Разработка технологических схем проветривания при камерной системе отработки крутопадающих пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения

Актуальность работы. ПрокопьевскоКиселевское угольное месторождение, запасы которого составляют около 31 млрд. тонн, является одним из наиболее крупных месторождений Кузбасса. Отработка запасов угля осуществляется преимущественно буровзрывным способом, применение средств комплексной механизации может производиться только выборочно.

Достаточно сложное строение угольного месторождения, существенная доля ручного труда и многие другие причины влияют на производственный травматизм.

Ежегодно число погибших в этом регионе, отнесенное к 1,0 млн. тонн добычи угля, в 2,5 -4 раза превышает средний показатель по угольной отрасли России. За последние 14 лет на шахтах г. Прокопьевска зарегистрировано 15 374 травмы, 226 человек погибло. В результате аварий, связанных со взрывами и вспышками метановоздушной смеси, подземными пожарами, внезапными выбросами угля и газа в очистных, подготовительных забоях, действующих выработках, погибло 44 человека.

Повышенная степень опасности производства горных работ на шахтах крутого падения по сравнению с шахтами, разрабатывающими пласты угля с пологим залеганием, объективно обусловлена рядом факторов, обстоятельств, основными из которых являются: крутое залегание пластов, их большая мощность, сближенность, наличие множества геологических нарушений, применение систем добычи угля с разрушением горного массива взрывными работами, отсутствие средств механизации, ненадежное проветривание очистных забоевопасность травмирования при массовом применении взрывных работ, возможность инициирования вспышек и взрыва метановоздушной смесиподземные эндогенные пожарывнезапные выбросы, горные удары и другие динамические явления.

В связи с изложенным, научные исследования, направленные на совершенствование технологических схем проветривания горных выработок, обеспечивающих предупреждение опасных газодинамических явлений и взрывов угольной пыли, снижение газообильности и эндогенной пожароопасности крутопадающих угольных пластов в этом регионе являются актуальными.

Диссертация выполнена в соответствии с тематическими планами и программами научноисследовательских работ НЦ ВостНИИ, ВНИМИ, КузНИ-УИ, угольных компаний. «Прокопьевскуголь», «Киселевскуголь» и Ростехнад-зора.

Целью работы является разработка эффективных технологических схем проветривания при отработке крутых и крутонаклонных угольных пластов камерными системами Прокопьевско — Киселевского месторождения.

Идея работы заключается в установлении закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках и их использование при управлении проветриванием газообильных шахт, разработке безопасных параметров управления аэрогазодинамическими процессами.

Задачи исследований: провести анализ состояния управления газодинамическими процессами при отработке крутопадающих пластов камерными системами в различных горнотехнологических условияхизучить закономерности образования газоопасных зон в горных выработках на базе анализа структуры газового баланса при действующих технологических схемах проветриванияразработать меры по предотвращению в горных выработках скоплений метановоздушной смеси, угольной пыли и ее взрывов, внезапных выбросов угля и газа, возникновений эндогенных пожаровразработать эффективные технологические решения по проветриванию очистных и подготовительных выработок, обеспечивающих безопасное управление аэрогазодинамическими процессами при отработке крутопадающих участков пластов.

Методы исследований: анализ и обобщение работ по применению существующих способов управления технологическими схемами проветриванияшахтные эксперименты по исследованию аэрогазодинамических процессов в вентиляционной сети горных выработок при камерных системах разработкиэкспериментальностатистическое обоснование управления аэрогазодинамическими процессами в горных выработкахметоды математической статистики при обработке и анализе экспериментальных данных.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Невыдержанность углов падения крутых и крутонаклонных пластов и их мощность, наличие участков геологических нарушений и зон ослабленного угля обусловливают отработку более 40% запасов угля Прокопьевске — Киселевского месторождения безопасными камерными системами — подэтажная штрековая отбойка (ПШО), блоковые обрушения породы (БОП), блоковые обрушения из выемочных штреков без магазинирования угля (БОШ).

2. Реализация прогрессивных технологических решений по проветриванию очистных и подготовительных выработок при камерных системах с учетом интенсивности газовыделения из отбитого угля и коэффициентов турбулентной диффузии и сейсмоактивности месторождения, а также неравномерности газовыделения обеспечивают безопасность при отработке высокогазоносных угольных пластов.

3. Оптимальное использование подаваемого в горные выработки воздуха для управления опасными скоплениями метановоздушной смеси и обеспечения устойчивости проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности технологических схем проветривания выемочных участков, применением новых технических решений с учетом их горногеологических, горнотехнических и технологических условий эксплуатации.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: обоснованностью постановки задач управления аэрогазодинамическими процессами, протекающими в горных выработках при камерных системах разработки угольных пластовиспользованием апробированных методов и приборов контроля, проведения шахтных экспериментальных исследованийнеобходимым и достаточным для статистической обработки количеством шахтных исследований, проведенных в 1980 — 2004 гг. в 50 горных выработках 10 шахт Прокопьевско — Киселевского месторожденияположительными результатами практического применения технологических схем проветривания при камерных системах отработки крутопадающих угольных пластов.

Научная новизна работы заключается в следующем: научно обосновано, что при существующих горногеологических условиях ПрокопьевскоКиселевского месторождения разработку крутопадающих пластов целесообразно вести эффективными и безопасными камерными системами, обеспечивающими выемку нарушенных пластов, доработку аварийных участков, а также погашение оставленных целиков, а также создание зон разгрузки при отработке свит пластовустановлено, что концентрация метана в исходящей струе обратно пропорциональна количеству проходящего по выработке воздуха и прямо пропорциональна магнитуде месторожденияразработана методика расчета метанообильности очистных забоев при камерных системах отработки крутопадающих пластов в зависимости от горнотехнических факторов, технологических процессов и сейсмоактивностиразработаны эффективные технологические схемы проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов, инструкция по их безопасному применению на шахтах Прокопьевско — Киселевского месторождения, согласованные и утвержденные в установленном законом порядке.

Личный вклад автора состоит: в анализе производственного травматизма и обосновании концепции применения камерных систем отработки крутопадающих пластов Прокопьевско — Киселевского месторожденияв установлении зависимости газового режима в горных выработках от сейсмоактивности угольного месторожденияв разработке методики расчета метанообильности очистных забоев и количества воздуха для их проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов в зависимости от горнотехнических факторов, технологических процессов и сейсмоактивностив разработке эффективных технологических схем проветривания при камерных системах отработки крутопадающих пластов и инструкции по их безопасному применению в угольных шахтах Прокопьевско — Киселевского месторождения.

Практическая ценность работы.

Полученные результаты позволяют: обосновать эффективные технологические схемы проветривания для обеспечения безопасности отработки крутопадающих пластов камерными системамиопределять метанообильность очистных забоев при различных вариантах камерных систем разработки крутопадающих пластовопределять расчетное количество воздуха для проветривания горных выработок на основе позабойного методаопределять зоны неравномерности газовыделения с учетом сейсмоактивности месторожденияуправлять аэрогазодинамическими процессами и формированием газообильности горных выработок в многофакторной системе проветривания угольных шахт.

Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при разработке следующих нормативных документов: Указания по рациональной разработке свит сближенных крутых и крутонаклонных пластов Кузбасса-Л.: ВНИМИ, 1985; Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. Части 1,2 — М.: ИГД им. А. А. Скочин-ского, 1991; Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных выработок на угольных месторождениях. — М.: Недра, 1998; Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. — Макеевка: МакНИИ, 1989; Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих пласты, склонные к горным ударам. — Л.: ВНИМИ, 1999; заключения и рекомендации по использованию нормативных документов, составлению проектов в производственных объединениях, шахтах и на курсах горнотехнических ВУЗов РФ.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на заседаниях ученых советов НЦ ВостНИИ (г. Кемерово, 1995, 1999, 2000, 2002, 2005 гг.), ВНИМИ (г. Прокопьевск, г. СанктПетербург, 1994, 1998, 2000, 2004 гг.), МакНИИ (Макеевка, 1989, 1990 гг.), ННЦГП ИГД им. А. А. Скочинского (г. Люберцы, 1991, 2000 гг.), РОСНИИГД (г. Прокопьевск, г. Кемерово, 1983, 1986, 1996, 2000, 2003 гг.), КузНИУИ (г. Прокопьевск, 1994 г.), на НТС Минтопэнерго РФ (г. Москва, 1996 г.), производственных объединениях и угольных компаниях Прокопьев-скуголь, Киселевскуголь (г. Прокопьевск, г. Киселевск, 1995, 1998, 2000, 2002,.

2004 гг.), Кузнецком управлении Ростехнадзора (г. Кемерово, 1999, 2002, 2004.

ГГ.). • — .

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в т. ч. 5 статей, 1 патент и 2 нормативных документа.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, изложенных на 11^{страницах} машинописного текста, включая 8 рисунков, 7 таблиц, списка использованных источников из 40 наименований.

f.У. Общие выводы: — - -. • .-•-.

1. На пластах мощностью до 4−5 м и А25−40 системы, предусматривающие крепление забоев без гидросмыва не работоспособны. При сохранении затрат на крепление и применении гидросмыва они смогут только снизить нагрузки. Отказаться от крепления забоя проблематично из-за преждевременного обрушения кровли и «отсечки» угля в камере. Уменьшение длины камеры по восстанию и отказ от крепления приведёт к минимуму взорванный объём угля, который будет сопоставим с объёмом.

2. На пластах мощностью 5−10м А40−55° возможно применить чисто «сухую» технологию, но это связано с большим удельным объёмом проведения выработок. Наиболее эффективной очистной технологией, охватывающей диапазон углов 25−50, может быть, на мой взгляд, комбинация: разрушение верхней части камеры (блока) с помощью ВР за один приём по принципу БОШ, а нижнюю разрушать частями так же с помощью ВР, используя торцевой выпуск с последующим смывомразрушение верхней части камеры (блока) с помощью ВР за один приём по принципу БОШ, а нижнюю разрушать частями с помощью гидромонитора, используя торцевой выпуск. Отрицательный момент — место, выгрузки (6−8м) проветривается за счёт ВМП.

3. На пластах мощностью >10м с Л25−55° реально существует способ применить «сухую» технологию, которая может стать альтернативой ПГО. При объединении их некоторых составляющих, можно увеличить как нагрузки на забой с уменьшением энергозатрат, так и-повысить процент извлечения запасов. Такое объединение даст эффект и на пластах с большими углами падения. Отрицательный момент — место выгрузки (6−8м) проветривается за счёт ВМП.

РОССИЙСКАЯ Лл ГОСУЛЛРСТПиННЛЛ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО РЕЖИМА В РЕЗУЛЬТАТЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В УСЛОВИЯХ ШАХТ ПРОКОПЬЕВСКО — КИСЕЛЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

Процесс землетрясения и сегодня, остается объектом умозрительных построений сейсмологов. Что происходит в очаге? Разрыв сплошности среды с разрядкой упругих напряжений? Подземная молния — мощный электрический разряд? Или удар при торможении блока горных пород? ].

В настоящее время существует несколько теорий природы землетрясений. Прежде всего, теория, выдвинутая 80 лет назад Дж. 'Рейдом^ Суть ее состоит в накоплении упругих деформаций при постепенном нарастании перемещения блоков, образовании разрыва и резкого смещения сторон разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформации. Разрыв, трещина, собственно очаг землетрясения, по Рейду, могут либо выходить на поверхность — и тогда мы наблюдаем сильное землетрясение, либо находиться под ней — во всех случаях слабых землетрясений [2, 36, 37].

Согласно другой теории землетрясение — это перемещение блока горных пород и удар при его торможении. При этом причиной возбуждения сейсмического излучения (упругой продольной волны), всегда является! торможение движущейся массы на контакте с неподвижной средой. Перемещение же блоков горных пород — результат взаимодействия во времени массы тела и прочности связей, удерживающих его в состоянии покоя. Для вещества недр земли характерны блоки с разной плотностью, разделенные негоризонтальными границами (тектонические нарушения). На границах гидростатическое равновесие заведомо нарушено и блоки удерживаются в покое за счет крепости окружающей среды. По истечении долговечности пород некоторые связи разрушаются, блок приходит в движение, приобретая кинетическую энергию и импульс. Удерживаемый новыми связями блок останавливается, кинетическая энергия и импульс при этом передаются в окружающую среду в виде пакета сейсмического излучения.

Согласно мнению петербургского ученого — директора НТФ «Геофиз-прогноз» Адама Гликмана, упругие колебания в зонах геологических нарушений, в подработанных участках кровли угольных пластов могут вызвать явление резонанса, что, в свою очередь, приводит к их разрушению на границах ослабленного механического контакта. На основе этих представлений был разработан метод спектрально-сейсморазведочного профилирования,. позволяющий выявлять в породном массиве зоны тектонических нарушений [1].

Обрушения пород кровли в выработанном пространстве меняют аэродинамику выработанного пространства, нарушая гидростатическое равновесие в пустотах. Метан в выработанном пространстве, находящийся в свободном состоянии под давлением, .близким к. атмосферному, — начинает-интенсивно выделяться в действующие выработки. Избыточное выделение прекращается при достижении равновесия в новых условиях.

В условиях угольных месторождений Кузбасса сейсмические явления природного происхождения чрезвычайно редки. Последний раз подземные толчки были зафиксированы во время Алтайского землетрясения летом и осенью 2003 г., интенсивность которых в Кузбассе составляла 3−4 балла по шкале Рихтера [1,36, 37].

Так, 16 июня 2003 г. на шахте «Красногорская» Прокопьевско-Киселевского угольного^{месторождения} в 18 ч 30 мин. были iзафиксированы подземные толчки в 4 балла. Одновременно в забое V подэтажного штрека кв. 1-восток по пласту Лутугинскому гор. 150 м были слышны горные удары в отработанном массиве. При этом было зафиксировано увеличение концентрации метана на исходящей струе до 2%. Увеличение концентрации было кратковременным, в 20 ч 00 мин она уже составляла среднее за сутки значение — 0,2%. Аналогичная картина была зафиксирована и на других участках этого горизонта.

На шахте им. Ворошилова 28 сентября 2003 г. была зафиксирована серия подземных толчков в период с 0 ч 00 мин: .до 5 ч 00 мин интенсивностью 2,7 -3,2 балла. Увеличение концентрации метана в исходящей струе при этом составило до 1,5% на пластах Лутугинском, Характерном. На шахте «Зиминка» в этот период концентрация метана составляла 0,7−1,0%. Так же, как и на шахте «Красногорская», эти явления-, сопровождались серией горных ударов в выработанном пространстве.

Профилактика пылегазового режима выработок в условиях крутых мощных пластов Прокопьевско-Киселевского угольного месторождения, где основной способ добычи полезного, ископаемого — буровзрывной, является одной из самых актуальных задач горного производства. Отсутствие надежных методов и средств непосредственного контроля за газообильностью и аэродинамическими характеристиками выработанного пространства приводит к необходимости применения горно-статистических методов оценки газовой обстановки. Безусловно, подобные оценки не. претендуют на всеобщность, поскольку учитываются лишь количественные характеристики для конкретного месторождения в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях. Кроме того, на качество оценки влияет объем статистического материала. Однако в этом подходе есть и положительные моменты. Прежде всего, это возможность определения факторов, оказывающих существенное воздействие на исследуемое явление [3, 37, 40].

Для определения изменения концентрации метана в исходящей струе в условиях сейсмической активности были приняты во внимание следующие факторы:. .

Сс//4 — концентрация метана, %- - магнитуда, баллд — количество воздуха, проходящего по выработке, м3/минк — вынимаемая мощность пласта, м- -. ... н — глубина забоя, м;

V — скорость подвигания очистного забоя, м/сута — угол наклона пласта, град.

На первом шаге были определены частные коэффициенты корреляции (таблица 6). Фактор считается информативным, если частный коэффициент корреляции больше 0,45.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научноквалификационной, работой, ¿-.которой содержится решение задач по установлению закономерностей протекания аэрогазодинамических процессов в горных выработках при камерных системах разработки крутопадающих пластов, разработаны безопасные технологические схемы их проветривания, имеющих существенное значение для обеспечения безопасности горных работ.

Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Установлено, что наиболее эффективными с точки зрения экономической целесообразности и обеспечения. безопасности в условиях! .крутопадающих пластов являются камерные системы разработки, позволяющие выемку более 40% запасов угля вести в контуре участка геологических нарушений, зон ослабленного угля, резкого изменения углов падения пласта.

2. Установлено наличие корреляционной связи между суммарной долей добычи системами ПШО, ДСО, ЩИТ с закладкой от общей добычи подземным способом и числом травматизма на 1 тонну и доли смертельных случаев в общем травматизме.

3. Разработанные технологические схемы проветривания, методы управления аэрогазодинамическими параметрами при различных вариантах камерных систем позволяют провести комплексную оценку промышленной безопасности при отработке крутых и крутонаклонных пластов ПрокопьевскоКиселевского месторождения, сократить аварийность очистных забоев и снизить затраты на добычу угля, и, в конечном итоге, повысить безопасность горных работ. ! ! 1И: ' • • ' 1!- -. .

4. Впервые произведена качественная оценка влияния землетрясений на газовую обстановку в горных выработках и получена корреляционная зависимость концентрации метана на исходящей струе выработки от магнитуды месторождения, необходимая при расчете газообильности очистныхзабоев и количества воздуха для их проветривания при аварийных ситуациях.

5. Разработанные технологические схемы проветривания обеспечивают полное использование свежей струи воздуха, проходящей по рабочему пространству очистного забоя для разбавления метана, выделяющегося из обнаженной поверхности пласта и отбитого угля в пределах забояпредусматриваются решения по разбавлению газа, выделяющегося из выработанного пространства до допустимой ПБ концентрации или его отвода обособленными струями воздуха с помощью газоотсасывающих установокпри этом обеспечивается необходимая степень устойчивости вентиляционной струи, как при нормальном, так и при аварийном режимах, возникающих при землетрясениях.

6. Результаты проведенных исследований и полученные рекомендации вошли составной частью в разработанные «Технологические схемы разработки угольных пластов ПрокопьевскоКиселевского месторождения камерными системами» и «Инструкцию по безопасному применению^{технологических} схем разработки угольных пластов ПрокопьевскоКиселевского месторождения камерными системами», являющиеся одними из основополагающих документов в производственной деятельности по управлению аэрогазодинамическими процессами в горных выработках, обеспечивающими эффективность и безопасность ведения горных работ при разработке крутопадающих пластов ПрокопьевскоКиселевского месторождения.