Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1 Анализ горно - геологических и горнотехнических условий отработки пологих пластов на шахтах Кузбасса
1.2 Анализ применяемых технологий и достигнутых технико экономических показателей на шахтах с повышенными водопритоками
1.3 Анализ мирового опыта отработки пологих пластов в условиях повышенных водопритоков 1.4 Анализ способов прогноза водопритоков в горные выработки 26
1.5 Анализ способов снижения водопритоков в действующие горные выработки угольных шахт 1.6 Выводы по первой главе 44
2 Исследование процессов формирования водопритоков при интенсивной отработке угольных пластов 47
2.1 Особенности формирования водопритоков в горные выработки шахт ОАО
«СУЭК - Кузбасс» 47
2.1.1 Схемы природно-техногенных гидрогеологической структур, при выемке пологих и наклонных угольных пластов
2.2 Оценка природно - техногенных структур при отработке пласта шахты «Котинская»
2.3 Исследование влияния параметров системы разработки на технико экономические показатели отработки пласта 52 в условиях шахты «Котин ская»
2.4 Исследование способов снижения водопритоков в условиях шахты «Котинская»
2.5 Выводы по второй главе 66
3 Экспериментально-аналитические исследования водо притоков при различных вариантах систем разработки
3.1 Общие положения 68
3.2 Формирование геофильтрационной модели шахты «Котинская» 72
3.3 Влияние порядка отработки выемочных столбов на объем водопритоков... 79
3.4 Влияние технологических параметров на объемы водопритоков при ведении работ на малых глубинах ol
3.4.1 Расчетное влияние скорости подвигания 82
3.4.2 Расчетное влияние длин очистного забоя и выемочного столба 84
3.5 Влияние технологических параметров на объемы водопритоков при ведении работ на больших глубинах
3.5.1 Расчетное влияние размеров выемочного столба 85
3.6 Влияние шага посадки основной кровли на объемы водопритоков 86
3.6.1 Факторы, определяющие величину шага обрушения 92
3.7 Выводы по третьей главе 96
4 Обоснование параметров технологии 98
4.1 Предельные водопритоки при очистной выемке 98
4.2 Применение системы разработки длинными столбами при наличии дренажного штрека
4.3 Определение места заложения и размеров сбоек между откаточным и дренажным штреками
4.4. Разработка комплекса рекомендаций по эффективной и безопасной отработке выемочных участков в условиях повышенных водопритоков
4.5 Экономическая оценка разработанных рекомендаций 119
4.6 Выводы по четвертой главе 124
Заключение 126
Список литературы 1
- Анализ применяемых технологий и достигнутых технико экономических показателей на шахтах с повышенными водопритоками
- Оценка природно - техногенных структур при отработке пласта шахты «Котинская»
- Влияние технологических параметров на объемы водопритоков при ведении работ на малых глубинах ol
- Применение системы разработки длинными столбами при наличии дренажного штрека
Анализ применяемых технологий и достигнутых технико экономических показателей на шахтах с повышенными водопритоками
Участок «Нижние горизонты шахты «Котинская» располагается в южной части северо-восточного крыла Соколовской брахисинклинали, занимая незначительную часть площади Соколовского месторождения, и входит в состав геологических участков «Южная часть Соколовского месторождения», «Поле шахты «Котинская», «Поле шахты №7» и частично (ниже горизонта -100м (абс.) располагается вне границ выделенных геологических участков. Участок оперативного подсчёта запасов пласта 52 является частью участка «Нижние горизонты шахты «Котинская», расположен на площади геологического участка «Южная часть Соколовского месторождения» и примыкает к геологическому участку «Поле шахты «Котинская» с юго-запада [67].
В геологическом строении продуктивных отложений участка оперативного подсчёта принимают участие отложения средней части разреза ленинской свиты (Р2 In) ерунаковской подсерии кольчугинской серии Кузбасса. Верхняя её граница проводится по кровле пласта 60, нижняя - по кровле пласта 38. Мощность отложений свиты в пределах месторождения составляет 600 - 780 м. В границы участка оперативного подсчёта, считая от почвы пласта 52, входит часть свиты мощностью 235 - 340 м. Разрез этих отложений представлен переслаиванием невыдержанных по простиранию и падению пород песчано-глинистого состава с пластами и пропластками каменного угля. Песчаники, представленные тонко-, мелко- и среднезернистыми литотипами, в отложениях разреза составляют 27,4 %, причём наибольшим распространением пользуются в междупластье угольных пластов 58-59, 61-62ан.п., залегая в виде мощных и наиболее выдержанных слоев. Наи-большим и преимущественным распространением в разрезе пользуются алевролиты (алевролиты крупнозернистые -15,3 %, алевролиты мелкозернистые -48,0 %). Аргиллиты встречаются крайне редко. Присутствие их в разрезе составляет всего 1.0-2.0 %. Углистые алевролиты встречаются в виде тонких прослойков в угольных пластах или в их кровле и почве в виде ложной кровли и почвы.
Действующий фонд угледобывающих предприятий Кузбасса представлен 58 шахтами и 36 разрезами. В число крупнейших угледобывающих предприятий входят такие как ОАО «Белон», ОАО «СУЭК - Кузбасс», ХК «СДС», ОАО «Южный Кузбасс», ЗАО «Шахта Распадская», ООО «НПО Прокопьевскуголь».
Стоит отметить что, несмотря на рост показателей, в угледобывающей отрасли остаются нерешенными рад проблем которые касаются разработки запасов подземным способом, доля которого постоянно уменьшается и в настоящее время составляет не более 40% от общего объема добычи. [2].
Достижение за последнее десятилетие рекордно высоких показателей подземной угледобычи, соответствующих мировому уровню, на ряде передовых предприятий не изменило состояние отрасли в целом. Основными ограничивающими факторами для угледобывающих предприятий Кузбасса, в частности и России в целом, являются: высокая газоносность угольных пластов, повышенные во-допритоки в горные выработки (более 10м /ч), наличие в пределах шахтного поля геологических нарушений.
Согласно литературе [1], в Российской Федерации среди балансовых запасов действующих предприятий примерно 1/3 составляют неблагоприятные запасы, а 1/10 - весьма неблагоприятные запасы, не позволяющие применять комплексную механизацию на очистных работах. Кроме того, благоприятные запасы весьма неравномерно распределены по районам добычи. Основными районами их сосредоточения являются Кузнецкий и Канско-Ачинский бассейны, включающие около 70 % всех благоприятных запасов России. Проведенный анализ [1] позволил установить также, что большинство шахт отрасли имеет на своем балансе запасы неблагоприятные для разработки.
Как свидетельствует статистика угледобычи (Рисунок 1.2), добыча угля в России характеризуется ростом объемов добычи.
Исследования колебаний уровня добычи очистного забоя при отработке выемочного столба 5208 шахты «Котинская» ОАО «СУЭК-Кузбасс» проводились в 2011-2012 годах. Согласно статистическим данным, объемы добычи угля в месяц колеблются в широких пределах (максимальныя добыча превышает минимальную в 40 раз), при колебании уровня водопритоков около 14% (Рисунок 1.3).
Таким образом, водопритоки оказывают влияние на производительность очистного забоя, однако, объем воды не является единственными фактором, определяющим возможность возникновения простоев. Об этом свидетельствует снижение добычи очистного забоя с 15 по 20 месяцы отработки выемочного столба в условиях стабильных и даже снижающихся водопритоков.
Оценка природно - техногенных структур при отработке пласта шахты «Котинская»
Месторождения, расположенные выше местного базиса эрозии, обычно являются слабообводненными или даже безводными, напротив значительное увеличение притоков воды в горные выработки в периоды паводков и интенсивного выпадения затяжных дождей часто наблюдается в шахтных полях с овражно-балочной системой [35,36,37].
К гидрогеологическим факторам относятся расположение вблизи месторождения рек, водохранилищ и других водоемов, режим и характер их связи с обводняющими месторождение водоносными горизонтами. Месторождения, расположенные вблизи поверхностных водоемов и водотоков и обводняемые за счет поступления в горные выработки инфильтрационных русловых вод, отличаются наиболее высокими водопритоками. Режим водопритоков на таких месторождениях тесно связан с режимом поверхностных вод. Наибольшие водопритоки на месторождениях, обводняемых речными водами, отмечаются в период прохождения на реках максимального стока и запаздывают по сравнению с последними на сроки, зависящие от геологических условий района [35,36,37]. Потери речных вод на инфильтрацию из открытых водоемов в значительной мере определяется водо-проводимостью аллювиальных и коренных пород и бывают наиболее существенными в районах развития карста или при пересечении долиной реки зон тектонических нарушений. Величина речных потерь в пределах развития депрессионной воронки постепенно, по мере развития последней, возрастает, достигая некоторого максимума, определяемого расходами рек и водопроводящими свойствами фильтрующей среды [69].
К геологическим факторам относятся литологический состав пород, их трещиноватость и закарстованость, разрывная тектоника и условия залегания пород, степень обводненности коренных пород. Поступление подземных вод в горные выработки зависит от литологического состава пород, вскрываемых горными выработками. При смене глинистых фракций песчаными водопритоки в горные выработки могут значительно увеличиться. Аналогичная закономерность прослеживается и на месторождениях, приуроченных к скальным породам [35,36,37]. На водообильность месторождений существенное влияние оказывают также и условия залегания пород. При горизонтальном залегании пластов площадь питания получается наибольшей, крутое падение пластов, напротив характеризуются наименьшей водосборной площадью. Месторождения, располагающиеся в пределах крупных синклинальных структур, обычно более обводнены, чем месторождения, приуроченные к мелким структурам [35, 37].
Гидрогеологическими наблюдениями установлено, что водопритоки возрастают пропорционально длине участка горных работ или его площади [19, 35]. При подземной разработке месторождений системами с поддержанием выработанного пространства основную роль в формировании водопритоков играет очистное пространство, при разработке месторождений с обрушением пород кровли необходимо учитывать размеры и особенности формирования в подработанном горном массиве зоны водопроводящих трещин. Следует отметить, что применение систем разработки с полным обрушением кровли особенно опасны на участках, расположенных под водотоками и водоемами или вблизи от них, поскольку в зону обрушения могут также вовлекаться водоносные комплексы пород, залегающие в кровле полезного ископаемого [19, 35].
Нисходящий порядок разработки, который принят на большинстве месторождений твердых полезных ископаемых, приводит к постоянному увеличению глубины ведения горных работ, которая в свою очередь, оказывает существенное влияние на изменение проницаемости горных пород. В однородном по проницаемости водоносном горизонте увеличение глубины ведения горных работ приводит к постоянному росту водопритоков независимо от применяемых систем разработок [19, 35]. Экспериментальные исследования влияния подвигания забоя на формирование водопритоков в шахты показали что скорость перемещения очистного забоя определяет скорость осушения горного массива перед его фронтом. Кроме того, при низкой пъезопроводности пород, вмещающих полезное ископаемое, перемещение очистного забоя приводит к существенному повышению градиентов напора и притоки воды в выработку возрастают [44]. Длительная история освоения месторождений Кузнецкого угольного бассейна позволили накопить значительный объем данных в области гидрогеологии угольных месторождений. Так было выявлено, что природная гидрогеологическая структура угленосных отложений приурочена к зонам повышенной трещиновато-сти массивов, представленных песчаниками, алевролитами и аргиллитами. Приповерхностная зона повышенной трещиноватости и соответствующей проницаемости породного массива прослеживается до глубины порядка 100м, при этом максимальная проницаемость массива обычно фиксируется до глубины около 50 м, а затем резко снижается. Фактически эта зона повышенной проницаемости является приповерхностным водоносным горизонтом, характеризующийся безнапорным режимом и инфильтрационным питанием. Приповерхностный водоносный горизонт в совокупности с перекрывающими его песчано-глинистыми покровными отложениями целесообразно рассматривать в качестве приповерхностного водоносного комплекса. Параметр проводимости приповерхностного горизонта на угольных месторождениях характеризуется средним значением 50 м /сутки при изменении этого значения в пределах от 1 м /сутки на водораздель-ных участках до 500 м /сутки на участках речных долин.
При среднем значении коэффициентов фильтрации приповерхностного водоносного горизонта (в пределах зоны максимальной трещиноватости) порядка 1 м/сутки нижняя граница (кровля относительного водоупора) этого горизонта условно может быть проведена на глубинах, где значения коэффициентов фильтрации резко снижаются до 0,1 - 0,01 м/ сутки. Обычно на глубинах, превышающих 100 м, значения коэффициентов фильтрации породного массива снижа-ются до 10" м/сутки независимо от литологического состава угленосных отложений в соответствии с рисунком 2.2. Таким образом, гидрогеологическая структура массива угленосных отложений в условиях их естественного залегания может быть схематизирована и представлена в виде двухслойной среды -приповерхностным водоносным горизонтом (комплексом) мощностью 50 - 100 м и подстилающим этот горизонт слабопроницаемым массивом (относительным во-доупором).
Влияние технологических параметров на объемы водопритоков при ведении работ на малых глубинах ol
Как было отмечено в разделе 2.1.3, под термином «большая глубина» в данном случае понимается глубина залегания угольного пласта мощностью m (м), при которой расстояние по вертикали от кровли этого пласта до нижней границы приповерхностного горизонта превышает 40т (м). Основной приток в лаву формируется за счет перетекания подземных вод из приповерхностного горизонта через пачку слабопроницаемых отложений, залегающих между верхней границей зоны водопроводящих трещин и нижней границей водоносного горизонта.
В данном разделе рассмотрено влияние технологических параметров на объемы водопритоков в условиях отсутствия вышележащего подработанного массива, другими словами горные работы на вышележащих столбах не велись.
В условиях ненарушенного массива и наличия вышележащего водоупорнго слоя, объемы водопритоков главным образом определяются площадью горных работ и зависимость носит линейный характер. Исходя из полученных результа-тов можно сделать вывод о ориентировочном увеличении водопритока на 150 м при отработке каждого нового выемочного столба.
Существующие методики расчета притоков подземных вод в лавы при выемке угольных пластов на больших глубинах формально предусматривает оценку притока за счет сработки упругих или гравитационных статических запасов вскрываемых выработкой слабопроницаемых водонасыщенных отложений. Однако эти водопритоки, как правило, незначительны и ими можно пренебречь в общем балансе притоков в лаву.
Циклические повышения водопритоков в лавы при высоких скоростях под-вигания очистных забоев можно объяснить, схематично представив это явление в следующем виде:
- в период между посадками основной кровли, при интенсивном подвиганий забоя в подрабатываемом слабопроницаемом массиве по площади призабойного участка лавы формируются трещины расслоения; - по мере раскрытия трещин расслоения к призабойному участку может поступать вода со стороны соседних участков из сформированных ранее техногенных комплексов;
- при достижении «критического» напряженного состояния, прогибе слоев подработанного массива на призабойном участке лавы в этом массиве формируются водопроводящие трещины, нормальные напластованию, по которым аккумулированный в трещинах расслоения объем воды в короткий период посадки основной кровли «сбрасывается» в лаву на призабойном участке.
Особенно отчетливо это явление прослеживается при сравнении объемов водопритоков в период работы очистного забоя и в период простоев. Так на шахте «Котинская» в 2013 году период перемонтажа очистного оборудования из очистного забоя 5208 в очистной забой 5209 составил четыре месяца (декабрь-март). Колебания объемов воды, поступающей в горные выработки наглядно показано на рисунке 3.9. После запуска новой лавы, водоприток в горные выработки увели-чился с 560 до 720 м /час всего за два месяца, что свидетельствует о значительном влиянии очистного забоя на процесса добычи угля на объемы водопритоков.
При высоких скоростях подвигания забоя и соответствующим этим скоростям шаге посадки основной кровли в подрабатываемом массиве может аккумулироваться существенный объем воды за счет образования и постепенного раскрытия трещин расслоения на первом этапе цикла; этот объем поступает в лаву в короткий период при активном раскрытии трещин, нормальных напластованию и гидравлически активно связанных с выработанным пространством. Схематично, призабойные участки лав циклично «работают» подобно поршневому насосу: при образовании трещин расслоения подрабатываемый массив на этих участках «втягивает» определенный объем воды со стороны соседних участков, а при последующем образовании трещин, нормальных напластованию, этот объем активно поступает в лаву. Необходимо отметить, что при таком циклическом характере формирования притоков в лаву суммарный приток в шахту в период между циклами (посадками основной кровли) практически не повышается. Эту закономерность можно объяснить тем, что периодическая аккумуляция воды на призабой-ном участке лавы происходит за счет воды, поступающей в горные выработки на соседних участках. Монотонное повышение притока в шахту определяется в целом постепенным увеличением площади очистных горных выработок.
Количественные характеристики процесса формирования кратковременных высоких притоков в лавы можно обосновать, ориентируясь на выявленные закономерности сдвижения подработанного массива: - максимальный объем воды, аккумулированный в трещинах расслоения, контролируется конечной величиной оседания земной поверхности, которая составляет л = (0,7 0,8)т, где т - вынимаемая мощность угольного пласта [23]; - раскрытость трещин расслоения в подработанном массиве (пустотность массива) может быть определена равной —-—, поэтому при высоте зоны водопро - звт водящих трещин Нзвт 40т раскрытость трещин составляет (1,5 2) 10" ; эта характеристика определяет величину гравитационной водоотдачи подработанного массива и объем воды, аккумулированной в массиве перед посадкой основной кровли; - минимальную раскрытость трещин после завершения процесса сдвижения и уплотнения массива можно контролировать величиной, которая может быть равна 5-Ю"3.
Интенсивность поступления воды в лаву (водоприток в лаву) в период посадки основной кровли определяется скоростью оседания подработанного массива (при закрытии трещин расслоения), которая вероятно несколько превышает скорость оседания земной поверхности. По результатам маркшейдерских наблюдений при выемке пласта 52 на шахте «Котинская» [15], скорость оседания земной поверхности достигала 500 - 600 мм/сутки при скоростях подвигания забоя лавы 10-14 м/сутки и сокращались до 100 мм/сутки при скоростях подвигания забоя 4 м/сутки.
Применение системы разработки длинными столбами при наличии дренажного штрека
Как было отмечено в предыдущих разделах диссертации, система разработки, применяемая при ведении горных работ на пологих угольных пластах в условиях повышенных водопритоков должна соответствовать следующим требованиям: 1. Возможность снижения объема подземных вод в зоне ведения горных работ 2. Возможность определения участков выемочного столба, на которых наиболее высока вероятность простоев 3. Снижение объемов вспомогательных операций 4. Возможностью регулирования объемов водопритоков в горные выработки На основании вышеизложенного, целесообразно применение ранее представленной системы разработки, для которой характерно:
1. Анализ гипсометрии пласта на этапе проектирования выемочного столба с выявлением участков, на которых высока вероятность образования мульд.
Как было отмечено в предыдущих разделах, образование мульд наиболее вероятно на участках с наименьшими высотными отметками по профилю штрека. Таким образом, при наличии достоверных данных о гипсометрии пласта, возможен прогноз участков простоев очистного оборудования уже на этапе планирования горных работ.
2. На этапе проведения подготовительных выработок, анализ формы и объемов участков с высотными отметками ниже средних по выработке, расчет предельно допустимого водопритока для рассматриваемых участков. Согласно принятой методике определения допустимых объемов водоприто-ков в очистной забой определяется объемом мульды и используемым оборудованием.
3. Определение мест заложения сбоек и скважин. По назначению сбойки между выработками на выемочном участке можно разделить на 2 группы: Сбойки 1 вида, необходимые на этапе проведения выемочных штреков и служащие для эвакуации рабочих в случае аварийной ситуации в период отработки выемочного столба (обозначены U—I) Сбойки 2 вида, служащие для перепуска подземных вод с вышележащего штрека на нижележащий, закладываемые на участках с наименьшими высотными отметками (обозначены ЕО)
Очевидно, что наиболее предпочтительным является третий вариант, поскольку в таком случае значительно сокращается объем работ по проведению сбоек, однако в случае, когда совмещение двух типов не возможно, согласно произведенным расчетам, целесообразно бурение дренажных скважин как альтернативу проведения сбоек [25].
Негативное влияние подземных вод при ведении очистных работ, характеризующееся увеличением времени простоев очистного оборудования, возможно только при соблюдении следующих условий: наличия участка выемочного штрека с высотной отметкой ниже средней по выработке и наличия подземных вод в достаточном объеме.
Водоприток в очистной забой складывается из двух составляющих: стационарного, который формируется за счет фильтрации по площади ведения горных работ и циклического, формируемого за счет посадки основной кровли.
Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о возможности регулирования объемов воды, поступающих на каждый конкретный участок выемочного столба. При постоянной скорости движения очистного забоя при работе очистного забоя характерно колебание водопритоков, представленное на рисунке 4.9
Максимум водопритока приходится на участок, предшествующий мульде более чем на 50 метров (ранее было установлено что время дренирования вод, поступающих из обрушенной кровли составляет 5 суток при скорости движения очистного забоя 10м/сут). В этом случае вероятно частичное перетекание дренированной воды в мульду.
Максимум водопритока приходится на участок, предшествующий мульде на расстоянии менее 50 метров. В этом случае высока вероятность перетекания значительного объема воды в мульду, что повышает вероятность простоя очистного оборудования.
Максимум водопритока приходится на участок сообтветсвующей мульде. Как и в предыдущих случаях, значительный объем воды поступает в мульду, вероятность простоев зависит от времени нахождения очистного забоя на данном участке.
Максимум водопритока приходится на участок после мульды. Наиболее благоприятный вариант развития событий, поскольку весь объем воды поступает в выработанное пространство и не оказывает влияния на ведение горных работ.
Таким образом, наиболее благоприятными является ситуация при которой обрушение основной кровли происходит либо на расстоянии более 50 метров от мульды, либо сразу после ее прохождения очистным забоем.
Затраты на подготовку выемочного столба и простои очистного оборудования при К = 0,026 сут/м для 1 варианта и К=0 сут/м для 2 и 3 вариантов
Как видно на рисунке 4.10, наибольшими затратами характеризуется подготовка выемочного столба двумя штреками с удалением воды по конвейерному штреку, таким образом для дальнейших исследований целесообразно проводить сравнение только между вторым и третьим вариантами.