Введение к работе
Актуальность темы.. Процесс перехода современной экономики к но-$ым условиям предъявляет достаточно высокие требования к эффектйвно-:ти функционирования горных предприятий. Угольное производство в Росши продолжает в силу различных причин оставаться весьма инертной и эчень затратной системой. Исторически сложившаяся инфраструктура (Тольных предприятий требует времени и средств на ее перестройку. Дефицит инвестиций в проводимую реструктуризацию отрасли затягивает и усу--убляет этот процесс. Основным критерием выживаемости в этих условиях шляется способность угледобывающего предприятия к оперативной пере-лройке согласно требуемым объемам добычи угля, диктуемым рынком, пт> и определяет его конкурентоспособность по сравнению с другими про-«водйтелями взаимозаменяемых ресурсов.
Снижение напряженное в работе угледобывающих предприятий возможно на основе разработки и реализации быстродействующих технико-гехнологических решений, целевых программ по реструктуризации и ди-зерсификации. способных стабилизировать деятельность горных предпри-їтий и обеспечить рост уровня показателей их работы в ближайшем буду-цем.
Исследованиями ученых ИГД им. А.А. Скочинского, ИУУ СО РАН, 4ГД СО РАН, ИПКОН РАН, КузНИУИ, ПНИУИ, МГТУ, ДонУГИ, Куз-ГГУ, С-ПбГИ, ВостНИИ, УГГА, СГГМА и др. создана база формирования іовьіх направлений в области подготовки и отработки угольных месторождений, включая исследования напряженно-деформированного состояния (Тлёвмещающего массива, управления горным давлением, геомеханическо-т> обоснования параметров технологии подземной разработки, оснащения іредприятий горношахтным оборудованием.
Вместе с тем эффективность механизированной выемки пологих уголь-шх пластов в постоянно усложняющихся горно-геологических условиях, «менения инвестиционной политики, нехватки очистного фронта и сокра-цение мощности действующих угольных предприятий остается недостаточно высокой. Техническое перевооружение шахт не в полной мере ком-іенсировало отрицательное влияние глубины, тектонической структуры уг-іевмещающего массива, опасных проявлений горного давления. Проблема :воевременной подготовки и воссоздания очистного фронта резко обостри-хась в настоящее время в связи с созданием высокопроизводительных очи-ггных забоев, суточная добыча из которых достигает 8 тыс. т при объемах иесячной добычи до 130-160 тыс. т, отставанием в развитии средств ком-ілексной механизации для подготовительных работ, необходимостью уве-тачения площади поперечного сечения выемочных выработок. Во многих случаях скорость отработки КМЗ превышает скорость проведения оконту-эивающих штреков. В этой связи необходимы широкие комплексные иссле-іования, направленные на разработку и внедрение рациональных схем под-
готовки и отработки КМЗ и выемочных полей, способов и средств oxpai и поддержания выработок, управление массивом горных пород, повышен технического уровня шахт, совершенствование организационной структу] систем управления угледобывающими предприятиями, обеспечиваюш повышение Эффективности их функционирования в рыночных условиях.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности и необходимое научного обоснования и разработки комплексов технических, технологи1 ских и организационных решений по совершенствованию подземной уп добычи, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение на\ но-технического прогресса в угольной отрасли.
Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами программами научно-исследовательских работ КузНИУИ, ПНИУИ, И1 им.А.А.Скочинского, ИУУ СО РАН 1983-1997г.г., являвшимися состави ми частями отраслевого плана научных исследований б. МУП СССР, ( раслевой программы "Уголь России". Часть диссертации выполнялась в < ответствии с приказом председателя Госплана СССР № 7 от 19.01.87 г. " разработке целевой комплексной программы развития Кузнецкого yroj ного комплекса на период до 2005 года "; программой реструктуризац предприятий угольной промышленности, утвержденной протоколом Me ведомственной комиссии по социально-экономическим проблемам yroj пых регионов № 4 от 23.09.94 г.
Целью работы является повышение технического уровня и зффекті ности технологии механизированной выемки пологих пластов угля на < : нове выявленных закономерностей проявлений геомеханических процесс! технологических взаимосвязей и разработанных технико-технологическ решений, обеспечивающих улучшение технико-экономических показател работы шахт в рыночных условиях.
Идея работы заключается в использовании установленных закономі ностей геомеханических процессов и технологических взаимосвязей для і учного обоснования технических и технологических решений механизи] ванной выемки пологих пластов угля.
Задачи исследований:
исследовать горно-геологические и горнотехнические условия щ менения механизированных комплексов при отработке полої угольных пластов;
разработать научно-производственную методику оценки тектони ской структуры массива для обоснования рациональных плани] вочных решений подготовки выемочных полей;
установить закономерности взаимодействия механизированн крепей различных типов с вмещающими породами и разработі рекомендации по выбору их силовых параметров;
установить закономерности проявления горного давления в под товительных выработках при различных схемах подготовки і
емочных полей для обоснования рациональных сечений и силовых параметров крепи выработок в различные периоды эксплуатации;
осуществить разработку, научно-техническое обоснование и внедрение прогрессивных способов и средств охраны и поддержания подготовительных выработок;
разработать и обосновать технические решения по поддержанию подготовительных выработок на сопряжении с КМЗ; :
установить влияние химических скрепляющих составов на изменение физико- механических свойств углепородного массива для разработки мегодики и технологических схем упрочнения неустойчивых пород;
-' разработать эффективные технические решения и технологии очистных работ для отработки пологих пластов на основе применения новых средств комплексной механизации и способов управления горным давлением;
- разработать предложения по оптимизаций хозяйственной деятель
ности шахт в условиях перехода к рыночной экономике.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов иссле-эваний, включающий научное обобщение и инженерный анализ производ-'венного опыта подготовки и отработки пологих угольных пластов; эко-эмико-математическое моделирование двухкомбайновой выемки угля; іалитические расчеты для выявления влияния параметров крепи на НДС ювли; шахтные инструментально-визуальные наблюдения и методы ма-іматической статистики для установления закономерностей проявления >рного давления, эффективности дегазации пластов и оценки тектониче-:ой структуры массива; экспериментальные исследования смещений пород поддерживаемых выработках и обоснование способов крепления, охраны поддержания подготовительных выработок; опытно-промышленные ис-лтания и внедрение технических, технологических разработок и органи-ционных решений в производственных условиях; технико-экономический іализ технологических схем упрочнения неустойчивого массива, тёхноло-ій ведения очистных и подготовительных работ.
Основные научные положения, защищаемые автором :
обоснование рациональной области применения очистных механизированных комплексов различных типов осуществляется с учетом установленных закономерностей влияния основных горногеологических и горнотехнических факторов на эффективность их работы;
достоверный прогноз степени тектонической сложности угольных месторождений предопределяет объективность реализации технологических решений по "раскройке" шахтных полей на всех этапах их освоения и интенсивность ведения очистных работ;
высокая эффективность работы комплексно-механизированных очистных забоев на пологих пластах со слабыми почвами и высокой
газообильностью обеспечивается применением рационального сочетания режима взаимодействия секций крепи с вмещающими породами без вдавливания основания в почву пласта и схем управления газовыделением;
выбор силовых параметров механизированных крепей отечественного и зарубежного производства определяется с учетом установленных закономерностей их взаимодействия с вмещающими породами при различных типах кровель и геометрических параметрах выемочных столбов;
обоснование рациональных сечений и силовых парамегров крепи подготовительных выработок в различные периоды эксплуатации осуществляется с учетом установленных закономерностей проявления горного давления при различных схемах подготовки выемочных полей;
обоснование вариантов и параметров, а также областей эффективного применения прогрессивных технологических схем и средств ох-
раны и поддержания подготовительных выработок базируется на системном подходе к характеру формирования напряженно-деформированного состояния массива пород, специфики проявлений горного давления и параметров технических средств;
- обоснование параметров технологических схем анкерного крепле
ния подготовительных выработок базируется на учете силовых и
конструктивных параметров анкеров и характера их взаимодействия
с вмещающими породами;
;i- безопасная эксплуатация сопряжений КМЗ с подготовительными выработками достигается применением специальной механизированной крепи сопряжения с высоким сопротивлением и обеспечивающей перемещение гидростоек без снятия нагрузок, а также крепление кровли в зазорах между штрековой и секцией механизированной крепи;
эффективное управление массивом изменением физико-механических свойств обеспечивается выбором рациональных схем и параметров нагнетания химических скрепляющих составов для упрочнения неустойчивых горных пород;
повышение технического уровня работ по проведению и поддержанию выемочных выработок и выбор параметров очистного забоя при двухкомбайновой выемке угля с формированием выемочного штрека вслед за лавой обеспечивается на базе комплексного учета закономерностей протекания геомеханических процессов в различных горно-геологических и горнотехнических условиях и тенденций научно-технического прогресса в отрасли;
технологические схемы очистных и подготовительных работ устанавливаются на основе рационального районирования месторожде-
ния по основным природным факторам, применения новых технических решений и способов управления горным давлением;
- концепция развития предприятий угледобывающего региона должна
базироваться на рациональном сочетании мер по повышению тех
нико-технологического уровня горного производства и эффективно
сти его функционирования при одновременной структурной пере
стройке в условиях действия рыночных отношений в экономике.
Достоверность научных положений подтверждается:
- представительным объемом длительных ( 15 лет ) шахтных исследо
ваний с применением современных методов и приборов при внедре
нии технических и технологических решений ( 10 шахт, более 40
очистных забоев);
шахтными инструментальными наблюдениями за смещением вмещающих пород и нагрузками на крепи в подготовительных выработках в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий (свыше 10000 замеров):
удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований на шахтах (расхождение не превышало 20%);
положительными результатами опытно-промышленной проверки и внедрения разработок на шахтах ОАО УК "Ленинскуголь", полученным экономическим эффектом;
итогами реструктуризации организационной структуры системы управления действующих шахт ОАО УК "Ленинскуголь".
Научное значение работы заключается в установлении закономерностей явлений геомеханических процессов и технологических взаимосвязей [ механизированной выемке пологих пластов, которые могут быть ис-ьзованы для формирования методологической базы обоснования на-влений по повышению технического уровня, эффективности и безопас-ти горного производства в условиях рыночных отношений в экономике.
Научная новизна работы заключается в:
установлении закономерностей изменения эффективности работы очистных механизированных комплексов различных типов от основных горно-геологических условий и геометрических параметров выемочных участков;
разработке научно-производственной методики выбора пространственного расположения очистных забоев и обосновании рациональных параметров деления шахтного поля на части с учетом тектонической структуры массива;
установлении закономерностей взаимодействия механизированных крепей отечественного и зарубежного производства с вмещающими породами, позволяющих обосновывать выбор силовых параметров в различных горно-геологических и горнотехнических условиях;
установлении закономерностей проявления горного давления в по,п готовительных выработках при различных вариантах бесцеликово технологии для обоснования рациональных сечений и силовых пг раметров крепи выработок в различные периоды эксплуатации; установлении закономерностей изменения напряжение деформированного состояния массива горных пород вокруг выра боток с учетом координат установки и интенсивности распределени реакции отпора новых конструкций крепи;
создании новых способов охраны и средств поддержания подготс вительных выработок, синтезирующих разработанные научные не ложения и защищенных авторскими свидетельствами и патентам; на изобретения;
разработке принципов выбора оптимального режима работы, тех нологических схем и паспортов крепления подготовительных выра боток анкерной крепью различного типа для различных горне геологических и горнотехнических условий разработки угольны пластов;
научном обосновании технологических схем и рациональных пара метров технологии упрочнения неустойчивого массива горных пс род химическими скрепляющими с учетом горно-геологических ; горнотехнических факторов при ведении очистных и подготовь тельных работ;
обосновании новых технических решений по совершенствованиь крепления сопряжений КМЗ с подготовительными выработкам* "-обеспечивающих компенсацию длины мехкомплекса при изменени; угла залегания пласта;
разработке методики расчета двухкомбайновой выемки угля с фор мированием выемочного штрека вслед за лавой, позволяющей при менительно к конкретным горно-геологическим условиям генерирс вать в диалоговом режиме на ПЭВМ технологию работ в очистної забое при всех допустимых вариантах комплектования его оборудс ванием;
разработке и обосновании рациональных вариантов технологиче ских схем подготовки и отработки запасов пологих газоносны угольных пластов средней мошности, обеспечивающих условия эф фективного применения очистных механизированных комплексов, том числе нового технического уровня;
выявлении основных принципов создания угольного предприятия адаптированного к рыночным условиям, включающих направлени технического перевооружения и рационализации технологически систем шахт, обоснование организационно-экономической базы и реализации.
Практическая ценность работы заключается в:
разработке рекомендаций по повышению надежности технологических решений по "раскройке" шахтопластов;
обосновании рекомендаций по выбору рациональных силовых параметров механизированных крепей отечественного и зарубежного производства для эффективной разработки пологих пластов;
разработке прогрессивных технологических схем и конструкций технических средств проведения подготовительных выработок в усложняющихся горно-геологических условиях;
обосновании рекомендаций по выбору рациональных сечений и силовых параметров крепи выемочных выработок в различные перио-
ды эксплуатации;
разработке технико-технологических решений по поддержанию и охране подготовительных выработок, обеспечивающих повышение их устойчивости и надежности при эксплуатации;
создании новых средств крепления сопряжений КМЗ с подготовительными выработками;
выборе рационального способа управления неустойчивым углено-родным массивом нагнетанием химических скрепляющих для повышения работы КМЗ;
- . определении технических требований и разработке технологии,
средств формирования выработок, крепи усиления штрека;
разработке рекомендаций и технико-технологических решений по интенсификации очистных работ за счет стабилизации добычи угля механизированными комплексами;
обосновании направлений по оптимизации организационно-технической структуры угледобывающих предприятий в условиях перехода к рыночной экономике;
определении экономической эффективности от внедрения технико-технологических и организационных решений на шахтах Ленинского района Кузбасса.
Личный вклад автора состоит в:
получении, обобщении и обработке результатов натурных исследований влияния горно-геологических и горнотехнических факторов на эффективность применения механизированных комплексов при отработке пологих угольных пластов;
научном обосновании и разработке методики оценки тектонической структуры массива угля для рационального планирования горных работ;
научном обосновании рациональных сечений и силовых параметров крепи подготовительных выработок и механизированной крепи при различных схемах подготовки и отработки выемочных полей;
исследовании и использовании закономерностей напряженно-деформированного состояния массива в окрестности очистного и
подготовительного забоев при различных вариантах бесцеликовой отработки пологих пластов для обоснования технологических решений;
разработке и геомеханическом обосновании прогрессивных способов и средств охраны и поддержания подготовительных выработок;
разработке научного обоснования новых конструкций и параметров анкерной крепи, обеспечивающих эффективную и безопасную их работу;
научном обосновании параметров технологических схем упрочнения неустойчивого углепородного массива химическими скрепляющими;
разработке новых конструкций механизированной крепи сопряжения КМЗ с подготовительными выработками;
разработке рекомендаций по техническому и технологическому перевооружению шахт в условиях перехода к рыночной экономике;
научном обосновании параметров технологических схем подготовки и отработки пологих угольных пластов, обеспечивающих рациональное использование недр;
обосновании направлений развития и оптимизации горных работ, диверсификации и реструктуризации угледобывающих предприятий;
использовании полученных технических, технологических и организационных решений и научных обоснований при широком внедрении на шахтах ОАО УК "Ленинскуголь".
Реализации работы. Разработанные научные результаты и выводы диссертационной работы использованы при разработке 14 нормативных и методических документов ("Прогрессивные технологические схемы разработки пологах пластов с повторным использованием выемочных выработок для шахт ПО "Ленинскуголь", КузНИУИ, 1986, 76 с; "Методические рекомендации по выбору рациональных сечений выемочных выработок для комплексно-механизированных очистных забоев", КузНИУИ, 1987, 37 с; "Технологические схемы разработки пологих и наклонных пластов Кузнецкого бассейна", МУП СССР, 1989, 77 с; "Методика оценки тектонической структуры массива угля для рационального планирования горных работ", МУП СССР, 1989, 34 с; "Рекомендации по повышению эффективности применения мехкомплексов на пластах со слабыми почвами, склонными к отжиму угля и вывалообразованию кровли", МУП СССР, 1990, 33 с; "Методическое руководство по применению технологии упрочнения неустойчивого горного массива нагнетанием фенолоформальдегидного скрепляющего состава", МУП СССР, 1991, 35 с; "Технологические схемы упрочнения неустойчивого горного массива нагнетанием фенолоформальдегидного скрепляющего состава на шахтах Кузбасса", КузНИУИ, 1991, 36 с; "Руководство по применению винтовой анкерной крепи для крепления подготовительных выработок на шахтах Ленинского района Кузбасса", КузПИ, 1992, 25 с; "Методика расчета сталеполимерной анкерной крепи", КузНИ-
УИ, 1994, 31 с; "Методика определения пригодности механизированных комплексов после истечения нормативного срока службы на шахтах АООТ "Ленинскуголь", КузНИУИ, 1995, 17 с; " Методические указания по определению соответствия механизированных крепей сопряжения требованиям безопасной их эксплуатации на шахтах АООТ "Ленинскуголь", КузНИУИ, 1995, 47 с; "Дополнение к отраслевой инструкции по выбору рамных податливых крепей горных выработок для условий шахт АООТ "Ленинскуголь" КузНИУИ, 1995, 47 с; "Временная инструкция по расчету и применению анкерной крепи на шахтах Кузнецкого бассейна" КузНИУИ, 1996, 94 с; "Рекомендации по техническому и технологическому перевооружению шахт в условиях перехода к рыночной экономике", ГК "Росуголь", 1995, 35 с. ). Основные требования к средствам механизации горных работ используются при разработке новой техники на машиностроительных заводах горного профиля. Основные направления развития и оптимизации горных работ, диверсификации и реструктуризации АООТ "Ленинскуголь" утверждены ГК "Росуголь" и рекомендованы к использованию на шахтах отрасли. Технологические схемы выемки пологих угольных пластов высокопроизводительными комплексами "Пиома", "Глиник", КМ-142, КМ-138 внедрены на шахтах им .Кирова, "Полысаевская", "Октябрьская", им. 7 Ноября ОАО УК "Ленинскуголь" с экономическим эффектом.
Апробация работы. Основные научные положения и практические вы-
аоды диссертации доложены, обсуждены и одобрены на НТС ОАО УК "Ле
нинскуголь" (Ленинск-Кузнецкий, 1986-1997), Всесоюзном научно-
техническом совещании по улучшению состояния горных выработок (До
нецк, 1988), научно-технической конференции, посвященной 40-летию со
ііія создания института КузПИ (Кемерово, 1990), Всесоюзной научной
<онференции по развитию производительных сил Сибири. Угольный ком
плекс (Ленинск-Кузнецкий. 1990), международном симпозиуме по подзем-
юй механизации и автоматизации (Лулеа, Швеция, 1993), международном
:еминаре по проблемам и перспективам развития горной техники (Москва,
1995), научно-практической конференции Сибресурс-95 (Кемерово, 1995),
Всероссийской научно-практической конференции по перспективам разви
тия технологий и средств бурения (Кемерово, 1995), симпозиумах " Неделя
орняка " ( Москва, 1997, 1998),
Публикации. Автором опубликовано 122 научных труда и изобрете-гай. Основные положения диссертации опубликованы в 60 научных трудах, іключая 2 монографии, 3 брошюры, 12 патентов и 8 авторских свиде-ельств.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 401 странице машинописного текста, состоит из введения, семи глав, заключения, списка гитературы из 183 наименований, включает 45 таблиц и 66 рисунков.
