автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка технологических схем проветривания при камерной системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения

На правах рукописи

Аксенов Геннадий Иванович

Разработка технологических схем проветривания при камерной системе отработки крутОпадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Г

Кемерово 2005

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

Научный руководитель: доктор технических наук Ли Хи Ун

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лудзиш Владимир Станиславович

доктор технических наук, профессор Федоркин Валерий Александрович

Ведущая организация ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского

Защита диссертации состоится " " Л? ?<"> J года в /¿.часов на заседании диссертационного совета Д 222.007.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии Научный центр по безопасности работ в горной промышленности ВостНИИ (НЦ ВостНИИ) по адресу: 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 3, факс 34-30-95. Электронный адрес НЦ ВостНИИ: vosttiii@kemnet.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ ВостНИИ. Автореферат разослан " '/_ 2005 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Ли Хи Ун

/7306

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Прокопьевско-Киселевское угольное месторождение, запасы которого составляют около 31 млрд. тонн, является одним из наиболее крупных месторождений Кузбасса. Отработка запасов угля осуществляется преимущественно буровзрывным способом, применение средств комплексной механизации может производиться только выборочно.

Достаточно сложное строение угольного месторождения, существенная доля ручного труда и многие другие причины оказывают влияние на производственный травматизм. Ежегодно число погибших в этом регионе, отнесенное к 1,0 млн. тонн добычи угля, в 2,5-4 раза превышает средний показатель по угольной отрасли России. За последние 14 лет на шахтах г. Прокопьевска зарегистрировано 15374 травмы, 226 человек погибло. В результате аварий, связанных со взрывами и вспышками метановоздушной смеси, подземными пожарами, внезапными выбросами угля и газа в очистных, подготовительных забоях, действующих выработках, погибло 44 человека. Высокая степень опасности производства горных работ на шахтах крутого падения по сравнению с шахтами, разрабатывающими пласты угля с пологим залеганием, объективно обусловлена рядом факторов, обстоятельств, основными из которых являются:

- наличие множества геологических нарушений, применение систем добычи угля с разрушением горного массива взрывными работами, отсутствие средств механизации, ненадежное проветривание очистных забоев;

- опасность травмирования при массовом применении взрывных работ, возможность инициирования вспышек и взрыва метановоздушной смеси;

- подземные эндогенные пожары;

- внезапные выбросы, горные удары и другие динамические явления.

В связи с изложенным научные исследования, направленные на совершенствование технологических схем проветривания горных выработок, обеспечивающих предупреждение опасных газодинамических явлений и взрывов угольной пыли, снижение газообильности и эндогенной пожароопасности крутопадающих угольных пластов в этом регионе, являются актуальными.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно-исследовательских работ НЦ ВостНИИ, ВНИМИ, КузНИУИ, угольных компаний «Прокопьевскуголь», «Киселевскуголь» и Ростехнадзора.

Целью работы является разработка эффективных технологических схем проветривания при отработке крутых и крутонаклонных угольных пластов Прокопьевске - Киселевского угольного месторождения камерными системами.

Идея работы заключается в установлении закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках и их использовании при управлении проветриванием газообильных шахт, разработке безопасных параметров управления аэрогазодинамическими процессами.

Задачи исследований:

- провести анализ состояния управления газодинамическими процессами при отработке крутопадающих пластов камерными системами в различных горнотехнологических условиях;

- изучить закономерности образования газоопасных зон в горных выработках на базе анализа структуры газового баланса при действующих технологических схемах проветривания;

- разработать меры по предотвращению в горных выработках скоплений метаиовоздушной смеси, угольной пыли и ее взрывов, внезапных выбросов угля и газа, возникновений эндогенных пожаров;

- разработать эффективные технологические решения по проветриванию очистных и подготовительных выработок, обеспечивающие безопасное управление аэрогазодинамическими процессами при отработке крутопадающих пластов.

Методы исследований:

- анализ и обобщение работ по применению существующих способов управления технологическими схемами проветривания;

- шахтные эксперименты по исследованию аэрогазодинамических процессов в вентиляционной сети горных выработок при камерных системах разработки;

- экспериментально-статистическое обоснование управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках;

- методы математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

- невыдержанность углов падения крутых и крутонаклонных пластов и их мощность, наличие участков геологических нарушений и зон ослабленного угля, наиболее подверженных сейсмовлиянию, обусловливают отработку более 40% запасов угля Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами - подэтажиая штрековая отбойка (ПИЮ), блоковые обрушения породы

(БОП), блоковые обрушения из выемочных штреков без магазинирования угля (БОШ);

- реализация прогрессивных технологических решений по проветриванию очистных и подготовительных выработок при камерных системах с учетом интенсивности газовыделения из отбитого угля и коэффициентов турбулентной диффузии и сейсмоактивное™ месторождения, а также неравномерности газовыделения обеспечивают безопасность при отработке высокогазоносных угольных пластов;

- оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными скоплениями метановоздушной смеси и обеспечения устойчивости проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков, применением новых технических решений с учетом их горно-геологических, горнотехнических и технологических условий эксплуатации.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- обоснованностью постановки задач управления аэрогазодинамическими процессами, протекающими в горных выработках при камерных системах разработки угольных пластов;

- использованием апробированных методов и приборов контроля при проведении шахтных и лабораторно-экспериментальных исследований;

- необходимым и достаточным для статистической обработки количеством шахтных исследований, проведенных в 1980 - 2004 гг. в 50 горных выработках 10 шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения;

- положительными результатами практического применения технологических схем проветривания при камерных системах отработки крутопадающих угольных пластов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- научно обосновано, что при существующих горно-геологических условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения разработку крутопадающих пластов целесообразно вести камерными системами, обеспечивающими наиболее безопасную выемку нарушенных пластов, доработку аварийных участков, а также погашение оставленных целиков;

- установлено, что концентрация метана в исходящей струе обратно пропорциональна количеству проходящего по выработке воздуха и прямо пропорциональна магнитуде месторождения;

- разработана методика расчета метанообильности очистных забоев при камерных системах отработки крутопадающих пластов в зависимости от горнотехнических факторов, технологических процессов и сейсмоактивности;

- разработаны эффективные технологические схемы проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов и инструкция по их безопасному применению на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения.

Личный вклад автора состоит:

- в анализе производственного травматизма и обосновании необходимости применения камерных систем отработки крутопадающих пластов Прокопьевске - Киселевского месторождения;

- в установлении зависимости газового режима в горных выработках от сейсмоактивности угольного месторождения;

- в разработке методики расчета метанообильности очистных забоев и количества воздуха для их проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов в зависимости от горнотехнических факторов, технологических процессов и сейсмоактивности;

- в разработке эффективных технологических схем проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов и инструкции по их безопасному применению в угольных шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты позволяют:

- обосновать применение эффективных технологических схем проветривания для обеспечения безопасной отработки крутопадающих пластов камерными системами;

- определять метанообильность очистных забоев при различных вариантах камерных систем разработки крутопадающих пластов;

- определять расчетное количество воздуха для проветривания горных выработок на основе позабойного метода;

- определять зоны неравномерности газовыделения с учетом сейсмоактивности месторождения;

- управлять аэрогазодинамическими процессами и формированием газообильности горных выработок в многофакторной системе проветривания угольных шахт.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: «Указания по рациональной разработке свит сближенных крутых и крутонаклонных пластов Кузбасса». - Л.: ВНИМИ, 1985; «Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах». Части 1,2.- М.: ИГД им. А. А. Ско-чинского, 1991; «Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях». -М.: Недра, 1998; «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт». - Макеевка: МакНИИ, 1989; «Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам». -Л.: ВНИМИ, 1999, а также заключений и рекомендаций по использованию нормативных документов, составлению проектов в производственных объединениях, шахтах и на курсах горнотехнических вузов РФ.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на заседаниях ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1995, 1999, 2000, 2002, 2005 гг.), ВНИМИ ( г. Прокопьевск, г. Санкт- Петербург, 1994,1998,2000,2004 гг.), МакНИИ (Макеевка, 1989,1990 гг.), ННЦ - ГП ИГД им. А. А. Скочинского ( г. Люберцы, 1991,2000 гг.), РосНИИГД (г. Прокопьевск, г. Кемерово, 1983, 1986, 1996, 2000, 2003 гг.), КузНИУИ (г. Прокопьевск, 1994 г.), на НТО Минтопэнерго РФ ( г. Москва, 1996 г.), в производственных объединениях и угольных компаниях «Прокопь-евскуголь», «Киселевскуголь» (г. Прокопьевск, г. Киселевск, 1995, 1998, 2000, 2002,2004 гг.), Кузнецком управлении Ростехнадзора ( г. Кемерово, 1999,2002, 2004 гг.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 5 статей, один патент и 2 нормативных документа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, изложенных на 114 страницах машинописного текста, включая 8 рисунков, 7 таблиц, списка использованных источников из 40 наименований.

Основное содержание работы

В решение проблемы обеспечения безопасности работ на крутонаклонных и крутопадающих пластах Прокопьевско-Киселевского месторождения определенный вклад внесли ученые A.A. Мясников, В.М. Маевская, В.И. Му-рашев, И.Д. Мащенко, Л.П. Белавенцев, А.Ф. Павлов, В.П. Белов, Г.И. Кудрявцев, A.B. Лебедев, Б.Г. Новиков, A.M. Перковский, Ф.С. Клебанов, Н.Г. Матвиенко, Н.О. Каледина, С.Б. Романенко, A.C. Ягунов, A.B. Сурков, B.C. Лудзиш,

И.И. Майтак, А.Н. Малахов, С.И. Калинин, В.И. Храмцов, Г.В. Сухарев, С.Н. Слепцов и многие другие исследователи.

В первом разделе изложены результаты исследований по промышленной безопасности и анализу производственного травматизма на угольных предприятиях Прокопьевско-Киселевского района, являющегося одним из наиболее крупных угледобывающих районов Кузбасса, где отработку запасов угля осуществляют преимущественно буровзрывным способом, а применение средств комплексной механизации может производиться только выборочно. Достаточно сложное строение угольного месторождения, существенная доля ручного труда и многие другие причины сказались на состоянии производственного травматизма.

Число погибших при добыче 1 млн. тонн угля различными системами отражено в табл. 1.

Таблица 1

Анализ "травматизма со смертельным исходом по системам разработки

Система разработки 1991-2004 гг. 1991г. 2004 г.

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

Лавы с индивидуальной крепью 12283 23,8 0,6 936 27,0 890 25,0

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

С подэтажной гид-роотрабогкой ИГО 18535 35,6 0,9 1366 39,6 1501 42,2

С закладкой -НСГЗ, ПНСГЗ 6362 12,5 2,7 507 14,7 339 9,5

Подэтажная шпуровая отбойка - ПШО 3379 6,5 5,6 246 7,1 275 7,7

Камерные с блоковым обрушением -БО, БОВС, БОГС 3398 7,3 0,3 45 1,3 86 2,4

Всего по шахтам 51033 100 1,5 3453 100,0 3563 100,0

Как видно из табл.1, за последние 14 лет была увеличена доля в общем объеме добычи угля наиболее «травматичных» систем разработки - щитовой (с 10,3 до 13,2%) и системы с подэтажной шпуровой отбойкой (с 7,1 до 7,7%).

На рис. 1 представлена сравнительная динамика изменения: суммарной доли добычи угля лавами с индивидуальной крепью, с подэтажной шпуровой

отбойкой и щитовой системой разработки от общей добычи подземным способом, а также травматизма на 1 тыс. тонн добычи и доли смертельных случаев.

А Доля смертельных случаев в общем травматизме, % —Травматизм на тыс.т., %

♦ Суммарная доля добычи системами ПШО, ДСО, Щит, с закладкой от общей добычи подземным способом, %

Рис. 1. Динамика изменения суммарной доли добычи системами ПШО, ДСО, с закладкой и щитовой от общей добычи подземным способом, случаев травматизма на 1 тыс. тонн и доли смертельных случаев в общем травматизме

Как видно из графика, существует достаточно тесная корреляционная связь между этими показателями. Повышенная степень опасности производства работ на шахтах крутого падения по сравнению с шахтами, разрабатывающими пласты угля с пологим залеганием, объективно обусловлена целым рядом известных факторов.

Снижение травматизма в период с 1991 - 2004 гг. в два раза при стабильных объемах добычи угля, проведении подготовительных выработок, постоянном сокращении финансирования производства горных работ и мероприятий, направленных на создание безопасных условий труда, объясняется, прежде всего, сокращением численности производственного персонала.

Изменение правовой базы, снижение роли профсоюзов, прямая материальная заинтересованность руководителей производственных участков не ис-

ключают сокрытие травм по их инициативе, отнесение производственных травм в категорию бытовых.

С другой стороны, в силу того, что в период с 1991 г. значительная часть перспективных специалистов до 35 лет ушла в коммерческие структуры, общий уровень квалификации и деловых качеств специалистов снизился. Сдельно-премиальная система оплаты труда в существующем виде не способствует снижению травматизма, более того, в отдельных случаях стимулирует нарушение правил техники безопасности. Как показала практика расследования аварий, за редким исключением несчастные случаи со смертельным исходом происходят в опасных ситуациях, возникших в результате бездействия специалистов шахт различного уровня, в том числе и по незнанию. Прямое влияние на безопасность производства оказывает материально-техническое снабжение в части обеспечения персонала средствами индивидуальной защиты, специальным оборудованием, аппаратурой контроля за составом шахтной атмосферы, профилактики подземных пожаров. Как показал анализ, наиболее опасными по травмирующим факторам являются следующие системы отработки угольных пластов: системы с закладкой (НСГЗ, ПНСГЗ); щитовая (ЩО); лавы с индивидуальной крепью, доля которых в общей структуре добычи угля в Прокопьев-ско-Киселевском угольном месторождении составляет более 60%. Четко обозначенной тенденции снижения объемов добычи при использовании потенциально опасных систем разработки в пользу менее опасных не наблюдается.

На основании изложенного для снижения травматизма на шахтах Про-копьевско-Киселевского месторождения необходимо наряду с качественным улучшением организационно-технических мероприятий разработать безопасные технологические схемы проветривания и методы управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках при наиболее распространенных камерных системах разработки крутопадающих пластов.

Во втором разделе дана оценка возможностей применения очистных технологий на пластах с углом падения 25-55° и выше в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения, приведена область применения различных схем отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов и характеристика действующих и рекомендуемых к применению технологий. Даны предложения к применению технологических схем отработки крутонаклонных пластов.

В третьем разделе на основании качественных и количественных характеристик определено действие сейсмоактивности Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения на газовую обстановку горных выработок при отработке крутопадающих пластов камерными системами. Процесс землетрясения и

и

сегодня остается объектом умозрительных построений российских и зарубежных ученых-сейсмологов.

Согласно мнению петербургского ученого - директора НТФ «Геофиз-прогноз» Адама Гликмана, упругие колебания в зонах геологических нарушений, в подработанных участках кровли угольных пластов могут вызвать явление резонанса, что, в свою очередь, приводит к их разрушению на границах ослабленного механического контакта. На основе этих представлений был разработан метод спектрально-сейсморазведочного профилирования, позволяющий выявлять в породном массиве зоны тектонических нарушений.

Обрушения пород кровли в выработанном пространстве меняют аэродинамику выработанного пространства, нарушая гидростатическое равновесие в пустотах. Метан в выработанном пространстве, находящийся в свободном состоянии под давлением, близким к атмосферному,' начинает интенсивно выделяться в действующие выработки. Избыточное выделение прекращается при достижении равновесия в новых условиях.

В условиях угольных месторождений Кузбасса нередки сейсмические явления природного происхождения. Подземные толчки были зафиксированы во время Алтайского землетрясения летом и осенью 2003 г., интенсивность которых в Кузбассе составляла 3-4 балла по шкале Рихтера.

Так, 16 июня 2003 г. на шахте «Красногорская» Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения в 18 ч 30 мин были зафиксированы подземные толчки в 4 балла. Одновременно в забое V подетажного штрека кв. 1-восток по пласту Лутугинскому гор. -150 м были слышны горные удары в отработанном массиве. При этом было зафиксировано увеличение концентрации метана на исходящей струе до 2%. Увеличение концентрации было кратковременным: уже в 20 ч 00 мин среднее за сутки значение составляло 0,2%. Аналогичная картина была зафиксирована и на других участках этого горизонта.

На шахте им. Ворошилова 28 сентября 2003 г. была зафиксирована серия подземных толчков в период с 0 ч 00 мин до 5 ч 00 мин интенсивностью 2,7 -3,2 балла. Увеличение концентрации метана в исходящей струе при этом составило до 1,5% на пластах Лутугинском, Характерном. На шахте «Зиминка» в этот период концентрация метана составляла 0,7-1,0 %. Так же, как и на шахте «Красногорская», эти явления сопровождались серией горных ударов в выработанном пространстве.

Профилактика пылегазового режима выработок в условиях крутых мощных пластов Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения, где основной способ добычи полезного ископаемого - буровзрывной, является одной из

самых актуальных задач горного производства. Отсутствие надежных методов и средств непосредственного контроля за газообильностью и аэродинамическими характеристиками выработанного пространства приводит к необходимости применения горно-статистических методов оценки газовой обстановки. Безусловно, подобные оценки не претендуют на всеобщность, поскольку учитываются лишь количественные характеристики для конкретного месторождения в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях. Кроме того, на качество оценки влияет объем статистического материала. Однако в этом подходе есть и положительные моменты. Прежде всего, это возможность определения факторов, оказывающих существенное воздействие на исследуемое явление.

Для определения изменения концентрации метана в исходящей струе в условиях сейсмической активности были приняты во внимание следующие факторы:

Са1а - концентрация метана, %;

J - магнитуда, балл;

с - количество воздуха, проходящего по выработке, м3/мин;

А - вынимаемая мощность пласта, м;

Н - глубина забоя, м;

V - скорость подвигания очистного забоя, м/сут;

а - угол наклона пласта, град.

На первом шаге были определены частные коэффициенты корреляции (табл. 2). Фактор считается информативным, если частный коэффициент корреляции больше 0,45.

Таблица 2

Частные коэффициенты корреляции

Показатель Частный коэффициент корреляции

J 0,8564

е 0,7456

А 0,4536

Н 0,4187

V 0,5786

а 0,3258

Как видно из табл. 2, показатели Н и ОС имеют коэффициент корреляции меньше нижнего предела и поэтому в дальнейшем исключаются из рассмотре-

ния. Сейсмическая активность и количество воздуха, напротив, имеют наибольшие значения вычисленных коэффициентов.

На рис. 2 представлена зависимость концентрации метана от показателей J яд.

♦ Магнитуда 2,7 баллов ■ Мапппуда 3,2 балла л Магнитуда 4 балла

Рис. 2. Зависимость изменения концентрации метана в исходящей струе от количества воздуха, проходящего по выработке, и магнитуды

Как видно из рис. 2, концентрация метана в исходящей струе обратно пропорциональна количеству проходящего по выработке воздуха и прямо пропорциональна магнитуде. Предположим, что искомая зависимость имеет вид

+ (1)

где С0- концентрация метана в исходящей струе до появления признаков землетрясения,^

К - коэффициент уравнения, зависящий от горнотехнических факторов. Введем обозначения

~ СснА ~ Со (2)

и

¥ = —. (3)

о

В этих координатах зависимость (1) приобретает вид

Л Ссн^К>¥, (4)

график которой представлен на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость изменения концентрации метана в исходящей струе от горнотехнических факторов

Как видно из рис. 3, налицо явно линейная зависимость. Коэффициент корреляции для этой зависимости равен 0,936877, что говорит об очень тесной связи показателей.

Искомый коэффициент уравнения (1) находим с помощью метода наименьших квадратов

/Г =6,1380. (5)

Полученный коэффициент имеет размерность 1/м и характеризует как изменение аэродинамических характеристик выработанного пространства вследствие обрушения кровли, так и природную газоносность.

В четвертой разделе даны характеристики технологических схем разработки при ПШО (подэтажная шпуровая отбойка угля из выемочных штреков и ортов), БОШ (блоковое обрушение из выемочных штреков и ортов без магази-нирования угля), БОП (блоковое обрушение угля из разрезных печей) - рис. 4, 5,6,7.

В пятом разделе приведены методы прогноза метанообильности очистных забоев, расчеты количества воздуха для проветривания очистных забоев и выемочных участков при различных вариантах камерной системы разработки крутопадающих угольных пластов.

Исходными материалами для расчета являются данные, характеризующие основные источники метановыделения в конкретных горно-геологических условиях, представляемые геологоразведочными организациями после разведки месторождения, и данные по фактической газообильносги выработок.

Значения коэффициентов и параметров, характеризующих удельные газовыделения, влияние сейсмоактивности месторождения, утечки воздуха через отработанные пространства, неравномерность газовыделений, газовый баланс по участкам и шахте, уточняются на основании материалов депрессионных и газовых съемок в аналогичных с рассматриваемыми в проекте условиях с учетом согласования этих уточнений в установленном порядке.

Прогноз метанообшьности очистных забоев по метаноносности угольных пластов Этим методом можно пользоваться для расчета ожидаемой мета-нообильности очистных забоев на стадии проектирования выемочных участков (полей, шахт) при наличии данных о природной метаноносности угольных пластов, ее изменении в границах проветриваемого объекта, которые используются в дальнейших расчетах.

1. При технологической схеме выемки угля буровзрывным способом системой подэтажных штреков (ПШО) метанообильность очистного забоя I т определяется по формуле

1<н■ = а2 (х„-х0) ДКнКс, м3/мин, (6)

где а2 - коэффициент, характеризующий газоотдачу из отбитого угля; определяется в зависимости от выхода летучих веществ в угольном пласте (Vdaf, %) с пересчетом приведенных значений а3 по формуле

а2 = 0,25 а3; (7)

х„ - газоносность пласта в зоне выемки, м3/ т;

X, = [ (х - х0) Кш + х0] ку; (8)

х и xqt природная и остаточная газоносность пласта (по данным геологоразведки), м3/т.

Если природная и остаточная газоносность пласта представлены данными из расчёта на сухую и беззольную массу угля хв х0г., м3/т с.б.м., их пересчет на значения х и хо, м3 /т, производится умножением на коэффициент Kwj- 0,01 (100 - W-А3), где W к Аз - соответственно пластовая влажность и зольность угля, %.

При отсутствии данных о природной газоносности пласта допускается ее определение по результатам газовых съемок в тупиковых выработках на стадии подготовки участка по величине эффективной газоносности (ж -ха). Остаточная газоносность в таких случаях принимается с пересчетом по коэффициенту

Kw.A.;

К т - коэффициент, учитывающий дренирование пласта подготовительными выработками; определяется по формулам

К„ =(0,5/ ■00,Т или Кт.ше°'01Т/&; (9)

Т - время, прошедшее с момента окончания проходки выемочных штреков до начала очистных работ в камерах, сут.

При больших разрывах во времени между окончанием проходки и очистной выемкой рассчитанные значения коэффициентов по формуле (9) должны приниматься не менее К^ = 0,5;

Ку - коэффициент, зависящий от скорости подвигания очистного забоя Уоч, м/сут, равный отношению ширины вынимаемого столба ко времени его отработки; принимается по табл. 1 при округлении Уоч. до целых;

Кс - коэффицент сейсмоактивности, зависящий от концентрации газа на входе и выходе из очистного забоя, участка; определяется по формуле

Кс*=1ССа/•-■пых, |

Д - количество угля, отбиваемого за один или несколько приёмов взрывания без отгрузки его из забоя (камеры), г, определяется технологией выемки и паспортом буровзрывных работ;

К н - коэффициент, зависящий от высоты насыпки угля в камере Н н, м; определяется по формуле

К„ = Г+41/Гн; (10)

К=Д/(увтвч,), (11)

где у - объёмный вес угля, т/м3; в - ширина камеры, м;

т в пр - вынимаемая мощность пласта с учётом прослойков, м.

2. При технологических схемах выемки угля блоковым обрушением из подэтажных штреков (БОШ) и из разрезных печей (БОП) метанообильность очистных забоев определяется по формуле

1оч. = а2 (х-х0) К„ Кс]„ *]д/ 7< //„, м3/мин, (12)

)п - производительность погрузки угля, т/мин; определяется по технической характеристике конвейера или как отношение количества угля Д т , выгружаемого из камеры, ко времени загрузки одной партии вагонеток.

Остальные параметры принимаются по фактическим данным действующей шахты.

3. Расчетное количество воздуха при технологической схеме ПШО определяется по формуле

(100 10Ч. Ки)/[Кт д (с-с о)], м3 /мин, (13)

где / 0,- газообильность очистного забоя, определяемая по формуле (6);

Ки - коэффициент, характеризующий интенсивность газовыделения из отбитого угля;

Ки = 12 а2\ (14)

а 2 - коэффициент принимается по формуле (7);

К т.о - коэффициент турбулентной диффузии (эффективного использования) проходящего по камере воздуха; принимается при вынимаемой мощности пласта твм. ^4 м - 0,8 , при меньшей мощности - не более 1,0;

с - допустимая концентрация метана на исходящей из очистного забоя струе, %;

со- концентрация метана в воздухе, поступающем в очистной забой, %.

4. При технологических схемах БОШ, БОП:

0О, = (100 1т К^/[Ктд (с — Со)], м^/мин, (15)

где /от - газообильность очистного забоя, вычисляемая по формуле (12);

Ки - коэффициент неравномерности метановьщеления.

На рис. 4,5,6,7 приведены технологические схемы проветривания при камерных системах разработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения и требования к ним.

При выборе схем проветривания выемочных участков первостепенное значение имеют условия безопасности и надежности. Экономичность проветривания должна оцениваться исходя из возможности получения максимальной нагрузки на очистной забой для каждой технологической схемы отработки пласта в зависимости от конкретных горно-геологических и горнотехнических условий.

Условия безопасности и надежности схем проветривания и управления газовыделением определяются конкретными аэрогазодинамическими особенностями схемы по вентиляционным параметрам, пожароопасностью горных работ и наличием пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа. Выбранная схема проветривания должна исключать возможность образования местных и слоевых скоплений метана в выработках участка и обеспечивать:

- наиболее полное обособленное разбавление метана, выделяющегося из всех источников;

- полное использование свежей струи, проходящей по рабочему пространству очистного забоя для разбавления метана, выделяющегося из обнаженной поверхности пласта и отбитого угля в пределах забоя. При необходимости газ, выделяющийся из выработанного пространства, должен разбавляться и отводиться обособленными струями воздуха с помощью газоотсасывающих вентиляторов;

Проветривание выемочного участка на момент начала ведения очистных работ для систем ПШО, БОШ

Проветривание выемочного участка при ведении очистных работ соетамами ПШО, БОШ

Промтримние ккюмочного участка при ведении очистных работ системой БОЛ

- необходимую степень устойчивости вентиляционных струй по направлению и расходу как при нормальном, так и при аварийном режимах, в том числе при изменении газовой обстановки при землетрясениях;

- обособленность проветривания очистных забоев при разработке вы-бросоопасных пластов;

- необходимый контроль вентиляционных параметров и возможность оперативного управления ими;

- эффективную отработку пластов, склонных к самовозгоранию, осуществление пожаробезопасных режимов проветривания и комплексных профилактических мероприятий.

Для обеспечения соответствующих нагрузок на очистной забой одной из основных проблем при разработке высокогазоносных угольных пластов камерными системами является необходимость подачи расчетного количества воздуха для проветривания очистных забоев и снижения концентрации метана в исходящей струе до предельно допустимых норм.

В связи с этим подача воздуха на выемочные участки проектируется в зависимости от газообильности очистных забоев, утечек воздуха через отработанные пространства и необходимости подачи дополнительного количества воздуха для разжижения газа, который выделяется из отбитого угля и выработанного пространства в выработки участка за пределами призабойного пространства. В любом случае определяющими факторами являются газообильность очистного забоя либо газообильность участка в целом, структура газового баланса и утечки воздуха, которые оцениваются отношением подачи воздуха в очистной забой к его расходу в призабойном пространстве у сопряжения с вентиляционными выработками.

Положительные результаты достигаются лишь при вентиляции выемочных участков по принципу динамического разжижения метана по источникам выделения, исключающему возможность образования его местных скоплений во всей системе действующих выработок на основе выбора соответствующих безопасных схем проветривания для любой технологической схемы отработки пластов. Поэтому существующее многообразие технологических схем подготовки и отработки угольных пластов камерными системами, неразрывно связанное с соответствующими схемами проветривания, практически ограничивается определенным рядом альтернативных вариантов.

В настоящее время в проектах новых и реконструируемых шахт независимо от глубины работ и газообильности очистных выработок в качестве основной принимается система разработки длинными столбами с обратным порядком отработки разрабатываемого пласта в силу наибольшей экономической эффективности и безопасности по сравнению со сплошной.

Изменение количества воздуха, необходимого для проветривания выемочных участков с его распределением по вентиляционным потокам в горных выработках для различных схем проветривания при системе разработки длинными столбами с обратным порядком отработки описывается единым уравнением аэродинамики в обобщенном виде

— 0,уч тах > (16)

где ()у, - количество воздуха, необходимое для проветривания выработок участка по газовому фактору, м3/мин;

бот- количество воздуха, необходимое для проветривания призабойного пространства очистного забоя, м3/мин;

бут - утечки воздуха через выработанное пространство, м3/мин; ()оу - количество воздуха, необходимое дня разжижения и обособленного отвода газа, который выделяется при транспортировании отбитого угля вне призабойного пространства очистного забоя, м3/мин;

Qn - количество воздуха, необходимое для подсвежения утечек воздуха при обособленном газоотводе из выработанного пространства, м3/мин;

2>ч тах - максимальная подача воздуха на выемочный участок для каждой конкретной схемы проветривания, м3/мин, исходя из реальных возможностей вентиляционной системы шахты с учетом ограниченной скорости его движения в горных выработках согласно ПБ.

Искомые значения составляющих баланса воздуха в уравнении (16) определяются по соответствующим формулам с учетом необходимых для данных условий эксплуатации параметров.

Допускается, что когда полученные значения расчетного количества воздуха для проветривания выемочных участков для всех рассмотренных вариантов схем проветривания превосходят технически достижимые, требуется пересмотр принятых для отработки выемочных участков технологических решений с увеличением, например, числа воздухоподающих и вентиляционных выработок, уменьшением длины очистных забоев и выемочных полей, снижением технологических потерь угля и т.п. После этого приведенные выше расчеты по-

вторяются вплоть до перехода на другие прогрессивные системы разработки и технологии выемки угля.

Для каждой схемы вентиляционные параметры должны соответствовать оптимальной эффективности использования воздуха для управления опасными местными скоплениями газов и устойчивостью проветривания. Поэтому в отношении безопасности их приемлемость однозначна, несмотря на различие этого показателя с экономической точки зрения.

В действительности сравнение схем по эффективности использования воздуха следует производить с учетом затрат по способам снижения газовыделения (изолированный газоотвод), на подачу принятых расходов воздуха и обеспечения надежности элементов вентиляционных сетей (поддержание и ремонт выработок, установка регуляторов распределения воздуха и т.п.).

В конечном итоге эффективность использования воздуха учитывается при конкретном технико-экономическом сравнении возможных вариантов их применения, в частности, комплекса мероприятий по эффективному проветриванию, предотвращению скоплений и взрывов угольной пыли, предотвращению эндогенных пожаров и др.

В шестом разделе приведены мероприятия по безопасному ведению горных работ при камерных системах в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения. Рассмотрены вопросы проветривания горных выработок, предотвращения скоплений и взрывов угольной пыли и предупреждения эндогенных пожаров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задач по установлению закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках при камерных системах разработки крутопадающих пластов и разработаны безопасные технологические схемы их проветривания, что имеет существенное значение для обеспечения безопасности горных работ.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что наиболее эффективными с точки зрения экономической целесообразности и обеспечения безопасности в условиях крутопадающих пластов являются камерные системы разработки, которые позволяют производить выемку более 40 % запасов угля в контуре участка геологических нарушений, зон ослабленного угля, резкого изменения углов падения пласта.

2. Установлено наличие корреляционной связи между суммарной долей добычи системами ПИЮ, ДСО, ЩИТ, с закладкой от общей добычи подземным способом, числом травматизма на 1 тонну и долей смертельных случаев в общем травматизме.

3. Разработанные технологические схемы проветривания, методы управления аэрогазодинамическими параметрами при различных вариантах камерных систем позволяют провести комплексную оценку промышленной безопасности при отработке крутых и крутонаклонных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения, сократить аварийность очистных забоев и снизить затраты на добычу угля и, в конечном итоге, повысить безопасность горных работ.

4. Впервые произведена качественная оценка влияния землетрясений на газовую обстановку в горных выработках и получена корреляционная зависимость концентрации метана на исходящей струе выработки от магнитуды месторождения," необходимая при расчете газообильности очистных забоев и количества воздуха для их проветривания при аварийных ситуациях.

5. Разработанные технологические схемы проветривания обеспечивают полное использование свежей струи воздуха, проходящей по рабочему пространству очистного забоя для разбавления метана, выделяющегося из обнаженной поверхности пласта и отбитого угля в пределах забоя. Предусматриваются решения по разбавлению газа, выделяющегося из выработанного пространства до допустимой ПБ концентрации, или его отводу обособленными струями воздуха с помощью газоотсасывающих установок. При этом обеспечивается необходимая степень устойчивости вентиляционной струи как при нормальном, так и при аварийном режимах, возникающих при землетрясениях.

6. Результаты проведенных исследований и полученные рекомендации вошли составной частью в разработанные «Технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами» и «Инструкцию по безопасному применению технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами», являющиеся одними из основополагающих документов в производственной деятельности по управлению аэрогазодинамическими процессами в горных выработках, обеспечивающих эффективность и безопасность ведения горных работ при разработке крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

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

2. Аксенов, Г.И. Исследования изменения газового режима в результате сейсмической активности в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения /Ли Хи Ун, A.M. Рыков, Ю.М. Филатов // Вестник НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2005. - №2. -С. 95-99.

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

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

5. Аксенов, Г.И. Установление функциональной зависимости коэффициента использования воздуха / И.Д. Мащенко, Ю.А. Дюпин, A.M. Тимошенко, Ли Хи Ун // Вестник НЦ ВостНИИ. - Кемерово, 2005. - №2. -С.114-118.

6. Патент № 2123109 6Е21С41/00 Способ разработки свиты угольных пластов в приконтурных зонах карьера / Г.И. Аксенов, A.C. Кругляк, А.И. Чер-нодаров, С.А. Шахурдин, Н.И. Яковлев, С.Н. Суховольский, М.П. Троян, Г.А. Ситников, В.Л. Жуков. -Заявл. 29.04.96; Опубл. 10.12.98.

7. Аксенов, Г.И. Технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами /Л.П. Бела-венцев, В.П. Белов, Ю.А. Дюпин, Г.И. Кудрявцев. - Прокопьевск, 2003. - 78 с.

8. Аксенов, Г.И. Инструкция по безопасному применению технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами / Л.П. Белавенцев. - Прокопьевск, 2003. - 80 с.

Подписано в печать 07.11.05. Тираж 100 экз. Формат 60x90 1/16 Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Заказ № 70 2005 г. Кемерово. Ротапринт НЦ ВостНИИ, ул. Институтская, 3

12 2 ?

РНБ PyccKii'1 i{,o.i;i

2006-4 17306

,1 »

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ТРАВМАТИЗМА ПРОКОПЬЕВСКА - КИСЕЛЕВСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

1.¡.Оценка состояния промышленной безопасности.

1.2.Особенности разработки крутонаклонных и крутых пластов.

1.3.Оценка систем разработки угольных пластов крутого и крутонаклонного залегания по опасности работ.

1.4.Динамика производственного травматизма в шахтах Про;. : 11 :|1 '< •. ' \ • •■)},! Ч«'- 1 ' . И« Г I ' | • I I ■ > ■ копъевско — Киселевского района.

1.5. Определение травмоопасных мест в применяемых системах разработки.

1.6.0сновные направления по повышению промышленной безопасности при отработке пластов крутого и крутонаклонного залегания в шахтах Прокопьевска — Киселевского месторождения.

2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ОЧИСТНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПЛАСТАХ С УГЛОМ ПАДЕНИЯ 25-55° И ВЫШЕ В УСЛОВИЯХ ПРОКОПЬЕВСКО- КИСЕЛЕВСКОГО УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

2.1. Область применения различных схем отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов.

2.2. Характеристика действующих и возможных кприменению технологий.

2.3. Предложения к применению технологических схем отработки крутопадающих пластов.

Актуальность работы. Прокопьевско -Киселевское угольное месторождение, запасы которого составляют около 31 млрд. тонн, является одним из наиболее крупных месторождений Кузбасса. Отработка запасов угля осуществляется преимущественно буровзрывным способом, применение средств комплексной механизации может производиться только выборочно.

Достаточно сложное строение угольного месторождения, существенная доля ручного труда и многие другие причины влияют на производственный травматизм.

Ежегодно число погибших в этом регионе, отнесенное к 1,0 млн. тонн добычи угля, в 2,5 -4 раза превышает средний показатель по угольной отрасли России. За последние 14 лет на шахтах г. Прокопьевска зарегистрировано 15374 травмы, 226 человек погибло. В результате аварий, связанных со взрывами и вспышками метановоздушной смеси, подземными пожарами, внезапными выбросами угля и газа в очистных, подготовительных забоях, действующих выработках, погибло 44 человека.

Повышенная степень опасности производства горных работ на шахтах крутого падения по сравнению с шахтами, разрабатывающими пласты угля с пологим залеганием, объективно обусловлена рядом факторов, обстоятельств, основными из которых являются: крутое залегание пластов, их большая мощность, сближенность, наличие множества геологических нарушений, применение систем добычи угля с разрушением горного массива взрывными работами, отсутствие средств механизации, ненадежное проветривание очистных забоев; опасность травмирования при массовом применении взрывных работ, возможность инициирования вспышек и взрыва метановоздушной смеси; подземные эндогенные пожары; внезапные выбросы, горные удары и другие динамические явления.

В связи с изложенным, научные исследования, направленные на совершенствование технологических схем проветривания горных выработок, обеспечивающих предупреждение опасных газодинамических явлений и взрывов угольной пыли, снижение газообильности и эндогенной пожароопасности крутопадающих угольных пластов в этом регионе являются актуальными.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научно- исследовательских работ НЦ ВостНИИ, ВНИМИ, КузНИ-УИ, угольных компаний. «Прокопьевскуголь», «Киселевскуголь» и Ростехнад-зора.

Целью работы является разработка эффективных технологических схем проветривания при отработке крутых и крутонаклонных угольных пластов камерными системами Прокопьевско - Киселевского месторождения.

Идея работы заключается в установлении закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках и их использование при управлении проветриванием газообильных шахт, разработке безопасных параметров управления аэрогазодинамическими процессами.

Задачи исследований: провести анализ состояния управления газодинамическими процессами при отработке крутопадающих пластов камерными системами в различных горнотехнологических условиях; изучить закономерности образования газоопасных зон в горных выработках на базе анализа структуры газового баланса при действующих технологических схемах проветривания; разработать меры по предотвращению в горных выработках скоплений метановоздушной смеси, угольной пыли и ее взрывов, внезапных выбросов угля и газа, возникновений эндогенных пожаров; разработать эффективные технологические решения по проветриванию очистных и подготовительных выработок, обеспечивающих безопасное управление аэрогазодинамическими процессами при отработке крутопадающих участков пластов.

Методы исследований: анализ и обобщение работ по применению существующих способов управления технологическими схемами проветривания; шахтные эксперименты по исследованию аэрогазодинамических процессов в вентиляционной сети горных выработок при камерных системах разработки; экспериментально- статистическое обоснование управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработках; методы математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Невыдержанность углов падения крутых и крутонаклонных пластов и их мощность, наличие участков геологических нарушений и зон ослабленного угля обусловливают отработку более 40% запасов угля Прокопьевске - Киселевского месторождения безопасными камерными системами — подэтажная штрековая отбойка (ПШО), блоковые обрушения породы (БОП), блоковые обрушения из выемочных штреков без магазинирования угля (БОШ).

2. Реализация прогрессивных технологических решений по проветриванию очистных и подготовительных выработок при камерных системах с учетом интенсивности газовыделения из отбитого угля и коэффициентов турбулентной диффузии и сейсмоактивности месторождения, а также неравномерности газовыделения обеспечивают безопасность при отработке высокогазоносных угольных пластов.

3. Оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными скоплениями метановоздушной смеси и обеспечения устойчивости проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков, применением новых технических решений с учетом их горногеологических, горнотехнических и технологических условий эксплуатации.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: обоснованностью постановки задач управления аэрогазодинамическими процессами, протекающими в горных выработках при камерных системах разработки угольных пластов; использованием апробированных методов и приборов контроля, проведения шахтных экспериментальных исследований; необходимым и достаточным для статистической обработки количеством шахтных исследований, проведенных в 1980 - 2004 гг. в 50 горных выработках 10 шахт Прокопьевско — Киселевского месторождения; положительными результатами практического применения технологических схем проветривания при камерных системах отработки крутопадающих угольных пластов.

Научная новизна работы заключается в следующем: научно обосновано, что при существующих горногеологических условиях Прокопьевско- Киселевского месторождения разработку крутопадающих пластов целесообразно вести эффективными и безопасными камерными системами, обеспечивающими выемку нарушенных пластов, доработку аварийных участков, а также погашение оставленных целиков, а также создание зон разгрузки при отработке свит пластов; установлено, что концентрация метана в исходящей струе обратно пропорциональна количеству проходящего по выработке воздуха и прямо пропорциональна магнитуде месторождения; разработана методика расчета метанообильности очистных забоев при камерных системах отработки крутопадающих пластов в зависимости от горнотехнических факторов, технологических процессов и сейсмоактивности; разработаны эффективные технологические схемы проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов, инструкция по их безопасному применению на шахтах Прокопьевско — Киселевского месторождения, согласованные и утвержденные в установленном законом порядке.

Личный вклад автора состоит: в анализе производственного травматизма и обосновании концепции применения камерных систем отработки крутопадающих пластов Прокопьевско - Киселевского месторождения; в установлении зависимости газового режима в горных выработках от сейсмоактивности угольного месторождения; в разработке методики расчета метанообильности очистных забоев и количества воздуха для их проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов в зависимости от горнотехнических факторов, технологических процессов и сейсмоактивности; в разработке эффективных технологических схем проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов и инструкции по их безопасному применению в угольных шахтах Прокопьевско - Киселевского месторождения.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты позволяют: обосновать эффективные технологические схемы проветривания для обеспечения безопасности отработки крутопадающих пластов камерными системами; определять метанообильность очистных забоев при различных вариантах камерных систем разработки крутопадающих пластов; определять расчетное количество воздуха для проветривания горных выработок на основе позабойного метода; определять зоны неравномерности газовыделения с учетом сейсмоактивности месторождения; управлять аэрогазодинамическими процессами и формированием газообильности горных выработок в многофакторной системе проветривания угольных шахт.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: Указания по рациональной разработке свит сближенных крутых и крутонаклонных пластов Кузбасса-Л.: ВНИМИ, 1985; Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Части 1,2 - М.: ИГД им. А. А. Скочин-ского, 1991; Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях. — М.: Недра, 1998; Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. — Макеевка: МакНИИ, 1989; Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. - Л.: ВНИМИ, 1999; заключения и рекомендации по использованию нормативных документов, составлению проектов в производственных объединениях, шахтах и на курсах горнотехнических ВУЗов РФ.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на заседаниях ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1995, 1999, 2000, 2002, 2005 гг.), ВНИМИ (г. Прокопьевск, г. Санкт- Петербург, 1994, 1998, 2000, 2004 гг.), МакНИИ (Макеевка, 1989, 1990 гг.), ННЦ- ГП ИГД им. А. А. Скочинского (г. Люберцы, 1991, 2000 гг.), РОСНИИГД (г. Прокопьевск, г. Кемерово, 1983, 1986, 1996, 2000, 2003 гг.), КузНИУИ (г. Прокопьевск, 1994 г.), на НТС Минтопэнерго РФ (г. Москва, 1996 г.), производственных объединениях и угольных компаниях Прокопьев-скуголь, Киселевскуголь (г. Прокопьевск, г. Киселевск, 1995, 1998, 2000, 2002,

2004 гг.), Кузнецком управлении Ростехнадзора (г. Кемерово, 1999, 2002, 2004

ГГ.) . • ;; .

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в т.ч. 5 статей, 1 патент и 2 нормативных документа.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, изложенных на 11 ^страницах машинописного текста, включая 8 рисунков, 7 таблиц, списка использованных источников из 40 наименований.

f.У. Общие выводы: - - - . • .-•-.

1. На пластах мощностью до 4-5 м и А25-40 системы, предусматривающие крепление забоев без гидросмыва не работоспособны. При сохранении затрат на крепление и применении гидросмыва они смогут только снизить нагрузки. Отказаться от крепления забоя проблематично из-за преждевременного обрушения кровли и «отсечки» угля в камере. Уменьшение длины камеры по восстанию и отказ от крепления приведёт к минимуму взорванный объём угля, который будет сопоставим с объёмом

2. На пластах мощностью 5-10м А40-55° возможно применить чисто «сухую» технологию, но это связано с большим удельным объёмом проведения выработок. Наиболее эффективной очистной технологией, охватывающей диапазон углов 25-50 , может быть, на мой взгляд, комбинация: разрушение верхней части камеры (блока) с помощью ВР за один приём по принципу БОШ, а нижнюю разрушать частями так же с помощью ВР, используя торцевой выпуск с последующим смывом; разрушение верхней части камеры (блока) с помощью ВР за один приём по принципу БОШ, а нижнюю разрушать частями с помощью гидромонитора, используя торцевой выпуск. Отрицательный момент - место,выгрузки (6-8м) проветривается за счёт ВМП.

3. На пластах мощностью >10м с Л25-55° реально существует способ применить «сухую» технологию, которая может стать альтернативой ПГО. При объединении их некоторых составляющих, можно увеличить как нагрузки на забой с уменьшением энергозатрат, так и-повысить процент извлечения запасов. Такое объединение даст эффект и на пластах с большими углами падения. Отрицательный момент - место выгрузки (6-8м) проветривается за счёт ВМП.

РОССИЙСКАЯ Лл ГОСУЛЛРСТПиННЛЛ

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО РЕЖИМА В РЕЗУЛЬТАТЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ПРОКОПЬЕВСКО - КИСЕЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Процесс землетрясения и сегодня, остается объектом умозрительных построений сейсмологов. Что происходит в очаге? Разрыв сплошности среды с разрядкой упругих напряжений? Подземная молния - мощный электрический разряд? Или удар при торможении блока горных пород? ]

В настоящее время существует несколько теорий природы землетрясений. Прежде всего, теория, выдвинутая 80 лет назад Дж. 'Рейдом^ Суть ее состоит в накоплении упругих деформаций при постепенном нарастании перемещения блоков, образовании разрыва и резкого смещения сторон разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформации. Разрыв, трещина, собственно очаг землетрясения, по Рейду, могут либо выходить на поверхность - и тогда мы наблюдаем сильное землетрясение, либо находиться под ней - во всех случаях слабых землетрясений [2, 36, 37].

Согласно другой теории землетрясение - это перемещение блока горных пород и удар при его торможении. При этом причиной возбуждения сейсмического излучения (упругой продольной волны), всегда является! торможение движущейся массы на контакте с неподвижной средой. Перемещение же блоков горных пород - результат взаимодействия во времени массы тела и прочности связей, удерживающих его в состоянии покоя. Для вещества недр земли характерны блоки с разной плотностью, разделенные негоризонтальными границами (тектонические нарушения). На границах гидростатическое равновесие заведомо нарушено и блоки удерживаются в покое за счет крепости окружающей среды. По истечении долговечности пород некоторые связи разрушаются, блок приходит в движение, приобретая кинетическую энергию и импульс. Удерживаемый новыми связями блок останавливается, кинетическая энергия и импульс при этом передаются в окружающую среду в виде пакета сейсмического излучения.

Согласно мнению петербургского ученого - директора НТФ «Геофиз-прогноз» Адама Гликмана, упругие колебания в зонах геологических нарушений, в подработанных участках кровли угольных пластов могут вызвать явление резонанса, что, в свою очередь, приводит к их разрушению на границах ослабленного механического контакта. На основе этих представлений был разработан метод спектрально-сейсморазведочного профилирования, . позволяющий выявлять в породном массиве зоны тектонических нарушений [1].

Обрушения пород кровли в выработанном пространстве меняют аэродинамику выработанного пространства, нарушая гидростатическое равновесие в пустотах. Метан в выработанном пространстве, находящийся в свободном состоянии под давлением, .близким к. атмосферному,- начинает-интенсивно выделяться в действующие выработки. Избыточное выделение прекращается при достижении равновесия в новых условиях.

В условиях угольных месторождений Кузбасса сейсмические явления природного происхождения чрезвычайно редки. Последний раз подземные толчки были зафиксированы во время Алтайского землетрясения летом и осенью 2003 г., интенсивность которых в Кузбассе составляла 3-4 балла по шкале Рихтера [1,36, 37].

Так, 16 июня 2003 г. на шахте «Красногорская» Прокопьевско-Киселевского угольного ^месторождения в 18 ч 30 мин. были iзафиксированы подземные толчки в 4 балла. Одновременно в забое V подэтажного штрека кв. 1-восток по пласту Лутугинскому гор. 150 м были слышны горные удары в отработанном массиве. При этом было зафиксировано увеличение концентрации метана на исходящей струе до 2%. Увеличение концентрации было кратковременным, в 20 ч 00 мин она уже составляла среднее за сутки значение - 0,2%. Аналогичная картина была зафиксирована и на других участках этого горизонта.

На шахте им. Ворошилова 28 сентября 2003 г. была зафиксирована серия подземных толчков в период с 0 ч 00 мин: .до 5 ч 00 мин интенсивностью 2,7 -3,2 балла. Увеличение концентрации метана в исходящей струе при этом составило до 1,5% на пластах Лутугинском, Характерном. На шахте «Зиминка» в этот период концентрация метана составляла 0,7-1,0 %. Так же, как и на шахте «Красногорская», эти явления;, сопровождались серией горных ударов в выработанном пространстве.

Профилактика пылегазового режима выработок в условиях крутых мощных пластов Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения, где основной способ добычи полезного, ископаемого - буровзрывной, является одной из самых актуальных задач горного производства. Отсутствие надежных методов и средств непосредственного контроля за газообильностью и аэродинамическими характеристиками выработанного пространства приводит к необходимости применения горно-статистических методов оценки газовой обстановки. Безусловно, подобные оценки не. претендуют на всеобщность, поскольку учитываются лишь количественные характеристики для конкретного месторождения в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях. Кроме того, на качество оценки влияет объем статистического материала. Однако в этом подходе есть и положительные моменты. Прежде всего, это возможность определения факторов, оказывающих существенное воздействие на исследуемое явление [3, 37, 40].

Для определения изменения концентрации метана в исходящей струе в условиях сейсмической активности были приняты во внимание следующие факторы: . .

Сс//4 - концентрация метана, %; - магнитуда, балл; д - количество воздуха, проходящего по выработке, м3/мин; к - вынимаемая мощность пласта, м; - . . . . н - глубина забоя, м;

V - скорость подвигания очистного забоя, м/сут; а - угол наклона пласта, град.

На первом шаге были определены частные коэффициенты корреляции (таблица 6). Фактор считается информативным, если частный коэффициент корреляции больше 0,45.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно- квалификационной, работой, ¿.которой содержится решение задач по установлению закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках при камерных системах разработки крутопадающих пластов, разработаны безопасные технологические схемы их проветривания, имеющих существенное значение для обеспечения безопасности горных работ.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что наиболее эффективными с точки зрения экономической целесообразности и обеспечения .безопасности в условиях! .крутопадающих пластов являются камерные системы разработки, позволяющие выемку более 40 % запасов угля вести в контуре участка геологических нарушений, зон ослабленного угля, резкого изменения углов падения пласта.

2. Установлено наличие корреляционной связи между суммарной долей добычи системами ПШО, ДСО, ЩИТ с закладкой от общей добычи подземным способом и числом травматизма на 1 тонну и доли смертельных случаев в общем травматизме.

3. Разработанные технологические схемы проветривания, методы управления аэрогазодинамическими параметрами при различных вариантах камерных систем позволяют провести комплексную оценку промышленной безопасности при отработке крутых и крутонаклонных пластов Прокопьевско- Киселевского месторождения, сократить аварийность очистных забоев и снизить затраты на добычу угля, и, в конечном итоге, повысить безопасность горных работ. ! ! 1И: ' • • ' 1!; -. .

4. Впервые произведена качественная оценка влияния землетрясений на газовую обстановку в горных выработках и получена корреляционная зависимость концентрации метана на исходящей струе выработки от магнитуды месторождения, необходимая при расчете газообильности очистных; забоев и количества воздуха для их проветривания при аварийных ситуациях.

5. Разработанные технологические схемы проветривания обеспечивают полное использование свежей струи воздуха, проходящей по рабочему пространству очистного забоя для разбавления метана, выделяющегося из обнаженной поверхности пласта и отбитого угля в пределах забоя; предусматриваются решения по разбавлению газа, выделяющегося из выработанного пространства до допустимой ПБ концентрации или его отвода обособленными струями воздуха с помощью газоотсасывающих установок; при этом обеспечивается необходимая степень устойчивости вентиляционной струи, как при нормальном, так и при аварийном режимах, возникающих при землетрясениях.

6. Результаты проведенных исследований и полученные рекомендации вошли составной частью в разработанные «Технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско- Киселевского месторождения камерными системами» и «Инструкцию по безопасному применению ^технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско- Киселевского месторождения камерными системами», являющиеся одними из основополагающих документов в производственной деятельности по управлению аэрогазодинамическими процессами в горных выработках, обеспечивающими эффективность и безопасность ведения горных работ при разработке крутопадающих пластов Прокопьевско- Киселевского месторождения.

1. Буллен К.Е. Введение в теоретическую сейсмологию. /М.: Мир, 1966.460с.

2. Гликман А.Г. О формировании упругих колебаний в слоистых средах /Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений,- N6, 1999.-c.25-29. V-% ' — •

3. Бурчаков A.C., Мустель П.И., Ушаков К.З. Рудничная аэродинамика /М.: Недра, 1971.-376с.

4. Указания по рациональной разработке свит сближенных крутых и кртонаклонных пластов Кузбасса /Л.: ВНИМИ, 1985.

5. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам /Л.: ВНИМИ, 1999.

6. Руководство по применению пен и вспененных суспензий для борьбы с эндогенными пожарами на шахтах /Прокопьевск: ВО ВНИИГД, 1986.

7. Технологические схемы разработки пластов Прокопьевско — Киселевского месторождения камерными системами ./Прокопьевск, 2003.

8. Инструкция по безопасному применению технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско Киселевского месторождения камерными системами./Прокопьевск, 2003. . .1 п. ч

9. Ю.Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. /МакНИИ Макеевка, 1989.

10. Методика расчета колочества воздуха для проветривания очистных забоев по выделению метана. / Кемерово: ВостНИИ, 2003.

11. Инструкция по предупреждению и тушению подземных эндогенных пожаров в шахтах Кузбасса. /Кемерово: ВостНИИ, 1999.

12. Руководство по дегазации угольных шахт. /М.: Недра, 1990.14.паспорта подготовительных и очистных работ для крутых Кластов Кузбасса. /Прокопьевск, 1990.

13. Правила безопасности в угольных шахтах. /Самара: Самарский Дом печати, 1995.

14. Альбом вентиляционных сооружений для угольных шахт. /Кемерово: ВостНИИ, 1978.

15. Правила безопасности в угольных шахтах. Книга 3. Инструкции по борьбе с пылью и пылевзравозащите. /Липецк: Липецкое издательство Роскомпечати, 1997. . . . . . . . .

16. Руководство по изоляции отработанных выемочных участков, временно остановленных и неиспользуемых горных выработок в шахтах. /Кемерово: ВостНИИ, 1977.

17. Руководство по применению азота и инертных пен для борьбы с эндогенными пожарами* В1 шахтах./Прокопьевск, 1983. .

18. Руководство по применению антипирогенов для предупреждения и тушения подземных эндогенных пожаров. / Кемерово: ВостНИИ, 1978.

19. Руководство по локации эндогенных пожаров (нагреванииО с поверхности шахтного поля. /Кемерово: ВНИИГД, 1996.

20. Руководство по применению гелеобразующих составов для предупреждения самовозгорания угля в шахтах. / Кемерово: ВостНИИ, 1989.

21. Временные ракомендации по использованию сухих инертных аэрозолей для локализации и тушения эндогенных пожаров в шахтах. /Кемерово, Рос НИИГД, 1994. ¡,. „ь. ;!. .,.;!. • .

22. Руководство по применению хлоридно-глинистой пасты для предупреждения самовозгорания угля и снижения воздухопроницаемости изолирующих сооружений. /Кемерово: ВостНИИ, 1992.

23. Руководство по применению способов торможения развития самонагревания угля в выемочных выработанных пространствах выработанных полей. /Кемерово: ВостНИИ, 1986.

24. Конструкции изолирующих сооружений для шахт Восточных районов СССР (приложение к бассейновым инструкциям по предупреждению и тушению эндогенных пожаров). — Кемерово, 1976.

25. Положение о порядке и контроле безопасного ведения горных работ в опасных зонах. Санкт - Петербург: ВНИМИ, 1994.

26. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа. /М.: ИГД им. A.A. Скочин-ского, 2000.

27. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях. /М.: Недра, 1998.

28. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок. /Л.: ВНИМИ, 1996.

29. Временная инструкция по предотвращению прорывов глин в действующие горные выработки на шахтах Кузбасса. /Я:: ВНИМИ, 1989.1.

30. Инструкция по расчету и применению анкерной крипи на шахтах ООО НПО «Прокопьевскуголь». /Прокопьевск, 2002.

31. Маевская В.М. Прогноз эндогенных пожаров. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук./ Кемерово: КузПИ, 1970.

32. Руководство по применению метода выравнивания давления для предупреждения и тушения эндогенных пожаров в условиях Кузбасса. /Кемерово: ВостНИИ, 19 66

33. Сурков А.Л., Михайлов В.А. Влияние режима проветривания на концентрацию метана в очистном Забое, /труды ВстНИИ, том 3, М.-'Госгортехиз-дат, 1963.

34. Анненков Б.А:. Исследование колебаний газового' дебита в угольных шахтах. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. /М.: ИГД им. A.A. Скочинско-го, 1969.

35. Алехичев С. Пучков JI.A. Аэродинамика зон обрушения и расчет блоковых утечек воздуха. /Л,; Наук^, 1968. ,. '•'••^.Vv-u:

36. Глузберг Е.И., Крикунов В.Н., Александров В.А. Самовозгорание угля в выработанном пространстве. /Цв. Вызов, Горный журнал, 1971 г. №12.

37. Мясников A.A. Проветривание горных выработок при различных системах разработки. / М.: Госгортехиздат, 190

38. Милетич А.Ф.Утечки воздуха и их расчет при проветривании шахт. /М.:Недра, 1963.