ВЫБОР  И  ОБОСНОВАНИЕ  ТЕХНОЛОГИЙ  ПОДЗЕМНОЙ  РАЗРАБОТКИ  УГОЛЬНЫХ  ПЛАСТОВ  В  СЛОЖНЫХ  ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ  УСЛОВИЯХ

Белова  Дария  Валерьевна

Алексеев  Вячеслав  Юрьевич

студенты  2  курса,  кафедра  разработки  месторождений  полезных  ископаемых  Национального  минерально-сырьевого  университета  «Горный»,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

E-mail :  nirstudent@mail.ru

Сидоренко  Андрей  Александрович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  Национального  минерально-сырьевого  университета  «Горный»,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

Россия  является  одним  из  мировых  лидеров  по  производству  угля.  В  ее  недрах  сосредоточена  треть  мировых  ресурсов  угля  и  пятая  часть  разведанных  запасов  —  193,3  млрд.  т.  Промышленные  запасы  действующих  предприятий  составляют  почти  19  млрд.  т.  Российская  Федерация  занимает  второе  место  по  запасам  и  седьмое  место  по  объему  добычи  угля  (более  350  млн.  т  в  год).  При  существующем  уровне  добычи  запасов  угля  хватит  более  чем  на  500  лет  [2].

Однако,  анализ  ресурсной  базы  приводит  к  неутешительному  выводу  о  том,  что  в  Российской  Федерации  среди  балансовых  запасов  действующих  угледобывающих  предприятий  примерно  1/3  составляют  неблагоприятные,  а  1/10  —  весьма  неблагоприятные  для  отработки  запасы,  не  позволяющие  применять  комплексную  механизацию  на  очистных  работах,  именно  благодаря  которой  стал  возможен  существенный  рост  технико-экономических  показателей  при  подземной  угледобыче  [1].  По  экспертным  оценкам  не  более  1/3  разведанных  запасов  являются  благоприятными  для  разработки,  что  является  сдерживающим  фактором  для  обеспечения  конкурентоспособности  продукции  российских  шахт  на  международном  рынке.

Именно  сложные  горно-геологические  условия  являются  первопричиной  ситуации,  сложившейся  на  сегодняшний  день  в  угольной  отрасли,  которая  характеризуется  высоким  числом  крупных  аварий  на  горных  предприятиях,  связанных  со  взрывами  метана  в  шахтах  и  гибелью  десятков  шахтеров.

Таким  образом,  проблема  эффективной  и  безопасной  разработки  запасов,  залегающих  в  сложных  горно-геологических  условиях,  имеет  чрезвычайную  актуальность  для  России  и  от  успешности  ее  решения  зависят  перспективы  развития  угледобывающей  отрасли.

Следует  отметить,  что  проблема  отработки  запасов  в  сложных  горно-геологических  условиях  является  не  только  экономической,  но  и  социальной.  Развитие  комплексной  механизации  очистных  работ  при  подземной  угледобыче  обеспечило  многократный  рост  показателей  в  благоприятных  для  использования  высокопроизводительных  очистных  комплексов  и  в  тоже  время  привела  к  резкому  снижению  конкурентоспособности  отработки  запасов  сложных  горно-геологических  условиях.  При  этом  в  тяжелой  социально-экономической  ситуации  оказались  целые  районы  угледобывающих  регионов.  Так,  например,  в  настоящее  время,  в  Прокопьевско-Киселевском  районе  действует  9  шахт  (7  шахт  —  г.  Прокопьевск,  2  шахты  —  г.  Киселевск),  отрабатывающих  крутонаклонные  и  крутые  пласты  (в  90-е  годы  закрыто  7  нерентабельных  шахт).  Общая  добыча  шахт  не  превышает  6  млн  т.  Добыча  угля  в  районе  характеризуется  высокими  издержками  производства  и  повышенным  производственным  травматизмом,  что  обусловлено  сложными  горно-геологическими  условиями:  высокой  нарушенностью,  крутым  падением,  высокой  метаноносностью  и  склонностью  пластов  к  самовозгоранию.

Следует  также  отметить,  что  антикризисная  межведомственная  группа  включила  город  Прокопьевск  Кемеровской  области  в  перечень  27  самых  проблемных  моногородов  России,  которым  в  2010  году  в  первоочередном  порядке  оказана  финансовая  поддержка  за  счет  средств  федерального  бюджета.  Прокопьевск,  с  населением  212  тысяч  человек,  полностью  отвечает  критериям  монопрофильности  —  более  50  %  доходов  территории  поступают  от  угледобывающей  отрасли,  в  которой  занято  больше  половины  работающего  населения  [1].

В  сложившейся  ситуации  в  качестве  эффективного  технологического  решения,  способного  обеспечить  конкурентоспособность  угледобывающих  шахт,  ведущих  отработку  крутонаклонных  и  крутых  пластов,  может  быть  рекомендована  гидравлическая  технология  добычи  угля,  обеспечивающая  конкурентоспособность  продукции  угледобывающих  шахт.  Опыт  применения  гидродобычи  угля  накоплен  на  гидрошахтах  «Тырганская»  и  «Красногорская»,  и  этот  опыт  свидетельствует  о  возможности  существенного  повышения  технико-экономических  показателей  горных  работ  (рисунок  1)  и  безопасности  труда  горнорабочих  (рисунок  2)  по  сравнению  с  традиционно  применяемыми  технологиями  при  отработке  запасов  мощных  крутонаклонных  и  крутых  угольных  пластов  в  сложных  горно-геологических  условиях.

Рисунок  1.  Динамика  производительности  труда  рабочего  по  добыче  на  шахтах  ОАО  «Прокопьевскуголь»

Рисунок  2.  Динамика  травматизма  на  предприятиях  ОАО  «Прокопьевскуголь»

В  настоящее  время  серийно  выпускаются  гидромониторы  (ГДМС  12-10,  16ГД,  12ГД),  предназначенные  для  ведения  гидроотбойки  угля  с  коэффициентом  крепости  f  =  1,2—1,6  в  очистных  забоях  гидрошахт  при  отработке  пластов  мощностью  более  1,8  м.  Рабочее  давление  воды  при  использовании  этих  гидромониторов  не  превышает  16  МПа,  объемный  расход  менее  0,11  м³/с. 

Выполненный  расчет  параметров  рабочей  струи  гидромонитора  в  зависимости  от  крепости  угля  при  различных  величинах  давления  (9,  12  и  16  МПа),  наиболее  характерных  для  действующих  гидроучастков,  позволил  построить  диаграмму  зависимости  длины  струи  от  крепости  угля,  приведенную  на  рисунке  3.

Рисунок  3.  Зависимость  рабочей  струи  гидромонитора  от  крепости  угля  при  различном  давлении  воды  (насадка  0,022  м)

Как  видно  из  рисунка  3  эффективность  гидрообойки  определяется  крепостью  угля  и  давлением  струи.  Учитывая  диапазон  значений  крепости  угля,  соответствующий  его  эффективной  гидроотбойке  (f  <  2),  можно  сделать  вывод  о  возможности  применения  давления  9  МПа  только  для  отработки  слабых  углей  (f  <  1),  давления  12  МПа  —  для  отработки  углей  слабых  и  средней  крепости  (  f  <  1,4)  и  давления  16  МПа  —  при  отработке  углей  слабых,  средней  крепости  и  крепких  (f  <  1,6). 

Рисунок  3  наглядно  демонстрирует  ограничения  гидравлической  технологии,  а  именно  невозможность  разрушения  крепких  углей.  Именно  с  такой  проблемой  сталкиваются  при  отработке  запасов  пласта  «Мощный»  —  наиболее  мощного  из  разрабатываемых  пластов  месторождения,  крепость  которого  достигает  f=2  (по  Протодьяконову).

В  качестве  альтернативного  решения  для  отработки  пласта  «Мощный»  может  быть  предложена  так  называемая  «подберковая»  технология  (рисунок  4),  успешно  реализуемая  на  шахте  Казимеж-Юлиуш  (Польша).

Рисунок  4.  Принципиальная  схема  отработки  подэтажа  при  «подберковой»  технологии

Отработка  пласта  510  с  использованием  «подберковой»  системы  велась  с  июня  2003  года  по  2006  год.  Достигнутые  в  этот  период  технико-экономические  показатели  представлены  на  рисунках  5—6.  Как  видно  из  рисунка  5,  годовая  добыча  с  использованием  «подберковой»  системы  разработки  составляла  от  156,6  до  243,11  тыс.  тонн,  при  средней  нагрузке  на  очистной  забой,  оснащенный  механизированным  комплексом,  619—965  т/сутки.

Рисунок  5.  Динамика  годовой  добычи  и  нагрузки  на  очистной  забой  при  использовании  «подберковой»  технологии

Как  видно  из  рисунка  6  уровень  участковых  издержек  в  период  эксплуатации  комплекса  в  2003—2006  годах  имел  тенденцию  к  снижению  с  5,8  евро/тонну  (первоначальный  —  2003  год)  до  3,4  евро/тонну  (достигнутый  в  2006  году),  что  характеризует  систему  разработки  как  низкозатратную. 

Рисунок  6.  Динамика  достигнутых  технико-экономических  показателей

Следует  отметить,  что  внедрение  технологической  схемы  «подберковой»  системы  разработки  в  варианте,  реализуемом  на  польской  шахте  (рисунок  4),  в  условиях  Прокопьевско-Киселевского  района  невозможно  в  связи  с  высокой  метаноносностью  разрабатываемых  пластов.

Для  адаптации  «подберковой»  технологии  в  заданных  горно-геологических  условиях  была  предложена  технологическая  схема,  предусматривающая  отработку  подэтажей  с  использованием  3-х  подэтажных  штреков  (рисунок  7).

Рисунок  7.  Технологическая  схема  «подберковой»  системы  разработки  с  использованием  трех  подэтажных  штреков

Отсутствие  промышленной  апробации  данной  технологической  схемы  (рисунок  7)  в  шахтных  условиях  требует  проведения  комплекса  исследований  для  обоснования  ее  параметров.  Одной  из  основных  специфических  особенностей  данной  технологической  схемы,  по  сравнению  с  применяемой  на  шахте  Казимеж-Юлиуш,  является  расположение  подэтажного  вентиляционного  штрека  в  непосредственной  близости  к  выработанному  пространству  отработанного  подэтажа  —  в  зоне  опорного  давления.  Для  исследования  возможности  поддержания  выработки  в  указанной  зоне  и  оценки  напряженно-деформированного  состояния  в  ее  окресностях  были  проведены  исследования  напряженно-деформированного  состояния  (НДС)  в  соответствии  с  расчетной  схемой,  представленной  на  рисунке  8.  Исследования  проводились  методом  конечных  элементов.  Породы,  вмещающие  угольный  пласт,  рассматривались  как  однородный  изотропный  массив.

Рисунок  8.  Расчетная  схема

Выполненные  исследования  НДС  массива  в  окрестностях  участковых  подготовительных  выработок  показали,  что  поддержание  подэтажных  штреков  на  расстоянии  менее  6  м  от  краевой  части  массива  возможно  лишь  при  их  расположении  в  прочных  углях,  поскольку  при  отработке  пластов  с  углями  средней  крепости  и  слабых  формируется  зона  опорного  давления  (рисунок  9)  и  краевая  часть  массива  переходит  в  предельное  состояние  (рисунок  10).  Указанное  требование  по  расположению  подэтажного  вентиляционного  штрека  выполняется  при  отработке  пласта  «Мощный»,  угли  которого  характеризуются  повышенной  крепостью.  Таким  образом,  технологическая  схема  с  тремя  подэтажными  штреками  может  быть  успешно  реализована  при  отработке  пласта  «Мощный».

Рисунок  9.  Эпюры  напряжений,  действующих  в  направлении  нормальном  к  напластованию  по  линии  контакта  пласта  с  кровлей

Рисунок  10.  Пластические  деформации  сдвига  в  окрестности  подэтажных  штреков  в  зоне  влияния  очистных  работ

Выполненный  анализ  горно-геологических  условий  Прокопьевско-Киселевского  геолого-экономического  района  Кузбасса,  эффективности  применяемых  технологий  и  показателей  производственного  травматизма,  а  также  проведенные  исследования  напряженно-деформированного  состояния  массива  горных  пород  позволили  рекомендовать  в  качестве  эффективных  технологии  отработки  запасов  в  сложных  горно-геологических  условиях  следующие  технологии:

1.  Гидравлическую  технологию  отработки  пластов  с  крепостью  углей  f<1,6  в  варианте  с  подэтажной  гидроотбойкой  с  обрушением  кровли.

2.  «Подберковую»  технологию  при  отработке  пластов  с  крепостью  углей  f>1,6  в  варианте  с  тремя  подэтажными  штреками.

Список  литературы:

1.Проблемы  угледобывающей  промышленности  России.  Сидоренко  А.А.,  Сидоренко  С.А.,  Трушко  О.В.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.ibl.ru/konf/021210/48.html  (дата  обращения  15.11.2014).

2.Угольная  промышленность  России  //  MiningWiki  —  свободная  шахтёрская  энциклопедия  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://miningwiki.ru/wiki/Угольная_промышленность  (дата  обращения  15.11.2014).