Обоснование технологий отработки ограниченных запасов пологих угольных пластов под охраняемыми объектами

Актуальность работы. Одной из серьезных проблем при разработке угольных месторождений на современном этапе эксплуатации горных предприятий является максимальное вовлечение в отработку подготовленных запасов шахтных полей. Особого внимания заслуживает возможность отработки запасов, залегающих под промышленными, гражданскими, инженерными и природными объектами на поверхности, выемка которых регламентируется жесткими требованиями Правил охраны. Параметры разработки этих запасов должны быть увязаны с предельными характеристиками смещений и деформаций дневной поверхности.

В частности, по параметрам процесса сдвижения земной поверхности, характеризующим степень ее деформации, за границу опасной зоны принимается линия, за пределами которой деформации земной поверхности не превышают следующих значений: растяжения — 2 мм/м, наклоны — 4 мм/м и радиус кривизны — 5 км (при среднем интервале — 15−20 м). Отношение максимальных измеренных значений деформаций к средним по району или группе районов (т.е. к ожидаемым) принято называть коэффициентами перегрузки. При проектировании конструктивных или других мер защиты подрабатываемых объектов обычно ориентируются на расчетные деформации, получаемые путем умножения ожидаемых деформаций на коэффициенты перегрузки.

Расчет ожидаемых деформаций земной поверхности в пределах мульды сдвижения производится согласно методике «Правил охраны», однако существующие экспериментально-аналитические методы оценки состояния подрабатываемых массивов не позволяют корректно оценивать деформации на малых интервалах мульды сдвижения. Это вызывает необходимость применения дополнительных методов и приемов, направленных на получение универсальных эмпирических зависимостей, отражающих неразрывное изменение сдвижений и деформаций.

Так как запасы в под охраняемыми объектами классифицируются как ограниченные, их отработка может производиться только с применением технологий, базирующихся на мобильных системах разработки и/или с применением средств закладки выработанных пространств. Значимыми факторами, характеризующими степень адаптации конкретных технологических схем, являются геометрические размеры и конфигурация участков отработки, пространственная ориентация и размеры целиков и выработанных пространств, номенклатура технической базы. Однако применение данных технологий представляет определенные трудности, связанные с необходимостью обеспечения требованиям, при которых развивающиеся деформации в массиве не должны превышать предельно допустимых для объектов на поверхности.

Существующие методы исследований и расчетные модели не позволяют адекватно отразить влияние как геомеханических, так и геотехнологических параметров отработки ограниченных запасов на полноценность деформированного состояния массива вмещающих пород и его влияния на охраняемые объекты, в особенности при увязке технологических процессов ведения очистных и закладочных работ в очистных забоях. Все это указывает на то, что решение задач обоснования параметров технологий при отработке охранных целиков является актуальной и в научном, и в практическом отношении.

Диссертационная работа выполнялась в рамках направлений исследований Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов ТулГУ, а также при поддержке аналитической ведомственной программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)» (Задание № 2.2.1.1/3942) и федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы (ГК № 02.740.11.0319).

Целыо работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей геомеханических и геотехнологических процессов при отработке пологих угольных пластов для обоснования технологий ведения очистных работ и параметров закладки выработанных пространств, обеспечивающих эффективное и безопасное извлечение ограниченных запасов под охраняемыми объектами на поверхности.

Идея работы заключается в том, что для отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами предложен комплекс технологических решений, базирующийся на длинных комплексно-механизированных забоях, коротких лавах и камерных системах разработки в комбинации с закладкой выработанных пространств, а для выбора технологий очистной выемки и обоснования параметров закладки используются универсальные уравнения оседаний и деформаций земной поверхности, полученные для основных бассейнов страны.

Основные научные положения, выносимые на защиту: изменение относительных типовых значений оседаний и горизонтальных сдвижений поверхности при подработке в пределах мульды сдвижения описывается эмпирическими функциями экспоненциально-полиномиального вида, коэффициенты регрессии в которых характеризуют условия подрабо-танности территорий Печорского, Кузнецкого, Подмосковного бассейнов, а также Восточного Донбассаглавным управляемым параметром для обоснования технологий отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств является эффективная мощность, которая зависит от вынимаемой мощности пласта, характеристик закладочного массива, технологических схем закладки и размеров целиковрасчетные деформации сжатия-растяжения, наклоны и кривизна земной поверхности зависят от эффективной мощности, глубины залегания и угла падения угольного пласта, параметров мульды сдвижения, размеров предохранительных целиков, конфигурации и размеров подрабатываемых 8 объектов и определяются путем дифференцирования типовых функций оседаний и горизонтальных сдвиженийорганизационно-технологические показатели ведения очистных и закладочных работ (коэффициент извлечения полезного ископаемоготрудоемкостьсхема, структура, темпы и объемы закладки) в длинных комплексно-механизированных забоях, в коротких лавах и камерах определяются в зависимости от эффективной мощности пласта с учетом предельно допустимых деформаций.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработан метод расчета и получены закономерности деформирования подрабатываемых территорий, позволяющие осуществлять количественную оценку вертикальных и горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны земной поверхности в условиях основных угольных бассейнов РФ в зависимости от параметров мульды сдвижения, глубины залегания, угла падения, эффективной мощности угольного пласта, размеров выработанных пространствразработаны технологические схемы ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях и в коротких лавах с комбинированной (пакетированной и пневматической) закладкой выработанных пространств, позволяющие производить эффективную и безопасную отработку ограниченных запасов под охраняемыми объектами на поверхностиразработан метод расчета, обеспечивающий обоснование темпов по-двигания очистного фронта, объемов извлечения угля и параметров закладочных работ в пределах выемочных участков на базе различных технологий отработки предохранительных целиков под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств с учетом требований категорий охраныустановлены зависимости изменения эффективной мощности пласта при комбинированной закладке выработанных пространств от вынимаемой мощности, схемы и габаритов установки закладочных пакетов с учетом коэффициентов заполнения и усадки пневматической закладки. 9.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используется комплекс методов: анализ существующих технологий отработки предохранительных целиков под охраняемыми объектамиобобщение экспериментально-аналитических методов расчета для обоснования отработки целикованалитические методы оценки организационно-технологических показателей работы очистных забоевметоды математической статистики, корреляционного анализа и дифференциального исчисления.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задач и формирования расчетных схемиспользованием базовых положений методов расчета, рекомендованных нормативными документами при решении задач горной геомеханики и организационно-технологического обоснования технологических схем ведения горных работудовлетворительным совпадением результатов при решении контрольных задач с эмпирическими данными (корреляционное отношение более 0,95).

Научное значение работы заключается в разработке универсальной расчетной модели оценки оседаний, сдвижений и деформаций земной поверхности при подземной разработке угольных месторождений, а также в разработке методов расчета для обоснования прогрессивных технологических решений при отработке ограниченных запасов на основе различных вариантов систем разработки с закладкой выработанных пространств, регламентированных условиями безопасной подработки охраняемых объектов на поверхности.

Практическое значение работы состоит: в разработке методических основ оценки организационно-технологических схем ведения очистных работ с закладкой выработанных пространствв формировании технологических схем отработки ограниченных запасов на основе различных вариантов систем разработки, ориентированных на изменение горно-геологических и геотехнологических условийв разработке алгоритма обоснования технологий ведения очистных работ и параметров закладки при отработке ограни.

10 ченных запасов под охраняемыми объектами с учетом требований их безопасной эксплуатации.

Реализация работы. Основные результаты исследований были использованы в Тульском государственном университете при выполнении НИР по федеральной и ведомственной целевой программе, а также включены в методическое обеспечение комплекса учебных дисциплин по направлению «Горное дело» кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-й Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2010 г.), на 1-й научно-практической конференции «Проблемы технического оснащения, эффективности применяемых технологий и планы развития военизированных горноспасательных частей» (г. Москва, 2011 г.), на 7-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), на Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования» (г. Новочеркасск, 2011 г.), на магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2008;2009 гг.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2010;2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, включая 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 93 наименований.

Выводы по главе 5.

1. Методика предназначена для обоснования параметров технологий ведения очистных работ под охраняемыми объектами. Сформирован подход к подготовке исходных данных: двух блоков информации — объективной и расчетной.

2. Сформированы в обобщенный массив критерии подработки земной поверхности.

3. Обоснована последовательность действий, представляющая собой обоснование параметров технологий разработки по критерию «безопасная подработка».

4 На основе методики проведено обоснование параметров технологии ведения очистных работ под охраняемыми объектами, в качестве которых приняты строящиеся здания и сооружения. Расчеты произведены для типовых условий Российского Донбасса, Кузнецкого, Печорского и Подмосковного бассейнов, результаты представлены в виде кривых изменения деформаций земной поверхности.

5. Разработана блок-схема алгоритма обоснования выбора безопасной системы разработки, для определенных горно-геологических условий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выполненных исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности геомеханических и геотехнологических процессов при разработке пологих угольных пластов, а также обоснованы технологии очистных работ и параметры закладки выработанных пространств, позволяющие снизить интенсивность влияния подземной добычи на деформирование земной поверхности и обеспечивающие возможность эффективной и безопасной отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами, что имеет важное значение для угольной промышленности России.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Установлено, что изменение относительных типовых значений оседаний и горизонтальных сдвижений поверхности при подработке в пределах мульды сдвижения описывается эмпирическими функциями экспоненциально-полиномиального вида, коэффициенты регрессии в которых характеризуют условия подработанности территорий Печорского, Кузнецкого, Подмосковного бассейнов, а также Восточного Донбасса.

2. Выявлено, что главным управляемым параметром для обоснования технологий отработки ограниченных запасов под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств является эффективная мощность, которая зависит от вынимаемой мощности пласта, характеристик закладочного массива, технологических схем закладки и размеров целиков.

3. Разработан метод расчета и получены закономерности деформирования подрабатываемых территорий, позволяющие осуществлять количественную оценку вертикальных и горизонтальных деформаций, наклонов и кривизны земной поверхности в условиях основных угольных бассейнов РФ в зависимости от параметров мульды сдвижения, глубины залегания, угла падения, эффективной мощности угольного пласта, размеров выработанных пространств.

4. Разработаны технологические схемы ведения очистных работ в комплексно-механизированных забоях и в коротких лавах с комбинированной (пакетированной и пневматической) закладкой выработанных пространств, позволяющие производить эффективную и безопасную отработку ограниченных запасов под охраняемыми объектами на поверхности.

5. Установлено, что организационно-технологические показатели ведения очистных и закладочных работ (коэффициент извлечения полезного ископаемоготрудоемкостьсхема, структура, темпы и объемы закладки) в длинных комплексно-механизированных забоях, в коротких лавах и камерах определяются в зависимости от эффективной мощности пласта с учетом предельно допустимых деформаций охраняемых объектов.

6. Разработан метод расчета, обеспечивающий обоснование темпов по-двигания очистного фронта, объемов извлечения угля и параметров закладочных работ в пределах выемочных участков на базе различных технологий отработки ограниченных под охраняемыми объектами с закладкой выработанных пространств с учетом требований категорий охраны.

7. Установлены зависимости изменения эффективной мощности пласта при комбинированной закладке выработанных пространств от вынимаемой мощности, схемы и габаритов установки закладочных пакетов с учетом коэффициентов заполнения и усадки пневматической закладки.

8. Разработаны алгоритм для обоснования технологий ведения очистных работ и параметров закладки при отработке ограниченных запасов под охраняемыми объектами с учетом требований их безопасной эксплуатации.