CC BY
14
© С.Е. Мухин, 2014
УДК 622.272(043) С.Е. Мухин
ЭКОНОМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ПОДГОТОВКИ ЗАПАСОВ ШАХТ К ИНТЕНСИВНОЙ ОТРАБОТКЕ
Рассмотрены технико-технологические решения по совершенствованию полготовки запасов к интенсивной отработке. Проанализированы основные факторы, учитываемые лля увеличения ллины очистного забоя. На основе провеленного ис-слелования автором опрелелены условия, необхолимые лля оптимизации полготовки запасов ллинными очистными забоями, позволяющие сократить количество углеотхолов. В статье рассмотрены различные стороны лля обоснования проектных решений и решения технических проблем.
Ключевые слова: ллинный очистной забой, система разработки, Восточный Донбасс.
Как показывают исследования, проведенные на шахтах Восточного Донбасса [1], основное влияние на формирование углеотходов при подземной разработке месторождений оказывают очистные горные работы (65-70%). Подготовительные работы и ремонт выработок дают в сумме 30-35% углеотходов.
Одним из направлений снижения объема углеотходов является укрупнение размеров выемочных полей при их нарезке за счет увеличения длины очистных забоев. Это позволяет повысить коэффициент использования месторождения, при уменьшении числа подготовительных выработок, снизить потери, сократить потребности в плошадях и вспомогательных шахтных сооружениях.
Проблемой увеличения длины очистного забоя ученые и производственники начали заниматься еше во второй половине XX века (СССР и другие угледобываюшие страны). Технологическими схемами разработки пластов на угольных шахтах [2] предусматривалось изменение лавы в различных горно-геологических условиях в диапазоне 150-250 м.
В бывшем СССР увеличение длины очистного забоя со 150-200 до 300-350 м имело место в отдельных случаях, не носивших массового характера. Так, например, на шахте им. газеты «Социалистический Донбасс« увеличение длины лавы со 180-200 до 300 м позволило достигнуть роста нагрузки в 2-2,1 раза.
Для условий Кузнецкого бассейна (шахта «Распадская») [3] увеличение длины очистного забоя до 250-300 м позволило:
• снизить объем поведения подготовительных выработок с 4,2 до 2,1 м на 1 тыс. т запасов;
• сократить количество лав с трех до двух при сохранении объемов добычи угля;
• снизить зольность добываемого топлива и за счет этого уменьшить издержки производства на 10-15%.
Тенденции к увеличению длины очистных забоев отмечаются во всех развитых угледобываюших странах. Так на шахте «Твентимайл» (США) из одной лавы длиной 305 м было добыто 5,5 млн. т угля за год с под-виганием лавы до 18,5 м в смену. В каменноугольной промышленно-
сти Германии освоение технологии отработки выемочных полей лавами длиной 350-400 м началось с 90-х годов прошлого столетия. На шахте «Фридрих Генрих/Рейнланд» в Ками-Лимпфорте была успешно испытана технология отработки угольного пласта в лаве длинной 430 м. При этом нагрузка в первые месяцы работы достигала 10 тыс. т товарного угля в сутки [4]. Аналогичные технологии отмечены в угольной промышленности США, Австралии, ЮАР. Высокопроизводительные лавы работают и на предприятиях компании «Шеньхуа» в КНР, где длина лавы равняется 300 м при длине выемочных полей 3-6 км и мощности пластов до 6,5 м.
Вместе с тем широкому внедрению высокопроизводительных лав значительной длины препятствует ряд нерешенных практических вопросов горнотехнического и экономического характера.
Неисследованными остаются вопросы влияния горно-геологических условий на длину очистного забоя, основными из которых являются:
• динамика изменения напряженно-деформированного состояния пород (нагрузки на крепь) по длине забоя в зависимости от мощности и глубины залегания пласта;
• изменение условия залегания пластов - угла падения, нарушенно-сти шахтного поля.
К технологическим факторам необходимо отнести, прежде всего, параметры выемочной техники:
• несущую способность механизированной крепи;
• производительность лавного конвейера и очистного комбайна;
• скорость отработки запасов по площади выемочного столба;
• параметры выемочных штреков и оборудования, установленного в них для обслуживания очистных работ.
Влияние изменения длины очистного забоя на напряженно-деформированное состояние пород кровли впервые было исследовано в трудах проф. В.Д. Слесарева [5]. В этих работах, ввиду сложности происходящих в кровле процессов, им было предложено заменить расчет фактической устойчивости зависающих пород на фиктивную задачу об определении предельного пролета эквивалентной балки (эквивалентный пролет). Это позволяет существенно упростить решение задачи, не искажая физической сути происходящих в кровле пластов геомеханических явлений.
В случае если зависающие породы кровли, не имеют опоры в выработан-
Рис. 1. Зависимость размеров эквивалентного пролета от длины очистного забоя
ном пространстве, то для эквивалентного пролета (1э) при трехстороннем закреплении плиты пород используется следуюшая зависимость:
} = 2аЬ Э~ а + 2Ь '
где а и Ь - стороны обнажения кровли, м (длина и ширина лавы).
Расчеты, произведенные в соответствии с указанной зависимостью, показали, что при увеличении длины очистного забоя от 40-60, при котором поведение пород кровли отличается от ее поведения в коротком забое, до 350-400 м. Изменение эквивалентного пролета имеет характер, представленный на рис. 1.
Из анализа следует, что увеличение длины лавы свыше 170-300 м практически не оказывает влияние на изменения величины эквивалентного пролета. Это свидетельствует о том, что устойчивость пород кровли при достижении предельных пролетов не зависит от длины лавы, а определяется свойствами пород и способом управления горным давлением.
При этом увеличение длины очистного забоя способствует более «эластичному» смешению и обрушению пород, более равномерному распределению нагрузки на крепи вдоль забоя.
Это подтверждается исследованиями, проведенными на моделях и в шахтных экспериментах [3].
Показано, что с увеличением длины очистных забоев изменение потенциальной энергии пород в направлении движения лавы и параллельно забою снижается относительно увеличения длины лавы (рис. 2).
Расчеты выполнялись для наиболее тяжелых горнотехнических условий, когда размеры выработанных пространств приближались к длине лавы. Отмечено, что при увеличении длины лавы в два раза от 100 до 200 м накопленная потенциальная энергия воз-
Рис. 2. Потенциальная энергия зависающих пород кровли в зависимости от длины лавы и скорости относительных деформаций основной кровли [6]
росла только на 12-15% с тенденцией к дальнейшему снижению ее относительной величины по мере увеличения длины забоя.
Таким образом, можно утверждать, что возрастание длины очистных забоев до 400-450 м с точки зрения происходяших в кровле геомеханических процессов не является ослож-няюшим фактором ведения очистных работ, т.е. не приводит к росту нагрузки на крепи.
Вместе с тем, рост длины лавы при аналогичных сравниваемых параметрах работы, технических средствах вызывает ряд негативных последствий. Это, прежде всего, снижение скорости подвигания забоя, что несомненно отразится на устойчивости кровли.
Исследованиями, проведенными на шахтах Восточного Донбасса [3], показано, что увеличение длины очистных забоев со 150 до 300 м неоднозначно влияет на разубоживание (зольность) горной массы в лаве. Так, при устойчивых породах кровли зольность практически не изменяется (снижение на 3%), а при неустойчивых увеличивается на 68%.
По вопросу влияния скорости движения лавы на устойчивость кровли сушествуют различные мнения ученых и практиков.
Часть ученых [1, 3, 6, 7] утверждает, что повышение скорости подвигания лавы от 3-4 м/сут до 20 м/сут вызывает увеличение концентрации сжимающих напряжений и приближает место концентрации напряжений к забою. При этом возрастают прочностные характеристики прилегающих пород, снижается их способность к расслоению. В связи с ростом прочностных характеристик пород возрастает пролет обрушения зависающих консолей с 16 до 36,5 м. Осадки основной кровли переносятся далее в сторону выработанного пространства. Все исследователи отмечают, что с увеличением скорости движения забоя нагрузка и интенсивность на механизированные крепи снижаются, соответственно возможным решением может быть применение существующих типов крепей без усиления их несущей способности.
Отмечается, что снижение скорости движения забоя до 3 м/сутки приводит к увеличению вывалообразова-ния в лаве, повышается нагрузка на крепи [1]. Подобные явления объясняются снижением прочности и увеличением пластичности пород вследствие влияния фактора времени приводящего к ползучести пород даже при постоянной величине напряжений.
При повышении напряжений при развитии процессов роста размеров выработанных пространств и нарушенных пород в направлениях простирания (падения) и напластования может провоцировать процессы ползучести и даже текучести, что, несомненно, увеличит склонность к вывалообразо-ванию пород в рабочее пространство лавы. Внешне явление ползучести схоже с пластическим явлением - текучестью. Однако последнее происходит только за пределами зоны упругости и при нарастающих напряжениях, в то время как первое может проявляться при напряжениях, не превышающих предела упругости, но при длительном
воздействии нагрузок, что приводит к росту деформаций.
Как известно, деформации и разрушение боковых пород происходят в два этапа. Мгновенные (быстротечные), связанные с упругим восстановлением пород, которые в основном реализуются во время выемки угля, когда боковые породы получают возможность расширяться в освободившемся пространстве (им). Второй этап происходит за счет пластических деформаций пород, постепенно развиваясь во времени, и этот этап реализуется во время последующих за выемкой угля операций цикла от их продолжительности ип =
На упругую составляющую деформаций воздействовать очень сложно вследствие скоротечности ее реализации. Но вторую составляющую можно уменьшить за счет сокращения времени выполнения операций выемочного цикла, т.е. смещение и разрушение боковых пород можно существенно снизить, увеличив скорость подвигания забоя. Однако, необходимо помнить, что при достижении определенной для данных горнотехнических условий скорости подвигания забоя, зависающие в выработанном пространстве породы кровли, увеличивают критическую длину консоли, которые при трансформации потенциальной энергии в кинетическую (динамическом обрушении) могут вызвать деформацию крепи и даже завал лавы. Таким образом, скорость подвигания очистного забоя и его длина органически связаны, их пространственно-временное соотношение определяет степень проявления геомеханических процессов в зоне ведения очистных работ и, естественно, технико-экономические показатели работы участка, шахты в целом. Поэтому для повышения эффективности очистных работ необходимо сопоставить положительные и отрицательные стороны увеличения длины лавы.
н Основной
гл Основной
Основной
> Основной
Ь Основной
о. Основной о
= Основной
з
§ Основной ш Основной
Длина лавы (1л), м
Рис. 3. График зависимости выхода породы от длины лавы при т=1,25 м, Z=2*106 т,
1 - из подготовительных выработок, 2 - из очистных
К положительным сторонам увеличения длины лавы, в первую очередь, следует отнести сокращение числа подготовительных выработок на единицу запасов выемочного поля (горизонта, части шахтного поля). Снижение числа подготовительных выработок для отработки пластов средней мощности и маломощных означает уменьшение выхода породы, т.е. угле-отходов.
Зависимость снижения количества выхода породы при изменении длины лавы на единицу запасов представлена на графике (рис. 3) для типичных условий Восточного Донбасса (пологие пласты мощностью 1,25 м)
Из анализа видно, что выход породы из очистных выработок гораздо выше, чем из подготовительных, но, что более важно удельный выход породы при увеличении длины лавы снижается.
В качестве положительных аспектов увеличения длины лавы также можно рассматривать сокращение времени подготовительно-заключительных операций и монтажно-демонтажных работ, отнесенное на единицу запасов, увеличение времени производительной работы комбайна, повышение коэффициента использования оборудования и, в конечном итоге, увеличение
нагрузки на забой и производительности труда по участку и шахте в целом.
К отрицательным аспектам повышения длины очистного забоя нужно отнести увеличение времени цикла, снижение скорости подвигания лавы и, как следствие, снижение прочности пород, рост нагрузки на механизированные крепи и возможное повышение объема вывалообразования в лаву.
Дополнительно, длинные очистные забои можно применять только в благоприятных горно-геологических условиях с относительно малой нарушен-ностью выемочных полей. К тому же возникают вопросы с обеспечением безопасности и проветриванием лав, разработкой соответствующих этому технических средств выемки и транспорта в забое и на выемочном участке:
1. Для повышения прочностных характеристик пород кровли путям увеличения скорости подвигания очистных работ необходимо применение очистного оборудования нового технического уровня, в первую очередь выемочной и доставочной техники, а также использование универсальных знаний работников современной формации и соответствующей этому новой организации труда.
2. Особым требованиям к конструкции и эксплуатационным каче-
ствам должны соответствовать доста-вочные средства в лаве и транспортном штреке, в связи со значительным ростом нагрузки и ее неравномерностью во времени.
3. Рост грузопотока определяет увеличение габаритов транспортного оборудования в штреках, а это, в свою очередь, ведет к росту поперечного сечения подготовительных выработок и, следовательно, объема углеотходов.
Поэтому, оценка возможности увеличения длины очистного забоя по геомеханическим признакам должна производиться для конкретных горнотехнических условий с учетом плюсов и минусов изменения параметров технологии и геомеханических процессов.
Окончательно оптимальная длина лавы должна определяться в результа-
те экономических расчетов, учитыва-юших совокупные затраты на добычу и обогашение угля, получаемую прибыль и вычеты за загрязнение окружа-юшей среды углеотходами.
Экономический эффект от увеличения длины лавы на единицу плоша-ди запасов выемочного поля можно получить из составляюших:
Э = Э + Э + Эр
л п п
По данным исследований [1], в процентном соотношении экономический эффект от увеличения длины очистного забоя можно условно разделить в следуюших пропорциях:
• большая часть приходится на лавы (Эл),
• 30% приходится на подготовительные выработки (Эп),
• 10% на ремонт подготовительных выработок ( Эр ).
1. Терентьев Б.Д., Артемьев В.Б., Ершов А.Т. Проблема снижения зольности горной массы // Уголь. № 2. 2002.
2. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах.
3. Белодедов А.А., Шмаленюк С.А. Установление зависимости влияния длины лавы на основные технико-экономические показатели работы шахты // ГИАБ. № 8. 2008. С. 216-219.
4. Карл-Хайнц Штенманс. Техническое оснащение и достигнутая производитель-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ность 430-метровой лавы // Глюкауф, № 2(3). 2000. С. 7-14.
5. Слесарев В.Д. Управление горным давлением при разработке угольных пластов Донецкого бассейна. М.: Углеиздат, 1952.
6. Коршунов Т.И., Логинов А.К., Шик В.М., Артемьев В.Б. Геомеханика на угольных шахтах. М.: Горное дело, 2011. 388 с. Серия «Библиотека горного инженера«, т. 3, кн. 6.
7. Михеев О.В., Козовой Г.И. и лр. Управление состоянием массива горных пород. М.: МГГУ, 2004. 399 с. ЕЕЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Мухин Сергей Евгеньевич - аспирант, e-mail: mse.gdp@gmail.com, Московский государственный горный университет.
А
UDC 622.272(043)
ECONOMICAL AND PROCESS SOLUTIONS ON THE IMPROVED PREPARATION OF MINE RESERVES FOR HIGH-RATE DEVELOPMENT
Mukhin S.E., Graduate Student, e-mail: mse.gdp@gmail.com, Moscow State Mining University.
This article considers economical and technological solutions to improve the efficiency of reserves recovery to intensive development. The process of increasing the width of longwall panels, while helping to increase coal production, increasing coal reserve recovery, will result in additional design considerations for equipment, roof control, infrastructure, and longwall moves. Longwall mining is the preferred method in coal mining to maximize production and reserve recovery. This article analyzed the main factors considered for increasing longwall panel width. This research the author has identified the required condition for optimized reserve recovery by longwall faces, resulting in a reduced amount of coal wastes. This article will discuss the areas for design considerations and solutions to the technical concerns.
Key words: longwall face, longwall mining, East Donbass.
REFERENCES
1. Terent'ev B.D., Artem'ev V.B., Ershov A.T. Ugol', 2002, no 2.
2. Tehnologicheskie shemy razrabotki plastov na ugol'nyh shahtah (Underground coal mining process designs).
3. Belodedov A.A., Shmalenjuk S.A. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2008, no 8, pp. 216-219.
4. Karl-Hajnc Shtenmans. Gljukauf, 2000, no 2(3), pp. 7-14.
5. Slesarev V.D. Upravlenie gornym davleniem pri razrabotke ugol'nyh plastov Doneckogo bassejna (Ground pressure control in the Donetsk Coalfield mining), Moscow, Ugleizdat, 1952.
6. Korshunov T.I., Loginov A.K., Shik V.M., Artem'ev V.B. Geomehanika na ugol'nyh shahtah (Geomechanics in coal mines), Moscow, Gornoe delo, 2011, 388 p., Serija «Biblioteka gornogo inzhenera», vol. 3, book 6.
7. Miheev O.V., Kozovoj G.I. Upravlenie sostojaniem massiva gornyh porod (Rock mass condition control), Moscow, MGGU, 2004, 399 p.
A
Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 3. Нефть и газ
2013 272 с.
ISBN: 0236-1493 UDK: 622.276+553.981
В сборник вошли материалы Второй Международной конференции «Нефть и газ АТР 2013: ресурсы, транспорт, экология» проходившей на базе Дальневосточного федерального университета. Тематика статей представлена вопросами сохранения попутного нефтяного газа, моделирования процессов транспорта углеводородов, рекуперации паров нефти, процессов кавитации в нефти, повышения надежности магистральных газопроводов и экологической безопасности. Сборник будет полезен научно-техническим работникам нефтегазового комплекса, а также студентам и аспирантам.
ГОРНАЯ КНИГА
ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННО*
АНАЛИТИЧЕСКИЙ
БЮЛЛЕТЕНЬ
MINING INFORMATIONAL AND ANALYTICAL BULLETIN
НЕФТЬ И ГАЗ
