Главная » 2013 » Март » 18 » Технология формирования устойчивого выработанн�
|
|
|
Технология формирования устойчивого выработанн�
На правах рукописи Шенгерей Светлана Владимировна ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОГО ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ ПРИ ОТРАБОТКЕ КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ Специальность: 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новокузнецк 2007 2 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Министерства образования Российской Федерации «Сибирский государственный индустриальный университет» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Фрянов Виктор Николаевич Официальные оппоненты – доктор технических наук Калинин Степан Илларионович доктор технических наук, профессор Сенкус Витаутас Валентинович Ведущая организация: Закрытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «Кузнецкий научно-исследовательский угольный институт» Защита состоится 22 мая 2007 г в 1500 часов на заседании диссертационного совета: Д 212.252.03 в ГОУ ВПО Министерства образования Российской Федерации «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, ауд. 3П. Факс (8 - 3843)46-57-92, Е-mail: fryanov@sibsiu. ru. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет». Автореферат разослан 20 апреля 2007 г Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Чубриков А.В. 3 Общая характеристика работы Актуальность работы. Отличительными особенностями большинства угольных предприятий Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, разрабатывающих крутые пласты, являются: низкая эффективность добычи угля; нерациональное использование природных ресурсов; высокая опасность для окружающей среды. В среднем объем выработанного пространства в продуктивных массивах не превышает 1,5 % от их общих объемов в пределах горных отводов. При извлечении угля от 50 до 65 % выработанное пространство не используется. Нарушения земной поверхности (провалы, мульды оседания) составляют в среднем 80 % от площади горных отводов. Задача сглаживания негативных последствий применения существующих технологий отработки ценных коксующих углей на пластах крутого падения потребовала провести дополнительные исследования по разработке альтернативных технологий, позволяющих не только эффективно отрабатывать крутые пласты, но и использовать выработанное пространство для размещения производственных отходов. Условия залегания и низкая адаптивность технологии угледобычи предопределили ряд особенностей разработки крутых пластов, из которых наиболее опасными являются эндогенные пожары, внезапные выбросы угля и газа, горные удары, прорывы глины и пульпы в горные выработки и т.д. Ведущими научно-исследовательскими, учебными и проектными институтами страны выполнен большой объем аналитических, лабораторных и шахтных исследований, направленных на изучение закономерностей геомеханических процессов в массиве горных пород и в окрестности подготовительных выработок при отработке крутых пластов с обрушением кровли или закладкой выработанного пространства. Однако результаты исследований не позволяют в полной мере прогнозировать влияние горно- геологических и горнотехнических факторов на технологию формирования устойчивого выработанного пространства при отработке крутых угольных пластов для размещения производственных отходов. В этой связи актуальными являются исследования, направленные на защиту окружающей природной среды и создание технологий, обеспечивающих формирование устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов. Работа выполнена в рамках: научно-исследовательских и проектно- конструкторских работ Сибирского государственного индустриального университета в 2000-2006 гг., в том числе по программе № 006 Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы в области топлива и энергетики», проект № 26-6 «Разработка компьютерной системы геомониторинга и оперативного прогноза геомеханических параметров выемочных полей и участков угольных шахт» № гос. регистрации 04200008299; Программой Кузбасского НОК – 1; подпрограммой «Недра Кузбасса», проект № 27-6 4 «Разработка системы прогноза параметров высокоинтенсивных технологий угледобычи действующих шахт Кузбасса», № гос. регистрации 01970004330. Целью работы является создание технологий, обеспечивающих формирование устойчивого выработанного пространства для размещения производственных и бытовых отходов при отработке крутых угольных пластов. Основная идея работы заключается в интеграции композиционных структур закладочных массивов и закономерностей формирования устойчивого выработанного пространства с учетом процессов в очистном забое при отработке крутых угольных пластов, для научного обоснования технологических решений, обеспечивающих возможность размещения производственных отходов. Задачи исследований: - установить влияние горно-геологических и горнотехнических факторов на устойчивость выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов; - установить закономерности деформирования пород кровли в выработанном пространстве с учетом процессов в очистном забое при отработке крутых угольных пластов в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий; - обосновать критерии устойчивости боковых пород в выработанном пространстве для определения допустимых площадей обнажения кровли и размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов; - синтезировать альтернативные варианты технологических схем отработки крутых угольных пластов для разработки новых технологических решений, обеспечивающих возможность формирования устойчивого выработанного пространства; - разработать технологические решения отработки крутых угольных пластов, обеспечивающие формирование устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов, обосновать рациональную область их применения. Методы исследования. Для решения поставленных задач применен комплексный метод исследований: анализ и обобщение производственного опыта, а также результатов, предшествующих научных исследований; декомпозиция существующих технологических схем отработки крутых пластов; математическая статистика для обработки результатов научных экспериментов; технико- экономическое сравнение технологических решений. Научные положения, выносимые на защиту: - по убывающему влиянию на устойчивость выработанного пространства при отработке крутых угольных пластов основные факторы ранжируются в следующей последовательности: предел прочности и трещиватость боковых пород; мощность и угол падения пласта; длина очистного забоя; способы разрушения горной массы и управления горным давлением; - деформирования боковых пород при выемке угля буровзрывным способом увеличиваются на 60-70 % в сравнении с механизированным, при этом, обеспечиваются предельно допустимые площади обнажения 750-900 м2, а нормальная составляющая давления на композиционную структуру закладочного 5 массива экспоненциально возрастает при увеличении размеров выработанного пространства; - величина площади предельно допустимого обнажения кровли зависит от трещиноватости и способности к расслоению пород в процессе сдвижения после выемки угля, причем основными критериями устойчивости являются время отработки участка пласта и компрессия закладочного массива, состоящего из производственных отходов, а также литой твердеющей закладки; - обязательными элементами синтезирования альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов для разработки новых технологических решений являются: композиционная структура закладочных массивов состоящая из производственных отходов, пропитанных твердеющими смесями, а также гидравлическая или механическая отбойка угля с проветриванием очистных забоев за счет общешахтной депрессии; - технологические решения отработки крутых угольных пластов, обеспечивающие возможность формирования устойчивого выработанного пространства, базируются на прогрессивных элементах традиционных технологий, позволяющих проветривать очистные забои за счет общешахтной депрессии, причем область их применения регламентируется устойчивыми и средней устойчивостью боковыми породами, а также углом падения более 600 и мощностью пласта более 1,2 м. Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в работе, обеспечивается и подтверждается: - достаточным объемом наблюдений за проявлением горного давления в шахтных условиях и положительным производственным опытом применения технологических схем отработки крутых угольных пластов с обрушением кровли и закладкой выработанного пространства, исключающих буровзрывные работы; - высоким (0,83-0,95) коэффициентом корреляции при статистической обработке зависимостей, полученных в натурных экспериментах деформаций боковых пород в очистных забоях, камерах и подготовительных выработках, от времени обнажения; - положительным опытом использования самотечной закладки при щитовой системе разработки в условиях шахты им. Ворошилова, а также литых твердеющих смесей и гидрозакладки на шахте «Коксовая» ООО «УК «Прокопьевскуголь». Научная новизна работы состоит в: - установлении влияния мощности и угла падения пласта, а также физико-механических свойств горных пород при различной длине очистного забоя, способов разрушения горной массы и управления горным давлением на допустимую площадь обнажения кровли при отработке крутых угольных пластов; - установлении закономерностей влияния процессов в очистном забое, а также горно-геологических и горнотехнических условий, на предельно допустимые площади обнажения и деформирование пород кровли в выработанном пространстве; 6 - синтезе альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов, включающих композиционные структуры закладочных массивов при гидравлической и механической отбойке угля; - разработке технологических решений, базирующихся на прогрессивных элементах традиционных технологий, позволяющих проветривать очистные забои за счет общешахтной депрессии и формировать устойчивое выработанное пространство при углах падения пласта более 600 и мощности более 1,2 м (патенты № 2283431, №2285799, №2293182), решения о выдаче патентов. Заявка № 2005133593/03 (037602), заявка № 2006102765/03 (003020). Личный вклад автора состоит в: - установлении зависимостей параметров устойчивости боковых пород от основных горно-геологических и горнотехнических факторов; - установлении закономерностей формирования устойчивого выработанного пространства и предельно допустимых площадей обнажения кровли пласта в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий; - синтезе альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов для разработки новых технологических решений; - разработке технологических решений для отработки крутых угольных пластов, обеспечивающих формирование устойчивого выработанного пространства, для размещения производственных отходов при гидравлической и механической отбойке угля и проветривании очистных забоев за счет общешахтной депрессии. Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют: использовать разработанные технологические решения для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов; обеспечить возведение противопожарных перемычек и искусственных полос, а также изоляционных перемычек при ликвидации шахт; снизить экологическую нагрузку на природную среду; увеличить срок службы угледобывающих предприятий за счет расконсервации запасов угля в охранных целиках на действующих горизонтах, а также снизить затраты на вскрытие и подготовку новых горизонтов. Реализация работы. Разработанные технологические решения приняты за основу при проектировании горных работ по пласту IV Внутреннему ОАО «Шахты «Коксовая» для расконсервации запасов угля в охранных целиках под жилыми домами и промышленными объектами. Результаты исследований использованы в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета при изучении дисциплины «Технология и комплексная механизация подземной разработки крутых пластов». Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные результаты исследований, обсуждались и были одобрены на ученом Совете Сибирского филиала Межотраслевого научного центра ВНИМИ, ЗАО «НПК «КузНИУИ» (2001-2006 гг.), техническом Совете ООО «УК «Прокопьевскуголь» (2003-2006 гг.), на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. 7 Новокузнецк 2006 г.), на ХI Международной конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк 2007 г), на I Региональной научно – практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (г. Прокопьевск 2007 г), а также на расширенных технических совещаниях шахт «Тырганская», ООО «Шахты имени Дзержинского» и др. (2004-2006 гг.). В 2006 году работе присуждена первая премия имени А.М.Терпигорева. Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе получено 5 патентов и три работы подготовлены без соавторов. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и содержит 152 страницы машинописного текста в том числе 36 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 93 наименований. Основное содержание работы В первом разделе приведены результаты анализа существующих систем разработки крутых угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса с естественным и искусственным поддержанием боковых пород и оценка возможности использования выработанного пространства для размещения производственных отходов. Попытка использовать выработанное пространство для размещения породы от проведения горных выработок была сделана в 1950 годах при применении щитовой системы разработки. При этом увеличилась производительность труда, но в тоже время возникли серьезные трудности с подачей закладочного материала в выработанное пространство. Установлено, что эффективное заполнение выработанного пространства возможно только при устойчивых боковых породах. Крупный вклад в изучение устойчивости боковых пород и использовании выработанного пространства для размещения отходов производства внесли: К.А. Ардашев, А.А. Беляев, Р.А. Бирюков, А.А. Борисов, Б.В. Власенко, Г.И. Грицко, Д.Т. Горбачев, П.В. Егоров, Л.А. Зиглин, С.И. Калинин, В.А. Капустин, Г.Н. Кузнецов, В.Н. Куликов, Г.Н. Кулаков, М.В. Курленя, В.И. Мурашев, Н.В. Неволин, Г.Е. Посохов, Н.Л. Разумняк, Ю.А. Рожков, Ю.С. Самохвалов, В.В. Тарасенко, А.Ш. Флейшман, В.Н. Фрянов, Е.И. Шемякин, В.М. Шик и др. На основе разработанных этими авторами теорий и технологий была проведена расконсервация запасов угля в охранных целиках Прокопьевско- Киселевского района при применяемых системах разработки с закладкой выработанного пространства. Однако, из-за постоянно усложняющихся горно-геологических и горнотехнических условий, при одновременном повышении требований к охране окружающей среды, а также низких технико-экономических показателей систем разработки с закладкой выработанного пространства, потребовались новые технологии, позволяющие не только осуществлять выемку ценных коксующих углей, но и использовать выработанное пространство для размещения производственных отходов. 8 Для создания такой технологии необходимы дополнительные исследования по установлению закономерностей влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на предельно допустимые площади обнажения и деформирования пород кровли в выработанном пространстве. На основе проведенного анализа, изученности состояния вопроса, сформирована цель настоящих исследований и определены задачи, решение которых в диссертационной работе обеспечивает их достижение. Поэтому работа по формированию устойчивого выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов является своевременной и актуальной. Во втором разделе приведено методическое обеспечение конструирования вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов с использованием выработанного пространства для размещения производственных отходов, а также натурных исследований основных параметров деформаций и смещений боковых пород в различных горно- геологических и горнотехнических условиях. По основным факторам, определяющим различия в проявлениях горного давления (структурный состав пород и угля, их мощность), выделено три группы горно-геологических условий отработки крутых пластов с характерными особенностями обрушения пород кровли в выработанном пространстве: - к первой группе относятся условия, при которых непосредственная кровля обрушается вслед за подвиганием очистного забоя, а основная склонна к зависанию над выработанным пространством пролетами до 4 м; - ко второй группе относятся следующие условия: непосредственная кровля склонна к зависанию над выработанным пространством пролетами до 10 м, а основная кровля зависает блоками; - в третьей группе условий непосредственная кровля зависает на больших площадях, а основная растрескивается на блоки с пролетом более 12 м. Исследованиями установлено влияние горно-геологических (предел прочности и трещиноватость боковых пород, а также мощность и угол падения пласта) и горнотехнических (длина очистного забоя, способы разрушения горной массы и управления горным давлением) факторов на допустимые площади обнажения кровли в выработанном пространстве. С ростом глубины горных работ от 200 м до 400 м увеличиваются предел прочности пород и плотность, а также допустимая площадь обнажения кровли пласта в выработанном пространстве. С изменением угла падения пласта в пределах 60 – 900 площадь обнажения кровли увеличивается, а с изменением мощности пласта от 1,2 м до 10,0 м - уменьшается [рисунок 1]. При длине очистного забоя более 60 м допустимая площадь обнажения среднеустойчивой кровли снижается до 750 м2. По результатам исследований обосновано следующее научное положение: по убывающему влиянию на устойчивость выработанного пространства при отработке крутых угольных пластов основные факторы ранжируются в следующей последовательности: предел прочности и трещиноватость боковых 9 пород, мощность и угол падения пласта; длина очистного забоя; способы разрушения горной массы и управления горным давлением. В третьем разделе представлен анализ результатов исследований геомеханических процессов и устойчивости боковых пород при отработке крутых угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского района с обрушением кровли и закладкой выработанного пространства в различных горно- геологических и горнотехнических условиях для установления возможности размещения в нем производственных отходов. Исследованиями установлено, что при отработке крутых пластов с обрушением кровли скатывающиеся куски породы в выработанном пространстве поддерживают вышележащие слои и тем самым препятствуют их обрушению. Скорость скатывания обрушенных пород по падению находится в прямой зависимости от вынимаемой мощности и угла падения пласта. Наиболее благоприятные условия заполнения выработанного пространства обрушенными породами наблюдаются при мощности пласта более 1,2 м, при угле падения свыше 60, при естественном и искусственном разрушении целика у вентиляционного штрека между горизонтами. Смещения боковых пород при управлении горным давлением закладкой происходят без значительных разрывов сплошности вплоть до момента потери краевой частью пласта устойчивости, что сопровождается постоянными вывалами угля, а иногда и динамическими проявлениями горного давления. Форма и степень проявлений горного давления, влияющие на устойчивость боковых пород в выработанном пространстве, определяются начальным напряженным состоянием горного массива и формированием в процессе очистной выемки нового напряженно-деформированного состояния горного и закладочного массива, зависящего от их структуры, а также деформационных и прочностных свойств. Породы кровли сохраняют сплошность до определенного уровня развития их смещений. С увеличением смещений кровли происходит расслоение пород, разуплотнение их на контактах и обрушение в выработанное пространство до установки крепи. Установлено, что при мощности вынимаемого пласта 3м, максимальные смещения кровли, сохраняющие сплощность, не превосходят 0,45 м. Сопоставление этих экспериментально полученных фактов позволило интерпретировать критическую мощность пласта 0,4 м, как определенную механическую константу, описывающую переход от плавного изгиба пород кровли без потери сплошности к их обрушению. Плавный изгиб пород кровли определяется податливостью крепи очистного забоя и компрессионными свойствами закладочного массива. Наиболее технологичным способом повышения несущей способности закладочных массивов при их взаимодействии с вмещающими породами является возведение в них опорных полос из материала обладающего низкой усадкой. На основании опыта применения закладочных массивов с низкой усадкой, являющихся опорными полосами в композиционной внешней структуре, при
 10 Рисунок 1 – Зависимость допустимой площади обнажения кровли от горно-геологических (а, б) и горнотехнических (в, г) условий при различных классах устойчивости пород: 1 – устойчивые породы; 2 – среднеустойчивые породы; 3 – неустойчивые породы 11 при разработке месторождений, а также существующих методик расчета параметров устойчивого обнажения кровли, установлено, что величина площади устойчивого обнажения кровли при использовании закладочных материалов с высокими компрессионными свойствами увеличится на 20-30 % и составит более 2000 м2. При выемке угля буровзрывным способом деформации боковых пород увеличиваются на 60-70 % в сравнении с механизированным, при этом обеспечиваются предельно допустимые площади обнажения 750-900 м2. Наметив диапазон варьирования горнотехнических параметров (глубина разработки, скорость подвигания забоя и его длина) определены контуры зон устойчивого обнажения боковых пород для формирования подземного пространства и последующего его заполнения отходами производства. По результатам исследований обоснованы следующие научные положения: - деформации боковых пород при выемке угля буровзрывным способом увеличиваются на 60-70 % в сравнении с механизированным, при этом, обеспечиваются предельно допустимые площади обнажения 750-900 м2, а нормальная составляющая давления на композиционную структуру закладочного массива экспоненциально возрастает при увеличении размеров выработанного пространства; - величина площади предельно допустимого обнажения кровли зависит от трещиноватости и способности к расслоению пород в процессе сдвижения после выемки угля, причем основными критериями устойчивости являются время отработки участка пласта и компрессия закладочного массива, состоящего из производственных отходов, а также литой твердеющей закладки; В четвертом разделе на основе прогрессивных элементов существующих технологий отработки крутых угольных пластов были синтезированы альтернативные варианты технологических схем для создания новых технологических решений, исключающих трудоемкие процессы при выемке угля, позволяющих использовать композиционные структуры закладочных массивов, пропитанных твердеющими смесями и учитывающих ограничения по горно- геологическим и горнотехническим факторам. Анализ альтернативных вариантов производился на основе декомпозиции существующих систем разработки: щитовая ЩО; длинные столбы по простиранию ДСО; камеры, а также короткие полосы по простиранию с гидрозакладкой выработанного пространства КПГЗ. На основании проведенных исследований сформулированы основные требования к новым технологическим решениям, основанные на прогрессивных элементах существующих технологий разработки крутых угольных пластов, включающих в себя: наличие композиционных структур закладочного массива, пропитанного твердеющими смесями и отсутствие буровзрывных работ. По результатам исследований обосновано следующее научное положение: обязательными элементами при синтезе альтернативных вариантов технологических схем отработки крутых угольных пластов являются: 12 композиционная структура закладочных массивов, состоящая из производственных отходов, пропитанных твердеющими смесями, а также гидравлическая или механическая отбойка угля. В пятом разделе приведено обоснование параметров разработанных с участием автора технологических решений по использованию выработанного пространства для размещения производственных отходов при отработке крутых угольных пластов. Предлагаются четыре технологические схемы, которые охватывают диапазон изменения мощности пласта от 1,2 до 10 и более метров, углов падения от 60 - 90°, на пластах с устойчивой и средней устойчивостью кровлями (рисунок 2). Основным фактором, определяющим целесообразность и эффективность применений технологических решений, обеспечивающих использование выработанного пространства для последующего заполнения производственными отходами, является устойчивость обнажения боковых пород. На пластах с устойчивыми боковыми породами, обрушающимися при площади обнажения свыше 400 - 500 м2 технологические решения позволят достигнуть снижение себестоимости угля на 15 - 20%. При применении же технологических решений на пластах с неустойчивыми боковыми породами, обрушение боковых пород происходят сразу после отбойки угля и не представляется возможность заполнять выработанное пространство отходами производства. Из-за тектонических нарушений пород, площади устойчивых обнажений в пределах выемочного участка, даже при устойчивых кровлях, изменяются в широких пределах (500-2500 м2). Разработанные технологические решения, позволяющие использовать выработанное пространство для размещения производственных отходов, базируются на уже испытанных в условиях района схемах, с той лишь разницей, что в предлагаемых схемах используется гидравлическая, механизированная или механогидравлическая отбойка горной массы. Так, первое технологическое решение представляет собой синтез двух технологий: горизонтальные слои с литой твердеющей закладкой (испытывается на шахте «Коксовая») и подэтажная гидроотбойка широко используемая на шахтах района. Предлагаемая технология позволяет применять (комбинированную) самотечную и литую твердеющую закладку. Вторая технологическая схема основана на обычной технологии отработки крутых пластов средней мощности с применением механизированного комплекса КПК или агрегата АК-З. В отличие от существующей схемы, предлагается по мере подвигания верхнего очистного забоя со стороны ската под гибким перекрытием проводить второй подэтажный штрек для исходящей струи воздуха из нижнего очистного забоя. Отходы производства в выработанное пространство нижнего очистного забоя подаются через оставляемые проемы в органном ряду.
|
|
|
Просмотров: 416 |
Добавил: mudded
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
|
Статистика |
Онлайн всего: 4 Гостей: 4 Пользователей: 0 |
|