CC BY
55
_________________________________ © В.В. Мельник, А.К. Логинов,
2011
УДК. 622. 22
В.В. Мельник, А.К. Логинов
ОБОСНОВАНИЕ ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ УГОЛЬНЫ1ХМЕСТОРОЖДЕНИЙ
Обоснованы прогрессивные технологические решения по интенсивной отработке угольных месторождений: разработана концепция совершенствования шахтного фонда ОАО «Воркутауголь» на основе объединения предприятий в угледобывающий комплекс со строительством централизованной конвейерной подземной магистрали с выдачей горной массы на обогатительные фабрики; разработаны методические принципы обоснования параметров многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов выемочных участков с учетом закономерностей взаимодействия угольных целиков с боковыми породами; разработаны технологические решения по креплению горных выработок штанговыми и канатными анкерами на основе учета силовых и деформационных характеристик анкеров.
Ключевые слова: технологические решения, угольные месторождения, концепция развития, интенсивная отработка
ТУ*ак уже отмечалось в работах [1-2] в настоящее время на кафедре «Подземной разработки пластовых месторождений» Московского государственного горного университета успешно развиваются девять основных направлений научных исследований:
1. Разработка вариантов гибких технологий интенсивной отработки шахтных полей с использованием высокопроизводительного оборудования нового технического уровня (руководитель - проф., докт. техн. наук Ю.Н. Кузнецов).
2. Разработка теоретических основ проектирования и управления технологическими системами высокопроизводительных угольных шахт (руководитель - проф., докт. техн. наук А.С. Малкин).
3. Создание комплексов скважинной гидравлической добычи, переработки и транспортировки угля потребителям (руководитель -проф., докт. техн. наук В.В. Мельник).
4. Создание комбинированных технологий добычи угля на основе гидромеханизации (руководитель - проф., докт. техн. наук В.А. Атрушкевич).
5. Углеэнергетические комплексы для разработки угольных месторождений с получением сверхчистого газового топлива (руководитель - проф., докт. техн. наук Васючков Ю.Ф.).
6. Комплексное освоение ресурсов угледобывающих предприятий (руководители - проф., докт. техн. наук А.С. Малкин, проф., докт. техн. наук В.В. Агафонов).
7. Создание интегрированных технологических систем отработки мощных пластов (руководитель - проф., докт. техн. наук ЮН. Кузнецов).
8. Разработка технологии отработки газообильных участков шахтных полей с добычей и утилизацией метана (руководитель -доц., канд. техн. наук Ю.Г. Анпилогов).
9. Разработка вариантов физико-химической геотехнологии (руко-водители - проф., докт. техн. наук Б.Д. Терентьев, проф., канд. техн. наук В.Г. Виткалов).
Остановимся более детально на результативности научных исследований по направлениям « Разработка вариантов гибких технологий интенсивной отработки шахтных полей с использованием высокопроизводительного оборудования нового технического уровня» (руководитель - проф., докт. техн. нук Ю.Н. Кузнецов) и «Разработка теоретических основ проектирования и управления технологическими системами высоко-производи-тельных угольных шахт» (руководитель - проф., докт. техн. наук А.С. Малкин), которые проводятся в соответствии с отраслевыми планами НИОКР в рамках государственных контрактов.
Кризис российской экономики отразился на деятельности предприятий - проявились локальные кризисы, связанные с отсутствием опыта работы в нестабильных условиях рынка. Российские предприятия, с изменением экономических отношений, оказались в рыночной среде и остро нуждаются в новых концепциях и методах выживания, моделях технолого-эконо-мического поведения.
Показательным в этом отношении является пример Печорского угольного бассейна, который является самым крупным в Европе и основным в Европейской части России бассейном с запасами коксующихся углей.
Промышленные запасы действующего шахтного фонда, составляют 500 млн. т угля марок Ж (коксующиеся) и ГЖО (применяемые для коксования и энергетики). Доля Воркутинского промышленного района в общем балансе коксующихся углей, добываемых в Российской Федерации, составляет более 10%, в том числе наиболее востребованной дефицитной марки Ж - около 39%.
Изменение формы собственности определило новые подходы к организации деятельности угольной компании на всех структурных уровнях. Для решения одной из основных задач - обеспечения в кратчайшие сроки рентабельности производства, потребовалась разработка комплекса многоплановых мероприятий по повышению эффективности работы предприятий и обеспечению безопасности ведения горных работ. Их многоплановость и нетрадиционность были определены особыми условиями бесцеликовой технологии отработки запасов угольных пластов с одинарной подготовкой выемочных столбов, сложившейся на предприятиях ОАО «Воркутауголь» с 70-х г. При ведении горных работ на верхних горизонтах шахтных полей эта технология хорошо себя зарекомендовала и на десятилетия была официально принята в качестве основной. С уходом горных работ на большие глубины и усложнением горнотехнических условий, необходимостью поддержания горных выработок большой протяжённости её эффективность снижалась, образуя сложный комплекс проблем.
В этих условиях в качестве одной из первоочередных задач повышения эффективности подземной угледобычи явилось формирование научно-обоснованной методологии проведения технической политики, базирующейся на системном подходе к комплексному обоснованию технико-технологических, экономических и организационно-управленческих решений, принимаемым на стадиях вскрытия, подготовки и отработки запасов высокогазоносных угольных пластов, а также на стадии переработки угля.
Основные проблемы шахт Воркутского месторождения, обусловливающие высокую долю постоянных затрат в себестоимости, заключаются в следующем: избыточная наземная и подземная инфраструктура шахт; ограничение производственной мощности; ограничение производительности очистных забоев по фактору вентиляции; отсутствие эффективных схем дегазации разрабатываемых пластов.
Современный уровень знаний по рассматриваемой проблематике обусловили необходимость решения важных научнометодических и организационных задач: разработка концепции объединения действующих шахт в угледобывающий комплекс с централизованной транспортной магистралью; разработка прогрессивных технологических схем высокопроизводительной отработки запасов высокогазоносных угольных пластов; разработка методи-
ческих принципов обоснования параметров технологии многоштрековой подготовки и отработки запасов выемочных участков, а также технологии крепления горных выработок канатными анкерами с различной глубиной заложения; разработка вариантов пространственно-планиро-вочных решений отработки выемочных блоков.
В ходе разработки концепции совершенствования шахтного фонда Воркутинского промышленного района были исследованы три варианта сценариев стратегического развития угледобывающих предприятий ОАО «Воркутауголь», отрабатывающих запасы высокогазоносных угольных пластов Воркутского месторождения:
- вариант I - отработка подготовленных запасов с постепенным свёртыванием угледобычи и закрытием шахт;
- вариант II - автономное развитие действующих угольных предприятий без объединения шахт в единый технологический комплекс;
- вариант III - разработка масштабного проекта «Воркута», предусматривающего групповую реконструкцию шахт (рис. 1).
Обзорная характеристика разработанных вариантов развития представлена в табл. 1.
Концепция развития Воркутинского промышленного района, положенная в основу разработки проекта «Воркута», заключается:
- в реконструкции действующих угледобывающих предприятий нового технико-экономического уровня;
- в разработке прогрессивных пространственнопланировочных и технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов;
- в широкомасштабном внедрении технологических схем многоштрековой подготовки и отработки запасов выемочных участков с применением канатно-анкерного крепления подготовительных выработок;
- в повышении эффективности добычи угля на основе технологического перевооружения очистных и подготовительных работ с учетом организационных решений и системы управления промышленной безопасностью, функционирующей в режиме предвидения и предупреждения аварийных ситуаций;
Рис. 1. Схема горных работ в границах поля объединенной шахты «Воркута» к 2013 г.
- в осуществлении крупномасштабной и высокоэффективной дегазации угольных пластов.
Разработаны приоритетные технологические и технические решения, обеспечивающие высокую производительность и безопасность подземной угледобычи при групповой реконструкции шахт, заключающиеся в научно обоснованном объединении действующих шахт в угледобывающий комплекс со строительством общешахтной конвейерной подземной магистрали горизонтального транспортирования и наклонного ствола протяжённостью 3000 м с выдачей горной массы для переработки в объёме 12^14 млн. т в год непосредственно на технологические линии обогатительной фабрики позволяющие: ликвидировать скиповые подъемы и технологические комплексы поверхности; сократить число воздухоподающих и воздуховыдающих стволов и сети горных выработок; сократить число шахтных конвейерных магистралей, маршрутов движения людей и грузов; увеличить коэффициент полезного использования воздуха в шахте; сократить основные объемы внутренних железнодорожных грузоперевозок и эксплуатационные затраты на тепло, электроэнергию и обслуживание ликвидируемых объектов.
Для эффективной реализации проекта освоения на современном научно-техническом уровне мульдовой части Воркутского месторождения путем объединения действующих шахт «Северная», «Заполярная», «Комсомольская» и «Воркутинская» в одно мощное предприятие по добыче и обогащению угля необходима реальная и объективная оценка сложившейся геомеханической ситуации на выемочных полях указанных шахт, в особенности динамических проявлений горного давления.
Одним из основных факторов, обеспечивших высокие техникоэкономические показатели функционирования угольных шахт является использование многоштрековых технологических схем подготовки и отработки запасов выемочных участков.
Основные преимущества этих схем заключаются в следующем: обеспечиваются высокие темпы проведения выработок по
угольному пласту с использованием специально созданного оборудования; полная механизация работ по проведению и креплению выработок; безремонтность поддержания этих выработок обеспечивается, наряду с усилением крепи впереди очистного забоя, целиками угля; снижается напряженность в
428
Обзорная характеристика разработанных вариантов развития шахт Воркутского месторождения
Факторы Варианты
I II III
1 2 3 4
Отличительные особенности вариантов развития Работа шахт без объединения. Инвестиции только в поддержание работоспособности имеющегося оборудования Стратегия без объединения шахт. Инвестирование производства для поддержания объемов производства на уровне 9 млн.т. горной массы в год углей марки 2Ж. Объединение шахт. Инвестирование в поддержание объемов производства на уровне 9 млн.т. г. м. в год углей марки 2 Ж. Реконструкция ЦОФ до 8,5 млн.т., строительство ЦОФ-2 на 4,5 млн.т
Добывающие мощности, млн.т/год от 8 150 до 0 9 500 - угли 2 Ж, К 4 000 - угли ГЖО 9 500 - угли 2 Ж, К 4 000 - угли ГЖО
Обогатительные мощности всего, млн.т, в т.ч. ЦОФ «Печорская» 12 700 7 100 12700 7 100 13 000 13 000
Строительство и реконструкции в рамках варианта развития Не предусматривалась. Реконструкция: скиповых подъемов шахт «Северная» и «Заполярная»; конвейерных магистралей шахт; вентиляционного ствола №4 шахты «Комсомольская»; вентиляционного ствола №4 шахты «Заполярная»; комплексов дегазации и водоотлива; Проведение наклонного ствола, сооружение единой конвейерной магистрали. Строительство ЦОФ-2. Реконструкция: вентиляционного ствола №4 шахты «Комсомольская»; вентиляционного ствола №4 шахты «Заполярная»; комплексов дегазации и водоотлива; ЦОФ-1.
Сокращаемая инфраструктура Выбытие и ликвидация шахт: «Заполярная» - 2009 г., «Вор-кутинская» - 2010 г., «Северная» - 2014 г., «Комсомольская» - 2016г. Ликвидация шахт Воркутской мульды в 2016 году. Частичная ликвидация инфраструктуры шахт: «Заполярная» -2010г., «Воркутинская» - 2010г., «Северная» - 2010г., «Комсомольская» - 2013г., ОФ шахт «Северная» и «Воркутинская».
обеспечении наиболее полного использования возможностей технических средств очистных работ и повышается уровень безопасности работ; механизируются рабочие процессы на сопряжениях лавы со штреками.
Вместе с тем, указанным технологическим схемам присущи следующие недостатки: более значительные объемы проходческих работ и потери угля в целиках; опасность самовозгорания угля в оставляемых целиках; неизвлекаемые целики угля осложняют отработку свиты пластов, вследствие создания зон повышенного горного давления.
С целью управления состоянием массива при многоштрековой подготовке проектирование целиков производится с учетом нагрузочных свойств кровли. Для этого применяют сочетания целиков с различными деформационными характеристиками, которые обеспечивают их работу в режимах прогрессирующей ползучести, постоянной скорости деформации и жестких, работающих в режиме упругих деформаций.
Существует принципиальное различие в характере деформирования узких и широких целиков, которое заключается в том, что в центральной части целиков, имеющих отношение ширины к высоте более 4 - 6, формируется упругое ядро, в котором уголь находится в условиях объемного сжатия, а прочность возрастает до величин опорного давления. В более узких целиках центральная часть по мере увеличения опорного давления разрушается без образования упругого ядра.
При последовательной отработке запасов выемочных участков, разделенных двумя ленточными целиками, основную нагрузку при отработке запасов первого участка воспринимают жесткие целики, работающие в режиме упругих деформаций. Для предотвращения горных ударов размеры целиков должны быть приняты такими, чтобы при отработке запасов второго участка центральное ядро податливых целиков под действием опорного давления было бы разрушено. При этом нагрузка от податливого целика будет перераспределяться на отрабатываемую панель и на упругое ядро опорного целика, краевые части которых будут приведены в неудароопасное состояние естественным отжимом угля горным давлением или искусственным разупрочнением.
В необходимых случаях для поддержания кровли и краевых частей целиков должны применяться крепи усиления и затяжка кровли и стенок выработок.
На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта, результатов специальных исследований с применением мониторинга в режиме реального времени в период подготовки и отработки запасов выемочных участков установлен механизм напряженно-деформированного состояния углепородного массива вокруг подземных выработок и выявлена определяющая роль влияния на него главных горизонтальных напряжений.
Под действием горизонтальных напряжений обрушение кровли распространяется на 15 - 40 см выше укрепленного анкерами горизонта кровли, независимо от длины штанг. Местоположение поверхности расслоения кровли соответствует глубине анкерова-ния ее жесткими штангами. Таким образом, анкерная крепь определяет горизонт отделения закрепленной штангами пачки слоев от вышележащих пород. Укрепление кровли сталеполимерными или клинораспорными анкерами не предотвращает расслоение, а при их одинаковой длине глубина анкерования определяет структуру поверхности отслоения от вышележащего массива.
С увеличением длины анкеров возрастают высоты зоны обрушения. В этих случаях паспорта крепления должны предусматривать анкерование угловых частей поперечного сечения штреков или применение технологических схем с анкерами различной длины. Автором доказана эффективность использования анкеров различной длины для уменьшения числа обрушений. Поэтому в настоящее время такие технологические схемы крепления, в том числе с использованием канатных анкеров, рекомендуется применять в качестве постоянной крепи в процессе всего выемочного цикла.
При отсутствии горизонтальных напряжений кровля в большинстве случаев разрушается от растяжения в середине пролета. При увеличении горизонтальных напряжений напряжения в кровле становятся сжимающими до тех пор, пока не произойдет разрушение у кромки, смежной с целиком.
Значение коэффициента безопасности (отношение прочности пород к напряжениям) имеет тенденцию к возрастанию с удалением от контура выработки с увеличением горизонтальных напряжений. Это приводит к увеличению высоты «куполов» обрушения с
ростом значений горизонтальных напряжений при данной величине коэффициента безопасности.
Штанговые анкеры ограничивают прогиб слоев, вследствие чего происходит неполная разгрузка массива от горизонтальных напряжений. Высокие значения горизонтальных напряжений вызывают сжатие в кровле, увеличивая в дальнейшем рост опорного давления. Выявлена тенденция к разрушению опор в виде среза из-за высоких горизонтальных нагрузок.
Главные горизонтальные напряжения, действующие в массиве горных пород, определяют форму разрушения, величины касательных (сдвигающих) напряжений и размеры неустойчивого свода над пересечением. Горизонтальные напряжения могут также способствовать чрезмерным деформациям и изгибу слоев кровли и почвы, но могут также препятствовать обрушению кровли в процессе выемки.
В условиях напряженного состояния массива, характеризующегося высокими значениями горизонтальных напряжений, одним из основных решений является правильная ориентировка профилей штреков и пересечений относительно направления главных горизонтальных напряжений и геологических нарушений.
Основные выводы
1. Установлено, что повышение эффективности функционирования угольной компании в современных экономических условиях должно базироваться на основе разработанной концепции совершенствования шахтного фонда посредством строительства новых и реконструкции действующих высокопроизводительных угледобывающих предприятий нового технико-экономического уровня с переходом на прогрессивные пространственно-планировочные, технологические и организационные решения.
2. Доказано, что приоритетными технологическими и организационными решениями, обеспечивающими высокую производительность и безопасность подземной угледобычи при групповой реконструкции шахт, являются научно обоснованные решения, направленные на объединение предприятий в угледобывающий комплекс со строительством централизованной конвейерной подземной магистрали с выдачей горной массы на обогатительные фабрики.
3. Разработаны методические принципы обоснования параметров многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов
выемочных участков с учетом закономерностей взаимодействия угольных целиков с боковыми породами в режимах, обеспечивающих эксплуатационное состояние подготовительных выработок, без опасных концентраций напряжений, разрушения краевых частей целиков и пучения почвы.
4. Разработаны технологические решения по креплению горных выработок штанговыми и канатными анкерами на основе учета силовых и деформационных характеристик анкеров, соответствующих условиям рационального их взаимодействия с массивом вмещающих пород.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мельник В.В. Научное достояние кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» и результативность его реализации в развитии научнотехнического прогресса подземной угледобычи. - Труды научного симпозиума «Неделя горняка - 2009».- М.: ИД ООО «Роликс».-2010.- С.293-303.
2. Мельник В.В. Приоритетные направления развития подземной угледобычи на шахтах РФ.- Труды научного симпозиума «Неделя горняка - 2010».- М.: издательство «Горная книга».-2010.- С.320-328.
3. Логинов А.К. Современные технологические и технические решения отработки угольных пластов/ Под ред. О.В. Михеева - М.: Изд-во МГГУ, 2006. - 389 с.
4. Коршунов Г.И., Логинов А.К., Шик В.М. Многоштрековая подготовка угольных пластов. - С-Пб.: Наука, 2007. - 250 с. ШИ
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Мельник Владимир Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Подземной разработки пластовых месторождений» Московского государственного горного университета, E-mail: msmu-prpm@yandex. ru
Логинов Александр Кимович - кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «СУЭК-Кузбасс», 8(38456) 7-12-76
А
