CC BY
25
УДК 622.8:622.274.526
Ю.М. Филатов (кандидат технических наук, научный консультант ООО «ВостЭКО»)
О проблемах безопасности отработки Прокопьевско-Киселевского месторождения
Приводятся сведения об эффективности применяемых систем разработки в Прокопь-евско-Киселевском районе Кузбасса, их влиянии на безопасность ведения горных работ, применении механизированной выемки угля при щитовой системе разработки.
Ключевые слова: СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ, ГЛУБИНА РАЗРАБОТКИ, ГОРНОЕ ДАВЛЕНИЕ, ГАЗООБИЛЬНОСТЬ ПЛАСТОВ, ВЫБРОСООПАСНОСТЬ, ПОЖАРООПАСНОСТЬ, ПРОВЕТРИВАНИЕ ШАХТ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРАБОТКИ
Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского района на ближайшие годы во многом зависит от того, насколько правильно в сложившихся горно-геологических условиях будет определена технико-экономическая эффективность применяемых систем разработки и установлена рациональная область их применения по конкурентоспособности с пластами пологого падения.
Разнообразие горно-геологических условий месторождений Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса предопределило большое количество применяемых систем разработки и технических направлений по созданию средств для выемки угля. За годы эксплуатации месторождений в районе были испытаны практически все известные системы разработки и их варианты. Большие изыскания ведутся и в настоящее время, что диктуется требованиями свободных цен на уголь.
Системы разработки относятся к основным звеньям производства. От правильного их выбора зависит уровень технико-экономических показателей работы шахты. Однако многозначность показателей эффективности, отсутствие обобщающего критерия оценки систем разработки затрудняют выбор наилучших вариантов и порождают неопределенность в оценке, которая не может быть подменена никаким логическим анализом. Это является главной причиной необоснованного применения на шахтах в одинаковых условиях различных по эффективности систем разработки.
Несмотря на сложность горно-геологических условий, угленосная площадь района полностью не освоена, на отдельных шахтах разработка ведется уже на четвертых и пятых горизонтах. При отсутствии участков для строительства новых шахт единственной перспективой разработки этого района являются глубокие горизонты.
С увеличением глубины разработки растет горное давление, увеличивается газоносность пластов, повышается подверженность их внезапным выбросам угля и газа, что значительно ус-
ложняет условия эксплуатации месторождений. Уже в настоящее время на ряде шахт района затруднено ведение горных работ существующими способами на нижних горизонтах из-за горногеологических условий, неизбежности перепуска пожаров, скопления глин в отработанном пространстве и больших эксплуатационных потерь угля. Все это отрицательно повлияло на техникоэкономические показатели работы шахт и эффективность добычи угля.
В связи с этим необходимо изыскать способы разработки с наиболее высоким техникоэкономическим эффектом при сложившихся горно-геологических условиях. Существующие методы решения этой задачи весьма противоречивы. Некоторые исследователи считают основным мероприятием повышения эффективности разработки пластов на глубоких горизонтах широкий переход на системы с закладкой выработанного пространства, другие, наоборот, считают, что этот фактор заметного влияния на показатели эффективности не оказывает, поэтому системы с обрушением кровли могут применяться и на больших глубинах. Мнения об эффективности систем разработки, особенно на мощных крутых пластах, противоречивы как среди производственников, так и среди научных работников. Основная причина этого - отсутствие комплексного подхода к исследованию эффективности и выбору систем разработки.
В сложившихся условиях эксплуатации месторождений Прокопьевско-Киселевского района разработка научных основ определения эффективности и выбора систем разработки для установления рациональной области их применения является актуальной задачей, исследованию которой посвящена настоящая работа.
Горнотехнические условия и тенденции их изменения
Горнотехнические условия угольных месторождений Прокопьевско-Киселевского района довольно подробно описаны в многочисленных работах. Для четкого представления состояния и перспектив развития горных работ на шахтах района, не повторяя общеизвестных положений, рассмотрим лишь особые условия, сложившиеся за последние годы, и динамику изменения их с увеличением глубины горных работ.
Глубина ведения горных работ. За последние 10 лет средняя глубина разработки увеличилась в районе более чем на 30 %. Ежегодное опускание горных работ составляет 8-10 м. Интенсивное увеличение глубины объясняется сравнительно небольшими размерами шахтных и выемочных полей, значительными общешахтными и эксплуатационными потерями и рядом других факторов. Исследования показывают, что оставление неизменной технологии разработки приведет к еще более быстрому опусканию горных работ и составит свыше 13 м в год.
Невыдержанные элементы залегания пластов. В границах действующих и проектируемых к отработке выемочных полей горно-геологические условия залегания пластов района характеризуются следующими данными (таблица 1).
Таблица 1 - Горно-геологическая характеристика участков пластов
Элементы геологической характеристики Градация элементов Распределение условных выемочных участков,%
Колебание мощности пластов, % До ±0 26
±11... ±20 37
±21 ... ±30 19
±31 и более 18
Итого 100
Колебание углов падения пластов, % До ±0 70
±11 ... ±20 20
±21 ... ±30 5
±31 и более 5
Итого 100
Количество нарушений 0 28
1 24
2-5 40
6 и более 8
Итого 100
Содержание твердых включений в пластах Не содержат 56
Содержат 44
Итого 100
Устойчивость пород кровли пластов Устойчивые 20
Средней устойчивости 57
Неустойчивые 23
Итого 100
Устойчивость пород почвы пластов Устойчивые 14
Средней устойчивости 59
Неустойчивые 27
Итого 100
Отличительной особенностью разрабатываемых пластов является крутое и крутонаклонное падение. В этих пластах сосредоточено 83,9% запасов района, в том числе в пластах с углами падения 36-45° - 16,9%; 46-55° - 24,7%; более 55° - 58,4%. Более 53% промышленных запасов сосредоточено в пластах мощностью от 3,5 м, из них 17,7% - в пластах мощностью 3,51-4,5 м; 28,3%
- мощностью 4,51- 6,5 м и 54% - в пластах мощностью более 6,51 м.
Угленосная свита подвержена сильным тектоническим нарушениям, осложнена разрывами сплошности, колебаниями мощности и углов падения пластов. Все угольные пласты расчленены геологическими нарушениями и залегают в породах средней устойчивости и неустойчивых (таблица 1).
Исследованиями установлено, что с увеличением глубины разработки нарушенность месторождений возрастает. Большинство пластов района являются сближенными: около 65% залегают друг от друга на расстоянии менее 10 м, в том числе 40% - на расстоянии менее 5 м. Сближенность пластов при большой их мощности и крутом залегании осложняет порядок отработки, влияет на подработку поверхности. При отработке отдельных пластов угольная толща теряет равновесие и приходит в сложное движение, предварительно рассчитать которое невозможно. Перераспределение напряжений, вызванное выемкой пласта, охватывает часть свиты или всю свиту пластов. С переходом работ на нижние горизонты эти явления будут сказываться в еще большей степени.
Проявление горного давления. При типичных для района схемах подготовки и отработки угольных пластов на границах выемочных полей можно выделить три зоны повышенного горного
давления: зону остаточного опорного давления от вышележащих отработанных этажей; зону остаточного опорного давления от соседних по простиранию отработанных участков пласта и зону наложения остаточного опорного давления от верхних этажей и соседних отработанных участков пласта .
Эксплуатационное опорное давление начинает развиваться уже в начале ведения очистных работ. Полного развития оно достигает после выемки двух-трех столбов (при щитовой системе) или подвигании забоев по простиранию на 40-60 м. По простиранию пласта на вентиляционном горизонте оно распространяется на расстояние до 175 м; на откаточном - до 150 м, в средней части этажа - до 100 м. Активный рост опорного давления наступает на расстоянии 40-50 м по простиранию и 20-30 м по падению от забоя.
Условия работы подготовительных выработок на мощных крутых пластах в период проведения зависят от расположения зон остаточного опорного давления. Деформация выработок вне зоны составляет 40-70 мм, в зоне опорного давления возрастает в 1,5-3 раза, а в зоне наложения опорного давления - почти в 5 раз. Нагрузки на крепь вне зоны составляют 5-20 кН на раму, а в зоне увеличиваются в 1,2-2,0 раза. Участок крепи, подверженный разрушению, составляет 10-18 м, участок повышенных нагрузок - 30-35 м.
С переходом работ на нижние горизонты горное давление возрастает. На основании исследований ОАО «НЦ ВостНИИ», ИГД СО РАН установлено, что изменение горного давления с глубиной (при вертикальной высоте этажа 100 м) представляется рядом чисел: 1,0; 1,3; 1,44; 1,53.
На глубине 340-460 м вредное влияние остаточного опорного давления на интенсивность смещения боковых пород пласта и деформацию выработок наблюдается на расстоянии 60-80 м по простиранию от выработанного пространства и 40-50 м - по падению. При дальнейшем увеличении глубины работ степень вредного влияния опорного давления будет возрастать.
Газообильность пластов. Газообильность угленосных толщ Прокопьевско-
Киселевского района нарастает с глубиной. По метанообильности выделяются три зоны. В первой (50-70 м от поверхности) метановыделение практически отсутствует. В отдельных случаях эта зона опускается до 120 м. Вторая зона распространяется до глубины 150-200 м. В ней метанообиль-ность достигает 10 м3 на 1 т угля. Третья зона - метановая - располагается глубже 200 м, где количество метана, выделяющегося на 1 т угля, превышает 10 м3, причем с глубиной выделение метана увеличивается примерно на 5 м на 1 т при опускании на каждые 100 м.
В настоящее время шахты района ведут горные работы в различных зонах, однако все они газовые (от 14 до 32 м3 на 1 т добычи). На отдельных участках этих шахт метанообильность достигает 35-50 м3 и даже 100 м3 на 1 т добычи (шахта «Ноградская»).
Возрастание газоносности с увеличением глубины залегания пластов от поверхности и степени метаморфизма углей наблюдается повсеместно.
Исследованиями ВостНИИ установлено, что с увеличением глубины Н, м, на 1% газоносность Уг, м3/т, возрастает в среднем на 3% и выражается зависимостью:
Уг =9 • 10-5 Н 2'24.
Однако установленный градиент, характеризующий темпы роста средних значений газоносности по интервалам глубины, колеблется в весьма широких пределах - от 1,5-1,7 до 3,5-4,0 м3/т на каждые 100 м глубины.
Выбросоопасность пластов. Отработка глубоких горизонтов района связана с проявлением дополнительных динамических явлений типа внезапных выбросов угля и газа. Учитывая механизм этих явлений и природные свойства угля, обусловливающие их проявление, институтом ВостНИИ дана качественная оценка возникновения выбросов на более глубоких горизонтах шахт.
Основными причинами внезапных выбросов являются горное давление, газовый фактор и природные свойства угля. Давление газа Рг, Па, с увеличением глубины может быть приближенно выражено уравнением:
Соответственно с увеличением газового давления возрастает газоносность угля, а с увеличением горного давления газопроницаемость угольных пластов снижается.
Минимальная глубина проявления внезапных выбросов, согласно данным ВостНИИ, определяется выражением:
При коэффициентах крепости угля 0,7; 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,0 выбросы угля и газа возможны соответственно на глубинах 260, 340, 410, 540, 700 и 800 м.
Увеличение силы внезапных выбросов из угольных пластов при вскрытии их квершлагами и массы выбрасываемого угля с глубиной разработки подтверждается статистическими данными: при глубинах 200, 250, 300 и 350 м выбросы угля составили соответственно 50, 20, 125 и 220 т.
На глубинах более 500 м сила внезапных выбросов резко увеличивается, так как пласты на большой глубине имеют высокую газоносность, количество быстро выделяющегося газа при внезапных выбросах может достигать 1000 м3 и более.
Учитывая ожидаемые внезапные выбросы угля и газа на глубоких горизонтах, вопросы вскрытия, подготовки и выбора систем разработки для перспективных горизонтов района должны решаться с применением мероприятий, исключающих вероятность возникновения таких явлений.
Пожароопасность пластов. Угли Прокопьевско-Киселевского района подвержены самовозгоранию. Это подтверждается многочисленными очагами подземных пожаров. За все годы эксплуатации в районе возникло более 1300 подземных пожаров, из них более 900 - при отработке мощных пластов - Горелого, IV Внутреннего и Мощного, что составляет около 70% общего количества.
В результате пожаров на шахтах района в пожарных участках и под пожарами законсервировано около 200 млн т угля.
Несмотря на совершенствование систем разработки, а также способов и средств предупреждения пожаров, количество их ежегодно увеличивается. В последние годы наблюдается сокращение сроков возникновения пожаров от начала очистных работ.
Значительно возрастает пожароопасность с увеличением глубины разработки. Например, при щитовой системе на первых горизонтах количество пожаров на 1 млн т составляет 1,35, на третьих - 2,35, то есть больше в 1,7 раза. Аналитически эта зависимость выражается уравнением:
Рг = 0,12Н ~2’2.
(1)
Нтт =183 + 158 Л.
(2)
У = 1,262 п 0,48
(3)
где п - порядковый номер горизонта, п =1, 2, 3, 4.
Возрастающая с глубиной пожароопасность связана, в первую очередь, с подработкой ранее списанных пожаров на верхних горизонтах.
Подавляющее число пожаров возникло при отработке пластов системами с обрушением кровли. Это объясняется тем, что с переходом горных работ на более глубокие горизонты ухудшаются условия отработки, а существующие способы вскрытия, подготовки и системы разработки все более не соответствуют этим условиям.
Наличие участков, опасных по прорывам глины и пульпы в действующие выработки. Особо опасными по прорывам глины являются такие участки пластов, где имеется комплекс следующих факторов:
- толщина наносов глины над выходами пластов более 10 м;
- угол падения пластов превышает 50°;
- над пластами залегают труднообрушающиеся породы;
- пласты разрабатываются системами с оставлением в выработанном пространстве целиков угля;
- перепустившиеся в выработанное пространство глины наносов увлажнены водами атмосферных осадков или пульпой.
Выемка таких участков обычными способами является опасной для работающих и требует специальных технических решений.
Проветривание шахт. Для обеспечения нормальной работы забоев с переходом горных работ на нижележащие горизонты требуемое количество воздуха возрастает. Повышенная потребность в расходе воздуха усложняет организацию вентиляционного хозяйства шахт и сдерживает увеличение нагрузки на забои.
Подача большого количества воздуха потребует соответствующих сечений подающих стволов и горизонтальных выработок, применения секционного проветривания и нагнетательно-всасывающего способа, увеличения количества и мощности вентиляторов, а следовательно, увеличения капиталовложений и эксплуатационных затрат.
Многогоризонтность шахт. Шахтные поля района имеют ограниченные размеры (17006700 м по простиранию и 800-2300 м вкрест простирания). Недостаточные размеры шахтных полей, низкий уровень извлечения запасов и селективная выемка в первую очередь мощных ненарушенных пластов и пластов с коксующимися углями приводят к тому, что по ряду шахт срок службы горизонтов не превышает 8-10 лет. По этой причине уже через 4-5 лет после сдачи шахты в эксплуатацию или вскрытия нового горизонта начинается подготовка следующих, что приводит к одновременной работе на нескольких горизонтах.
Многогоризонтность шахт сопровождается большой разбросанностью горных работ. На шахтах одновременно разрабатывается в среднем по девять пластов. Все это значительно осложняет проветривание, поддержание горных выработок, транспорт, отработку выемочных полей, снижает безопасность и технико-экономические показатели производства.
Потери угля при разработке месторождений. Сложные природные условия месторождения постоянно отражаются на степени извлечения запасов угля. Последний период их эксплуатации характеризуется тем, что все больше и больше угля остается в недрах и для сохранения добычи приходится вовлекать в разработку все новые и новые поля и горизонты.
Наиболее значительную часть общих потерь составляют эксплуатационные, на долю которых приходится около 75%. Потери по причине геологических и гидрогеологических условий составляют 18%, в общешахтных целиках - 5%. Потери в целиках под охраняемыми объектами на поверхности из-за неправильных решений, принятых в прошлом, резко возрастают. На некоторых шахтах количество законсервированных запасов в целиках достигает 35-45%. Запасы в целиках увеличиваются с глубиной разработки. В ряде случаев они возрастают на вторых горизонтах в 2 раза, на третьих - в 3,5 раза, на четвертых - более чем в 5 раз. В охранных целиках на шахтах района законсервировано более 900 млн т угля.
Иногда подготовка участков ограниченных размеров между целиками становится экономически невыгодной. На некоторых шахтах не отрабатываются маломощные пласты (Проводники IV Внутреннего, Мощного и другие), что также приводит к росту потерь.
С увеличением глубины горных работ увеличиваются эксплуатационные потери угля. Установлено, что с опусканием на каждый последующий горизонт потери увеличиваются в среднем примерно на 2,2%.
При высоких потерях в общешахтных целиках и постоянном росте эксплуатационных потерь извлечение запасов по району не превышает 45%.
Повышенные потери объясняются также невысоким уровнем разведанности запасов.
В настоящее время коэффициент разведанности составляет по району 0,42, а по отдельным шахтам еще меньше.
Значительная часть запасов консервируется также в охранных целиках, на участках под пожарами и опасных по прорыву глины. Рост потерь ведет, с одной стороны, к снижению эффективности разработки, а с другой стороны, к повышению сложности и опасности работ.
Таковы основные характерные горно-технические условия разработки месторождений района. Однако природные условия определяют лишь потенциальные возможности отрицательного проявления рассмотренных выше факторов. При прочих равных условиях характер и интенсивность их протекания обусловливаются применяемой технологией разработки.
Технологические варианты разработки крутых и крутонаклонных пластов
Разнообразие и сложность горно-геологических условий района обусловили большое число применяемых систем разработки. За годы эксплуатации месторождений были испытаны почти все известные в горной практике системы разработки и их варианты.
Исследуя участие систем разработки в добыче угля за последние 70 лет, можно условно выделить четыре этапа их развития.
Первый этап (до 1941 г.) характеризуется значительным удельным весом системы разработки длинными столбами по простиранию с обрушением кровли (51,5%), а также широким применением камерных систем с обрушением кровли (12,7%).
На втором этапе (1941-1949 гг.) осуществлялся широкий переход на щитовую систему разработки, которая начала испытываться с 1935 г. В 1938 г. из-за больших потерь угля пришлось отказаться от камерной системы. Объем применения систем с закладкой за этот период был сведен до минимума (0,4%).
На третьем этапе (1949-1979 гг.) происходил дальнейший переход на щитовую систему разработки (до 60%) с внедрением механизации для проведения подготовительных выработок, а
также некоторое увеличение объема применения систем с закладкой. В этот период появляется комбинированная система разработки с гибким перекрытием.
Четвертый этап (с 1979 г. по настоящее время) характеризуется некоторым снижением удельного веса щитовой системы в связи с ухудшением горно-геологических условий разработки.
Анализ эволюции систем разработки показывает, что она происходила в основном по двум направлениям:
1 Изыскание эффективных вариантов разработки с обрушением кровли с выемкой пластов на всю мощность без крепления выработанного пространства. В этом направлении было испытано почти 50% всех разновидностей систем разработки.
2 Изыскание рациональных вариантов разработки пластов с закладкой выработанного пространства. Это направление охватывает примерно 30% вариантов систем.
В результате многолетних поисков в настоящее время наибольшее применение получили следующие системы разработки: с обрушением кровли - длинными столбами по простиранию (ДСО), щитовая (ЩО), комбинированная с гибким перекрытием (КГП); гидравлическая добыча; с закладкой выработанного пространства - длинными столбами по простиранию (ДСЗ), наклонными (НСЗ) и поперечно-наклонными слоями (ШСЗ).
Удельное участие систем разработки в добыче угля по Прокопьевско-Киселевскому району за последние годы и их основные технико-экономические показатели приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Технико-экономические показатели систем разработки, применяемых при отработке крутонаклонных пластов
Система разработки Удельный вес добычи угля по годам, %
1980 1990 2000 2005 2009
ДСО 29,5 26,1 32,2 32,5 33,6
В том числе:
35° 8,8 9,1 14,0 16,0 20,6
Более 35° 20,7 17,0 18,2 16,4 13,0
ЩО 28,7 31,3 27,8 28,1 26,5
КГП 7,8 7,2 5,8 4,2 3,7
ПШО 6,4 4,6 6,6 6,1 9,1
Гидродобыча 10,8 12,5 13,2 14,3 13,7
Прочие (камеры, ПНЦ) 7,8 8,1 1,7 2,8 4,1
Итого с обрушением 91,0 89,8 87,0 88,0 90,7
Системы с закладкой 9,0 10,2 12,7 12,0 9,3
Всего по системам 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Щитовая система применяется при разработке пластов мощностью в основном 1,5-11,0 м с углом падения более 55°. В некоторых случаях с использованием щитовой системы отрабатываются пласты мощностью 1,2-1,5 м (арочными щитами) и более 11 м (послойными щитами). Харак-
терным для щитовой системы за последние годы является увеличение добычи угля из пластов тонких и средней мощности - до 3,5 м, разрабатываемых ранее длинными столбами по простиранию. Естественно, что без дальнейшего совершенствования щитовая система разработки не могла бы иметь широкого перспективного применения. Поэтому для дальнейшего повышения безопасности работ и улучшения технико-экономических показателей при отработке крутых пластов мощностью 5-10 м в 70-е годы была разработана технология добычи угля щитовой системой со скреперной доставкой угля вдоль очистного забоя.
Из сказанного следует, что полувековой опыт использования щитовой системы разработки отражает, по существу, ее положительные и отрицательные возможности. С одной стороны, простота технологии и высокая эффективность, адаптивность к сложным горно-геологическим условиям до настоящего времени являются непревзойденными. С другой стороны, для успешного применения щитовой системы на глубоких горизонтах необходимо устранить целый комплекс негативных явлений, осложняющих разработку мощных крутых и крутонаклонных пластов.
В рамках этого решения для отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов институтами КузНИУИ, Донгидроуглемаш, ИГД СО РАН и другими было предложено, разработано, испытано большое количество крепей (АНП, КВКП-3, МЗЛ) и комплексов (КВКП-1М, А-2С, ЩРПК, ЗАНЩ), предназначенных для работы на данных пластах как по падению, так и по простиранию пласта и отдельные экземпляры для работы по восстанию. Подавляющее большинство конструкций и технологий не вышли дальше стадии эскизных проработок или не получили дальнейшего развития из-за несовершенства конструкций, отрицательных результатов испытаний экспериментальных образцов или их малой эффективности.
Анализ горно-геологических условий Прокопьевско-Киселевского месторождения, количественная и качественная оценки применяемых систем разработки в целом за истекший период и на перспективу, а также научное обобщение опыта конструирования и промышленной проверки экспериментальных образцов новых технологий и очистной техники в данном регионе позволяют сделать следующие выводы:
1 Наличие коротких выемочных полей и значительных нарушений угольных пластов предопределяет использование здесь систем разработки и очистного оборудования с ведением очистных работ короткими забоями по падению.
2 Преобладание пластов с неустойчивыми породами кровли и почвы и значительными колебаниями мощности требует применения средств механизации крепления безраспорного типа.
3 В основу совершенствования технологии выемки должны быть положены следующие направления:
- увеличение нагрузки на забой за счет совмещения процессов фронтальной механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя;
- снижение потерь за счет полноты выемки;
- снижение аварийности очистных забоев и травматизма за счет применения простых в обслуживании и надежных в работе средств механизации крепления и выемки.
В результате проведения большого объема научно-исследовательских, проектноконструкторских и внедренческих работ, основной целью которых было решение вопроса комплексной механизации очистных работ при щитовой системе разработки, работниками КузНИУИ,
НиКА «Кейт», ОАО «Киселевскуголь» и ОАО «Прокопьевскуголь» создан и внедрен в промышленное производство принципиально новый тип очистного оборудования - щитовой агрегат безраспорного типа ЩРПМ.
Анализ отечественных и зарубежных разработок в области выемки угля механизированными крепями и агрегатами, работающими по падению, показывает, что все они имеют один существенный недостаток, нередко приводящий к аварийным ситуациям: фиксация секций крепи от сползания по падению пласта, как правило, осуществляется за счет распора между боковыми породами, что затрудняет или делает невозможным их применение на пластах с неустойчивыми кровлями и слабыми сползающими почвами.
Отличительной конструктивной особенностью агрегатов ЩРПМ является то, что крепь этих агрегатов не распирается между боковыми породами, а удерживается от сползания по падению за счет попеременной опоры на угольный целик у кровли или почвы пласта, что в значительной мере снижает возникновение аварийных ситуаций в очистном забое и позволяет отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями и почвами. Наличие же в конструкции агрегата независимой, раздельной от основания, без предварительного снятия с распора передвижки щитового перекрытия снижает вероятность проникновения обрушенных пород в призабойное пространство.
При щитовой системе разработки большой удельный вес в общей участковой себестоимости угля занимают затраты на проходку и крепление углеспускных и ходовых печей, особенно при креплении печей срубом всплошную. С переходом на отработку нижележащих горизонтов трудоемкость и стоимость проведения и поддержания углеспускных печей возрастают примерно в 1,52,0 раза. Технология отработки мощных пластов длинными столбами по падению с применением агрегатов ЩРПМ позволяет значительно сократить количество углеспускных печей, а следовательно, снизить трудозатраты на их проведение и крепление. Кроме этого, регулируемый и постоянный по своему объему поток угля из очистного забоя при конвейероструговой выемке снижает вероятность забучивания углеспускных печей, увеличивает срок их службы без дополнительного ремонта.
Коэффициент пожароопасности системы в большой мере зависит от скорости подвигания очистного забоя и полноты выемки. Подвигание очистного забоя при применении очистных агрегатов ЩРПМ составляет 3,0-3,5 м/сут, что в сочетании с достаточно высоким коэффициентом извлечения угля значительно снижает пожароопасность щитовой системы.
Таким образом, основные преимущества технологии отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов длинными столбами по падению с применением агрегатов ЩРПМ следующие:
- механизированная выемка угля позволяет увеличить в 2 раза нагрузку на забой по сравнению со щитовой системой с применением традиционных щитовых перекрытий и в 3-4 раза
- по сравнению с системами НСО и ДСО, увеличить безопасность ведения очистных работ, снизить их трудоемкость, уменьшить потери угля;
- высокая скорость подвигания очистного забоя, сокращение времени отработки выемочного столба, сравнительно небольшие потери угля снижают пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование;
- конструктивные особенности крепи агрегата (отсутствие распора и возможность раздельной принудительной передвижки секций) позволяют отрабатывать пласты с неустойчивыми кров-
лями и слабыми сползающими почвами, расширяют диапазон применения системы по углу падения пласта по сравнению с традиционной щитовой;
- механизированная транспортировка угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сокращает количество подготовительных выработок (углеспускных печей) и снижает трудоемкость работ по их креплению и поддержанию;
- простота конструкции и надежность составляющих элементов забойного оборудования обеспечивают безаварийную работу очистного забоя и не требуют специальной длительной подготовки обслуживающего персонала;
- возможность проведения под агрегатом буровзрывных работ в сочетании с механизированной выемкой без нарушения целостности механизмов агрегата позволяет обеспечить гибкую технологию ведения очистных работ, варьировать способами обработки забоя и передвижки крепи, проходить сбросы и сужения пласта.
За 1990-2000 гг. в Прокопьевско-Киселевском районе агрегатами ЩРПМ отрабатывались пласты Горелый, II, III, IV Внутренние, Двойной с углами падения пласта 35-60° и мощностью 2,56,5 м, где они показали свою работоспособность, простоту и удобство в эксплуатации, высокую надежность и приспособляемость к сложным горно-геологическим условиям, получили высокую оценку отечественных и зарубежных специалистов.
Накопленный положительный опыт промышленной эксплуатации агрегатов позволяет с уверенностью говорить о правильности выбранного направления по механизированной отработке мощных крутых и крутонаклонных пластов Кузбасса.
Для пластов мощностью до 3,5 м наиболее освоенной является система разработки длинными столбами по простиранию. Удельный вес ее в добыче довольно высокий - 22,7%. Область применения этой системы ограничивается лишь мощностью пласта. Другие горно-геологические факторы на ее применение существенного влияния не оказывают, то есть могут разрабатываться пласты с любым углом падения и любой складчатости.
Для разработки пластов мощностью более 6 м с углами падения свыше 35° с 1958 г. применяется комбинированная система с гибким перекрытием. Удельное участие ее в добыче составляет 9%.
С появлением щитовых агрегатов ЩРПМ участие в разработке таких пластов системой КГП будет сокращаться.
В ряде случаев пласты мощностью от 3 до 6 м с углами падения более 45° при наличии устойчивых пород почвы и кровли отрабатываются подэтажными штреками с выемкой угля взрывным или гидравлическим способом (ПШО). Удельный вес этой системы в добыче по району составляет 13,7% и в дальнейшем будут увеличиваться.
Основными достоинствами подэтажной выемки являются отсутствие крепления очистного пространства, небольшой расход лесных материалов, простота организации работ, а также хорошая приспособляемость системы к изменению горно-геологических условий. Однако большие потери угля (около 40%) и объем нарезных работ, отсутствие подготовленного к работе забоя и другие недостатки требуют в дальнейшем новых технических и технологических решений.
Системы разработки с закладкой выработанного пространства применяются при отработке пластов с непотушенными пожарами, под охраняемыми объектами, а также сближенных, взаимно
подработанных крутых пластов, то есть в случаях, когда применение систем разработки с обрушением кровли затруднительно или вообще невозможно.
Условия применения систем разработки с закладкой следующие:
- на пластах наклонного и крутого падения мощностью 3,0-4,5 м - длинными столбами с выемкой угля полосами по простиранию;
- на пластах с углами падения до 50° мощностью более 4,5 м - наклонными слоями с выемкой угля короткими полосами в восходящем порядке;
- на мощных пластах с углами падения более 50° - поперечно-наклонными слоями с выемкой в восходящем порядке.
Основным видом закладки по всем системам разработки является гидравлическая.
Несмотря на техническую необходимость, системы разработки с закладкой не получили широкого распространения.
Поскольку угленосная площадь района полностью освоена, единственной перспективой дальнейшей добычи угля являются глубокие горизонты, условия эксплуатации которых, как отмечено выше, значительно усложняются. Уже в настоящее время на ряде шахт района ведение горных работ существующими способами разработки на нижних горизонтах связано с большими трудностями. Поэтому в дальнейшем эффективность добычи угля будет в значительной степени зависеть от правильного выбора систем разработки.
Существующие способы решения этого вопроса весьма противоречивы. Некоторые исследователи считают основным мероприятием повышения эффективности разработки мощных крутых и крутонаклонных пластов на глубоких горизонтах переход на системы разработки с закладкой выработанного пространства, другие, наоборот, считают, что глубина горных работ на техникоэкономические показатели заметного влияния не оказывает, поэтому системы разработки с обрушением кровли можно успешно применять до глубины 500 м и больше.
Существующие мнения об эффективности разработки мощных крутых пластов на шахтах наиболее полно были выражены в дискуссии на страницах журнала «Уголь» (1980-1990 гг.), которая показала, что до настоящего времени эта проблема остается нерешенной. В результате рассмотрения 35 опубликованных и представленных работ был сделан вывод, что «...полная закладка выработанного пространства при разработке крутых пластов не является универсальным средством совершенствования управления боковыми породами, представляет собой трудное, дорогое по стоимости, но нередко неизбежное мероприятие, связанное, главным образом, с обеспечением безопасности, а иногда и технической возможности осуществления эксплуатации месторождения». Противоречивые мнения об эффективности систем разработки мощных крутых и крутонаклонных пластов района существуют как среди производственников, так и среди научных работников. Основной причиной этого следует считать отсутствие комплексного подхода к исследованию эффективности и выбору систем разработки.
Несмотря на ряд выполненных работ по оценке и выбору систем разработки, многие аспекты этой проблемы, ввиду сложности вопроса и горно-геологических условий района, еще недостаточно изучены. Поэтому на шахтах не всегда применяются системы в условиях наиболее эффективного их использования, что существенно отражается на показателях работы. Нередко в одинаковых условиях применяются различные варианты систем разработки. Так, при отработке крутых пластов мощностью 4,5-6,5 м применяется 6 вариантов систем, на пластах мощностью более 6,5 м
- 7 вариантов. В среднем на одни и те же условия при отработке пластов мощностью более 2,5 м с углами падения более 25° приходится четыре различных варианта систем разработки.
Технология очистных и подготовительных работ на крутых пластах характеризуется почти полным отсутствием механизации трудоемких и тяжелых работ, большим объемом ручных работ, повышенным расходом материалов и значительными потерями угля в недрах. Вследствие этого добыча угля в районе не растет, производительность труда снижается и повышается себестоимость угля.
Анализ горно-геологических и горнотехнических факторов показывает исключительную сложность условий залегания и разработки угольных пластов района. В этих специфических условиях совершенствование и развитие способов разработки до сих пор ведется в основном за счет частных решений, без коренного изменения как технологии, так и применяемой техники. При возрастающей сложности природных условий с переходом работ на нижние горизонты действие подобных решений вообще будет незначительным.
Прогноз влияния горно-технических факторов на перспективу приводит к выводу о настоятельной необходимости кардинального комплексного решения проблемы совершенствования разработки угольных пластов района.
Стабильность технико-экономических показателей на фоне резко усложняющихся горнотехнических условий с глубиной настоятельно требует всесторонней оценки перспективности применяемых вариантов систем разработки, установления прогрессивных направлений по совершенствованию и созданию средств комплексной механизации и технологических схем.
ABOUT SAFETY PROBLEMS AT PRO-KOPIEVSK-KISELEVSK COALFIELD DEVELOPMENT
Yu.M. Filatov
Information about efficiency of development systems used in Prokopievsk-Kiselevsk district of Kuzbass, their influence on mining works safety, use of mechanized extraction of coal with shield development system.
Key words: DEVELOPMENT SYSTEM, DEPTH OF WORKS, ROCK PRESSURE, SEAM GAS CONTENT, OUTBURST HAZARD, FIRE HAZARD, MINE VENTILATION, TECHNOLOGICAL VARIANTS, DEVELOPMENT EFFICIENCY
Филатов Юрий Михайлович Tел. 89069877448
