Актуальность работы. В Кузнецком угольном бассейне значительное место в развитии добычи угля отводится ПрокопьевскеКиселевскому району, запасы которого составляют порядка 31 млрд.т. По своему геологическому составу это месторождение является весьма сложным. Характерной особенностью его является наличие большого количества рабочих сближенных пластов угля крутого падения мощностью от 0,8 до 23,3 м.
Угленосная свита подвергнута сильным тектоническим нарушениям, осложнена разрывами сплошности, изменениями мощности и углов падения пластов. Выкроенные прямоугольные ненарушенные участки пластов имеют ограниченные запасы, то есть отработка угля с применением средств комплексной механизации может производиться только выборочно. Эти средства прежде всего должны быть безопасными, простыми по своей конструкции’и обладать незначительной трудоемкостью по монтажу и демонтажу, иметь незначительную стоимость.
Следовательно, увеличение добычи угля в этих условиях связано, прежде всего, с концентрацией горного производства, экономии как живого, так и овеществленного труда. Вместе с тем дальнейшее развитие горного производства обусловливает возникновение целого ряда опасных горнотехнических и техног логических факторов. Так, каждые Юлет глубина разработки увеличивается примерно на 100 м, а газообильность выработок — в 1,5 — 2,0 раза. С ростом объемов добычи угля открытым способом на горных отводах шахты нарушается изоляция горных работ от дневной поверхности, возрастает аэродинамическая связь между шахтой и поверхностью и, как следствие, активизация ранее потушенных или возникновение новых подземных эндогенных пожаров. В этих условиях наиболее распространенной является щитовая система разработки, г которая по сравнению с другими системами разработки является экономически выгодной: нагрузка на выемочное поле выше в 1,15−2,0 раза, производительность труда рабочего по участку — в 1−2 раза, затраты на добычу 1 т угля ниже в 1,2 раза при отработке пластов средней мощности и в 1,6 раза — мощных пластов. Вместе с тем, сложное строение угольного месторождения, большая доля ручного труда и многие другие причины определяют и положение с производственным травматизмом. Число погибших при добыче I млн тонн угля щитовой системой с обрушением и тенденция изменения их участия в производстве приведены в нижеследующей таблице № 1, из которой видно, что за последние 14 лет увеличилась доля травматизма в общем объеме добычи угля при щитовой системе разработки от 10,3 до 13,2%.
Таблица 1.
Система разработки 1991;200^ 1991 2004.
Добыча угля, тыс. тонн Процент от очистной добычи Число погибших на 1 млн. тонн Добыча угля, тыс. тонн Процент от очистной добычи Добыча’угля, тыс. тонн Процент от очистной добычи.
ЩитоваяЩО 7076 14,3 2,1 353 10,3 472 13,2.
В основу совершенствования технологии щитовой выемки угля на шахте должны быть заложены направления по обеспечению механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя, а также технические направления, которые могли бы устранить негативные последствия проявления повышенного горного давления, т. е. обеспечить разгрузку пластов от горного давления и устранить перепуск обрушенных пород с верхних горизонтов.
В связи с отмеченным особую актуальность приобретает разработка теоретических положений управления аэрогазодинамическими процессами в многофакторной вентиляционной системе высокогазообильных шахт, которая объединяет в аэрогазодинамически связанную вентиляционную сеть действующие очистные и подготовительные забои с допустимым содержанием метана и выработанное пространство, являющееся коллектором газа и источником возникновения эндогенного пожара.
Целью работы является разработка безопасных параметров механизированной выемки крутопадающих пластов Прокопьевско — Киселевского местог рождения.
Идея работы заключается в обосновании новых подходов в направлении обеспечения механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя и разработка на их основе безопасных аэрогазодинамических параметров ведения горных работ на крутопадающих пластах.
Задачи исследований: провести анализ состояния безопасности ведения горных работ при щитовой системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско — Киселевского месторожденияпровести технико-экономический анализ эффективности систем разработки и определить области безопасного их применения в условиях шахт Прокопьевско — Киселевского месторожденияразвить экспериментально-аналитические модели аэрогазодинамических процессов в прилегающем к очистному забою выработанном пространстве и на их основе разработать методы определения эффективных параметров по борьбе с эндогенными пожарамиразработать прогрессивные технологические решения по проветриванию очистных и подготовительных выработок, обеспечивающие эффективг ное управление газовой обстановкой при щитовой системе отработки крутопадающих пластов механизированными способами выемки угля.
Методы исследований: анализ и обобщение производственных работ по безопасному ведению подземных горных работ на угольных шахтах Прокопьевско — Киселевского месторожденияаналитические исследования процессов газовой обстановки и очагов эндогенных пожаров в выработанном пространствеэкспериментально-статистическое обоснование аэрогазодинамических процессов в вентиляционной системе очистных и подготовительных выработок и выработанных пространствметоды математической статистики при отработке и анализе экспег риментальных данных.
Научные положения, выносимые на защиту: эффективное использование технических средств очистного забоя с учетом соблюдения правил технической эксплуатации и важнейших принципов организации производства является основой обеспечения безопасности технологических процессов на шахтепоследовательное нахождение поля давления, скоростей фильтрации, температуры и концентрации кислорода обусловило разработку способа определения места возникновения эндогенного пожара в выработанном пространстве выемочного столба при отработке крутопадающих пластов механизированным способомразработана математическая модель, позволяющая определять последовательно на каждом временном слое на границах выработанного пространства в пределах выемочного столба скорости фильтрации каждого из химических компонентов смеси и их концентрации в омывающем выработанное пространство потоке воздуха.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: представительным объемом длительных шахтных исследований аэрогазодинамического процесса с применением апробированных методов и приборов при внедрении технических и технологических решений (с 1985 г. по 2004 г.- 20 шахт Прокопьевско — Киселевского района Кузбасса) — применением современного метода математического моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в горном массиве и выработанном пространствеудовлетворительной сходимостью результатов экспериментально-статистических исследований, (погрешность не более 15% при доверительной вероятности 0,95) — положительным результатом практического применения разработанной системы механизированной выемки угля и обеспечения безопасности горных работ при щитовых системах разработки крутопадающих пластов.
Научная новизна работы заключается в следующем: разработана математическая модель, рассматривающая технологический процесс как систему, состоящую из независимо действующих очистных забоев в пределах выемочного поля, а структурнотехнологическая схема добычи угля принимается как процесс, состоящий из определённых технологических операций, подчиняющихся цикличной организации производстваразработана математическая модель для решения комплекса задач г для описания процесса формирования очага эндогенного пожара путём определения степени распространения утечек воздуха в выработанном пространстве, баланса кислорода, теплопереноса в обрушенном массиве и теплообмена между скоплением горных пород и фильтрующимся воздухомразработана математическая модель фильтрационных процессов для щитовой системы отработки крутопадающих пластов при механизированной выемке угля для определения в выработанном пространстве концентрации г газовоздушных смесей в его искомом полеустановлено, что сокращение количества эндогенных пожаров в шахте может быть достигнуто при обеспечении нулевой депрессии выемочного поля, применении предварительного охлаждения горной массы азотом в выработанном пространстве и учете увеличения скорости подвигания очистного забоя в единицу времени и снижения потерь угля в контуре выемочного столбаустановлено, что при прочих равных условиях горных работ при" родные условия определяют лишь потенциальные возможности отрицательного проявления горнотехнических факторов, а характер и интенсивность их протекания обусловливаются применяемыми системами разработкинаучно обоснована и экспериментально доказана целесообразность создания и внедрения способа эффективной и безопасной механизированной выемки угля на пластах мощностью более 6,5 м с углами наклона 35−90°. Личный вклад автора состоит: в проведении анализа и обобщения состояния безопасности горных работ при щитовой системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского районав проведении технико-экономического анализа эффективности систем разработки крутопадающих пластов и определения области применения их механизированной выемкив разработке математической модели фильтрационных процессов в г выработанном пространстве очистных забоевв разработке математической модели процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве;
— в разработке математической модели технологического процесса «очистных работ» — в разработке и освоении очистного агрегата ЩРПМ (щит раздельно передвигающийся механизированный) — в создании и внедрении способа механизированной выемки угля крутопадающих пластов на базе агрегата ЩРПМ. Практическая ценность работы Полученные соискателем результаты позволяют: анализировать, обобщать состояние безопасности горных работ на крутопадающих пластах, оценить эффективность работы механизированной выемки угляопределять газовую обстановку и очаги эндогенных пожаров в выработанном пространстве очистных забоевопределять эффективность работы технологического процесса «очистные работы» — увеличить в 2 раза нагрузку на забой по сравнению с щитовой системой, увеличить безопасность ведения очистных работ, снизить трудоёмкость, уменьшить потери угляза счет высокой скорости подвигания очистного забоя, сокращения времени отработки выемочного столба и потери угля снижать пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудованиеза счет конструктивных особенностей крепи агрегата отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями со слабыми сползающими почвамиза счет механизированной транспортировки угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сократить количество подготовительных выработок (углеспускных печей) и снизить трудоёмкость работ по их креплению и поддержаниюза счет простоты конструкции и надежности составляющих элементов забойного оборудования обеспечить безаварийную работу очистного забоя.
Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертациI онной работе использованы при разработке и совершенствовании следующих нормативных документов: «Методические указания по выбору механизированных комлексов для отработки угольных пластов, опасных по горным ударам» Минтопэнерго, КузНИУИ, «Методика расчета допустимых нагрузок на очистные забои по метану для предупреждения загазирования выработок участка» (Кузнецкое управление Госгортехнадзора СССР, 1980 г., 1990 г.), «Временное руководство по проектированию и организации проветривания угольных шахт г восточных бассейнов страны» (Минуглепром СССР, Госгортехнадзор СССР,.
1989 г.), «Временное положение по составлению паспорта прогноза технологичности угольных пластов Кузбасса» Минтопэнерго РФ, «Временные технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско — Киселевского месторождения» Минтопэнерго РФ, КузНИУИ, «Руководство по прогнозу эндогенной пожароопасности выемочных полей шахт Прокопьевско — Киселевского района Кузбасса», ВО ВНИИГД, 1998 г. г.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на заседаниях Ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово 1995, 2005), КузНИУИ (г. Прокопьевск 1993, 1994, 1996, 1998), НТС ПО «Про-копьевскуголь» (г. Прокопьевск 1994;1998г.г.), ПО «Киселе веку голь» (г. Кисе-левск 1995;1998г.г.), Управления Кузнецкого округа Госгортехнадзора РФ (г. Кемерово 1995;2000г.г.), IV Международной научно-практической конференции по перспективам развития горнодобывающей промышленности (НовокузI нецк 1997,1999 г.г.), Международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (Кемерово 1994, 1998,2000).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 монографии, 6 статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 101 странице машинописного текста, включая 4 рисунка, 4 таблицы, приложения, списка использованных источников из 30 наименований.
5.3. Выводы и предложения.
Полувековой опыт использования щитовой системы разработки отражает по существу ее положительные и отрицательные возможности. Простота технологии, адаптивность к сложным горно-геологическим условиям до настоящего времени являются непревзойденными. Однако на глубине разработки пластов более 250 м с резким увеличением интенсивности смещений подработанного массива и проявлением высокого опорного давления на призабойные угольные целики при буровзрывной технологии щитовые крепи Чинакала не в полной мере обеспечивают устойчивое состояние угольных целиков в приза-бойной части из-за отсутствия возможности работы щитовых перекрытий в постоянном контакте с угольным массивом. В результате высокая аварийность с щитовыми забоями и, как следствие, высокие потери угля и опасность возникновения подземных пожаров. По этой причине за последние годы наблюдается неуклонное снижение нагрузки на щитовые забои по шахте.
Естественно, что без дальнейшего совершенствования щитовая система разработки не могла иметь широкого перспективного применения.
Результаты эксплуатации опытных образцов агрегатов ЩРГТМ-1,1ЦРПМ-2 показывают правильность принятых конструктивных и принципиальных рег шений не только для пластов круто наклонно го, но и крутого падения.
С внедрением очистных агрегатов ЩРПМ на пластах Мощном, IV Внутреннем, Двойном, Горелом щитовая система разработки получит новый качественный скачок: значительно улучшатся условия и комфортность механизированного труда и безопасность ведения очистных работпозволит на шахте довести механизированную выемку угля под щитами до 35—40%, в целом по шахте повысить нагрузку на очистной забой в 1,5—2,0 раза и производитель" ность труда рабочего в 1,5 раза при снижении себестоимости добычи угля в 1,3 раза, на 50% снизить расход лесных материалов на монтаж щитовых перекрытий, в 1,3 раза сократить сроки отработки выемочных полей. Механизированная добыча из-под агрегатов ЩРПМ составит 75%, а транспортировка угля из забоя—100%.
Применение агрегата ЩРПМ в одном забое в год дает экономический эффект 350 млн руб.
Анализ ввода и выбытия очистных забоев на перспективу до 2005 г. дает основание считать, что только техническое перевооружение — перевод отработки пластов на очистные агрегаты ЩРПМ вместо старой технологии — в целом по шахте даст экономию денежных средств с 1997 г. по 2005 г. по 3 млрд. рублей ежегодно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация является научно — квалификационной работой, в которой содержится решение задач по разработке безопасных параметров технологического процесса при механизированной выемке крутопадающих пластов, имеющих существенное значение для обеспечения безопасности горных работ в условиях шахт Прокопьевско — Киселевского месторождения. г.
Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Установлено, что при отработке мощных крутых и крутонаклонных пластов длинными столбами по падению с применением механизированной выемки с помощью агрегатов ЩРПМ позволяет в 2 раза увеличить нагрузку на забой по сравнению с щитовой системой с традиционными щитовыми перекрытиями, увеличить фронт очистных работ, 1 снизить трудоемкость, уменьшить потери угля.
2. Установлено, что высокая скорость подвигания очистного забоя, сокращение времени отработки выемочного столба, сравнительно небольшие потери снижают пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование.
3. Механизированная транспортировка угля из очистного забоя в одну фланговую углеспускную печь сокращает количество подготовительных выработок и снижает трудоемкость работ по их креплению и поддержанию.
4. Простота конструкции и надежность составляющих элементов забойного оборудования обеспечивает безаварийную работу очистного забоя и не требует специальной длительной подготовки обслуживающего персонала.
5. Возможность проведения под агрегатом всех йспомогатель-ных операций в сочетании с механизированной выемкой без нарушения целостности механизмов агрегатов позволяют обеспечить гибкую технологию ведения очистных работ, варьировать способами отработки забоя и передвижку крепи, проходить сбросы и сужения пласта.
6. Разработана математическая модель технологического процесса «очистные работы» при механизированной выемке угля с помощью агрегатов ЩРПМ, представляющую функцию нагрузки в единицу времени в зависимости от параметров очистного забоя, численного состава горнорабочих за смену, последовательности и продолжительности выполнения операций технологического цикла и т. д.
7. В результате теоретических исследований получена математическая модель процесса формирования очага эндогенного пожара в выработанном пространстве при механизированной выемке крутопадающих г пластов, имеющая научно-практическое значение для обнаружения ранней стадии самовозгорания угля и принятия своевременных мер по профилактике.
8. Разработана математическая модель фильтрационных процессов в выработанном пространстве при щитовой системе отработки крутопадающих пластов для определения в конечном итоге концентрации газовоздушной смеси в омывающем выработанное пространство потоке г воздуха.
