Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Обоснование технологии разработки мощных угольных пластов наклонными слоями с выпуском угля в условиях шахт Куангниньского бассейна Ву Тхай Тьен Зунг

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Ву Тхай Тьен Зунг . Обоснование технологии разработки мощных угольных пластов наклонными слоями с выпуском угля в условиях шахт Куангниньского бассейна: диссертация ... кандидата Технических наук: 25.00.22 / Ву Тхай Тьен Зунг ;[Место защиты: Национальный минерально-сырьевой университет Горный].- Санкт-Петербург, 2016

Содержание к диссертации

Введение

1 Анализ современного состояния и перспектив развития шахтного фонда Вьетнама. Характеристика объекта исследований 11

1.1 Современное состояние и перспективы развития шахтного фонда Вьетнама

1.2 Анализ специфики горно-геологических и горнотехнических условий

отработки угольных пластов на шахте «Халам» 12

1.2.1 Основные параметры шахты «Халам», характеристика качества добываемого угля 13

1.2.2 Характеристика угольных пластов и горно-геологических условий их отработки 14

1.3 Фактически сложившееся состояние технологической схемы шахты «Халам»

1.3.1 Характеристика схем вскрытия и подготовки шахтного поля 23

1.3.2 Технологии, применяемые для отработки пластов на шахте «Халам» 27

Выводы по главе 1 28

2 Анализ мирового практического опыта подземной отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов 30

2.1 Анализ практического опыта отработки пологих и наклонных мощных угольных пластов на шахтах Вьетнама 30

2.1.1 Система разработки горизонтальными слоями 31

2.1.2 Система разработки наклонными слоями без выпуска угля 33

2.1.3 Система разработки наклонными слоями с выпуском угля 35

2.1.4 Система разработки с выпуском угля подкровельной пачки 37

2.2 Анализ практического опыта отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов на шахтах России, Китая и др. 39

2.2.1 Опыт применения систем разработки с однослойной выемкой пласта на полную мощность без выпуска угля 40

2.2.2 Опыт применения систем разработки наклонными слоями 42

2.2.3 Опыт применения систем разработки с выпуском угля подкровельной пачки 52

2.2.4 Технико-экономическое сравнение известных систем разработки угольных пластов и оценка возможности и целесообразности их использования для отработки пластов мощностью более 10-12 м в условиях шахты «Халам» 56

2.3 Принципиальная схема рекомендуемой технологии выемки пологих и наклонных угольных пластов мощностью более 10-12 м в условиях шахты «Халам» 59

Выводы по главе 2 62

3 Определение мощностей подкровельной и межслоевой угольных пачек при использовании разрабатываемой технологии отработки пластов 64

3.1 Определение мощности вынимаемых слоев при слоевой выемке пласта 7

шахты «Халам» на основе численного моделирования 64

3.1.1 Общие сведения, цели и задачи исследований 64

3.1.2 Описание расчетных схем 66

3.1.3 Обоснование параметров горно-геомеханических моделей 71

3.1.4 Результаты численного моделирования состояния подкровельной и межслоевой угольных пачек впереди забоя лавы подсечного слоя при отработке пласта 7 в условиях шахты «Халам» 77

3.2 Исследование влияния горнотехнических факторов на высоту области разрушенного горным давлением угля в подкровельной пачке 85

3.2.1 Выбор методики аналитических исследований 85

3.2.2 Результаты расчетов высоты области разрушенного опорным горным давлением угля в подкровельной пачке впереди забоя лавы подсечного слоя

Выводы по главе 3 95

4 Исследование влияния горнотехнических факторов на процесс выпуска угля подкровельной (межслоевой) пачки на завальный конвейер 97

4.1 Лабораторные исследования влияния горнотехнических факторов на величину потерь угля при выпуске его на завальный конвейер 97

4.1.1 Методика лабораторных исследований 97

4.1.2 Результаты лабораторных исследований влияния горнотехнических факторов на величину потерь угля при выпуске его на завальный конвейер 100

4.2 Аналитические исследования влияния угла падения пласта на процесс выпуска угля подкровельной (межслоевой) пачки на завальный конвейер 104

4.2.1 Основные схемы работы крепи: их принципиальные отличия, области применения 104

4.2.2 Результаты исследований влияния угла падения пласта на процесс выпуска угля подкровельной и межслоевой пачек 107

4.3 Влияние скорости подвигания очистного забоя на процесс разрушения пород кровли в очистных забоях 108

Выводы по главе 4 111

5 Рекомендуемая технология отработки пологих и наклонных угольных пластов мощностью более 10-12 м в условиях шахты «Халам» 113

5.1 Варианты рекомендуемой технологии отработки пологих и наклонных угольных пластов мощностью 10-25 м и их параметры 113

5.2 Обоснование планограммы ведения очистных работ 121

5.3 Исследование влияния горнотехнических факторов на величину нагрузки на

очистной забой 126

5.3.1 Методика расчёта нагрузки на очистной забой 126

5.3.2 Обоснование таблицы исходных данных при расчёте нагрузки на очистной забой в условиях шахты «Халам» 130

5.3.3 Анализ результатов расчётов нагрузки на очистной забой 137

5.4 Технико-экономическая оценка разработанной технологии и область ее использования на перспективных шахтах Куангниньского угольного бассейна

Выводы по главе 5 143

Заключение 145

Список литературы

Введение к работе

Актуальность темы исследований.

В соответствии с перспективными планами развития угольной промышленности Вьетнама предполагается к 2030 году увеличить объемы добычи угля в два раза, с 37 (2015 г.) до 75 млн. тонн угля в год. Необходимые для решения этой задачи запасы углей ликвидных марок имеются в Куангниньском угольном бассейне, пласты которого характеризуются сложными горно-геологическими условиями залегания. К числу факторов, осложняющих отработку пологих и наклонных угольных пластов в данном бассейне, относятся: значительная мощность пластов, достигающая 49 м и более; повышенная изменчивость угла падения и мощности пластов; залегание в кровле пластов пород, склонных к значительным зависаниям в выработанном пространстве; повышенная интенсивность геологических нарушений.

Вопросами, связанными с повышением эффективности отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов, занимаются многие научно-исследовательские организации во Вьетнаме, России, Китае и других странах. Большой вклад в решение этих вопросов внесли Громов Ю.В., Ермаков А.Ю., Клишин В.И., Махно Е.Я., Шундулиди И.А., Мельник В.В., Соловьев А.С. и др. исследователи.

Вместе с тем применяемые в настоящее время технологии разработки пологих и наклонных пластов мощностью более 10-12 м характеризуются значительными удельными затратами и эксплуатационными потерями угля, превышающими 40-50 %. Доля пологих и наклонных пластов мощностью более 10-12 м в общем объеме балансовых ликвидных запасов Куангниньского бассейна превышает 9,3 % (около 150 миллионов т.), что предопределяет актуальность вопросов, связанных с поиском эффективных технологий их отработки.

Цель работы. Разработка технологии выемки пологих и наклонных угольных пластов мощностью более 10-12 м в условиях шахт Куангниньского бассейна, обеспечивающей снижение эксплуатационных потерь угля и удельной протяженности участковых подготовительных выработок.

Идея работы. Пологие и наклонные угольные пласты мощностью более 10-12 м при отработке необходимо разделять на наклонные слои, мощность каждого из которых принимать из условия обеспечения максимального использования сил горного давления для разрушения подкровельной и межслоевой пачек угля и управляемого процесса выпуска разрушенного угля на завальный конвейер подсечного слоя.

Основные задачи исследований.

1. Оценка технико-экономических показателей технологий
разработки угольных пластов с выпуском угля на основании анализа
мирового практического опыта отработки мощных пологих и
наклонных угольных пластов.

2. Анализ специфики геологических и горнотехнических усло
вий отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов в
условиях шахт Куангниньского бассейна.

  1. Исследование влияния геологических и технологических факторов на параметры систем разработки мощных пологих и наклонных угольных пластов с выпуском угля на завальный конвейер.

  2. Определение параметров областей разрушения угля в зоне опорного давления, формирующегося впереди забоя лавы подсечного слоя.

  3. Определение рациональных параметров технологии разработки пологих угольных пластов мощностью более 10-12 м для типовых геологических и горнотехнических условий перспективных шахт Куангниньского бассейна.

Методы исследований. Комплексный метод исследований, включающий обобщение мирового практического опыта отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов; численное моделирование с использованием метода конечных элементов напряжённо-деформированного состояния подкровельных и межслоевых пачек угля; аналитические исследования влияния параметров системы разработки пласта на мощность подкровельной пачки; лабораторные исследования процесса выпуска угля на завальный конвейер; технико-экономическая оценка разработанной технологии.

Научная новизна:

  1. Установлено, что при использовании системы разработки с выпуском угля на завальный конвейер существенное влияние на величину потерь угля оказывает обрушаемость пород кровли: минимальные потери наблюдаются при залегании над пластом легкооб-рушающихся пород, максимальные – при залегании над пластом пород, склонных к значительным зависаниям в выработанном пространстве.

  2. При использовании системы разработки с выпуском угля на завальный конвейер установлена зависимость потерь угля от угла наклона «плоскостей скольжения», искусственно создаваемых в подкровельной и межслоевой пачках для направленного перемещения угля к месту его выпуска на завальный конвейер.

Основные защищаемые положения.

  1. Использование известных технологий отработки мощных угольных пластов в условиях перспективных шахт Куангниньского бассейна не позволяет обеспечить эффективную и безопасную отработку пологих и наклонных пластов мощностью более 12 м с коэффициентом извлечения запасов более 50-60 %.

  2. Снижение эксплуатационных потерь угля и удельной протяженности участковых подготовительных выработок при разработке пологих и наклонных угольных пластов мощностью 10-25 м и более в условиях шахт Куангниньского бассейна достигается при использовании комбинированной технологии, включающей разделение пластов на наклонные слои и использование при выемке наклонных слоев системы разработки с выпуском угля подкровель-ной и межслоевой пачек на завальные конвейеры подсечных слоев.

  3. Снижение потерь угля, выпускаемого на завальный конвейер подсечного слоя из подкровельной и межслоевой пачек, достигается при дополнительном рыхлении угля в этих пачках с целью создания «плоскостей скольжения», расположенных под определенным углом к горизонтальной плоскости, по которым разрушенный уголь будет перемещаться к месту выпуска.

Практическая значимость работы.

1. Для условий перспективных шахт Куангниньского угольного бассейна разработаны варианты технологии выемки пологих и

наклонных угольных пластов мощностью от 10 до 25 м, обеспечивающие снижение эксплуатационных потерь угля и удельной протяженности участковых подготовительных выработок.

2. Разработан способ снижения потерь полезного ископаемого при его выпуске на завальный конвейер подсечного слоя при применении перспективных технологий отработки мощных пластов с обрушением и выпуском угля подкровельной (межслоевой) пачки.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов обеспечивается применением современных апробированных методов исследований и обработки полученных результатов; значительным объёмом проанализированной горнотехнической литературы по вопросам, связанным с повышения эффективности систем разработки мощных пластов с выпуском угля; удовлетворительной сходимостью результатов исследований с данными, полученными в производственных условиях на шахте «Халам».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на международной научно-практической конференции, посвященной 110-летию Горного факультета: «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); международной научной конференции «Экономические проблемы и механизмы развития минерально-сырьевого комплекса. Российский и мировой опыт» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.); научных семинарах кафедры разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный»; научно-технических советах шахты «Халам» (Вьетнам).

Личный вклад автора. Сформулированы цель и задачи исследований; обоснованы методики проведения исследований; проанализированы особенности геологических и горнотехнических условий отработки мощных пологих и наклонных угольных пластов на шахтах Куангниньского бассейна; проведена оценка известных технологий отработки с обрушением и выпуском угля; обоснованы параметры рекомендуемой технологии, сформулированы защищаемые положения и основные выводы.

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 5 печатных работах, в том числе 2 – в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём работы. Диссертационная работа общим объёмом 153 страницы состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 80 источников, включает 63 рисунка и 23 таблицы.

Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. В.П. Зубову за помощь в определении общей концепции работы и интерпретации полученных результатов; сотрудникам кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых за ценные замечания при выполнении работы; инженерно-техническим работникам шахты «Халам» за оказанную помощь в проведении шахтных исследований.

Фактически сложившееся состояние технологической схемы шахты «Халам»

Состояние разработки: Разработка пласта 14 открытой способом до отметки -50 м закончилась в 2012 г. В настоящее время пласт 11 разрабатывается открытым способом до отметки -10 м. Пласты 10, 11 и 14 разрабатываются подземной способом на отметке -150 м. В настоящее время при разработке угольных пластов месторождения «Халам» подземным способом в лаве используются индивидуальные и передвижные гидравлические крепи. Технология очистных работ с отбойкой угля буровзрывным способом.

Технический отдел угольной шахты «Халам» построил производственный план на будущее до 2020 года, в том числе план разработки пласта 7, имеющего среднюю мощность 15 м и являющегося главным объектом диссертационного исследования.

Для вскрытия пластов на шахте «Халам» используются три вертикальных ствола (главный, вспомогательный и вентиляционный стволы) и несколько наклонных стволов, служащих для проветривания при отработке конкретных выемочных участков. Кроме того, при подготовке шахтного поля используются капитальные откаточный и вентиляционный квершлаги. Весь уголь из лав, находящихся на пласте 7, транспортируется к капитальному откаточному квершлагу на отметке -300 и по нему к главному стволу, служащему для подъёма угля на поверхность.

Как и планировалось, до 2020 г. в основном разработка угольного пласта 7 на шахте «Халам» будет осуществляться на двух выемочных частях – на северо-западной и на центральной.

В северо-западной части при подготовке шахтного поля будет использоваться этажный способ. Лавы будут расположены с двух сторон от вентиляционного уклона (рисунок 1.5). В этой части выемка угля из лавы 7-2 L1 будет начинаться в 2020 году.

В центральной части при подготовке шахтного поля будет использоваться погоризонтный способ. Лавы будут расположены на север от штреков -300, связанных с капитальными откаточным и вентиляционным квершлагами (рисунок 1.6). В этой части, являющейся главным выемочным участком шахты «Халам» с 2016 года, будет разрабатываться несколько лав.

Направление транспортировки угля Направление свежего воздуха Направление отработанного воздуха

В настоящее время для отработки угольных пластов на шахте «Халам» применяют разные технологии. Наибольшее распространение получила система разработки длинными столбами по простиранию с выпуском угля. Используемая крепь – гидравлическая, выемка угля – буровзрывным способом (см. раздел 2.1).

В северо-западной части основными параметрами лавы 7-2 L1 являются: средняя мощность пласта 10,1 м; система разработки – длинные столбы по простиранию; отметка разработки -150 - -100 м (это означает, что отметка откаточного штрека 150 м и вентиляционного штрека -100 м); длина лавы 150 м; угол падения 21о; мощность подсечного слоя 2,2 м, выпускного слоя 7,9 м. В качестве крепления очистного забоя будет использоваться передвижная гидравлическая крепь или механизированная крепь. Добыча угля, как предусмотрено проектом, будет составлять 140 тысяч тонн в 2020 году. Среднесуточная добыча планируется 1800 т. Средняя скорость подвигания лавы будет достигать 0,8 м/сут.

Средняя мощность угольного пласта 7 в центральной части около 20 м. Будет применяться нисходящая разработка с разделением на наклонные слои. Угольный пласт будет разделен на 2 слоя: верхний слой и нижний слой. Лавы верхнего слоя и нижнего слоя не будут разрабатываться одновременно. После окончания отработки лавы верхнего слоя будет начинаться подготовка для отработки лавы нижнего слоя.

По плану до 2020 года будет введено в эксплуатацию две пары лав (верхнего слоя и нижнего слоя) в центральной части.

При угле падения пласта до 12о будет использоваться система разработки длинными столбами по падению. Это лава верхнего слоя 7-2-1 и лава нижнего слоя 7-2-2 (у почвы пласта), подготовленные в зоне, имеющей среднюю мощность пласта 20,2 м и плотность органической массы угля 1,63 г/см3. Такие лавы имеют следующие основные параметры: длина лавы 160 м, угол падения 12о. Мощность подсечного слоя 2,2 м и выпускного слоя 7,9 м. В качестве крепления очистного забоя будет использоваться механизированная крепь. Для выемки угля в очистном забое будет применяться комбайн. Среднесуточная добыча планируется около 4800 т. Средняя скорость подвигания лавы будет достигать 2,0 м/сут. - Выемка угля очистного забоя лавы верхнего слоя 7-2-1 будет начинаться в 2016 г. и заканчиваться в 2017 г. Самая высокая добыча угля будет до 950 тыс. т. в 2017 г. - Выемки угля лавы нижнего слоя 7-2-2 будет начинаться в 2019 году и закан чиваться в 2020 году. Самая высокая добыча будет достигать 1005 тыс. т. в 2019 г. Лава верхнего слоя 7-4-1 и лава нижнего слоя 7-4-2 будут расположены в зоне, имеющей среднюю мощность пласта 19,8 м, угол падения более 12о и плотность органической массы угля 1,68 г/см3. Поэтому в данном случае будет использоваться система разработки длинными столбами по простиранию.

Такие лавы имеют следующие основные параметры: длина лавы 160 м, угол падения 24о. Мощность подсечного слоя 2,2 м и выпускного слоя 7,7 м. В качестве крепления очистного забоя будет использоваться механизированная крепь. Для выемки угля в очистном забое будет применяться комбайн. Среднесуточная добыча планируется более 4800 т. Средняя скорость подвигания лавы будет достигать 2,0 м/сут.

1. Уголь является одним из самых важных видов энергии, имеющих огромное значение для экономики Вьетнама. Необходимы обновление и развитие угольной отрасли, чтобы успешно развивалось народное хозяйство страны. 2. На основании выполненного анализа состояния и перспектив развития угольной промышленности Вьетнама видно, что до 2030 г. добыча угля во Вьетнаме увеличится в два раза по сравнению с настоящим временем. В том числе планируется добывать около 90 % угля подземным способом.

3. Шахтой «Халам» отрабатываются мощные пласты 14, 11, 10, 7. К числу горно-геологических факторов, осложняющих отработку этих пластов, относятся, прежде всего, значительная мощность пластов, достигающая 49 м, и залегание в кровле пластов труднообрушающихся пород. Характерными являются также существенные изменения мощности пластов в пределах выемочных участков (до 25-30 %), что оказывает отрицательное влияние на технико-экономические показатели очистных работ и величину эксплуатационных потерь угля.

4. Необходимо определение рациональных технологий отработки пологих и наклонных угольных пластов мощностью более 10-12 м в условиях шахты «Ха лам», чтобы обеспечить снижение потерь, повышение безопасности и эффективно сти производства.

Система разработки с выпуском угля подкровельной пачки

Данная система применялась на шахтах «Хечам», «Маохе», «Вангзянг», «Монгзыонг», «Тхонгньят» и др. (рисунок 2.4).

При реализации данной системы разработки мощный пласт разделился по плоскостям напластования на слои толщиной до 3,0-3,5 м (обычно породными прослойками), и каждый слой отрабатывается системой, применяемой при разработке пластов средней мощности. В подавляющем большинстве случаев применяется столбовая система разработки с выемкой одинарными лавами и управлением кровлей полным обрушением, что предопределяет нисходящий порядок отработки слоев. Выемка отдельных слоев может производиться последовательно или одновременно с незначительным опережением отработки одних слоев другими.

При отработке использовали буровзрывной способ отбойки угля, крепление очистного забоя – деревом, индивидуальными гидравлическими стойками или гидравлической крепью.

Основными параметрами данной системы являются: угол падения не более 35; мощность свыше 3,5 м; без значительных тектонических нарушений; любая газоносность; боковые породы, обладающие хорошей слёживаемостью после обрушения; глубина отработки до 900 м. 2,2 - 2,5 м

Основными достоинствами данной системы являются: возможность применения высокопроизводительной техники в длинных очистных забоях; концентрация работ на одном пласте при одновременной отработке нескольких слоев; возможность оставления породных прослойков в пласте, используемых в качестве маркирующего слоя; возможность раздельной выемки пласта по маркам угля (например, коксующихся и некоксующихся), при разработке их самостоятельными слоями.

Технико-экономические показатели: - для лав, использующих в качестве крепления очистного забоя древесную крепь, мощность угольных пластов 3,5-13 м, угол падения 19-35; длина лавы 70-100 м, среднегодовая добыча угля из одного действующего забоя составила 30-51 тыс. т, производительность труда 1,4-1,85 т. на человека за смену. Данная технология применялась на шахтах «Маохе», «Монгзыонг» и «Тхонгньят», при этом потери достигают 38-45 %. - для лав, использующих в качестве крепления очистного забоя индивидуальные гидравлические стойки, мощность угольных пластов 4,0-5,0 м; длина лавы 40-150 м, среднегодовая добыча угля из одного действующего забоя составила 100-150 тыс. т, производительность труда 3,0-4,0 т. на человека за смену. Данная технология применялась на шахтах «Маохе», «Вангзянг», «Донгбак» и «Хечам», при этом потери достигают 25-35 %.

К числу недостатков относится: сложность возведения предварительной крепи, значительный расход лесоматериалов; по системе в общем – значительные потери угля и, как следствие, высокая пожароопасность. Однако, при бесцеликовой выемке потери заметно снижаются; при управлении кровлей полным обрушением существуют большие сдвижения поверхности.

Данная система (рисунок 2.5) применялась на многих шахтах Вьетнама. При реализации данной системы разработки мощный пласт разделяется на три наклонных слоя: верхний слой, межслоевой слой и нижний слой. В нисходящем порядке отработка пластов производилась с оставлением межслоевых пачек угля с целью предотвращения просыпания обрушенных пород кровли в очистной забой нижнего слоя. Выемка отдельных слоев может производиться одновременно с опережением 20-30 м по простиранию. Отработка очистного забоя нижнего слоя проходила с выпуском угля межслоевой толщи.

Сначала данная система разработки использовалась без гибкого перекрытия. В 1987 году прошли испытания системы разработки с применением разделительного гибкого металлического перекрытия на шахте «Вангзянг» и затем на шахте «Танлап». При отработке использовали буровзрывной способ отбойки угля, управление кровлей – полным обрушением, крепление очистного забоя – дерево, индивидуальные гидравлические стойки или гидравлическая крепь.

В общем основные параметры данной системы похожи на параметры системы разработки наклонными слоями без выпуска угля. Толщина каждого слоя зависит от мощности угольного пласта и технологии отработки очистного забоя.

Основными достоинствами данной системы являются: уменьшение объема проведения подготовительных выработок; незначительная зависимость от породных прослойков в пласте.

Технико-экономические показатели: для лав, использующих в качестве крепления очистного забоя деревянную крепь, имеющих мощность угольных пластов 5-13 м, угол падения 10-35; длину лавы 40-100 м – среднегодовая добыча угля из одного действующего забоя составила 30-54 тыс. т, производительность труда 1,35-2,28 т. на человека за смену. Данная технология применялась на шахтах «Халам», «Вангзянг» и «Танлап», при этом потери достигают 38-49 %.

Для лав, использующих в качестве крепления очистного забоя индивидуальную гидравлическую стойку, имеющих мощность угольных пластов 5,0-7,5 м; длину лавы 40-140 м – среднегодовая добыча угля из одного действующего забоя составила 120-180 тыс. т, производительность труда 4,0-5,0 т. на человека за смену. Данная технология применялась на шахтах «Уонгби», «Вангзянг», «Халам», «Донгбак» и «Тхонгньят», при этом потери достигают 25-35 %.

К числу недостатков относятся: значительные потери угля в нижнем слое из-за смещения подготовительных выработок в сторону отработанного пространства относительно выработок первого слоя и оставлением межстолбовых целиков, длительное время и высокая трудоемкость создания разгрузочной щели, необходимость увязки работ по созданию щели и очистных работ в лаве; большие издержки на поддержание выработок нижнего слоя в эксплуатационном состоянии при ведении работ на больших глубинах.

Данная система широко применялась на многих шахтах Вьетнама. Удельный вес использования данной технологии в общей добыче угля Вьетнама составляет 49,4 % [11] (рисунок 2.6).

При реализации данной системы разработки мощный пласт разделялся на слои (подсечной слой и подкровельная угольная пачка) для эффективной и безопасной отработки с управляемым выпуском угля подкровельной пачки.

При отработке использовали буровзрывной способ отбойки угля, управление кровлей – полным обрушением, крепление очистного забоя – деревом, индивидуальными гидравлическими стойками, механизированной гидравлической крепью.

Основными параметрами данной системы являются: угол падения не более 35 градусов и мощность пласта до 6,0 м; длина лавы 60-120 м. Рисунок 2.6 – Система разработки с выпуском угля подкровельной толщи на шахтах Вьетнама: 1 – подкровельная пачка; 2 – подсечный слой; 3 – вентиляционный штрек; 4 – откаточный штрек; 5 – лава

Основными достоинствами данной системы являются: малый объем проведения подготовительных выработок; возможность применения высокопроизводительной техники в длинных очистных забоях; повышение производительности труда горнорабочего по участку.

Технико-экономические показатели: для лав, использующих в качестве крепления очистного забоя древесную крепь, имеющих мощность угольных пластов 3-13 м, угол падения 10-35; длину лавы 70-100 м – среднегодовая добыча угля из одного действующего забоя составила 52-60 тыс. т, производительность труда 1,8-2,1 т. на человека за смену. Данная технология применялась на шахтах «Халам» и «Вангзянг», при этом потери достигают 43-52 %.

Общие сведения, цели и задачи исследований

Цель настоящего этапа исследований заключается в определении рациональной мощности двух вынимаемых слоев при отработке пласта 7 слоевой системой разработки наклонными слоями с полным обрушением пород кровли. Цель достигается путем моделирования напряженно-деформированного состояния отрабатываемого пласта и вмещающих пород методом конечных элементов на ЭВМ.

Численные методы уже достаточно продолжительное время являются основным инструментом геомеханических исследований, реализованном в различных вычислительных алгоритмах (и, соответственно, в программных комплексах) и позволяющем производить имитационное моделирование горно-геомеханических процессов в широчайшем спектре условий [30, 40, 60, 67, 77]. Детальные обоснования применимости и значительный опыт использования численного моделирования в решении задач горной геомеханики различными исследователями позволяет, на наш взгляд, использовать его для достижения поставленной цели без дополнительных обоснований (к тому же, в рамках диссертационной работы он подкрепляется моделированием физическим).

Мощности верхнего и нижнего вынимаемых слоев (размеры зон разрушения угольного пласта горным давлением) определяется независимо, как две отдельные задачи. Данное допущение вполне позволительно ввиду достаточно большого отставания очистных работ по нижнему слою от очистных работ по верхнему слою (порядка 80 м). Определение мощностей слоев производится за счет оценки размеров и положения зон угольного пласта в окрестности очистного забоя, разрушаемых действием горного давления. При этом мощность верхнего подкровельного слоя выбирается таким образом, чтобы происходило его разрушение на полную высоту исключительно за счет действия горного давления. Именно это обстоятельство заложено в понятие «рациональная мощность», вынесенное в цель исследования. Оставшаяся часть пласта (нижняя) представляет собой нижний слой, мощность которого, соответственно, определяется как разница полной геологической мощности пласта и вынимаемой мощности верхнего слоя.

Строго говоря, определение мощности нижнего слоя, таким образом, не требует отдельных расчетов. Тем не менее, практический интерес представляет собой оценка характера и интенсивности процессов разрушения нижнего слоя горным давлением в условиях его нахождения под ранее подработанными породами, т.е. в зонах, где условия ведения горных работ существенно отличаются от таковых в нетронутом массиве (как это происходит при отработке верхнего слоя). Такая оценка полезна для понимания степени необходимости технологического разупрочняющего воздействия на угольный пласт при выемке нижнего слоя (например, необходимости его разрушения с помощью БВР).

Таким образом, озвученная цель данного этапа исследований разбивается на следующие задачи: 1) принятие гипотезы деформирования и разрушения горных пород в окрест ности ведения выемочных работ в слоях пласта 7; 2) выбор моделируемых горнотехнических ситуаций, отличающихся набо ром влияющих факторов; 3) разработка на этой основе расчетных схем и горно-геомеханических моде лей к определению мощностей вынимаемых слоев отрабатываемого пласта: - обоснование сделанных в моделях допущений и степени идеализации мо делируемого объекта; - обоснование геометрии моделей и задаваемых физико-механических свойств горных пород; - задание начальных и граничных условий; 4) создание конечно-элементной модели на основе разработанных расчетных схем; 5) вычисления на ЭВМ; 6) анализ и интерпретация полученных результатов: - проверка полученных результатов на соответствие принятой гипотезе деформирования горных пород и общим представлениям геомеханики; - характеристика форм, местоположения и размеров зон разрушения угольного пласта от действия горного давления; - оценка на этой основе рациональной мощности вынимаемых слоев пласта 7. Следует отметить, что глубокая взаимозависимость данных задач не позволяет разделять и описывать их «хронологически», поэтому они решены и описаны в настоящем разделе в комплексном виде.

Расчетные схемы и разработанные на их основе горно-геомеханические и конечно-элементные модели представляют собой прямоугольную область массива горных пород размерами X на Y, вмещающую выработанное пространство. Верхняя граница схемы совпадает с земной поверхностью, боковые и нижние границы задаются на достаточном удалении от моделируемого объекта, представляющего непосредственный интерес (в нашем случае – от полости выработанного пространства). Расчетная схема отражает плоскость по центральному сечению лавы, параллельную направлению ее подвигания. Это позволяет существенно упростить процесс разработки модели и при этом сохранить ее основные свойства, отражающие поведение реального массива [60, 73, 74]. Однако, стоит отметить, что при этом исключается влияние краевых частей лавы на процессы деформирования горных пород; кроме того, лава предполагается горизонтальной по всей своей длине, то есть реальная гипсометрия пласта выпадает за рамки спектра учитываемых влияющих факторов. Последнее допущение, хотя и достаточно серьезное, тем не менее можно обосновать предположением, что на каждом своем отдельном конечном участке лава представляет собой горизонтальную выработку, так как углы наклона пласта в складках редко превышают 15-20 градусов (см. характерные разрезы на рисунках 1.3 и 1.4).

Отработка пласта ведется в двух слоях с опережением очистных работ в верхнем слое порядка 80 м по отношению к работам в нижнем слое. Как отмечалось выше, в разработанных расчетных схемах сделано предположение, что такого отставания достаточно, чтобы считать забои «независимыми» и решать задачу на основе двух отдельных расчетных схем.

При разработке расчетных схем была принята следующая гипотеза о механизме образования выработанного пространства и процессах разрушения горных пород в результате выемки пласта.

Выемка пласта в верхнем слое ведется длинным очистным забоем высотой, равной вынимаемой мощности пласта mпл.в, и шириной призабойного пространства bл. Механизированная крепь не моделируется; таким образом очистной забой представляет собой полую незакрепленную «щель», «врезанную» в угольный пласт. Такое допущение обосновано тем, что в реальности механизированная крепь не является абсолютно жесткой конструкцией, а обладает определенной степенью податливости и, кроме того, может вдавливаться в почву очистного забоя, что дает некоторую свободу перемещения вышележащим породам.

Над забоем остается подкровельной слой (пачка) угля мощностью m1разр, разрушаемый действием горного давления. Таким образом, полная мощность верхнего слоя m1 равна сумме mпл.в и m1разр.

Разрушение оставленной пачки угля происходит в зоне Т (см. рисунок 3.1) за счет повышенного горного давления, возникающего (в основном) в результате действия крутящего момента М от зависшей консоли основной кровли длиной lо.к.. В целом, зона Т представляет собой область приложения силы (упор рычага) от веса собственно зависшей консоли верхнего слоя пласта, консолей непосредственной и основной кровли и породного моста вышележащих пород. Для того, чтобы обеспечить независимое деформирование отдельных лито-логических пачек, в расчетной схеме границы между ними описываются в виде контактов, по которым задаются контактные условия вида «полное проскальзывание», т.е. сдвиговая жесткость контакта 0.

Породы непосредственной кровли обрушаются практически сразу же, как теряют опору, и моделируемая длина зависающей консоли lн.к., соответственно, очень мала. Породы основной кровли в гораздо большей степени склонны к зависанию в выработанном пространстве, что выражено в большей длине консоли lо.к.. Обрушенные породы позади лавы не оказывают влияния на состояние подкровельной пачки угля (по сути – просто лежат на почве отработанного слоя), поэтому исключены из расчетной схемы. В этой связи выработанное пространство моделируется как незаполненная полость шириной lв.п. На удалении от забоя породы выработанного пространства уплотняются и начинают воспринимать вес вышележащих пород. Таким образом, возникает породный мост с пролетом lв.п., один конец которого опирается на еще не отработанную краевую часть пласта, а другой – на обрушенные уплотненные породы выработанного пространства.

По прошествии периода времени с момента прохода верхнего забоя до момента прохода нижнего забоя обрушение вмещающих пород распространяется на высоту Hобр.. Соответственно, выемка нижнего слоя ведется в условиях нарушен-ности горного массива предыдущими горнодобычными работами. Мощность нижнего слоя m2 определяется как разность полной мощности пласта и мощности верхнего извлеченного ранее слоя.

Так как выемка нижнего слоя производится под ранее обрушенными породами, то естественно предположить, что зависаний консолей вышележащих пород в выработанном пространстве уже не происходит. Горное давление формируется «навалом» ранее обрушенных, переуплотненных пород со сниженными деформационными и прочностными характеристиками. Данное обстоятельство отражено в соответствующей расчетной схеме (рисунок 3.2).

Аналитические исследования влияния угла падения пласта на процесс выпуска угля подкровельной (межслоевой) пачки на завальный конвейер

Одним из основных техногенных факторов сдерживающих темпы выемки угля является обрушение пород кровли в очистных забоях. Обрушения породы приводят к деформированию и поломкам забойного оборудования, простоям лав, потере добычи, снижению уровня безопасности работ [34].

Анализ потерь рабочего времени в лавах пологих пластов показал, что относительные потери времени в аварийных очистных забоях за период 1985–1990 г. происходят из-за неисправности забойного оборудования и горного фактора, включающего в себя геологические нарушения и обрушения кровли.

К горным факторам относят крупноблочное обрушение пород, приводящее к посадке крепи, значительные вывалы непосредственной кровли, происходящие в период первичной посадки основной кровли, вывалы кровли над секциями крепи, требующие продолжительных остановок лав. В результате обрушений кровли, посадки крепи часто наблюдается выход из строя забойного оборудования. Эти негативные процессы приводят к потерям времени на выемку угля до 60 %, а это в свою очередь является причиной потери добычи до 20-30 %.

На характер обрушения пород кровли оказывают как горно-геологические, так и горнотехнические причины. К горно-геологическим относятся прочность, нарушенность, обводненность пород и другие, представляющие собой геологическую характеристику породного массива. И эти причины практически неуправляемы. К горнотехническим, управляемым причинам можно отнести скорость подви-гания лавы, способ управления кровлей, упрочнение пород, повышение несущей способности крепи и другие, связанные с технологической деятельностью человека. Первые две из них наиболее влияют на формирование горного давления в призабойной части пласта и опорного давления впереди очистного забоя в процессе выемки угля.

Вопросами влияния скорости подвигания очистного забоя на процесс выемки угля продолжительное время занимался ряд исследователей в области горного дела. Установлено, что изменение скорости влияет на поведение пород кровли в призабойном пространстве, на режим работы крепи, на выбор длины лавы и способ управления кровлей, обуславливает изменение организации труда.

Кравченко В.И. в своей работе [32] установил, что быстрое подвигание забоя приводит к более интенсивному смещению кровли, однако при этом опускание на один метр лавы уменьшается. С ускорением подвигания забоя трещиноватость в породах развивается медленнее, породы меньше деформируются, благодаря чему увеличивается устойчивость обнаженных пролетов кровли и улучшаются условия ее управления. Кроме того, с уменьшением скорости подвигания увеличивается интенсивность отжима угля.

Давидянц В.Т. и Козелев Г.Л. указывают, что увеличение скорости подвигания очистного забоя в 2 раза (от 0,53 до 1,17 м/сут. и от 0,9 до 1,8 м/сут.) приводит к уменьшению опускания кровли на максимальном расстоянии от забоя при разных крепях и способах выемки на 34-41 % и увеличению скорости опускания на 34-46 % [10].

Проведенные в ВУГИ исследования на моделях из эквивалентных материалов показали уменьшение на 25-30 % средней интенсивности, величины смещений кровли и нагрузок на крепь на расстоянии 3,6 м от забоя при увеличении скорости подвигания лавы с 1,8 до 7,2 м/сут.

Дальнейшее увеличение скорости подвигания забоя до 15 м/сут, не дает заметных изменений в проявлениях горного давления.

Аналитические исследования, проведенные Руппенейтом К.В. [49], поз-влили установить, что смещения кровли интенсивно уменьшаются при увеличении скорости подвигания очистного забоя до 2-3 м/сут, дальнейшее увеличение скорости практически не влияет на величину смещений.

Исследованиями Дубова Е.Д., в шахтных условиях [14] подтверждена справедливость результатов аналитических исследований и показано, что увеличение скорости подвигания от 3-4 до 10-12 м/сут, практически не оказывают влияния на величину опускания кровли.

Влияние скорости подвигания очистного забоя на устойчивость пород кровли наблюдалось и зарубежными исследователями [35]. Во Франции при струговой выемке пласта «Аделенд» при скорости подвигания забоя 2,5-3 м/сут, нижний слой кровли, представленный аргиллитом легко отслаивался. С увеличением скорости подвигания до 5-7 м/сут, отслаивание прекратилось, характер обрушения вышележащих слоев оставался без изменения. Аналогичные явления наблюдались на шахте № 8 (США) при выемке пласта «Покахонтос», где средняя скорость по-двигания лавы составляла 6,7 м/сут.

В лавах шахты «Прогресс» породы непосредственной кровли представлены песчано-глинистым, песчаным сланцами мощностью 17-18 м, а в 4-й и 6-й Восточных лавах песчано-глинистым сланцем мощностью 35 м. Прочность пород по шкале Протодъяконова колеблется в пределах f = 5-8. При управлении кровлей полным обрушением минимальные смещения боковых пород в призабойном пространстве отмечалось перед первичной посадкой кровли. В период первичной посадки смещения значительно вырастали, что часто приводило к завалам лав. С увеличением скорости подвигания лавы увеличивался шаг посадки кровли, уменьшался размер зоны опорного давления и величина смещения пород. Уменьшение зоны опорного давления происходило также при применении способа управления кровлей частичной закладкой и приводило к уменьшению смещения пород в призабой-ном пространстве, снижению трещинообразования в кровле пласта, интенсивности отжима угля.

Приведенные выше результаты исследований позволяют сделать вывод, что увеличение скорости подвигания очистного забоя ведет к: - уменьшению трещинообразования и отжима угля в призабойной части пласта; - уменьшению трещинообразования в породах кровли; - уменьшению смещения пород кровли; - уменьшению расстояния от груди забоя до максимума опорного давления; - увеличению шага первичной и вторичных посадок кровли. Вышеперечисленные факторы повышают устойчивость кровли в очистных забоях, способствуют снижению интенсивности и в определенных условиях предотвращению вывалообразования в призабойном пространстве лав.