Концепция разработки глубоких шахт и горизонтов Донецкого бассейна Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 1

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ “НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98” МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

В.А. Кузин, д.т.н., С.Ф. Поважный, д.э.н., П.К. Кучеба, к.т.н., ДонГАУ, Е.В. Костенко, инж., ИГДим .А.А. Скочинского

КОНЦЕПЦИЯ РАЗРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ШАХТ И ГОРИЗОНТОВ ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА

Основной задачей угольной промышленности Украины является обеспечение страны на длительную перспективу угольным сырьем металлургической и химической отраслей и энергией на базе каменного угля. Развитие угольной промышленности в Донецком бассейне осуществляется в основном за счет освоения запасов угля на больших глубинах. В настоящее время более 60% (около 150) шахт бассейна ведут горные разработки на глубинах ниже 600м от поверхности, в том числе более чем на 60 шахтах - на глубинах 900-1300 м. На этих глубинах наряду с известными вредными факторами (высокое газовыделение, выбро-соопасность угольных пластов и вмещающих пород, взрывчатость пыли, повышенное горное давление), осложняющими разработку пластов, все более проявляется действие теплового фактора, который выдвигается в ряд основных, ограничивающих глубину разработки и внедрение на шахтах эффективных способов и средств управления формированием теплового режима горных выработок как со свежей, так и с исходящей вентиляционной струей для нормализации климатических условий в рабочих забоях в соответствии с требованиями правил безопасности.

Для улучшения и полной нормализации климатических условий в рабочих забоях глубоких горизонтов применяются горнотехнические мероприятия и искусственное охлаждение воздуха. До 1992 года для охлаждения воздуха на 22 глубоких шахтах Донбасса были построены и эксплуатировались 24 стационарные (поверхностные и подземные) холодильные установки. Более чем на 50 шах-

116

тах применялись до 250 передвижных кондиционеров для охлаждения воздуха в подготовительных забоях и камерах. По разным причинам в настоящее время это оборудование не работает, и охлаждение воздуха на шахтах не производится.

В сложившейся в угольной отрасли ситуации и в связи с дальнейшим углублением горных работ радикальным решением по улучшению климатических условий на глубоких горизонтах шахт является применение эффективных по тепловому фактору горнотехнических решений по вскрытию, подготовке и отработке угольных пластов.

Отечественный и зарубежный опыт показывают, что применение рациональных технических решений позволяет существенно снизить нагрев воздуха при его движении к рабочим забоям. В частности, в шахтах Донбасса на глубинах до 800-900 м это позволяет практически исключить искусственное охлаждение воздуха для нормализации температурных условий в выработках, а на большой глубине обусловливает снижение холодопотребности рабочих забоев и мощности холодильных установок. Последнее связано со значительной экономией электроэнергии и капитальных затрат на сооружение установок.

В основу концепции отработки глубоких шахт положены следующие принципы:

♦ концентрация горных работ путем применения технологических схем вскрытия и подготовки, обеспечивающих высокие нагрузки на забои и решение вопросов безопасности;

♦ комплексное решение вопросов нормализации климатических условий в рабочих забоях путем

применения эффективных по тепловому фактору гор-но-техничес-

ких параметров горных работ и искусственного охлаждения воздуха; охлаждение воздуха должно применяться только после использования возможностей горнотехнических решений;

♦ применение рациональных технологических схем горных работ, позволяющих в различных горнотехнических условиях в максимальной мере уменьшить или локализовать проявление теплового фактора.

В качестве определяющего показателя при выборе горнотехнических способов нормализации тепловых условий в рабочих забоях является минимум приведенных затрат на их обеспечение.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями теплового режима шахт установлено, что проявление теплового фактора обусловлено прежде всего схемами вскрытия и подготовки шахтных полей. На основании анализа проектных решений и опыта эксплуатации шахт определены технологические модели глубоких шахт, которые позволяют положительно решать основные аспекты концентрации горных работ и вентиляции выработок: значительно сократить пути движения воздуха к очистным забоям и подать в шахту большее количество воздуха. К таким технологическим моделям для шахт, разрабатывающих пологие и наклонные пласты, относятся:

♦ блоковая схема вскрытия подготовки шахтного поля с фланговой или секционной схемой проветривания. В этой модели наряду с панельной схемой подготовки со столбовой системой разработки по простиранию может применяться погоризонт-

ная схема с разработкой пластов столбами по восстанию (шахты "Прогресс", "Октябрьский рудник", им. А.А. Скочин-ского, им. А. Стаханова и др.);

♦ модель с блоковой схемой и двухгоризонтным вскрытием и увеличением параметров блоков по простиранию (с 2,5 до 3,5 км) и падению (с 1,2 до 2 км), функциональным разделением горизонтов по транспортным операциям, столбовыми системами разработки по восстанию и организацией нисходящего проветривания по

шахте (шахты "Южно-Донбасская" №3, "Красноармейская Западная" №1, "Ждановская-Капитальная" №1 и др.).

Учет теплового фактора в технологических моделях глубоких шахт позволил получить также более простые компактные решения комплексов установок искусственного охлаждения воздуха с минимальными затратами (шахта им. А.Стаханова, блоки 2, 3 и 4). Наиболее интенсивно изменение тепловлажностных параметров воздуха в шахте происходит в пределах выемочных участков, в выработках которых находятся мощные токоприемники, производится транспортировка горной массы, происходят тепловыделения из окружающего выработку горного массива и поступают те-плопотоки из выработанного пространства в лаву и вентиляционный штрек в виде сосредоточенных или распределенных по их длине.

Вариант системы разработки, схемы проветривания участка, размещение транспорта и силового оборудования, способ управления горным давлением на участке определяют тепловой режим выработок выемочного участка. С учетом этих признаков произведена классификация технологических схем разработки угольных пластов (табл. 1) в [I].

На основании многовариантного расчетного анализа, выполненного на ПЭВМ по нормативным методикам, получены выводы, которыми необходимо руководствоваться при выборе технологических схем горных работ на

ГИАБ

глубоких горизонтах [2,3]. В качестве основного показателя, характеризующего глубину разработки, принята естественная температура горного массива в диапазоне 35-50° С, что соответствует глубинам работ 800-1400 м. Расчеты выполнены в широком диапазоне горнотехнических условий разработки шахт Донбасса: мощность пласта от 0.7 до 1.4 м, суточная нагрузка на лаву 400-1000 т, расход воздуха на участках принят по максималь-

но-допустимой скорости в лавах (4 м/с) и соответствующего схеме проветривания коэффициента утечек воздуха через выработанное пространство [З]. Технические характеристики оборудования в выработках участка приняты в соответствии с рекомендациями работы [1] для данной мощности пласта.

Основные выводы состоят в следующем:

1. Эффективными по тепловому фактору являются технологические схемы I группы. Это схемы со столбовыми системами разработки по простиранию или восстанию пласта и прямоточными схемами проветривания выемочных участков с направлением исходящей струи воздуха на выработанное пространство лавы и ее подсвежением со стороны угольного массива. К этой группе относятся также технологические схемы со сплошной и столбовой системами разработки длинными спаренными лавами по простиранию или восстанию пласта и возвратноточными схемами проветривания (типа W и Ш) с выдачей исходящей вентиляционной струи по промежуточному штреку. Проведение третьего подготовительного штрека связано со значительными дополнительными затратами, которые могут быть компенсированы сохранением длины лавы и нагрузки при обеспечении допустимых правилами безопасности температур воздуха.

2. Наиболее неблагоприятными по тепловому фактору являются технологические схемы IV группы. В принятом диапазоне изменения температуры горных пород температура воздуха в ла-

1

вах на 1,5-4,5° С выше, чем при технологических схемах I группы.

3. С увеличением глубины разработки возрастает влияние способа управления кровлей на климатические условия в выработках выемочных участков. Наиболее тяжелые условия характерны для способа управления кровлей полным обрушением. При температуре горного массива 35-50° С температура воздуха в лавах на 0,6-3,0° С выше при этом способе по сравнению с управлением кровлей плавным опусканием или удержанием на кострах.

4. Перспективным направлением при решении вопросов нормализации тепловых условий на выемочных участках является применение полной закладки выработанного пространства. Она позволяет исключить утечки воздуха и теплопритоки из выработанного пространства, которые могут составить до 50% общих тепловыделений в лавах.

При использовании для закладки предварительно охлажденных материалов или горных пород с вышележащих горизонтов она может служить дополнительным источником охлаждения воздуха на участке.

5. Основным параметром, определяющим границу ведения очистных работ без охлаждения воздуха, является мощность разрабатываемого пласта. При увеличении мощности пласта от 0,7 до 1,4 м граница ведения работ без охлаждения воздуха понижается на 250-300 м.

На основании результатов расчетов сформулированы также концептуальные положения, которые обеспечивают минимальный нагрев воздуха в пределах выемочных участков. К ним относятся следующие положения.

1. При расчете вентиляции необходимо учитывать:

♦ скорость воздуха в лаве должна быть 4 м/с;

♦ количество воздуха,

подаваемого к лаве, должно обеспечивать эффективную по тепловому фактору скорость воздуха в выработке, которая учитывает параметры выработки и

глубину работ и определяется по следующей формуле: Уз=(0,11+0,0065АТ^0-4! S0-34, м/с

где АТ - температурный напор между горным массивом и воздухом в выработке, °С; L, S - соответственно длина (м) и сечение (м2) выработки;

♦ при увеличении расхода воздуха на выемочных участках депрессия шахты не должна превышать значение, нормируемое ПТЭ угольных и сланцевых шахт;

♦ схема вентиляции участка должна обеспечивать выпуск части воздуха, минуя лаву, по специальной выработке в выработанном пространстве [4].

2. Сечение воздухоподающих выработок должно приниматься минимальным для проектируемых горнотехнических условий.

3. Рациональная длина воздухоподающей выработки ограничивается значением 1500 м, а лавы - 170-200 м.

4. В воздухоподающей выработке лавы не должно быть дополнительных источников тепло-

выделений (трансформаторы, конвейеры, маслостанции, электрическое оборудование распределительных пунктов и др.). Оборудование должно располагаться в выработках с подсвежающей или исходящей струёй воздуха.

5. На газовых шахтах при расположении электрооборудования в выработках с исходящей струёй воздуха система электроснабжения выемочных участков должна отвечать специальным требованиям [4,5].

В комплексе с искусственным охлаждением воздуха внедрение рассмотренных горнотехнических решений позволит шахтам вести отработку пластов на глубинах до 1500 м.

Оценка технических решений по тепловому фактору должна производиться на всех стадиях проектной проработки вариантов строительства глубоких шахт и горизонтов. Окончательное решение по применению эффективных горнотехнических схем и параметров отработки пластов должно приниматься на основа-

нии технико-экономического анализа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. 4.1. Технологические схемы. - М.: ИГД им.Скочинского, 1991. -207 с.

2. Единая методика прогнозирования температурных условий в угольных пластах /Под ред. В.А.Кузина, Н.Н.Хохотвы./ --Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1979.-196 с.

3. Методика прогнозирования температурных условий в выработках вентиляционных горизонтов глубоких шахт. -Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1984. - 61 с.

4. Руководство по выбору горнотехнических способов нормализации климатических условий на выемочных участках глубоких шахт. -Макеевка-Донбасс: МакНИИ, 1994. -44 с.

5. Кузин В.А., Песок С.А., Розенберг А.С., Гундарев П.Г.. Концепция проектных решений по отработке запасов угля на глубоких шахтах// Уголь Украины.-1995. -№11 С. 13-15.

© В.А. Кузин, С.Ф. Поважный, П.К. Кучеба, Е.В. Костенко

116