крутых угольных пластов наиболее перспективной является пневмобаллонная крепь, выполненная на базе трехмерной металлической фермы длиной 20-25 м, передвигаемой фронтально вынесенными системами подачи.

Достоверность научных положений подтверждается результатами расследования аварий и производственных травм, сходимостью результатов аналитического и физического моделирования с данными многолетнего опыта отработки угольных пластов.

Научная новизна заключается в выявлении закономерностей взаимодействия пневмобаллонной крепи с боковыми породами и разработке на этой основе технических требований и новых технических решений по безопасному управлению кровлей при отработке тонких крутых угольных пластов:

- установлено, что для безопасного управления кровлей в очястных забоях тонких крутых угольных пластов наиболее целесообразным следует считать создание оборудования с пневмобаллонными крепями;

- аналитическими исследованиями и физическим моделированием определены рациональные силовые и кинематические параметры пневмобаллонной крепи и параметры очистного забоя;

- разработаны технические требования к пневмобаллонной крепи очистных забоев тонких и средней мощности крутых угольных пластов;

- для конкретных условий угольной шахты (т = 1,0-1,6 м; а- 60-90°) разработаны технические средства и технологические схемы безопасного управления кровлей очистных забоев с применением пневмобаллонной крепи.

Личный вклад автора состоит в обосновании технических -требований и в разработке технических и организационны х решений по обеспечению безопасного и эффективного управления кровлей при отработке тонких крутых I угольных пластов.

Практическая ценность работы заключается в разработке на уровне изобретения и доведения до конструкторской документации комплекса технических средств и технологических схем безопасного и эффективного управления кровлей механизированными пневмобаллонными крепями при отработке тонких крутых угольных пластов.

Реализация работы состоит в том, что по результатам исследований разработана техническая документация на комплекс оборудования и технологические схемы безопасного и эффективного управления кровлей.

Апробация работы осуществлялась в процессе обсуждения отдельных ее методических, теоретических положений и конструктивных решений на технических совещаниях НПО «Прокопьвскуголь» и шахты «Центральная», на ученых советах КузНИУИ, ВостНИИ, ИГД СО РАН РФ, на отраслевых и региональных совещаниях по промышленной безопасности и охране труда (Кемерово, 1993-2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в т.ч. два изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 129 страницах машинописного текста, включая рисунки, таблицы и список использованных источников.

Выводы

1. Анализ работы различных конструкций пневмобалонных крепей в Донбассе показал, что использование их как крепежных элементов в традиционных технологических схемах не приносит существенных улучшений технико-экономических показателей.

2. Выполненные аналитические исследования по выявлению взаимодействия крепи с вмещающими породами и определению рациональных параметров очистного забоя показали , что наиболее перспективной является пневмобалон-ная крепь, выполненная на базе трехмерной металлической формы длиной 2025 м, передвигаемой фронтально вынесенными системами подачи.

3. Аналитическими исследованиями и физическим моделированием определены рациональные силовые и кинематические параметры крепи и параметры очистного забоя.

4 На основании выполненного комплекса исследований разработаны эксплуатационно-технические и конструктивные требования к пнезмобалонной крепи.

5. Для конкретных условий шахты ( m = 1,0-1,6 м ; а = 60-90°) разработаны экспериментальные технологические схемы очистных работ с применением пневмобаллонной крепи.

6. Оценка экономического эффекта применения пневмобаллонной крепи

За базовый вариант при расчете экономической эффективности принята лава с буро-взрывной выемкой и деревянной стоечной крепью.

Горно-геологические и горнотехнические показатели по сравниваемым вариантам представлены в табл. 6.1.

Расходы по заработной плате сведены в табл. 6.2

Заключение

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой представлены обоснованные разработки технических средств и технологических схем, обеспечивающих предотвращение производственных травм от обрушения кровли в очистных забоях при разработке угольных месторождений в сложных горно-геологических условиях.

• Основные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Выполненный анализ производственного травматизма, горногеологических и организационно-технических условий отработки тонких крутых угольных пластов системами длинные столбы с обрушением с буровзрывной выемкой и креплением забоев деревянной стоечной крепью, щитовой и безлюдными системами показал, что существующие средства и способы управления кровлей особо опасны по вывалам и обрушениям боковых пород и угля и не поддаются существенной модификации. Средства комплгксной механизации (КГД, КПК, АК-3, АК-ЗК, АЩ, 2АНЩ) на крутых пластах в сложных горно-геологических условиях не в состоянии обеспечить приемлемую безопасность и эффективность производства. В отличие от них пневматические крепи обладают простотой конструкции, малым весом, хорошей контактируе-мо.стью с боковыми породами, высокой пригодностью к монтажу и демонтажу. Все это делает перспективным их применение для отработке тонких крутых угольных пластов.

2. Аналитическими исследованиями и физическим моделированием: определены рациональные силовые и кинематические параметры пневмобаллонной крепи и рациональные параметры очистного забоя; разработаны эксплуатационно-технические и конструктивные требования к пневмобаллонной крепи;

123 установлено, что наиболее перспективной является пневмобаллонная крепь, выполненная на базе трехмерной металлической ферм^г длиной 20-25 м, передвигаемой фронтально вынесенными системами подачи.

3. Для конкретных условий шахты ( m = 1,0-1,6 м ; а = 60-90°) на уровне изобретений разработаны экспериментальные конструкции пневмобаллонной крепи и технологические схемы очистных работ с применением пневмобаллонной крепи, обеспечивающие вывод людей из очистного забоя и предотвращение производственных травм от вывалов и обрушений при выемке угля. Экономический эффект применения разработанной технологической схемы безопасного управления кровлей составляет более 9 млн. рублей на забой в год (в ценах 1993 года)

1. Совершенствование разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения Кузбасса с применением комплексной механизации,- Прокопьевск,1972.- 392с.

2. Направления комплексной механизации разработки крутых и наклонных пластов / В.Ф. Крылов, Ю.Н. Кулаков, Н.С. Арсенов и др.- М.: Недра, 1974.-206с.

3. Ардашев К.А. Управление горным давлением при разработке тонких и средней мощности угольных пластов наклонного и крутого падения,- Кемерово, 1967,- 179с.

4. Коврижин А.К. и др. Рациональные длины механизированных лав для наклонных и крутых пластов Кузбасса // ФТПРПИ,- 1973,- №6,- С.91-96.

5. Совершенствование управления горным давлением при разработки наклонных и крутых пластов / К.А. Ардашев, В.Ф. Крылов, Н.И. Куксов и др. -М.: Недра,1967,-288с.

6. Совершенствование управления горным давлением при разработки наклонных и крутых .пластов / К.А. Ардашев, Н.И. Куксов, А.С. Шальгин и др. -М.: Недра,1975,-232с.

7. Шик В.М. Закономерности и управление проявлениями горного давления в механизированных лавах крутых и крутонаклонных угольных пластов : Автореферат дисс.д-ра техн. наук. Новосибирск, 1982,- 30с.

8. Иванов И.Ф. Исследования в шахтных условиях взаимодействия механизированных крепей с боковыми породами на крутых пластах Донецкого бассейна : Автореферат дисс. к.т.н. Днепропетровск, 1968,- 20с.

9. Коврижин А.К., Куртуков П.Н. О рабочем сопротивлении механизированных крепей для наклонных и крутых пластов Кузбасса// Совершенствование подземной разработки угольных пластов Кузбасса : Сб. научи, тр. № 24 / КузНИУИ,- Прокопьевск, 1972,- С.84-90.

10. Зильбермац А.И. Разработка и исследование механизированной крепи для очистных забоев крутых пластов : Автореферат дисс. д-ра техн. наук. -Днепропетровск, 1967.- 45с.'

11. Комплексная механизация и автоматизация очистных работ в угольных шахтах /Под ред. В.Ф. Братченко. М.:Недра,1977,- 415с.

12. Микляев Е.И., Лебедовский А.А. Механизированные крети капиталистических стран : Обзор. М.,1973.- 79с.-(ЦНИЭИуголь).

13. Казьмин В.М. Таблицы для вероятностной оценки распределения сопротивления механизированных крепей по ширине призабойного пространства и методика их применения. М.,1974.- 38с.

14. Казьмин В.М., Лурий В.Г. Влияние распределения сопротивления механизированной крепи на состояние кровли в поддерживающем пространстве //

15. Разработка средств механизации и автоматизации горных работ. М.,1975,-С.3-8.

16. Отраслевая методика определения экономической эффективности новой техники и совершенствования производства в угольной промышленности. -М., 1973,- 300с.

17. Степанович Г.Я. Шахтные пневматические крепи. Киев : Техника, 1981.- 155с.

18. Степанович Г.Я. Применение пневматических крепей на крутых пластах Донбасса : Обзор. М., 1977,- 35с.-(ЦНИЭИуголь).

19. Розенталь М.Б. Опыт создания оболочек пневматичесьих шахтных крепей : ЭИ,- М.,1990,- 31с.-(ЦНИЭИуголь).

20. Инструкция по эксплуатации пневматических костров > ДонУГИ .Донецк, 1985,- 33с.'

21. Рекомендации по применению пневматических костроз в качестве специальной крепи в очистных забоях тонких пологих и наклонных пластов / ДонУГИ. Донецк, 1985,- 14с.

22. Методические рекомендации по использованию технических предложений, по совершенствованию систем разработки и технологии выгмки угля на крутых пластах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса / КузНИУИ-Прокопьевск,1987,- 112с.

23. Добровольский В.В. и др. Закладка выработанного пространства при механизированной выемке тонких и средней мощности плдстов угля,-М.: Недра, 1967.

24. Емельянов И.А и др. Механизированные крепи для очистных забое тонких крутых пластов. Киев, 1968.

25. Степанович Г.Я. и др. Управление горным давлением в лавах крутых пластов,-Донецк, 1974,-74с.

26. Исследование проявлений горного давления при промышленных испытаниях пневмобаллонных костров/ Я.Э. НекрасовЬкий, B.C. Рахутин, Г.И. Халюзов и др.// Изв. вузов. Горный журнал. 1974.- №10.- С.22-27.

27. Бройнер Г, Дренер Р. // Глюкауф. 1966.- № 4.- С,32-34.

28. Моммерц В.//Глюкауф. 1962.- № 5,- C.303-i07.

29. Аксенов В.В. Очистные агрегаты для разработки тонких и средней мощности пологих и крутых пластов угля // Передовой опыт и перспективы применения щитовых крепей. М.:Госгортехиздат,1962.

30. Кокорин П.И. Опыт применения в Кузбассе системы разработки подэ-тажными штреками с ограждающей сеткой на крутопадающих плг.стах мощностью 3-5 м,-Кемерово, 1955.

31. Корзюков Е.К. Направление конструирования новых передвижных крепей и агрегатов для разработки мощных и средней мощности пластов // Передовой опыт и перспективы применения щитовых крепей.-М.:Госгортехиздат,1962.36. Глюкауф. 1955,- № 25.

32. Бокий В.Б. и др. Результаты наблюдений за работой передвижного сеточного ограждения и закладочного массива // Уголь.- 1963,- № 9.

33. Фурочкин А.А. Металлическая передвижная крепь для лав крутого падения // Рефераты НИР КузНИУИ № 1.

34. Емельянов И.А. Выбор основных параметров механизированной крепи КГД для лав крутых пластов Донецкого бассейна и исследование взаимодействия крепи с боковыми породами : Автореферат дисс.к.т.н,- Донецк, 1972,-20с.

35. Колесников М.А. и др. Шахтные испытания механизированной крепи КПК-1 // Угольное и горнорудное оборудование. 1972.- № 2.-72-5,- С. 18-22.

36. Механизированный комплекс оборудования выемки крутых пластов мощностью 1,8-2,5 м столбами по простиранию (КПК). Провести приемочные испытания опытных образцов (2шт.) : Отчет /КузНИУИ ; Руководитель Н.С. Арсенов. Прокопьевск, 1976.-236с.

37. Коник И.Д., Польский Н.Д., Кузнецов Ю.И. Комплексная механизация очистных работ на крутых пластах. Донецк, 1978.- 69с.

38. Иванов И.Ф. и др. Механизированные комплексы КГД,- Донецк.:1. ДонбасЬ, 1975.i

39. Самец М.Г. и др. Результаты испытания механизированной крепи 2КГД на шахтах "Зенковская" и "Суртаиха" // Совершенствование технологии разработки крутых пластов Кузбасса : Сб. научн. тр. № 25 / КузНИУИ. Прокопьевск, 1974,- С. 77-87.

40. Хорин В.Н. Машины и оборудование для угольных шахт. М.: Недра,• 1987.

41. Иванов И.Ф. Состояние и перспективы развития механизации выемки, крепления и управления горным давлением в комплексно-механизированных забоях крутых пластов Донбасса: Обзор. М., 1981.-(ЦНИЭИуголь^.

42. Дашковский А.И. и др. Шахтные испытания агрегата АК -3 // Механизация и автоматизация производственных процессов при разработке угольных пластов Кузбасса / КузНИУИ. Прокопьевск, 1976.

43. Подкорытов Е.И. и др. Шахтные испытания комплекса КПК-1 // Механизация и автоматизация производственных процессов при разработке угольных пластов Кузбасса / КузНИУИ.- Прокопьевск, 1976.

44. Охрименко В.Н , Колосов А.В. Новые щитовые перекрытия при разработке крутых пластов. М.: Углетехиздат, 1965.

45. Синкин А.Г., Щербаков J1.A. Обоснование направление разработки крутых пластов средней мощности механизированными комплексами столбами по падению // Горный журнал. 1979,- № 9.

46. Разработать методические положения выбора перспективных технологических схем средств выемки без постоянного присутствия людей в забое (безлюдная выемка) : Отчет / КузНИУИ. Прокопьевск, 1984.129

47. Широков А.П., Самец М.Г. Разработка угольных пластов без крепления призабойного пространства. М. : Госгортехиздат, 1961.

48. Временная методика расчета параметров индивидуальных крепей очистных забоев. Прокопьевск, 1977.

49. Указания по разработке паспортов крепления очистных забоев с индивидуальной крепью. Прокопьевск, 1981.

50. Ефимов В.И., Поляков Ю.И. Физика уровней охраны. Кемерово, 2001. - 88 с. - (НЦ ВостНИИ).