На правах рукописи

СЕМЕНЦОВ Вячеслав Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБОТКИ

МОЩНЫХ КРУТЫХ ГАЗОНОСНЫХ ПЛАСТОВ

ПРОКОПЬЕВСКО-КИСЕЛЕВСКОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ СИСТЕМАМИ С ПОДЭТАЖНЫМ

ОБРУШЕНИЕМ И ВЫПУСКОМ УГЛЯ

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная) Авторе ферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Национальный минеральносырьевой университет “Горный”.

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Казанин Олег Иванович

Официальные оппоненты:

Громов Юрий Викторович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО “Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Научный центр геомеханики и проблем горного производства, лаборатория геомеханики, главный научный сотрудник Соколов Александр Борисович кандидат технических наук, ООО «Научно – экспертный центр Геотех – Промбезопасность», технический директор

Ведущая организация - ОАО «НЦ ВостНИИ».

Защита диссертации состоится 27 декабря 2013 г. в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 27 ноября 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технологии отработки мощных крутых газоносных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения углей особо ценных коксующихся марок характеризуются практически полным отсутствием механизации, высокой трудоемкостью, низким уровнем безопасности и значительными потерями угля в недрах.

Уровень аварийности и травматизма на шахтах месторождения в 4-8 раз выше, чем при подземной отработке пологих угольных пластов. Удельная протяженность подготовительных выработок достигает 50 м на 1000 тонн добычи (т.е. в 10 раз больше чем при отработке пологих пластов).

Решению задач повышения эффективности и безопасности разработки мощных крутых газоносных пластов посвящены работы С.Г. Авершина, К.А. Ардашева, Н.Т. Бедарева, Я.А. Бича, С.Н. Зеленцова, В.П. Зубова, С.И. Калинина, В.И. Клишина, А.В. Лебедева, В.В. Мельника, Л. П. Томашевского, Ю.М Филатова, В.В Хана и др. За годы эксплуатации шахт в ПрокопьевскоКиселевском районе были испытаны практически все известные системы разработки и их варианты, как с обрушением кровли, так и с закладкой выработанного пространства. Вместе с тем, несмотря на достаточно продолжительный период эксплуатации этого месторождения, до сих пор не найдено приемлемых технических решений по его эффективной разработке.

Одним из направлений существенного повышения техникоэкономических показателей отработки мощных крутых пластов является внедрение систем разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля с использованием механизированной крепи, успешно зарекомендовавшей себя на шахте «Казимеш Юлиуш» в Польше.

Вместе с тем внедрение системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля на штрековый комплекс в условиях шахт Прокопьевско-Киселевского месторождения осложняется высокой газоносностью пластов и их склонностью к самовозгоранию.

Таким образом, определение параметров системы разработки, обеспечивающих существенное повышение техникоэкономических показателей работы шахт и безопасность ведения горных работ на мощных крутых газоносных пластах, является весьма актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности и безопасности подземной разработки мощных крутых газоносных пластов, склонных к самовозгоранию, на основе применения системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля с использованием механизированной крепи.

Идея работы. Повышение до конкурентоспособного уровня подземной разработки мощных крутых газоносных пластов, склонных к самовозгоранию, системами с подэтажным обрушением и выпуском угля обеспечивается при подготовке подэтажей тремя штреками, параметры и место заложения которых определяются из условия эффективного управления газовыделением и состоянием массива на выемочных участках.

Основные задачи исследования:

1. Анализ горно-геологических и горнотехнических условий отработки мощных крутых угольных пластов на шахтах Прокопьевско-Киселевского месторождения.

2. Обоснование параметров системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля по фактору управления газовыделением на выемочных участках.

3. Обоснование параметров системы разработки по фактору управления состоянием массива.

4. Обоснование параметров системы разработки, обеспечивающих эффективность и безопасность горных работ.

5. Обоснование области рационального применения предлагаемой технологии и оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий:

анализ и обобщение теории и практики эффективной и безопасной отработки мощных крутых пластов; натурные исследования метановыделения и состояния массива на выемочных участках шахты «Киселевская»; физическое моделирование отработки пластов системами с обрушением и выпуском угля, экспериментально-аналитические исследования влияния параметров системы разработки на геомеханические и аэрогазодинамические процессы на выемочном участке.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости минимальных размеров устойчивых целиков, разделяющих подэтажные штреки, от мощности пласта.

2. Определена зависимость удельных участковых затрат от параметров подэтажа и мощности пласта.

Основные защищаемые положения:

1. При использовании систем разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля на мощных крутых газоносных пластах подготовка подэтажа по фактору управления газовыделением должна осуществляться тремя штреками с расположением: конвейерного – у нижней границы выемочного участка, вентиляционного – в верхней части подэтажа и выемочного штрека – в средней части отрабатываемого подэтажа.

2. Эффективность и безопасность ведения горных работ на выемочных участках при использовании технологии с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях ПрокопьевскоКиселевского месторождения обеспечивается при высоте подэтажа, ширине целика между подэтажами и расстоянии между конвейерным и выемочным подэтажными штреками 22-30 м, 4-8 м и 10-12 м соответственно.

3.Область применения технологии определяется условиями обеспечения эффективного выпуска угля и управления кровлей, а также уровнем удельных участковых затрат и включает пласты мощностью m6 м и углами падения 60°.

Практическая значимость работы:

• Разработаны рекомендации по определению рациональных параметров системы для различных горно-геологических и горнотехнических условий отработки крутонаклонных и крутых угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения.

• Разработаны рекомендации по выбору места расположения и параметров подэтажных штреков при ведении горных работ.

• Разработаны рекомендации по выбору параметров проветривания призабойной зоны в различных горнотехнических ситуациях и на различных стадиях ведения работ в подэтаже.

• Определена область рационального применения предлагаемого варианта системы разработки с подэтажной отбойкой и выпуском угля в условиях шахты «Киселевская».

Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций обеспечивается представительным объемом данных натурных наблюдений, использованием современных апробированных методов исследований; удовлетворительной сходимостью результатов натурных, лабораторных и численных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на международной научно-практической конференции «Перспективы развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (Прокопьевск, 2011 г.), на Семинаре Международного научного симпозиума «Неделя горнякаМосква, 2012 г.), на международном форуме–конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2013 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (2012-2013 гг.).

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методики проведения экспериментальноаналитических, лабораторных и натурных исследований, проведены натурные исследования, обобщены результаты исследований, сформулированы основные научные положения и выводы.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 - в изданиях Перечня, рекомендуемого ВАК Минобрнауки России, получен патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа общим объемом 151 страница состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 84 источников, включает 77 рисунков и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

диссертации, сформулирована цель и идея работы, определены основные задачи исследований, описывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава диссертации посвящена анализу горногеологических и горнотехнических условий отработки мощных крутых газоносных угольных пластов Прокопьевско - Киселевского месторождения, а так же анализу мирового опыта отработки пластов в аналогичных условиях.

Во второй главе изложены результаты влияния параметров подготовки подэтажей на эффективность проветривания выемочных участков, выбрана методика и представлены результаты моделирования вентиляции выемочного участка, приведено обоснование параметров технологии по фактору управления газовыделением в условиях шахты «Киселевская». Также проведена оценка опасности самовозгорания угля и даны рекомендации по предотвращению самовозгорания при использовании рекомендуемой технологии.

В третьей главе обоснованы параметры системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях шахты «Киселевская» на основе моделирования геомеханических процессов методом конечных элементов и на физических моделях из эквивалентных материалов.

В четвертой главе диссертации определена область рационального применения технологии и дана экономическая оценка эффективности предлагаемых технических решений.

В заключении приведены основные результаты и выводы, полученные при исследованиях.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых научных положений:

1. При использовании систем разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля на мощных крутых газоносных пластах подготовка подэтажа по фактору управления газовыделением должна осуществляться тремя штреками с расположением: конвейерного – у нижней границы выемочного участка, вентиляционного – в верхней части подэтажа и выемочного штрека – в средней части отрабатываемого подэтажа.

Для обоснования параметров технологии с подэтажным обрушением и выпуском угля, при которых обеспечивается эффективное управление газовыделением на выемочных участках в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения, были рассмотрены три технологические схемы:

• схема №1. Отработка подэтажей с использованием одного подэтажного штрека, аналогично схеме применяемой на шахте «Казимеш Юлиуш» в Польше (рисунок 1);

• схема №2. Отработка подэтажей с использованием 2-х подэтажных штреков: вентиляционного и выемочного, которые проходятся соответственно у верхней и нижней границ подэтажа (рисунок 2);

• схема №3. Отработка подэтажей с использованием 3-х подэтажных штреков. Расположение подэтажных штреков в подэтаже: подэтажный вентиляционный штрек – у верхней границы подэтажа, подэтажный конвейерный штрек – у нижней границы подэтажа, подэтажный выемочный штрек – в средней части подэтажа (рисунок 3).

Суть технологии заключается в том, что мощный крутой угольный пласт делится на этажи, в свою очередь этажи на подэтажи. В подэтажных конвейерных штреках, пройденных в нижней части подэтажа, устанавливается забойное оборудование, включающее две секции крепи, обеспечивающие крепление штрека и защиту скребкового конвейера для транспортировки угля, установленного между основаниями секций крепи. Разрушение угля производится с применением взрывчатых веществ. Для этого над конвейерным и выемочным штреками веерообразно бурятся скважины, в которые закладываются взрывчатые материалы. После взрывания пробуренных скважин происходит выпуск горной массы через специальный штрековый комплекс. Проветривание выемочных участков осуществляется подачей свежей струи воздуха к очистному забою по конвейерному и выемочному подэтажным штрекам. Вентиляционный подэтажный штрек служит для отвода отработанной струи воздуха.

Анализ технологических схем показал, что только при подготовке подэтажа тремя штреками (рисунок 3), обеспечивается устойчивое проветривание выемочных участков по направлению и по расходу воздуха.

Следует отметить, что проведение четырех или более выработок для подготовки подэтажа приведет к увеличению объемов подготовительных работ, а также к усложнению и снижению надежности схемы проветривания выемочных участков.

Для обоснования параметров технологии с использованием трех подэтажных штреков, по фактору управления газовыделением, решались следующие задачи:

определение объемов метановыделения на выемочных участках;

определение необходимого количества воздуха для проветривания очистного забоя;

определение характера движения и распределения воздуха в очистном забое при подготовке подэтажа тремя штреками;

установление возможных мест скопления метана.

Для определения параметров схемы проветривания в условиях отработки запасов горизонта +120 м шахты «Киселевская»

был выполнен расчет расхода воздуха. Результаты расчетов показали, что необходимое количество воздуха для проветривания очистного забоя (по метану), определяется количеством одновременно отбиваемого угля и составляет от 150 м3/мин (при добыче за цикл Q=250 тонн и метановыделении I=0,66 м3/мин) до 300 м3/мин (при Q=480 тонн и I=1,42 м3/мин).

Для оценки эффективности проветривания очистного забоя проведено математическое моделирование движения воздуха на различных этапах отработки пласта. При проведении исследований использовался программный комплекс ANSYS/FLUENT (лицензия № 00443696). Моделирование проводилось для технологической схемы с использованием трех подэтажных штреков (рисунок 3):

конвейерного (сечением Sсв=12 м), вентиляционного (Sсв=9 м), и выемочного (Sсв=9 м).

В ходе проведения исследований рассматривались варианты с минимальным (q=150 м/мин) и максимальным (q=300м/мин) расходами воздуха, при следующих горнотехнических ситуациях:

когда конвейерный штрек перекрыт для прохода воздуха в призабойное пространство отбитым углем и обрушенными породами, и когда конвейерный штрек открыт для прохода воздуха в призабойное пространство.

На первом этапе моделирования рассматривались параметры проветривания очистного забоя в момент, когда выработанное пространство имеет размер по простиранию L=3 м (рисунок 4).

На втором этапе моделировались процессы движения воздуха в очистном забое для ситуации, непосредственно перед первоначальным обрушением основной кровли, т.е. когда величина выработанного пространства по простиранию имеет наибольшие размеры L=25 м (рисунок 4).

На рисунке 4 показано движение воздуха и его различия по скорости при подаче через выемочный штрек, т.е. в ситуации, когда конвейерный штрек перекрыт.

При проведении моделирования было выявлено, что призабойное пространство выемочного участка эффективно проветривается, когда подаваемый воздух проходит через конвейерный штрек, как при минимальном, так и максимальном количестве подаваемого воздуха. В случае, когда конвейерный штрек перекрыт отбитым углем и обрушенными породами, воздух в призабойное пространство поступает через выемочный штрек и проветривание происходит не с меньшей эффективностью. Однако при минимальном количестве подаваемого воздуха (при Q=150 м3) верхняя часть призабойной зоны проветривается менее эффективно, что может вызвать в ней скопление метана (рисунок 4 а).

Следовательно, при использовании схемы с тремя подэтажными штреками следует подавать максимально возможное количество воздуха к очистному забою.

В результате выполненных исследований установлено, что использование технологической схемы с тремя штреками в пределах подэтажа обеспечивает надежное и эффективное проветривание выемочного участка на всех стадиях ведения горных работ, в том числе и в случае полного перекрытия сечения конвейерного штрека.

2. Эффективность и безопасность ведения горных работ на выемочных участках при использовании технологии с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения обеспечивается при высоте подэтажа, ширине целика между подэтажами и расстоянии между конвейерным и выемочным подэтажными штреками 22-30 м, 4-8 м и 10-12 м соответственно.

С целью обоснования и выбора рациональных параметров системы разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля для условий шахты «Киселевская», выполнены исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород (МГП) в зоне ведения горных работ и закономерностей его изменения в процессе отработки запасов, с применением метода конечных элементов и использованием лицензионного программного обеспечения ANSYS.

Анализ исходной горно-геологической информации, определяющей пространственное положение пластов и вмещающих пород, их деформационные и прочностные характеристики, позволил разработать горно-геомеханическую модель (рисунок 5), отражающую свойства реального массива горных пород.

Характерной особенностью модели является наличие выработанного пространства ранее отработанных подэтажей, заполненного обрушенными породами.

исследуемой области задавались в соответствии с методическими основами расчета параметров механических процессов в системе породный массив - очистная выработка. Граничные условия отражены в горно-геомеханической модели (рисунок 5).

В качестве граничных, приняты условия, отвечающие максимальному уровню гравитационных нагрузок на рассматриваемых глубинах отработки. Для условий разрабатываемого горизонта шахты «Киселевская» +120 м глубина ведения горных работ составляет от 180 до 290 м от поверхности земли. Максимальная гравитационная нагрузка для ненарушенного массива составит для глубины 180 м: P = 4,5 МПа; для глубины 290 м: P = 7,3 МПа.

Для установления общих закономерностей изменения НДС МГП в исследуемой области были разработаны расчетные схемы для оценки состояния выработок в зоне влияния очистных работ и для оценки состояния целиков, оставляемых между подэтажами.

На рисунке 6 приведены эпюры опорного давления в краевой части массива в условиях горизонта +120 м шахты «Киселевская».

Напряжения в пределах зоны опорного давления представлены в прямоугольной системе координат, оси которой ориентированы перпендикулярно (рисунок 6).

Из рисунка 6 видно, что эпюра напряжений у, построенная по линии контакта пласта с породами висячего бока, имеет несколько максимумов, первый из которых – у краевой части массива, обусловлен формированием зоны опорного давления на границе с выработанным пространством, вследствие отработки запасов 1-го подэтажа. Резкое снижение напряжений, наблюдаемое у вентиляционного штрека, обусловлено разгружающим эффектом, связанным с проведением указанной выработки непосредственно у пород висячего бока. Последующее увеличение напряжений в области, располагаемой ниже вентиляционного штрека, показывает, что указанная выработка находится в зоне опорного давления.

Промежуточный подэтажный штрек не оказывает существенного влияния на эпюру напряжений вследствие его расположения у лежачего бока пласта за пределами зоны опорного давления, сформированной отработкой 1-го подэтажа.

При анализе полученных результатов было выявлено, что устойчивость подэтажных вентиляционных штреков в зонах влияния очистных работ определяется шириной оставляемого целика между подэтажами, деформационно-прочностными характеристиками разрабатываемого пласта и глубиной ведения горных работ.

На следующем этапе исследований была выполнена оценка состояния целиков, оставляемых между подэтажами. На рисунке представлены зоны предельного состояния, сформировавшиеся в краевых частях целиков при отработке углей с различными деформационно-прочностными характеристиками. Сопоставление рисунков 7 а и 7 б наглядно демонстрирует влияние механических характеристик угля на формирование зон предельного состояния в целиках. Так на рисунке 7 б (по сравнению с рисунком 7 а) области предельного состояния, располагающиеся как в межэтажном целике, так и в целике между подэтажами, существенно увеличиваются, проходя через весь целик.

Таким образом, при равном уровне исходных действующих напряжений на рассматриваемых глубинах при отработке пластов мощностью 4-10 м с углами залегания более 55°, состояние целиков при их ширине 4-6 м и отработке углей средней крепости является устойчивым, для тех же условий, целик полностью переходит в предельное состояние при отработке углей слабых и трещиноватых.

Для установления параметров указанной технологии в лаборатории геомеханики и аэрологии филиала КузГТУ в г. Прокопьевске были проведены поэтапные исследования методом физического моделирования технологических процессов на моделях из эквивалентных материалов при имитации выемки системой подэтажного обрушения.

На трех плоских моделях из эквивалентных материалов двух малых (размером 1340х1050х200 мм) и одной большой (размером 1760х1700х600 мм) в геометрическом масштабе М=1:50 (модель №1) и М=1:100 (модель №2 и №3) и временном Мв=1: исследовался характер проявления горного давления в зависимости от способа управления кровлей и величин её обнажения.

В моделях №1, №2, №3 породы кровли с коэффициентом крепости f=4,5; 6,5; 7,5, соответственно, а также уголь с коэффициентом крепости f=0,8 в моделях №2 и №3 имитировался гипсопесчаными смесями, а в модели №1 для имитации угля использовалась смесь из песка, угольной мелочи и парафиновой крошки. Во всех моделях мощность пласта задавалась равной m=9,0-10,0 м. Угол падения пласта составлял =60о (модель №2 и №3), а в модели №1 угол падения =0о (для имитации подвигания забоя по линии простирания). Глубина ведения горных работ имитировалась на всех моделях Н=250 м, за счет пригрузки пневмобаллонами.

В модели №1 выемку угля заходками (4м в натуре) осуществляли одновременно расходящимися забоями в левую и правую сторону от целика. В левой части модели имитировали выемку угля без забучивания выработанного пространства, а в правой части - с забучиванием выработанного пространства перепускаемыми обрушенными породами с усадкой = 31%.

В левой стороне модели при отходе забоя от целика на расстояние 25,0-26,0 м смещения кровли резко возросли, в результате чего произошло обрушение основной кровли до баллонов пневмопригрузки.

В модели №2 отрабатывали три подэтажа с оставлением между ними целиков угля mц=7,0 м, которые поэтапно уменьшали до 2,5-3 м, пока не происходило его разрушение и перепуск обрушенных пород в верхнем подэтаже. При повторном перепуске пород со второго подэтажа на третий, когда величина зависшей консоли основной кровли превысила 60,0 м, произошло её обрушение на 55,0-60,0 м, что привело к разрушению выработок третьего подэтажа.

На основании анализа результатов исследований на моделях №1 и №2, на модели №3 (рисунок 8) проводили исследования проявлений горного давления при имитации отработки пласта «Мощный» в условиях шахты «Киселевская».

В указанных выше размерах модели, представилась возможность в средней части выемочного столба имитировать подвигание очистного забоя с центра модели в обе стороны, без оставления целиков в левую и правую части (по простиранию) к границе модели.

Таким образом, примерно в 1/3 (средней) части модели № (25,0-30,0 м в натуре) кровля пласта работала как плита, защемленная по контуру (как в объемной модели), а не как балка, защемленная на опорах (в моделях №1 и №2). Таким образом, в средней части модели № 3 представилась возможность зафиксировать первичный и последующие шаги обрушений непосредственной кровли мощностью m=1,05,0 м.

На основании проведенных исследований высоту подэтажа, при отработке системами с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения, необходимо принимать из условия эффективного управления кровлей. Это значение не должно превышать 30 м.

При высоте подэтажа 30,0 м не следует отрабатывать подряд более 2-х подэтажей, и через каждые 60,0 м по падению следует оставлять целики высотой не менее мощности пласта.

Ширину целиков между подэтажами, которая зависит от мощности пласта и физико-механических свойств углей, следует принимать по минимальному значению, обеспечивающему удержание обрушенных пород вышележащего подэтажа. Для Прокопьевско-Киселевского месторождения зависимость ширины целика hц (по падению) от мощности пласта, при отработке углей средней крепости и глубине ведения работ до 300 м, может быть представлена в следующем виде:

где, m – мощность пласта, м; Кц – коэффициент, обратно пропорциональный мощности пласта, изменяющийся в диапазоне от 0,4 до 0,8.

Расстояние между конвейерным и выемочным штреками, при высоте подэтажа 22-30 м необходимо принимать из условия его расположения над обрушенными породами и отбитым углем на всех стадиях отработки пласта. Это расстояние составляет 10-12 м.

При отработке I и II подэтажа высотой 30,0 м первичный шаг обрушения непосредственной кровли по линии простирания пласта составляет 9,0-12,0 м, а последующих – 5,0-7,0 м, первичный шаг обрушения основной кровли составляет 25,0-26,0 м, последующие шаги - в 1,5-2,0 раза меньше.

3. Область применения технологии определяется условиями обеспечения эффективного выпуска угля и управления кровлей, а также уровнем удельных участковых затрат и включает пласты мощностью m6 м и углами падения 60°.

Для обоснования рациональных параметров выемочных участков проводились исследования по определению условий наиболее эффективного выпуска угля и его взаимодействие с механизированной крепью, а также характер формирования массива перепускаемых с вышележащего подэтажа обрушенных пород и их взаимодействие с отбитым углем.

моделирования с использованием материалов – эквивалентов на стенде с размерами 1120х960 мм в геометрическом масштабе М = 1:50 при мощностях пласта m=6,0; 9,0; 12,0 м и углах падения =50; 60 и 70о при длине очистного забоя по восстанию =30,0 м На основании результатов моделирования установлено, что угол наклона перепускаемых в выработанное пространство пород превышает их угол естественного откоса в незамкнутом пространстве (38о), и колеблется в пределах от 41 до 55о, причем, при мощности пласта m9,0 м и 60о движение пород в выработанном пространстве осуществляется преимущественно по почве пласта при отсутствии трения о кровлю, а величина опережения линии заполнения выработанного пространства у кровли пласта изменяется в пределах от 4,6 до 28,5 м по линии простирания пласта на уровне нижележащего подэтажного штрека.

При этом, чем больше мощность пласта, тем больше величина опережения контура обрушенного массива у кровли пласта чем у почвы, а высота обнажения кровли колеблется от 3,1 до 18,5 м.

Имитацию выпуска угля осуществляли после контакта его с закладочным массивом по линии забоя перпендикулярной линии простирания пласта и по линии, наклоненной к линии простирания под углом 41-45о.

При контакте угля с породным массивом по линии перпендикулярной к линии простирания во время выпуска угля обрушенный массив уходил вместе с углем, пока угол его движения не достигал 41-45о.

При выпуске угля, расположенного над обрушенными породами, заполнившими выработанное пространство под углом 41-45о, движение угля осуществлялось практически без примеси пород по поверхности сформировавшейся перепущенными породами в выработанном пространстве.

констатировать, что при заполнении выработанного пространства перепуском обрушенных пород формируется массив под углом, превышающим угол естественного откоса на 3-12о в зависимости от мощности и угла падения пласта, при этом площадь контакта пород у кровли пласта в 1,3-1,5 раза меньше чем у почвы пласта.

Наиболее эффективное управление кровлей перепуском обрушенных пород достигается при залегании пластов более 60 и мощностью более 6 м.

Для эффективного выпуска отбитого угля линию наклона очистного забоя относительно линии простирания пласта следует располагать параллельно линии наклона массива, сформированного перепуском обрушенных пород.

Для технико-экономического обоснования технологии разработки необходимо определение эффективной области использования технологии с учетом затрат на добычу угля.

рекомендуемого варианта технологии при подготовке выемочного участка тремя штреками будет определяться соотношением отпускной цены предприятия на уголь с удельными участковыми затратами и общешахтными затратами. Поскольку общешахтные затраты различаются по разным шахтам, для экономической оценки технологии наиболее информативным являются удельные участковые затраты.

Объемы подготовительных работ постоянны, а объемы подготавливаемых запасов зависят от размеров выемочного участка, соответственно уровень удельных участковых затрат будет существенным образом зависеть от мощности разрабатываемого пласта и наклонной высоты подэтажа.

На рисунке 9 приведены зависимости, отражающие влияние мощности пласта и высоты подэтажа на удельные участковые затраты. Также показаны фактические удельные участковые затраты при отработке пластов различной мощности системами, которые на данный момент применяются на шахтах ПрокопьевскоКиселевского месторождения.

Мощность пласта оказывает еще более значительное влияние на уровень удельных участковых затрат. Так изменение мощности разрабатываемого пласта с 6 м до 20 м приводит к уменьшению дополнительных удельных затрат на 15-25%.

Из сравнения удельных участковых затрат рекомендуемой технологии с затратами технологий применяемых на шахтах района установлено, что при отработке пластов различной мощности удельные участковые затраты системы с подэтажным обрушением и выпуском угля ниже, чем при использовании существующих технологий.

Таким образом, при различных уровнях цен на уголь в отработку могут быть вовлечены пласты различной мощности, удовлетворяющие условию эффективного использования по технологическим факторам (m6 м, 60°), отработка которых в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях является наиболее экономически эффективной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научноквалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи повышения эффективности и безопасности отработки мощных крутых пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований:

1. Обоснована целесообразность применения варианта системы разработки с использованием 3-х подэтажных штреков в пределах разрабатываемого подэтажа с расположением конвейерного у нижней границы выемочного участка, вентиляционного в верхней части подэтажа, подэтажного выемочного штрека в средней части отрабатываемого подэтажа.

2. Устойчивость подэтажных вентиляционных штреков в зонах влияния очистных работ определяется шириной оставляемого целика между подэтажами, прочности которого достаточно для временного удерживания обрушенных пород. При отработке пластов мощностью 6-10 м на глубинах до 300 м в условиях Прокопьевско-Киселевского месторождения устойчивое состояние вентиляционного штрека обеспечивается оставлением целика шириной 4-8 м. При этом нижнее значение диапазона соответствует отработке прочных слаботрещиноватых пластов, верхнее значение – слабых трещиноватых.

эффективного управления кровлей должна приниматься не более 30 м. С увеличением высоты подэтажа до установленного предела 30 м участковые издержки снижаются.

4. При длине очистного забоя (высоте подэтажа) по восстанию 30 м с управлением кровлей перепуском принудительно обрушенных пород, не следует подряд отрабатывать более двух подэтажей. Через каждые 60 м по падению следует оставлять предохранительные целики шириной не мене мощности пласта.

5. Расстояние между конвейерным и выемочным штреками, при высоте подэтажа 22-30 м необходимо принимать из условия его расположения над обрушенными породами и отбитым углем на всех стадиях отработки пласта. Это расстояние составляет 10-12 м.

6. Линию наклона очистного забоя относительно линии простирания пласта следует располагать по возможности параллельно линии наклона закладочного массива, сформированного перепуском обрушенных пород.

7. Областью наиболее эффективного применения системы по технологическим факторам являются пласты мощностью более м с углами падения более 60°.

8. Экономическая целесообразность применения технологии определяется соотношением удельных участковых затрат, которые зависят от параметров подэтажа, мощности пласта, общешахтных затрат и цены на уголь.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях входящих в Перечень ВАК Министерства образования и науки России и приравненные к ним:

1. Бедарев Н.Т. Обоснование параметров разработки мощных крутых пластов системами с подэтажным обрушением на основе физического моделирования / Н.Т. Бедарев, С.Г. Костюк, В.В. Семенцов // Горный информационно аналитический 2. Казанин О.И. Геомеханическое обоснование параметров разработки мощных крутых пластов системами с подэтажным обрушением и выпуском угля в условиях ПрокопьевскоКиселевского месторождения / О.И. Казанин, А.А. Сидоренко, В.В. Семенцов // Горный информационно - аналитический бюллетень. - 2013. - №4. - С. 15-21.

3. Пат. 2477795 Российской Федерации, МПК7 Е21С 41/18.

Способ отработки мощных крутых угольных пластов / Бедарев Н.Т., Костюк С.Г., Любимов О.В., Ренев А.А., Семенцов В.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Горбачева». заявл. 13.09.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. № Наиболее значимые научные публикации не входящие в Перечень ВАК Министерства образования и науки России:

4. Костюк С.Г. Моделирование горных процессов для обоснования параметров разработки мощных крутых пластов комплексом «крепь-штрек» на моделях из эквивалентных материалов / С.Г. Костюк, Н.Т. Бедарев, Г.А. Ситников, В.В. Семенцов // Сборник трудов III Международной научнопрактической конференции: Перспектива развития ПрокопьевскоКиселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов. - Прокопьевск. - 2011. С. 116-119.

5. Сидоренко А.А. Обеспечение устойчивости подэтажных штреков в зоне влияния очистных работ / А.А. Сидоренко, В.В. Семенцов // Труды 10-ой международной научно-практической конференции Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения. - Воркута. - 2012. - С. 151-154.

Рисунок 1 - Схема системы разработки с подэтажной отбойкой и выпуском угля при Рисунок 2 - Схема системы разработки с подэтажной отбойкой и выпуском угля при Рисунок 3 - Система разработки с подэтажным обрушением и выпуском угля в варианте с 3-мя подэтажными штреками:

1 - подэтажный конвейерный штрек; 2 – подэтажный выемочный штрек; 3 – подэтажный вентиляционный штрек; 4 –целик между подэтажами;

5 – выработанное пространство отработанного подэтажа; hпод – наклонная высота подэтажа, м; lн – расстояние между конвейерным и выемочными штреками, м;

Рисунок 4 - Движение воздуха в очистном забое при перекрытом конвейерном штреке: Рисунок 5 – Схема горно-геомеханической модели Рисунок 6 – Эпюры напряжений по линии контакта пласта с кровлей в направлении Рисунок 7 – Формирование зон горизонтальных пластических деформаций при Рисунок 8 – Модель № 3: а - схема отработки модели; б - модель для имитации отработки системы с подэтажным обрушением и выпуском угля пласта «Мощный»

в условиях ш. «Киселевская»: 1,2,3,4 – отрабатываемы подэтажи; 5 – подэтажные штреки; 6 – целики между подэтажами;

7 – целик между 1,2 и 3,4 подэтажами равный мощности пласта; 8 – репера с индикаторами часового типа; 9 – пневмобаллонны пригрузки Рисунок 9 – Зависимость удельных участковых затрат от мощности пласта и высоты подэтажа ЩО - щитовые системы с обрушением; УПВ – узкие полосы по восстанию;