Разработка методики выбора рациональных параметров систем разработки на шахтах неглубокого заложения

Высокая конкуренция на рынке энергетических ресурсов (в том числе и в Северо-западном регионе РФ) делает актуальным поиск путей к снижению себестоимости за счёт повышения эффективности проектных технологических решений в т. ч. и на сланце до бывающих шахтах. Технологии, реализуемые в настоящее время на ОАО «ЛЕНИНГРАД СЛАНЕЦ», характеризуются завышенными размерами охранных целиков, что приводит к заниженному извлечению полезного ископаемого из недр.

В основе отмеченных недостатков лежит отсутствие методики контроля процессов смещения и деформации подрабатываемых массивов для шахт неглубокого заложения. В частности на Ленинградском месторождении горючих сланцев глубина ведения горных работ составляет 40ч-140м. При таких малых глубинах применение различных технологий выемки неизбежно приводит к деформации подрабатываемого массива горных пород, включая земную поверхность. Закономерности такого деформирования определяются степенью извлечения полезного ископаемого из недр, зависящей от параметров применяемых систем разработки.

Изучение влияния технологических параметров отработки промпласта на состояние налегающей толщи пород и земной поверхности, как очевидно, весьма затруднительно и дорогостояще в условиях прямых производственных экспериментов, не обладающих к тому же необходимой общностью получаемых результатов.

Предварительный анализ методов решения подобных задач показал, что методика, позволяющая в конечном итоге осуществлять предпрогноз степени нарушенности массива горных пород и земной поверхности в зоне ведения горных работ, в функции параметров применяемых систем разработки, может быть получена экспериментально-аналитическим методом. Он может быть использован для широкого круга исходных условий при более низком затратном механизме достижения поставленной цели.

Создание методики контроля состояния подрабатываемого массива даёт возможность устанавливать рациональные параметры систем разработки в широком диапазоне рассматриваемых горно-геологических условий, что позволит повысить эффективность проектных и технологических решений и снизит себестоимость продукции.

Существенный вклад в разработку и совершенствование методов проектирования технологий подземной разработки пластовых месторождений и обеспечение её безопасности, в том числе и по геомеханическому фактору, внесли учёные и специалисты горного производства: Ардашев К. А., Борисов А. А., Бурчаков А. С., Громов Ю. В., Ковалёв О. В., Левин А. С., Линьков A.M., Проскуряков Н. М., Протосеня А. Г., Стеценко В. П., Шемякин Е. И., Шик В. И., Шувалов Ю. В. и др. исследователи.

Цель работы. Повышение эффективности работы горнодобывающих предприятий на основе выбора рациональных параметров систем разработки на шахтах неглубокого заложения.

Основная идея работы. При выборе рациональных технологий выемки промпласта горючих сланцев необходимо учитывать закономерности изменения напряженно-деформированного состояния налегающего массива, включая земную поверхность,.

Задачи исследований:

1. Изучение характерных геолого-геомеханических структур во вмещающей промпласт толще пород и их ранжирование по геометрическим и деформационно-прочностным параметрам.

2. Прогнозная оценка условий деформирования подрабатываемого массива и земной поверхности в зонах ведения подземных горных работ.

3. Разработка методики выбора рациональных параметров управления горным давлением применительно к вариантам технологии выемки запасов горючего сланца в пределах месторождения.

4. Разработка рекомендаций к параметрам систем разработки для рационализации степени извлечения полезного ископаемого по площади месторождения.

Защищаемые научные положения:

1. Сочетания деформационных свойств выделенных литотипов пород покрывающей толщи определяют параметры оседания поверхности шахт неглубокого заложения.

2. Для оценки возможных изменений технологических условий эксплуатации шахт, и при выборе и сопоставлении мероприятий, используемых при консервации необходимо учитывать распределение и интенсивность горизонтальных деформаций,.

3. Связь перемещений массива с оседаниями поверхности и коэффициентом извлечения полезного ископаемого из недр может быть установлена при помощи эмпирических зависимостей, реализованных для практических нужд в виде номограммы.

Научная новизна работы. Установлена зависимость оседания земной поверхности от сочетания деформационных свойств литотипов пород покрывающей толщи. Разработана методика изучения распределения и интенсивности горизонтальных деформаций в зависимости от параметров систем разработки, установлено, что интенсивность вертикальных перемещений пород подрабатываемой толщи, для шахт неглубокого заложения, является критериальным параметром при выборе системы разработки.

Методы исследований. Теоретическое обобщение и систематизация данных, сравнительный анализ статистических и опытно-практических данных, экспериментально-аналитический метод исследования необходимых для решения данной задачи параметров НДС, методы математического моделирования, лабораторные численные эксперименты на базе метода граничных элементов (МГЭ) с применением ЭВМ, современные методы математической обработки результатов экспериментов.

Достоверность полученных результатов обосновывается представительным объёмом проанализированной и обобщённой исходной информации, корректностью выполненных численных экспериментальных исследований на основе метода граничных элементов, высокой корреляцией результатов теоретических и экспериментальных исследований, количественным соответствием результатов решения горно-геомеханических задач с данными натурных исследований.

Практическая значимость работы.

• Установлено влияние технологических факторов отработки промпласта на состояние подрабатываемого массива и земной поверхности в функции параметров применяемых систем разработки.

• Даны рекомендации по выбору рациональной системы разработки и её параметров в конкретных горно-геологических условиях с учётом коэффициента извлечения полезного ископаемого из недр.

• Обоснована возможность использования предложенных методов оценки напряженно-деформированного состояния массива при оценке изменчивости водопритоков в горные выработки и при разработке мероприятий по консервации шахт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научных конференциях молодых учёных СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 1998, 1999, 2000, 2001 гг.), семинарах кафедры РМПС СПГГИ (ТУ), на технических советах в АО «Ленинградсланец».

Личный вклад автора. Поставлены задачи исследований, разработана методология их решения, обоснована и разработана методика выбора рациональных параметров управления горным давлением применительно к вариантам технологии выемки запасов горючего сланца, определяемых параметром Кю, даны рекомендации по применению эффективных систем разработки и их параметров, выполнена прогнозная оценка условий 8 деформирования подрабатываемого массива в зонах ведения подземных горных работ.

Основное содержание диссертационной работы изложено в 3 статьях, 2 тезисах докладов на научных конференциях. Материалы диссертации использовались при выполнении хоздоговорных работ в СПГГИ (ТУ). Структура и объём работы.

Диссертационная работа общим объёмом 156 страниц состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 103 источников, включает 28 рисунков и 19 таблиц.

Выводы по главе 4.

1. Растягивающие горизонтальные деформации, возникающие в кровле пласта при применении систем разработки с полным обрушением пород кровли и с частичной закладкой выработанного пространства, являются осложняющим фактором, который необходимо учитывать при оценке.

126 возможных изменений технологических условий эксплуатации и консервации шахт.

2. Наличие в подработанной толще «пород-мостов» изменяет характер напряжённо-деформированного состояния горных пород, но не оказывает существенного влияния на вертикальные перемещения (оседания) земной поверхности. Исключением являются «граничные случаи» когда наличие таких геологических структур увеличивает «несущую способность» налегающей толщи и ответственные элементы массива сохраняют свою устойчивость. Однако в реальных условиях эксплуатации шахт АО «Ленинградсланец» когда пролёты выработанного пространства рассчитываются исходя из устойчивости пород непосредственной кровли, а размеры целиков проектируются с учётом веса всего налегающего комплекса пород, наличие таких «пород-мостов» на усреднённые параметры процесса сдвижения не оказывает существенного влияния.

3. Разработанная номограмма позволяет определять параметры трёх основных для месторождения систем разработки в зависимости от горно-геологических условий отработки пласта горючего сланца и требований к состоянию поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научноисследовательскую работу, в которой предлагается новое решение актуальной научной задачи по оценке и выбору рациональных параметров систем разработки, применяемых на шахтах с небольшой глубиной ведения горных работ. В целом, решенный комплекс задач относится к классу проблем повышения эффективности подземной разработки горючего сланца и аналогичных месторождений.

Разработана общая методика инженерной реализации выполненных исследований, за счёт использования результатов работы при проектировании систем разработки (и расчёта их параметров) на перспективных участках шахтных полей АО «Ленинградсланец» с учётом требований к экологической и технологической безопасности подрабатываемых территорий. В прикладном аспекте внедрение результатов работы дает возможность рационализировать показатели горнодобывающих предприятий по улучшению технологических показателей, в частности за счёт повышения коэффициента извлечения полезного ископаемого и снижения уровня необходимых инвестиций на развитие добычи, при одновременном решении вопросов экологической безопасности окружающей среды, что, учитывая современное состояние АО «Ленинградсланец», имеет немаловажное значение.

Основные научные и практические результаты, вытекающие из выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Проанализированы и обобщены горно-геологические условия отработки запасов, что позволило: выделить характерные пакеты литотипов породустановить условия на контактах слоёв, слагающих горный массиввыделить системы трещин, с учётом которых определены деформационно-прочностные свойства, как средневзвешенные по мощности характеристики массива.

2. Разработана методика эмпирико-аналитического решения горно-геомеханических задач, по оценке всего спектра параметров напряжённо-деформированного состояния подработанного массива для условий Ленинградского месторождения горючих сланцев, которая включает:

— разработку горно-геомеханических моделей горного массива вмещающего промпласт горючего сланца на основании анализа и теоретического обобщения геометрических параметров и механических свойств, слагающих данный массив литологических разностей пород;

— на базе анализа возможных технологий выемки запасов горючего сланца и возможных геометрических и деформационных параметров моделируемого массива разработаны расчётные схемы для определения параметров напряжённо-деформированного подрабатываемой толщи техногенного массиваобобщение результатов исследования позволило выявить закономерности деформирования подработанного массива и на этой базе разработать рекомендации по выбору рациональных коэффициентов извлечения полезного ископаемого в зависимости от требований к состоянию подрабатываемых территорий.

3. Для всего спектра варьирования коэффициента извлечения полезного ископаемого из недр (0,7<КИЗ<0,9) при различных системах разработки установлена функциональная зависимость с параметрами оседания земной поверхности «гр> и вертикальными перемещениями массива «V».

4. Разработана методика оценки оседаний поверхности в пределах горных отводов шахт, даны эмпирические зависимости, разработана номограмма для реализации указанной методики при практически необходимой оценке степени нарушенности подрабатываемого массива.

5. Разработана методика выбора рациональных параметров систем разработки (KH3=f (r|, V)) с учётом состояния подрабатываемого массива и.

129 земной поверхности, и рекомендованы параметры систем разработки в конкретных горно-теологических условиях для всего спектра варьирования коэффициента извлечения полезного ископаемого из недр.

6. Обоснована возможность использования предложенных методов оценки напряженно-деформированного состояния массива при оценке изменчивости водопритоков в горные выработки и при разработке мероприятий по консервации шахт.

Результаты исследований используются АО «Ленинградсланец» на Ленинградском месторождении при проектировании работ по выемке отработке запасов горючего сланца.