Обґрунтування параметрів безціликової підготовки крутих вугільних пластів на глибинах понад тисячу метрів

Abstract

Дисертація присвячена проблемам обґрунтування технологічних параметрів безціликової підготовки крутих вугільних пластів на глибинах понад тисячу метрів. На підставі встановлених закономірностей перерозподілу напружено-деформованого стану порід навколо вентиляційного штреку розроблена технологія, яка дозволяє знизити витрати на підтримку підготовчих виробок та експлуатаційні втрати вугілля. У дисертації, на підставі досліджень, встановлені: взаємозв'язок між параметрами польової підготовки і розмірами залишених ціликів вугілля; залежність експлуатаційних втрат вугілля в ціликах від параметрів польової підготовки; взаємозв'язок між параметрами польової підготовки і формуванням зон підвищеного гірничого тиску на сусідніх викидонебезпечних пластах. Визначена оптимальна відстань між польовим штреком і пластом залежно від часу його експлуатації. Вдосконалена економіко-математична модель визначення витрат на підтримку польового штреку, з урахуванням віддаленості його від пласта. Розроблені і економічно оцінені технологічні схеми польової підготовки крутих пластів без залишення ціликів вугілля. Виконане математичне моделювання дозволило встановити збіжність аналітичних й експериментальних результатів, чим підтверджене правильність зроблених висновків. Розроблені практичні рекомендації по підвищенню стійкості пластового вентиляційного штреку під час переходу робіт на нижчій горизонт. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи у середньому становить 800 тис. грн. на одну дільницю. Результати теоретичних розробок, шахтних досліджень і висновків дисертації використані при розробці нормативних документів Мінвуглепрому України і знайшли застосування на шахтах Центрального району Донбасу.

Диссертация посвящена проблемам обоснования технологических параметров безцеликовой подготовки крутых угольных пластов на глубинах свыше тысячу метров. На основании установленных закономерностей перераспределения напряжённо-деформированного состояния пород вокруг вентиляционного штрека, предложена технология, которая позволяет снизить расходы на поддержание подготовительных выработок и эксплуатационные потери угля. В диссертации, на основании исследований, установлены: взаимосвязь между параметрами полевой подготовки и размерами оставляемых ленточных целиков угля; зависимость эксплуатационных потерь угля в целиках от параметров полевой подготовки; взаимосвязь между параметрами оставленных целиков угля и формированием зон повышенного горного давления на соседних сближенных выбросоопасных пластах. Определено оптимальное расстояние между полевым штреком и пластом в зависимости от времени его эксплуатации по критериям расходов на проведение горизонтальных сбоек и на поддержание полевого вентиляционного штрека. Уточнена экономико-математическая модель определения затрат на поддержание полевого штрека, с учётом удалённости его от пласта. Использование модели позволило повысить эффективность применения полевой подготовки при различных горно-геологических условиях отработки крутых пластов. Разработаны и экономически оценены пять технологических схем, позволяющих снизить потери угля и повысить безопасность работ на выбросоопасных крутых угольных пластах, а также на пластах с неустойчивыми боковыми породами при их отработке на глубинах свыше тысячу метров. Определены достоинства, недостатки и область применения каждой из разработанной схемы. Определена техническая возможность их применения для условий шахт Центрального района Донбасса в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий, а также с учётом действующих глубин ведения горных работ Выполнено математическое моделирование, которое позволило установить сходимость аналитических и экспериментальных результатов и подтвердить правильность сделанных выводов. На основе теоретических и инструментальных исследований в шахтных условиях разработаны практические рекомендации по повышению устойчивости пластового вентиляционного штрека при переходе горных работ на нижележащий горизонт. Комплексными экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность технологических схем полевой подготовки крутых угольных пластов без оставления целиков угля на вентиляционных горизонтах. Ожидаемый годовой экономический эффект от применения результатов диссертационной работы в среднем составит 800 тыс. грн. на один участок. Результаты теоретических разработок, шахтных исследований и выводов диссертации использованы при разработке Руководящего нормативного документа «Крутые и крутонаклонные пласты. Полевая подготовка без оставления целиков угля» (КД 12.01.01.101–2000) и Стандарта Минуглепрома Украины «Правила ведения горных работ на пластах, склонных к газодинамическим явлениям» (С0У 10.1.00174088.011–2005) и нашли применение на шахтах Центрального района Донбасса.

Dissertation is devoted to the problems of technological parameters field preparation of steep seams on the ventilation horizons without leaving tape pillars at the depth over thousand meters , on the basis of the established laws of redistribution of stress-strain state of rocks around the ventilation drift, that allows to reduce the expenses on the maintenance of preparatory workings and operational losses of coal. In dissertation on the basis researches to set: intercommunication between the parameters of the field preparation and forming of areas of the promoted mountain pressure on neighbouring outburst dangerous layers. Developed and economic appraised technological to the chart of the field preparation steep layers without abandonment of pillars coal. Optimum distance is certain between the field drift and layer depending on time of his exploitation. Specified economic-mathematical model of determination of charges in support the field drift, taking into account the remoteness of him from a layer. Developed practical recommendations after the increase of firmness of seam venting drift at the field preparation of layer in transition of works on lower horizon. Mathematical modeling is carried out, which allowed to establish the convergence of the analytical and експериментальных results and confirm the validity of the conclusions. The expected annual economic effect from application of dissertation job performances on the average will make a 800 thousand of UAH on one area. Results of theoretical developments, mine researches and conclusions of dissertation used for development of normative documents of Ministry of coal industry of Ukraine and was found application on the mines of Central district of Donbass.

В диссертации на основе впервые установленных для горно-геологических условий ТДО «Шахта Белозерская» закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния породного массива в окрестности капитальных наклонных выработок, решена актуальная научно-техническая задача определения допустимых размеров предохранительных целиков, охраняющих выработки от взаимного влияния и от влияния опорного давления впереди очистных выработок. На основании анализа результатов инструментального наблюдения за состоянием уклона и ходков пласта l8 горизонта 550 м, а также горно-геологических условий их заложения, установлено, что интенсивность проявления горного давления, выражающегося в виде уменьшения высоты выработок, оказывается существенно ниже на тех участках, над которыми в основной кровле залегает мощный (до 22 м) пласт песчаника, крепость которого в 1,5…2 раза выше иных вмещающих породных пластов. На моделях из эквивалентных материалов установлены закономерности изменения конвергенции для двух капитальных выработок, разделенных целиком, в зависимости от его ширины. Развитие деформационных процессов в моделях отличается в зависимости от ширины целика, мощности пласта песчаника в кровле и расстояния от него до почвы угольного пласта. Смещения точек контура выработок возрастают при уменьшении размеров целика. Увеличение мощности песчаника или приближение его к угольному пласту приводит к снижению величины конвергенции в выработках. Зависимости изменения конвергенции от указанных параметров описываются экспоненциальными функциями, а наименьшие смещения контура характерны для моделей, в которых пласт песчаника располагаемый непосредственно в кровле угольного пласта имеет мощность 18 м и более. На основе математического моделирования методом конечных элементов впервые для горно-геологических условий ТДО «Шахта Белозерская» установлены закономерности распределения напряжений в пределах целика, допустимые размеры которого обоснованы с использованием адаптированной для особенностей напряженно-деформированного состояния породного массива угольных шахт методики определения коэффициента запаса прочности. Определены диапазоны минимальных размеров сложноструктурного предохранительного целика в зависимости от мощности угольного пласта, которые для заданных условий варьируются в пределах 11,5…15 м для двух выработок, разделенных целиком. На численных моделях выявлены закономерности изменения размеров области неупругих деформаций в зависимости от мощности пласта песчаника в кровле и расстояния от него до почвы угольного пласта, носящие экспоненциальный характер, для двух характерных ситуаций шахты: «выработка-целик-выработка» и «лава-целик-выработка». На основании бифуркационной теории пучения определены граничные размеры зоны неупругих деформаций вокруг выработок, рост которых наблюдается при уменьшении ширины целика, удалении мощного слоя песчаника от угольного пласта или уменьшении его размеров, что позволило построить соответствующие зависимости. В зависимости от горно-геологических условий, характерных для шахты, рекомендуемая ширина предохранительного целика между двумя капитальными выработками составляет 15…22,5 м, между лавой и капитальной выработкой – 30…60 м. Сравнение результатов измерения смещений точек контура выработок на замерных станциях и рассчитанных на основании численного моделирования показывает достаточно высокую сходимость (разброс менее 10 %). Обоснована экономическая эффективность экспериментального уменьшения размеров целиков между лавой и ходком, составившая 2,5 млн.грн./год на один очистной забой.