Совершенствование технологии разработки мощных крутонаклонных пластов с буровзрывной выемкой угля без присутствия людей в очистном забое

В решениях ХХУТ съезда КПСС указано, что важнейшим направлением в области развития угольной промышленности СССР является резкий рост эффективности производства при неуклонном повышении безопасности труда и рациональном использовании запасов угля.

При подземной разработке угольных месторождений поставленную задачу можно решить путем использования достижений науки и техники, освоением новых высокопроизводительных автоматизированных средств добычи угля на шахтах без постоянного присутствия направлением в развитии угольной промышленности СССР и позволяет решить не только экономическую, но и социальную задачу, так как создается возможность освобождения человека от тяжелого подземного труда. Однако реализация указанного направления заметно сдерживается ухудшением условий разработки угольных месторождений в связи с вовлечением в эксплуатацию все более нарушенных участков, характеризующихся изменчивым залеганием и строением пластов, наличием многочисленных тектонических нарушений и другими особенностями.

Внедрение прогрессивной технологии угледобычи с применением современных средств комплексной механизации в указанных выше условиях обычно весьма затруднено. В связи с этим при разработке мощных крутонаклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях преимущественно применяются относительно более гибкие и простые способы взрывной выемки угля без крепления и присутствия людей в очистном забое с поддержанием кровли угольными целиками — «ножами» .

Отсутствие процесса крепления призабойного пространства обеспечивает резкое сокращение многооперационности работ по добыче угля, что приводит к значительному увеличению нагрузки очислвдей в очистных забоях.

Вышеотмеченное является основным гного забоя и улучшению основных технико-экономических показателей производства.

Опыт разработки мощных крутонаклонных пластов показывает, что в сложных горно-геологических условиях залегания способы взрывной выемки угля широко распространены и практически незаменимы. Однако при их осуществлении не всегда обеспечиваются нормальные условия выемки, при этом высоки эксплуатационные потери. Положение усугубляется тем, что основные параметры указанных способов обычно принимаются произвольно, без соответствующего научного обоснования, а исследовательские работы в этой области практически не ведутся.

В связи с вышеизложенным вопрос совершенствования указанной технологии и оптимизации ее параметров является для рассматриваемых условий актуальным, имеет большое научное и практическое значение.

Работа выполнена в соответствии с утвержденным планом научных исследований Института горной механики им* Г. А. Цулукидзе АН ГССР в области совершенствования существующих и изыскания новых способов выемки мощных крутонаклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях Ткварчельского месторождения, в которой автор в 1972;83 гг. принимал участие в качестве ответственного исполнителя.

Цель работы состоит в усовершенствовании и оптимизации параметров взрывного способа выемки угля без присутствия людей в очистном забое при разработке мощных крутонаклонных пластов в сложных горно-геологических условиях, которые должны обеспечить снижение эксплуатационных потерь угля, а также повышение эффективности и безопасности работ.

Основная идея работы состоит в определении эффективных и безопасных условий применения взрывного способа выемки угля без крепления и присутствия людей в очистном забое и оптимизации его параметров с помощью экономико-математического моделирования с использованием ЭВМ.

Задачи исследования: анализ опыта применения способов выемки угля без крепления и присутствия людей в очистном забое при разработке мощных крутонаклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях;

Изыскание, промышленное испытание и внедрение эффективных способов взрывной выемки угля без присутствия людей в очистном забое для условий Ткварчельского месторождениясоставление экономико-математической модели и установление оптимальных параметров указанных способов выемки угля с использованием ЭВМ.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использован комплексный метод, включающий научное обобщение, аналитические и экспериментальные исследования с применением экономико-математического моделирования с использованием ЭВМ, промышленные испытания и технико-экономический анализ конечных результатов.

Научная новизна работы: разработана и внедрена эффективная технология и обоснована технико-экономическая целесообразность применения взрывного способа выемки угля без присутствия людей в очистном забое для мощных крутонаклонных пластов в сложных горно-геологических условияхразработана физическая модель напряженного состояния целиков между выемочными участками и блоками, в которой угольный массив в боковой зоне опорного давления рассматривается как временный целик, воспринимающий основные нагрузки пород кровли, а межблочные целики — как технологические, воспринимающие значительно более меньшие нагрузки. Это позволило предложить инженерный метод расчета параметров указанных выше целиков по геомеханическому факторувпервые для условий Ткварчельского месторождения разработана экономико-математическая модель отработки выемочных полей и участков при исследуемых способах взрывной выемки угля и на базе выполненных исследований с применением ЭВМ установлены оптимальные параметры технологии разработки, обеспечивающие высокую эффективность работ и сравнительно умеренные эксплуатационные потери.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждена шахтными экспериментами, внедрением рекомендуемых способов и параметров взрывной выемки в производство, использованием полученных результатов в проектных разработках, а также сходимостью расчетной и фактической эффективности рекомендуемых параметров.

Практическая ценность заключается в усовершенствовании существующего и создании нового способов взрывной выемки угля, а также в определении их оптимальных параметров, позволяющих увеличить безопасность и эффективность работ при разработке мощных крутонаклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях Ткварчельского и других аналогичных месторовдений".

Реализация работы. Предложенные способы взрывной выемки с оптимальными параметрами внедрены на шахтах Ткварчельского месторождения.

Результаты исследования включены в «Дополнительные технологические схемы очистных работ на шахтах производственного объединения «Грузуголь», утвервденные Генеральным директором ПО «Груз-уголь», а также в проектные разработки института «Грузгипрошахт» .

В результате внедрения разработанной в диссертации технологии суммарный среднегодовой экономический эффект на Ткварчель-ской шахте им. В. И. Ленина составил 192,0 тыс. руб.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, а также ее отдельные положения докладывались и были одобрены на заседаниях Ученого совета Института горной механики им. Г. А. Цулукидзе АН ГССР (1975;1983 гг.), на Республиканской научно-технической конференции «Совершенствование существующей и создание новой технологии разработки мощных пластов угля на месторождениях Грузии» (г. Ткибули, 1974 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Вскрытие, подготовка и системы разработки для глубоких шахт» (г. Донецк, 1977 г), на Всесоюзном техническом совещании «Направления создания и совершенствования технологии и средств безлюдной выемки угля в шахтах» (Москва, 1980 г.), на Республиканском научно-техническом совещании «Использование энергии взрыва в народном хозяйстве» (г.Батуми, 1981 г.), на Ш Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов горной промышленности Грузии «Совершенствование технологии и механизации добычи полезных ископаемых» (г.Тбилиси, 1982 г.), на расширенном научном семинаре Лаборатории разработки угольных месторождений Института гррной механики им. Г, А. Цулукидзе АН ГССР (1984 г.).

Публикация работы. По теме диссертации автором опубликовано 15 работ, кроме того получено авторское свидетельство на изобретение (а.с. СССР № 985 293, Кл. Е 21 с 41/04.). Результаты приведенных в диссертации исследований отражены в трех депонированных отчетах по научно-исследовательским работам, ответственным и непосредственным исполнителем которых был автор (Гос.регистр. М 74 033 655, 79 033 956).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендация, списка использованной литературы, насчитывающего 109 наименований и шести приложений.

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

1. Анализ отечественного и мирового опыта разработки мощных крутонаклонных пластов показывает, что в сложных горно-геологических условиях наиболее эффективной является буровзрывная технология вышки угля с отработкой пластов на полную их мощность без присутствия людей в очистном забое с поддержанием кровли угольными целиками — «ножами» .

2. Лабораторией разработки угольных месторождений ИГМ mi.Г. А. Цулукидзе АН ГССР, совместно с ПО «Грузуголь',' при непосредственном участии автора, созданы, испытаны и внедрены в сложных горно-геологических условиях разработки мощных крутонаклонных пластов Ткварчельского каменноугольного месторождения различные способы буровзрывной выемки угля без крепления и присутствия людей в очистном забое с управлением кровлей угольными целиками — «ножами». В частности внедрены способы с взрывной подсечкой угольного массива скважинными зарядами, с отбойкой угля скважинно-шпуровыми зарядами и подэтажной отбойкой угля шпуровыми зарядами.

3. Установлена рациональная область применения разработанных и внедренных в промышленность способов выемки угля без крепления и присутствия людей в очистном забое с управлением кровлей угольными целиками — «ножами». При сравнительно спокойном залеганий пласта и мощности до 5−7 м, наличии в его строении породных прослоек толщиной не более 25−30 см и суммарной их мощности не более 2Ъ% вынимаемой мощности пласта перспективны способы выемки угля с взрывной подсечкой скважинными или скважинно-шпуровыми зарядамидля сильно нарушенных пластов, а также пластов мощностью более 5−7 м и наличии в строении пласта большого количества породных прослоек толщиной более 25−30 см перспективен подэтажный способ отбойки угля шпуровыми зарядами.

4. Разработан и внедрен в промышленность новый способ подготовки выемочных участков (для исследуемых способов выемки угля), при котором конвейерный штрек верхнего и вентиляционный штрек нижнего подэтажей располагаются на одном уровне (горизонте) соответственно у почвы и кровли пласта (а.с. № 985 293). Это обеспечивает: значительное снижение удельных затрат на проведение и поддержание участковых промежуточных квершлагов, их сопряжений со скатами и выемочных штрековэффективное проветривание, надежный контроль над пылегазовым режимом и состоянием кровли в очистных забоях, а также снижение эксплуатационных потерь между выемочными участками.

5. Предложена новая схема и методика расчета размеров угольных целиков между выемочными участками и блоками: угольный массив вдоль нижней границы выработанного пространства рассматривается как временный опорный целик, воспринимающий основную нагрузку вышележащих пород, а упомянутые выше целики — как технологические, воспринимающие лишь часть веса вышележащих пород и ограждающие рабочий блок от обрушенных или перепускаемых пород. Это позволяет определять научно обоснованные размеры целиков при исследуемой технологии.

6. Разработана экономико-математическая модель, составлены алгоритмы и произведено программирование задач. На ЭВМ EC-I0/33 выполнены расчеты оптимизируемых параметров технологии разработки при фиксированных значениях основных природных и горнотехнических факторов, влияющих на технико-экономическую эффективность.

7. Предложен комплексный метод определения оптимальных размеров выемочных блоков при исследуемой технологии по критериям допустимых обнажений кровли и приведенных затрат на I т промышленных запасов. Установлено, что оптимальная ширина блоков при мощности пласта 5 м и суточной нагрузке очистного забоя 250 т составляет 23 м при взрывной подсечке угля и по 20 м при выемке угля скважинно-шпуровыми и шпуровыми зарядами.

8. В результате выполненных расчетов установлено, что оптимальные размеры выемочных участков по простиранию и наклонная высота подэтажей составляет при взрывной подсечке угольного массива скважинными зарядами, отбойке угля скважинно-шпуровыми зарядами и подэтажной отбойке шпуровыми зарядами 155 и 62 м- 160 и 64 м и 160 и 50 м соответственнос увеличением мощности пласта и суточной нагрузке очистного забоя оптимальные размеры выемочных участков как по простиранию, так и по падению сокращаютсяуменьшается также приведенная себестоимость добычи угля.

9. Установлено, что при оптимизации параметров вскрытия и подготовки выемочных участков при мощности пласта 5 м и суточной нагрузке очистного забоя 250 т экономический эффект на I т промышленных запасов при взрывной подсечке угольного массива скважинными зарядами, отбойке скважинно-шпуровыми зарядами и подэтажной отбойке шпуровыми зарядами составит 28,1- 33,5 и 11,4 коп. соответственно.

10. Определена область применения буровзрывного способа выемки угля без присутствия людей в очистном забое по фактору потерь угляустановлено, что при максимально допустимом размере потерь угля (до 30 $) предельная глубина разработки мощных крутонаклонных пластов, в зависимости от несущей способности угольного массива вдоль нижней границы выработанного пространства, составляет 7 501 000 м.

11. С целью резкого сокращения потерь угля, совершенствования способа управления горным давлением и расширения области применения буровзрывных способов выемки угля без присутствия людей в очистном забое, рекомендуется применять частичную твердеющую закладку. Установлено, что при замене межблочных угольных целиков искусственными, суммарные затраты на I т промышленных запасов сократятся за счет снижения эксплуатационных потерь на 0,662 руб.

12. Результаты выполненных исследований включены в «Дополнительные технологические схемы очистных работ на шахтах производственного объединения «Грузуголь», утвержденные Генеральным директором ПО «Грузуголь» (Изд. «Мецниереба» Тбилиси-Кутаиси, 1977 г.), а также в проектные разработки института «Грузгипро-шахт» .

В результате внедрения разработанных в диссертационной работе технологических решений среднегодовой экономический эффект на Ткварчельской шахте им. В. И. Ленина составляет 192,438 тыс. руб.

13. Результаты выполненных исследований могут найти применение в сложных горно-геологических условиях ряда месторождений Кузнецкого, Кизелевского и Челябинского бассейнов, а также месторождений Средней Азии и Дальнего Востока при разработке мощных крутонаклонных пластов с буровзрывной выемкой угля без присутствия людей в очистном забое.

— 186 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.