Повышение надежности работы выемочных участков высокогазоносных угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------- © Б.Д. Терентьев, В.А. Груздев,

А.Е. Янак, 2004

УДК 622.272

Б.Д. Терентьев, В.А. Груздев, А.Е. Янак

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ВЫСОКОГАЗОНОСНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Семинар №11

ТУ условиях действующих шахт, где по-

-Я-М стоянио происходит усложнение горно-геологических и горнотехнических условий, вызванное переходом на более глубокие горизонты, требования и пропорциональности развития горных работ, надежности узлов и элементов технологической схемы шахты, обоснованности принимаемых решений, приобретает решающее значение.

Анализ показывает, что в технологической схеме шахты как большой системы, все ее подсистемы, звенья и элементы жестко связаны и взаимозависимы и, чтобы улучшить работу всей системы, необходимо определить «главное» конечное звено, улучшение функционирования которого повлечет за собой повышение эффективности технологической схемы и шахты в целом.

Если рассматривать технологическую схему шахты как сложную открытую систему, состоящую из горнотехнологических подсистем вскрытия, подготовки и очистных работ, то можно констатировать, что наиболее консервативной, т.е. менее всего способной к изменению во времени и пространстве и требующей наибольших, капитальных затрат является подсистема «вскрытие шахтного поля» [1].

Подсистема «подготовка запасов» в процессе эксплуатации шахты и развития горных работ по площади может быть изменена в зависимости от горногеологических условий залегания угольных пластов с меньшими, по сравнению с подсистемой вскрытие, затратами. Вместе с тем переход на другие схемы подготовки требует изменения, как технологической цепи, так и техники ведения горных работ.

Исследования, проведенные в МГГУ, ИГД им. А.А. Скочинского и других науч-

ных центрах, показывает, что ключевым звеном, которое может эффективно влиять на всю технологическую цепочку шахты, является выемочный участок, включающий очистные и подготовительные работы, а также процессы обеспечения безопасности и надежности горных работ. Значение геотехно-логических и газодинамических процессов, происходящих на выемочном участке, обуславливается тем, что очистные и подготовительные работы занимают в общем объеме не только наибольший удельный вес по численности работающих (27,7 и 18,5%, соответственно), но и характеризуются наибольшей трудоемкостью выполняемых в них производственных процессов (118 чел. -дней на 1000 т добычи в очистных забоях и 82 чел. - дня в подготовительных забоях).

Выемочный участок угольной шахты, являясь частью большой системы, связанный с этой системой транспортными, вентиляционными и иными коммуникациями, вместе с тем можно рассматривать как сложную систему, в которой протекают «независимые» от состояния системы «шахта» горно-

технологические процессы.

Горно-технологические процессы, протекающие в границах выемочного участка, характеризуются как явления, на которые оказывают непосредственное и опосредованное влияние множество причин и условий техногенного и природного происхождения и которые, вместе с тем, являются взаимообусловленными и взаимосвязанными в единую систему [1]. Выемочный участок угольной шахты можно характеризовать как открытую систему, доступную другим системам, представленную разнородными элементами, которые могут работать как единое интегрированное целое независимо от того:

• где они расположены;

• как в них представлена информация;

• какая операционная система управляет ими.

Выемочный участок - это система, функционирования в результате деятельности человека и реагирующая на изменение различных факторов: техники и технологии отработки пласта, горно-геологических условий и процессов в земной коре. Система, открытая для внешних воздействий и откликающаяся на них вполне определенным образом, является рефлексной [2]. Это название подчеркивает аналогию с существованием и рефлексами любого живого организма и, как любой живой организм, система выемочного участка представляет собой самоорганизующуюся форму, в которой неизбежным условием является борьба двух противоположных тенденций - структурирование нового и стремление сохранить старую траекторию поведения, что обеспечивает стабильность системы. Все технические системы, какими бы сложными они не были, в конечном счете, всегда являются рефлексными. Это относится и к системе «выемочный участок», которая как всякий природный механизм допускает возникновение патологий в процессе своего функционирования во времени. Накопленный опыт подземной разработки угольных пластов свидетельствует о том, что возникновение патологий в функционировании системы связано главным образом с ведением горных работ без учета или с недостаточно полным учетом горно-технологических процессов.

Вероятность реализации того или иного горно-технологического процесса должна соответствовать требованию наибольшей экономичности с точки зрения энергетики -принципу минимума диссипации энергии. Такие процессы являются наиболее устойчивыми. Процессы открытых систем, в которых существуют обратные связи, компенсирующие или уменьшающие действие внешних возмущающих факторов, обладают неизмеримо большей вероятностью сохранить свою стабильность, чем процессы без обратных связей. Поэтому при управлении траекторией движения открытой системы необходимо стремиться использовать механизмы, которыми природа руководствуется для сохранения стабильность своего состояния. Для реализации идеи управления процессами откры-

той рефлексной системы - «выемочный участок» - необходимо решить следующие задачи:

• исследование горно-технологических процессов выемочного участка и анализ иерархичности процессов, определяющих степень рефлексности системы и обратные связи в ней;

• выявление закономерностей функционирования открытой системы «выемочный участок» и протекания в ней горнотехнологических и геотехнических процессов, позволяющих управлять траекторией ее движения к состоянию стабильности с учетом фактора самоорганизации системы;

• разработка функционально ориентированных технически и технологически решений, позволяющих на стадии проектирования и эксплуатации рефлексной системы адаптировать ее к конкретным условиям или их изменению и обеспечить эффективный контроль и управление ее траекторией в режиме перманентного движения с минимально допустимыми отклонениями от состояния стабильности системы.

Для выемочных участков пологих пластов средней мощности характерны два рода горно-технологических процессов, оказывающих наиболее значительное влияние на эффективность их работы: периодически повторяющиеся и стационарные. Периодические процессы всегда имеют явно выраженный характер и определяются величиной зоны взаимного согласования и влияния этих процессов. Условно их можно разделить на процессы пространственной и пространственно-временной ориентации. К первым отнесены геомеханические процессы обрушения пород непосредственной и основной кровель, формирования зон динамического опорного давления и зон разгрузки впереди и позади очистного забоя. Эти процессы в основном определяются пространственным положением и свойствами угольного пласта и пород, характеристикой месторождения и технологией управления горным давлением. Ко второму виду периодических процессов относится процесс выемки полезного ископаемого в очистном забое, при котором суточная нагрузка на лаву определяется временем выемки, длиной забоя и производительностью пласта.

Стационарные горно-технологические

процессы в рефлексной системе «выемочный

участок» сохраняют свою стабильность в течение длительного промежутка времени, стремясь к восстановлению первоначального состояния равновесия. К ним отнесены процессы:

• формирование нагрузки на крепь подготовительных выработок в зоне влияния статического горного давления;

• газовыделение в подготовительные и очистные выработки с поверхности обнажения и из выработанных пространств.

Особенности подземной разработки угольных месторождений не позволяют абсолютно точно прогнозировать ситуацию развития горно-технологических процессов. Поэтому при расчете траектории движения системы «выемочный участок» необходимо соблюдение единства трех элементов, обеспечивающих достижение целей:

• выбор сценария управления системой;

• выбор программы, т.е. плана движения (подготовки и отработки выемочного поля);

• создание механизмов управления, т.е. системы обратной связи, обеспечивающей движение по заданной программе.

Классификация производственно-

технологических процессов выемочного участка позволила выделить в рефлексной системе элементы влияния, обладающие обратной связью и дающие возможность осуществить корректировку поведения отдельных частей и функционирование всей системы в целом [3]. Анализ работы действующих добычных участков шахт установлено, что повышение эффективности их работы обеспечивается управляющими воздействиями на элементы влияния системы, которые в соответствии с ролью в процессе функционирования системы являются факторами, управляемыми или частично управляемыми. При этом элементы влияния, имеющие техногенную и естественную природу, различаются в зависимости от места реализации процессов на участке: очистные или подготовительные работы, выработанные пространства. К управляемым факторам в соответствии с классификацией отнесены технико-

технологические параметры очистного забоя и подготовительных выработок: машины и оборудование, длина лавы, технологическая схема подготовки участка, способ управления горным давлением, площадь сечения

подготовительных выработок, способ их охраны и т.п.

К частично управляемым факторам отнесены как технологические, так и природные параметры угольных пластов и пород: прочностные свойства, газоносность, выбросо-опасность, обрушаемость, расположение

очистных забоев в пространстве и т. д.

К неуправляемым факторам отнесены горно-геологические характеристики месторождения: мощность угольных пластов и пород, угол их падения и глубина залегания.

В соответствии с принципом минимума диссипации из числа виртуальных движений системы выделяются реальные процессы, которые определяют ее оптимальную траекторию и отклонения от последней.

Если рассматривать работу системы «выемочный участок», то оптимальность ее траектории определяется в первую очередь систематическим выполнением плановых технико-экономических показателей, задаваемых с учетом реального состояния технических средств, горных выработок и изменением горно-геологичес-ких условий. Основным технико-экономи-ческим показателем для добычного участка является объем добычи при минимальной себестоимости, а потери объемов добычи характеризуют отклонение системы от оптимального уровня.

Исследователями показано, что основные потери в объемах добычи угля, а следовательно, и в ухудшении техникоэкономических показателей работы системы «выемочный участок» происходит из-за внутренних дефектов системы: внутрилав-ных и внелавных простоев. Статистические исследования простоев, проведенные на шахтах Восточного Донбасса, показывают, что 73,4% простоев происходят в границах выемочного участка и только 26,6% вне границ. Приведенные данные свидетельствуют о превалирующем влиянии простоев на участке, на технико-экономические результаты работы предприятия.

Условно простои в границах выемочного участка простои можно подразделить на простои в лаве и вне лавы. Простои в лаве по причинам возникновения делятся на четыре группы:

• фактор горно-геологических условий (горное давление, обрушение пород кровли, отжим пласта и т.п.);

• выход из строя оборудования и машин;

• нарушение вентиляционного или газового режима участка или лавы;

• организационные факторы (отсутствие порожняка, нарушение технологической или трудовой дисциплины и т.п.).

Простои вне лавы условно подразделены на следующие группы:

• нарушения проектного сечения подготовительных выемочных выработок (горное давление);

• аварийность на участковом транспорте;

• нарушение режимов проветривания;

• прочие причины (несоблюдение технологии строительства подготовительных выработок, нарушение паспортов ведения очистных и проходческих работ и т.п.).

При исследовании причин простоев часто не представляется возможным четко их разграничить. Например, при обрушении пород в лаве или выемочном штреке происходит снижение проходного сечения для пропуска воздушной струи и, следовательно, нарушение вентиляционного режима, возникает ре-

1. Пучков Л.А., Аюров В.Д. Синергитическая концепция управления горнотехнологическими процессами в угольных шахтах. - М.: Изд-во МГИ, 1991. - 47с.

2. Филинов Е.Н. и др. Открытые системы. - Казань: Изд-во КазГУ, 1994. - 164с.

альная опасность загазирования рудничной атмосферы, т.е. простоев по газовому фактору.

При этом наблюдается устойчивая тенденция к сокращению внутрилавных простоев и увеличению внелавных простоев при относительной стабильности прочих простоев. Снижение уровня внутрилавных простоев вызвано внедрением механизированных комплексов новых поколений с высоким коэффициентом готовности, а основными причинами этого типа простоев являются аварии горно-геологического характера.

Рост уровня внелавных простоев связан, прежде всего, с неудовлетворительным состоянием подводящих подготовительных выработок (41% общих потерь) и нарушением вентиляционного режима (23%). Поэтому при выборе программы управления рефлексной системой «выемочный участок» необходимо в первую очередь уделять внимание созданию механизмов управления, обеспечивающих высокую технологическую надежность подготовки запасов к выемке, состоянию подводящих выработок и снижению га-зообильности горных работ.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Терентьев Б.Д. Повышение надежности и безопасности отработки запасов выемочных участков угольных шахт. Дисс. докт. техн. наук. - М.: МГГУ, 2000. - 304с.

— Коротко об авторах

Терентьев Б.Д. - профессор, доктор технических наук,

Груздев В.А. - соискатель,

ЯнакА.Е. - соискатель,

кафедра «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», Московский государственный горный университет.