CC BY
326
УДК 622.27
АНАЛИЗ ОТРАБОТКИ МОЩНЫХ КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ В ГОРОДЕ ПРОКОПЬЕВСКЕ
В.И. Ефимов, Г.В. Сухарев
Рассмотрены характеристики уникального района Кузбасса, отличающего крутым залеганием мощных пластов с высоким качеством коксующего угля, оставшиеся запасы, краткая история и динамика развития. Приведен анализ основных применяемых технологий, отражены основные проблемы добычи угля в сложнейших горно-геологических условиях и показаны пути их решения.
Ключевые слова: Прокопьевск, крутое залегание, угольный пласт, коксующийся уголь, добыча, технология, качество, щит Чинакала, комплекс, гидрозакладка выработанного пространства, направленное взрывание, гидродобыча, посадка кровли, проветривание.
1. Общая характеристика
Прокопьевско-Киселёвский угольный бассейн является уникальным относительно других угольных месторождений не только в масштабе Кузбасса или России, но и мира.
Его уникальность заключается, прежде всего, в залегании угольных пластов. Углы их падения находятся в пределах 45... 900. Мощность достигает 30...35 м. Принципиальная схема строения месторождения приведена на рис. 1.
Марки углей - особо ценные, коксующиеся (К, КО, КС и т.д.). Основные характерные показатели углей приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные показатели качества углей
Наименование пласта Марка Качественные характеристики Яо. % V % ОК, %
А^ % Wг/t Vdaf. % Y. мм
IV Внутренний К 22,7 7,6 26 15 1,17 67 29
Горелый КО 20 7,8 21 10 1,24 48 45
Безымянный КС 23 12 24 9 1,16 39 52
В 70-80 годах прошлого столетия в составе ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» действовало тринадцать шахт. Динамика добычи угля из них в тыс. т с интервалом приблизительно 10 лет приведена на рис. 2.
Рис. 1. Принципиальная схема строения Прокопьевско-Киселёвского месторождения
ИШахты Прокопьевска
Рис. 2. Динамика добычи угля в ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»
Но резкий технологический прорыв в области добычи угля из пластов пологого падения и известные события 90-х годов поставили шахты на грань выживания. Динамика выбывания шахт приведена на рис. 3.
Рис. 3. Динамика выбывания шахт в ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»
Промышленные запасы коксующихся углей на действующих и резервных (разведанные запасы) горизонтах по шахтам приведены в табл. 2.
Таблица 2
Промышленные запасы коксующихся углей на действующих и резервных (разведанные запасы) горизонтах по шахтам
Шахты Абсолютная отметка, м Запасы, млн т
Шахта им. Ворошилова
Действующий горизонт -40 14,7
Разведанные запасы -340 264,9
Зиминка
Действующий горизонт -60 21,8
Разведанные запасы -300 89,9
Красногорская
Действующий горизонт -150 16,2
Разведанные запасы -300 68,5
Объединение «Прокопьевскуголь»
Действующие горизонты - 52,7
Разведанные запасы - 423,3
Большинство оставшихся на данный момент шахт, ведущих отработку пластов с крутым залеганием и добывающих марки особо ценных коксующихся марок, к настоящему времени уже отработали 1, 2 и 3-й горизонты и эксплуатируют 4-й, где резко увеличилась газообильность пластов. Динамика изменения газообильности пластов с переходом на нижележащие горизонты (м /т) приведена на примере ООО «Шахта «Зиминка» в табл. 3.
Таблица 3
Динамика изменения газообильности пластов с переходом
у
на нижележащие горизонты (м /т) ООО «Шахта «Зиминка»
Наименование пласта 1 гор.+220м 2 гор. +140м 3 гор. +40м 4 гор. -60м
4 Внутренний 0,07 1,0 8,5 14,5
Мощный 0,5 1,5 12,7 19,5
Горелый 0,4 2,1 8,2 16,5
Безымянный 0,5 1,5 12,7 18,5
2. Характеристики применяемых на шахтах Прокопьевска очистных технологий
За период эксплуатации шахт ООО «Объединение «Прокопьев-скуголь» применялось около пятидесяти очистных технологий. Спектр их разнообразен: от камерных систем разработки с различным способом отбойки угля до применения достаточно производительных механизированных комплексов и агрегатов.
Самая известная технология - щиты Чинакала. Именно эта система обеспечила успех шахт Прокопьевска в годы войны. Плановая производительность труда на одного забойщика под жёстким щитом вплоть до 80-х годов достигала 150 тонн в смену. В 70-80-х годах прошлого века были установлен ряд всесоюзных рекордов. За один календарный месяц из-под жёсткого щита было добыто 73 014 тонн угля (март 1970 года, шахта «Зиминка»), из-под арочного щита мощностью менее 2 м - 32 280 тонн угля в месяц (январь 1988 года, шахта им. Калинина). Различалось более десяти разновидностей щитовых перекрытий, которые предназначались для выемки угля на пластах практически любой мощности (включая послойную выемку). Они были адаптированы под любой угол падения пластов с крутонаклонным залеганием (от 45 до 900). Выемка угля производилась при помощи БВР, уголь доставлялся на конвейер по углеспускам (печам) самотёком. Характерная схема жёсткого щита со скользящими лыжами для пластов с углами залегания 45...550 и мощностью до 5,5 м приведена на рис. 4.
Наиболее стабильной очистной системой на протяжении десятилетий были лавы с деревянной индивидуальной крепью. При относительно небольшой производительности они были менее технологически аварий-ноопасны, чем и достигалась стабильность добычи. Выемка угля производилась при помощи БВР, отбойных молотков или комбайнами «Темп». Разновидностью этой системы являлись лавы с гидрозакладкой выработанного пространства. С их помощью стало возможно отрабатывать пласты, расположенные под городскими объектами без угрозы их подработки. Особо ценным параметром системы было применение литой твердеющей закладки, дающей максимальную усадку не более 3 %.
Рис. 4. Схема жёсткого щита со скользящими лыжами для пластов с углами залегания 45...550 и мощностью до 5,5 м
Отработка пластов камерными системами производилась на протяжении всего срока работ шахт Прокопьевска, включая наши дни. Разновидностей систем - десятки. Способы отбойки угля - БВР или струями воды высокого напора из гидромониторов. Отбойка угля с помощью БВР велась двумя способами - шпуровым и скважинным. Одновременно взрываемый вес ВВ при использовании скважинных зарядов доходил до семи с лишним тонн. Особенно интенсивно «сухие» камерные системы применялись в 90-х годах прошлого столетия как наименее материалоёмкие и тру-дозатратные.
Особое место в истории эксплуатации шахт ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» занимает добыча угля с использованием механизированных комплексов и агрегатов. На протяжении 70-80-х годов прошлого столетия шахты Прокопьевска были лидерами в этой области. Механизация процесса выемки угля использовалась на маломощных, средней мощности, мощных и сверхмощных пластах. Для пластов, мощностью до 2,6 м:
- агрегаты и комплексы типа АЩ, АНЩ (движение очистного забоя по падению пласта), АК-3, КПК (движение очистного забоя по простиранию пласта), для работ с полным обрушением кровли;
- комплекс КВЗ для работы с закладкой выработанного пространства (движение забоя по восстанию).
В апреле 1980 года был установлен всесоюзный рекорд добычи угля агрегатом 1АЩМ 1 м, отрабатывающим пласт мощностью менее 2 м. За месяц было выдано «на-гора» 33 116 тонн угля.
Одна из технологических схем и вид очистного забоя, оснащённого агрегатом АНЩ, приведены на рис. 5, 6.
Рис. 5. Технологическая схема очистного забоя, оснащённого
агрегатом АНЩ
Гидрозамки
Гидрораспредели тели домкратов подачи и качания струга
Гидрораспредели тели домкратов подачи линейных и подтяжки основных секций
Рис. 6. Вид очистного забоя, оснащённого агрегатом АНЩ
Для пластов мощностью от 3 до 8 м:
1,3-2,2 (0,7-1,1)м
- щитовые механизированные комплексы типа ЩРПМ и АМЩ для работ с полным обрушением пород кровли;
- комплекс «Мерлебах» с комбайном Э-11 для работы с закладкой выработанного пространства.
Для пластов мощностью более применялся комплекс КНК-70, вынимавший крутонаклонные пласты горизонтальными слоями по простиранию.
Наибольшей проблемой при эксплуатации комплексов на мощных и сверхмощных пластах явилась эндогенная пожароопасность. Из-за этого, к сожалению, не представилось возможным доработать ни один выемочный участок системой КНК-70. Меры борьбы с этим явлением были предложены позже, уже в начале двадцать первого столетия (они будут рассмотрены ниже).
В 1970-80-х годах на шахтах ООО «Объединение «Прокопьев-скуголь» уже работала новая по тем временам система подэтажной гидроотбойки угля с помощью гидромониторов. Она выгодно отличалась от уже существующих технологий своей универсальностью в части угла падения пласта, невосприимчивостью к горно-геологическим нарушениям и транспортировкой угля в пульпе, что исключало необходимость в наличии прямолинейных выработок и необходимости монтажа конвейерных линий.
За последних два десятка лет шахтами объединения путём многих проб и ошибок была выбрана именно эта очистная технология, которая сравнительно с остальными более эффективна, а главное, наиболее безопасна. Только одно то, что при ней нет острой необходимости применения взрывчатых материалов при ведении очистных работ, ставит систему ПГО в качественно иной ряд относительно «сухих» технологий с использованием взрывчатых материалов. Очистной забой одной из технологических схем подэтажной гидроотбойки приведён на рис. 7.
Рис. 7. Технологическая схема подэтажной гидроотбойки
Подобный ряд разработанных и применяемых технологий свидетельствует о том, что на протяжении всего срока эксплуатации шахт Прокопьевска постоянно шёл поиск новых путей добычи угля, тем более поле деятельности для горных инженеров было практически неисчерпаемым. Параллельно работали целые отраслевые институты, шахты крутого падения обслуживали многие заводы-производители шахтного оборудования.
Начиная с 90-х годов прошлого столетия технологии, которые успешно применялись на верхних горизонтах с уходом на нижние горизонты из-за увеличения горного давления стали менее эффективными, в части возможности поддержания выработок, бортов очистных забоев, устойчивости камер и т.д. Это сказалось на основополагающих факторах, на которых основывалась добыча угля из пластов с крутым залеганием.
К тому же в 90-е годы с шахт Прокопьевска ушла безвозвратно часть ведущих специалистов разного уровня, включая забойщиков и проходчиков. Особенность в подготовке специалистов основных профессий для шахт крутого падения, по мнению авторов, несколько иная, чем на шахтах с механизацией. Для подготовки квалифицированных забойщиков, особенно при щитовой системе, необходимо достаточно продолжительное время. Этот период составляет 5 лет и более. Обусловлено это следующими факторами.
Ситуации в очистном забое перед началом нового цикла практически, не повторяются. Стандартные ситуации имеют определённые «вилки» применительно к пониманию «нормально».
Каждый производственный цикл под щитовым перекрытием, фактически, заключается в правильном проведении забойщиками и мастером-взрывником направленного взрыва. Даже относительно небольшие ошибки могут создать предаварийные или аварийные ситуации со всеми вытекающими последствиями. Именно это выводит роль человеческого фактора в процессе добычи угля на крутом падении в ранг одного из решающих, если не решающего.
Опыт работы забойщика под щитом - это практическое видение сотен и тысяч различных ситуаций и принятие единственно правильного решения в конкретно заданных условиях.
Не менее важным фактором, способствующим уходу людей из производства, стало то, что добыча угля на крутом падении при буровзрывной технологии отбойки - это тяжелый физический труд, на который не каждый мог согласиться.
По этим причинам произошло поочерёдное выбывание очистных технологий из процесса добычи угля. Динамика выбывания очистных технологий с переходом шахт Объединения «Прокопьевскуголь» на нижележащие горизонты приведены в табл. 4.
Таблица 4
Динамика выбывания очистных технологий с переходом шахт ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» на нижележащие горизонты
Шахты ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» Перечень применяемых очистных технологий на шахтах Прокопьевска
1970-80-е годы 1990-е годы 2000-е годы 2010-е годы 2013 год
1. Щиты Чинакала (5 разновидностей). • • - - -
2. Лавы с деревянной индивидуальной деревянной крепью. • • • • -
3. Лавы с закладкой выработанного пространства (включая литую твердеющую с усадкой не более 5 %). • • • - -
4. Камерные системы (5 разновидностей). • • • • -
5. Механизированные комплексы и агрегаты (6 разновидностей) • - - - -
6. Гидромониторная отбойка угля. • • • • •
Из табл. 4 видно, что в 90-е годы выбыли из производства механизированные очистные комплексы и агрегаты. Причина - их высокая стоимость при полном отсутствии финансовых средств на шахтах. Ответом на это явилось то, что серийные модели были сняты с производства на заводах, а разовые заказы стали стоить на порядки выше. К тому же значительная часть заводов их производящих оказалась уже за границей. Параллельно произошло перепрофилирование отечественных научных организаций и производственных предприятий на работу с шахтами пологого падения. Единственная научная организация, занимавшаяся именно проблемами добычи угля из пластов крутого залегания - КузНИУИ, сократила свою деятельность до такого масштаба, что реально уже не может претендовать на роль лидера. Негативную роль сыграла и общемировая тенденция сворачивания добычи угля на шахтах с крутым залеганием пластов. В настоящее время эпизодически она производится на шахтах Украины, Польши, Испании.
Более явно стали проявляться проблемы с работой в зонах горногеологических нарушений. Над «головой» остались бывшие пожары, хоть и «списанные», но при малейшем попадании кислорода в отработку, их рецидивы практически неизбежны. С углубкой шахт на нижние горизонты статус шахт претерпел кардинальные изменения с позиций их перевода в категории более опасных. В настоящее время шахты опасны:
- по фактору горных ударов и внезапных выбросов;
- по угольной пыли;
- в большинстве случаев по прорывам воды и глины в действующие выработки;
- практически все пласты, по трехбалльной системе эндогенной по-жароопасности относящиеся к высшей, третьей категории, весьма склонны (нижний инкубационный период самовозгорания составляет 42.. .56 суток).
3. Некоторые специфические особенности при отработке пластов крутонаклонного залегания
Отрабатываемые шахтами пласты, а их более 30, значительно нарушены, невыдержанны, сближены или весьма сближены по расположению относительно друг друга, поэтому практически повсеместно имеют место их совместные подработки или надработки. Принципиальная схема условий отработки сближенных и весьма сближенных пластов крутонаклонного залегания системой подэтажной гидроотбойки приведена на
Рис. 8. Схема условий отработки сближенных пластов крутонаклонного залегания системой подэтажной гидроотбойки
Подобное пространственное расположение пластов вынуждает вести последовательную их отработку по определённой схеме от верхнего пласта к нижнему. При этом появляются новые проблемы зоны повышенного горного давления. Наиболее труднопрогнозируемые зоны - так называемые «штампы» от целиков, оставленных на верхних отработанных пластах. Принципиальная схема наиболее часто встречающихся ситуаций
приведена на рис. 9.
Рис. 9. Принципиальная схема «штампов» от целиков, оставленных на верхних отработанных пластах
4. Основные проблемы, стоящие перед шахтами в настоящее
время
Наряду со стандартными опасностями, перечисленными выше, шахты крутого падения имеют ещё дополнительные проблемы в части:
- борьбы с внезапными посадками кровель (как правило, из песчаников), которые, как показывает опыт, часто сопровождаются вспышками метано-воздушной среды;
- достаточно точного прогнозирования процессов, происходящих в отработанном пространстве;
- борьбы с имеющимися эндогенными пожарами и недопущению возникновения новых;
- оперативного реагирования на режимы проветривания выемочных участков, их увязкой с процессами, происходящими на дневной поверхности и в отработанном пространстве. Как показывает опыт, возникают ситуации (особенно весна - осень), когда при изменении температуры и атмосферного давления на поверхности отработанное пространство начинает «выдавать» в действующие выработки выемочных участков газовые смеси, находящиеся там, хотя до этого активно принимало подаваемый воздух. Часто приходится наблюдать обратное. Подобного рода ситуации, как меха, провоцируют разжигание новых эндогенных пожаров и способствуют рецидивам возгорания старых.
5. Некоторые пути решения обозначенных проблем
Существуют несколько основных путей решения.
Первый путь - оставить без изменения и принять как данность условия управления кровлей (перепуск пород вышележащих отработанных горизонтов), режимы проветривания выемочных участков и все усилия направить на профилактику эндогенной пожароопасности.
Если бы первый путь был бы достаточно эффективным, не рассматривались бы три других.
Второй путь - провести дополнительные работы по искусственному управлению кровлями с целью «отсечки» перепуска пород вышележащего горизонта.
Искусственным управлением кровлями в условиях шахт Прокопьевска специалисты занимаются давно. Но вопрос управления кровлями как метод борьбы с эндогенными пожарами возник недавно, в 2010-2011 годах после ряда аварий, сопровождаемых вспышками. Разработаны десятки вариантов управления: от формирования по контуру выемочного участка щелей отрыва в породах кровли шпуровыми зарядами (несколько вариантов) до многоуровневой проработки пород кровли скважинными зарядами или комбинациями скважин и шпуров. Ряд вариантов прошёл испытания на шахтах Прокопьевска и на данный момент получен положительный результат (ООО «Шахта им. Ворошилова»). На рис. 10,11,12 показано управление кровлей путём создания щелей отрыва по контуру выемочного участка и дополнительно формирование второй подсечной щели для создания интенсивного обрушения пород кровли. Реализация подобного решения осуществляется путём взрывания с периодичностью 6...8 м шпуровых зарядов, обеспечивающих перфорирование кровель под межгоризонтным целиком (щель отрыва 1) и вдоль межблокового целика (щель отрыва 2). Щель 2 формируется перед началом ведения очистных работ в каждом выемочном подэтаже. Взрывания производятся с опережением очистных работ на 6.8 м. Максимальное количество одновременно взрываемых точек (пикетов) - 3, т.е опережение на 18.24 м. Создание подсечной щели 3 производится при достижении очистными работами уровня 2-3-го выемочных подэтажей. Взрывные работы при её формировании производятся аналогично созданию щели 1. Принципиальная схема формирования щелей по всему выемочному участку приведена на рис. 10.
Порядок формирования щелей отрыва в породах кровли с указанием расчётных параметров приведён на рис. 11. Важной деталью проведения взрываний из действующих выработок является необходимость их проведения в режиме камуфлета. Подобный опыт наработан на шахтах ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» с использованием шпуров длиной до 5 м.
^Ру-Т?.........Г. Лту.........'с«.........'г,г, итг '-г .»ч '-г I
^ „6-8Ц 6-8^ 'С! 6-8''"1. 6-8^"^ ^
Место ведения БВР для управления кровлей
Щель (линия) отрыва 1 пород кровли под межгоризонтным целиком
Щель (линия) отрыва 2 пород кровли
вдоль межблокового целика ■ ™ ч-р ■ — ■ ¡-г ■ — х- ■ — к
и
'У 6-8м V 6-8м 6-8м 6-8м 6-8м А Л 6-8м ^
._ВJPP.ая_подсечная.Щель_CлilHilяJJЭJp_ыв.а 3, пород .кровли, по _Тр°с™ранию пласта.
'Г'
Рис. 10. Принципиальная схема формирования щелей по всему выемочному участку (вертикальная проекция)
Межгоризонтный целик Отработанный гризонт Вы
-П Целик у квершлага = Пульпопечь Вентиляционная печь Фланговый скат ................\....................................\.........................\...... «г; (епь (линия) отрыва 1 ^ ' 6-8^ ~' ' 6-8„" Т ^ 1
межгоризонтным / ! 6-8м 6-8м J! 6-8м !
целиком Зона действия взрыва с одного пикета 6-8м х 3 (допустимый взрывной ко нтур по простиранию) /
Щель (линия) отрыва пород кровли 2 вдоль межблокового целика
М- 1
Рис. 11. Порядок формирования щелей отрыва в породах кровли с указанием расчётных параметров (вертикальная проекция)
Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли приведены на рис. 12.
БВР из выемочного штрека
БВР из выемочного штрека с наличием ложных кровель
БВР из ортов
Естественное направление зап олнения выработанного
пространства на труднообрушаемых кровлях
Шель (линия) отрыва /• под межгоризонтным /. целиком /.'
Под сечная щель (линия)
Иску сственно зада
направлени< обрушения кровли за счёт созданиялинии отрыва вверху, сбоку и подсечки снизу
Шель (линия) отрыва вдоль межблоковго целика
Рис. 12. Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли (разрез)
На рис. 13-15 приведён способ следующий способ управления кровлями при помощи БВР - скважинными зарядами. Особенность предлагаемой схемы - заряд расположен над зоной отработки. Шаг ведения БВР 30.40 м по простиранию. Эта схема предполагает наиболее эффективное управление кровлей, т.к. заряд ВВ расположен в наиболее напряжённой части породного массива и лишь даёт дополнительный толчок к обрушению. Важная деталь в использовании предлагаемой схемы. Расстояние от заряда ВВ до отработанного пространства должно быть таким, чтобы исключить огневой пробой в выработанное пространство (заключения ВНИМИ о контурах обрушения). Взрывание производится по техническому проекту БВР в режиме массового взрыва с соблюдением всего комплекса требований безопасности. При этом виде управления кровлями возможна комбинация с вышеприведённой схемой формирования щелей отрыва под межгоризонтным и межблоковыми целиками с помощью шпуровых зарядов и, далее, посадка кровель скважинными зарядами с нижележащих выемочных штреков. Принципиальная схема управления кровлей в пределах всего выемочного участка скважинными зарядами приведена на рис. 13.
Рис. 13. Принципиальная схема управления кровлей в пределах всего выемочного участка скважинными зарядами (вертикальная проекция)
Шаг ведения БВР должен быть таким, чтобы не допустить самопроизвольной посадки кровель в присутствии людей на выемочном участке и в то же время, нагрузить массив за счёт горного давления. По имеющемуся у авторов опыту, в данных условиях самопроизвольная посадка кровель, как правило, происходит после отработки выемочного контура параметрами более 40х40 м (первичная посадка может быть несколько больше).
Рис. 14. Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных параметров (вертикальная проекция)
Поэтому БВР нужно производить до достижения обнажения кровли
таких размеров. По мнению авторов, вполне достаточно проведения работ по управлению кровлями производить дважды (по простиранию пласта): под межгоризонтным целиком и ниже на 2-3 подэтажа. Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных параметров приведён на рис. 14.
Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли приведены на рис.15.
Рис. 15. Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли (разрез)
На рис. 16-18 приведены способы многоуровневого управления кровлями при помощи БВР (комбинации шпуровых зарядов и скважин). Заряды расположены на разных расстояниях от пласта в массиве пород кровли с шагом 6.8 м по простиранию. Разупрочнение кровель опережающее. Каждая предлагаемая схема управления кровлей разработана для конкретных условий и зависит от расстояния расположения бывших, списанных эндогенных пожаров относительно действующего горизонта. Понятно, что предложенные выше схемы предполагают «отсечку» перепуска пород вышележащего горизонта не сразу, а лишь по достижению очистными работами 2 или 3 выемочного подэтажа (в зависимости от угла падения пласта). Поэтому, чтобы достичь заполнения выработанного пространства породами кровли действующего горизонта относительно быстро, необходимо рассредоточить заряды по мощности кровли определённым образом. Взрывание производится по техническому проекту БВР в режиме массового взрыва с соблюдением всего комплекса требований безопасности. Именно такая схема управления кровлей в пределах выемочного участка с использованием комбинации шпуровых и скважинных зарядов приведена на рис. 16.
Рис. 16. Схема управления кровлей в пределах выемочного участка с использованием комбинации шпуровых и скважинных зарядов
(вертикальная проекция)
Шаг ведения БВР должен составлять, по данным авторов 6.8 м (в дальнейшем он может быть увеличен). Разупрочнение кровель опережающее. Количество взрываемых одновременно точек расположения зарядов ВВ - 3, но эта величина расчётная по сейсмике и может быть увеличена. По мнению авторов, вполне достаточно проведения работ по управлению кровлями производить дважды (по простиранию пласта): под межгори-зонтным целиком и ниже на 2-3 подэтажа. При получении наработанного опыта, возможно, достаточно будет одного раза (под межгоризонтным целиком). Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных параметров приведён на рис. 17.
Рис. 17. Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных параметров (вертикальная проекция)
Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли приведены на рис. 18.
Рис. 18. Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли (разрез)
В статье приведены только 3 характерные схемы разупрочнения пород кровель, применяемых не только с целью исключения внезапных посадок труднообрушаемых кровель, но и работающих как средство борьбы с рецидивами эндогенных пожаров, расположенных на вышележащих, отработанных горизонтах шахт с крутым залеганием пластов. На самом деле их значительно больше, включая схемы с оставлением увеличенных межгоризонтных целиков и методами их разгрузки для предотвращения их преждевременного разрушения.
Третий путь решения проблем
Далее, по мнению авторов, при всех полученных положительных результатах управления кровлями, как средством борьбы с пожарами, говорить о решении проблемы нельзя. Параллельно необходимо управление одним из наиважнейших факторов, влияющих на возникновение эндогенных пожаров - режимы проветривания выемочных участков. Пожары приходят не только с верхних отработанных горизонтов, они возникают и в контурах действующих горизонтов. Основная причина их возникновения: небольшой инкубационный срок самовозгорания и действующие компрессии или депрессии. Опыт ведения горных работ на ряде шахт ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» показывает следующее.
На шахте применяется всасывающий способ проветривания. Поочерёдно «горят» несколько блоков пласта с одного квершлага. Вводится в эксплуатацию вентилятор главного проветривания, работающий на нагнетание. На крыле резко падает депрессия. Два блока дорабатываются без
особых проблем, да ещё с превышением полугодового периода для каждого.
Крыло работает под компрессией. Регулярно возникают угрозы самовозгорания, но изменить общую ситуацию не представляется возможным, т.к. на фланге нет вентилятора, который можно включить «на всас».
Выбывает из строя одна фланговая выработка, служащая для выдачи отработанной струи воздуха из шахты. Резко увеличивается компрессия на вентиляционном горизонте. Тут же возрастает угроза эндогенного возгорания.
Это лишь несколько характерных примеров наглядно показывающих роль режимов проветривания в эндогенной угрозе возгорания углей. Именно по этой причине предлагается на рассмотрение применение локальных схем проветривания для выемочных участков, где снизить компрессию или депрессию вентиляторами главного проветривания не представляется возможным.
Поэтому необходимо рассмотреть возможность применения локальной схемы проветривания выемочного участка с использованием вентиляторов с переменной производительностью, сблокированных с ком-прессиометрами (депрессиометрами) автоматически. Цель - создание на выемочном участке компрессию или депрессию близкую к 0, на тех шахтах, где:
- на крыльях существуют два или более выемочных участков, которые отрабатывают весьма склонные к самовозгоранию пласты с наличием списанных пожаров на вышележащих горизонтах и шахта имеет комбинированный способ проветривания;
- имеется либо нагнетательный, либо всасывающий способ проветривания.
Вообще, говоря о компрессиях и депрессиях при проветривании выемочных участков, нужно отметить то, что, в условиях шахт, и то и то, на наш взгляд, не очень то рационально. Загонять воздух компрессией в отработку или подавать кислород с поверхности (либо с рядом лежащих действующих очистных выработок - зачастую они связаны между собой) при депрессиях одинаково плохо. Очевидно, что лучшие режимы проветривания для борьбы с самовозгораниями - это минимизация «общения» отработанного пространства и действующих выработок, т.е.:
- шахты с нагнетательным или всасывающим способом проветривания, где выемочные участки расположены близко к ВГП;
- шахты с комбинированным способом проветривания, но на крыльях расположены два и более выемочных участка, отрабатывающих пласты весьма склонные к самовозгоранию.
Именно локальные схемы проветривания выемочных участков с применением вентиляторов с переменной производительностью, возможно, помогут решить эту проблему. Управление вентиляторами, а следова-
тельно, и компрессиями-депрессиями должно осуществляться в автоматическом режиме с помощью датчиков.
Это концепция, которая до сих пор, по нашей информации, не рассматривалась, но определённая предварительная работа нами проведена в части возможности создания аппаратуры управления вентиляторами с переменной производительностью. Существуют несколько концептуальных схем установки вентиляторов. Наиболее гибкая и управляемая схема - это установка вентиляторов на нагнетание в откаточном штреке и на вытяжку в вентиляционном. Вентиляторы управляются единым блоком управления, связанным с датчиками давления (компрессиометрами). Принцип - сколько воздуха входит на выемочный участок, столько и выходит. Основная задача - возможность создания «0» в любой точке выемочного участка путём установки туда датчика и сохранения объёма подаваемого воздуха без ущерба горным работам. К тому же, подобная система управления компрессиями, возможно, окажется восприимчивой к перепаду давлений в отработанном пространстве (связанном с поверхностью) и минимизации влияния эффекта «мехов», о которых говорилось выше. Безусловно, при рассматриваемой схеме есть свои проблемы. Одна из них - попадания метана выше допустимых концентраций из забоев выемочного участка в вентиляторы, работающие на вытяжку. Этот вопрос требует решения. Возможно, потребуются ограничения в применении или другое исполнение. Например, подсвежение струи из флангового ската. Вторая проблема -аварийная остановка вентиляторов или сбой в работе аппаратуры. Для этого автоматически должны открываться двери на вентиляционном и откаточном горизонтах выемочного участка. Поэтому концепция о применении локальных схем проветривания обозначена - тема к обсуждению. Одна из схем приведена на рис. 19.
Четвёртый и самый эффективный путь решения «нестандарт-
ных» проблем отработки сближенных мощных крутых пластов на глубинах 300...400 м - применять в комплексе все вышеприведённые меры, тем самым получив достаточно надёжные гарантии в недопущении самовозгораний угля и внезапной крупномасштабной посадки кровли с перепуском межгоризонтного целика с возникновением рецидивов пожаров и прочих неприятностей. Это достаточно затратно, но ущерб от возможных пожаров может быть на порядки выше, включая крайнюю ситуацию - потерю людей и шахты.
Ефимов Виктор Иванович, д-р тех. наук, проф., директор по инновациям и науке, efimov@pk-ugol.т Россия, Кемерово, ОАО «ХК «СДС-Уголь»,
Сухарев Геннадий Васильевич, главный технолог, sukharev@pk-ugol.т, Россия, Прокопьевск, ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»
ANALYSIS OF WORKING HIGH-POWER STEEP COAL SEAMS INPROKOPIEVSK
V.I. Efimov, G.V.Sukharev
The article describes the characteristics of a unique area of Kuzbass that distinguishes powerful mineralization steep seams with high quality cokings coal remaining stocks, a brief history, and dynamics. An analysis of main technologies applied, the main problems of coal mining in complicated mining and geological conditions and ways of their solution.
Key words: Prokopyevsk, a steep coal seam, coking coal, mining, technology, quality, Cinakals shield, complex, filling the voids mine with small stones which are transported by water, blasting cast, coal mining using jets of water high, planting roof, ventilation.
Efimov Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, director of innovation and science, efimov@pk-ugol.ru Russia, Kemerovo, JSC "Holding company "SBU-Coal",
Sukharev Gennadij Vasilevich, main technologist, sukharev@pk-ugol.ru, Russia Prokopyevsk, LTD «Prokop'evskugol»
