Обґрунтування техніко-технологічних параметрів нових способів охорони і погашення підготовчих виробок для похилих вугільних пластів шахт Донбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обгрунтування техніко-технологічних параметрів нових способів охорони і погашення підготовчих виробок для похилих вугільних пластів шахт Донбасу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми

Вугільна промисловість України, будучи головним джерелом її енергоресурсів, в останнє десятиріччя переживає важку і затяжну економічну кризу.

Тільки за період з 1990 по 1998 роки об'єм видобутку вугілля зменшився більш ніж у 1,9 рази (з 164,8 до 85 млн. тонн).

Українське вугілля не витримує конкурентної боротьби на зовнішньому ринку через високу його собівартість і низьку продуктивність праці по галузі в цілому.

У галузі почато планову реструктуризацію, однак темпи її проведення надзвичайно низькі.

З огляду на украй важкий загальний стан економіки України, навіть прогнозне очікування великомасштабних робіт із реструктуризації вугільних шахт і швидкого закриття тих із них, що визначені галузевими документами, представляється нереальним. Тому, у фактично сформованих на сьогодні умовах, постановка науково-дослідних робіт, спрямованих на поліпшення стану галузі при мінімальних капіталовкладеннях і витратах, є актуальною галузевою задачею.

Відомо, що дуже важливе місце у технологічному циклі підземного видобутку вугілля займають роботи з проведення, охорони, підтримки і погашення підготовчих виробок. При переході гірничих робіт по видобутку вугілля на великі глибини (більш 800 м) і різкому погіршенні гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов залягання вугільних пластів, їхня питома вага в собівартості видобутого вугілля ще більш зростає. У той же час, шахтний фонд більшості шахт Донбасу - старий, у зв'язку з чим на шахтах українського Донбасу щорічно ремонтується 1,5-2,0 тис. км підготовчих виробок.

Аналіз стану гірничих виробок на шахтах Державної холдінгової компанії (ДХК) «Лисичанськвугілля» показав, що при загальній протяжності підготовчих виробок більш 200 км, четверта частина з них вимагає ремонту, як по відновленню робочого перерізу, так і по його перекріпленню. У зв'язку з цим, постановка науково-дослідної роботи, що орієнтується на розробку нових технологічних способів охорони, підтримки, а в умовах дефіциту металу - і раціонального погашення підготовчих виробок із максимальним обсягом витягу аркового кріплення, рейок, труб та іншого, є дуже актуальною не тільки для шахт ДХК «Лисичанськвугілля», але і для галузі в цілому.

Зв'язок теми дисертації з галузевими планами науково-дослідних робіт

Основні результати дисертаційної роботи отримані в процесі виконання НДР і ОКР, проведених ДонНДІ (теми №0319205100 і №0319824000 галузевих тематичних планів ДонНДІ за 1992 і 1998 роки). Автор дисертації, у рамках договорів на НДР між ДХК «Лисичанськвугілля» і інститутом ДонНДІ, приймав у зазначених роботах особисту участь.

Ціль роботи - розробка техніко-технологічних параметрів нових способів та засобів підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок вугільних шахт Донбасу.

Ідея роботи полягає у використанні прояви гірничого тиску, у сполученні з фізико-механічними властивостями масиву гірничих порід на глибоких горизонтах, для розробки нетрадиційних технологічних способів і засобів охорони, підтримки і погашення підготовчих гірничих виробок.

Методи дослідження. Базою досліджень є комплексний метод, що включає:

аналіз і науково-технічне узагальнення вітчизняної і зарубіжної бібліографії і досвіду ведення гірничих робіт з підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок;

аналітичні дослідження конструктивно-технологічних параметрів засобів реалізації запропонованої нетрадиційної технології;

лабораторну, стендову і шахтну експериментальну перевірку висновків, рекомендацій і отриманих у дисертації результатів.

Матеріали досліджень по єдиному методологічному підходу оброблялися відомими методами математичної статистики і теорії імовірностей.

Наукові положення, які виносяться на захист, та їх новизна

1. Розроблено технологію підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок на похилих вугільних пластах, спеціально створеними засобами з нетрадиційних матеріалів, що різко скорочує витрати на цих технологічних процесах.

2. Вперше встановлено конструктивно-технологічні параметри запропонованих засобів для реалізації розробленої технології, в умовах шахт ДХК «Лисичанськвугілля».

3. Отримано аналітичні залежності, що описують силові і конструктивно-компоновочні параметри розроблених кріплень посилення аркового кріплення і рами агрегату для рихтування і порізки металу, який витягається з виробок, що погашаються, з обліком їх міцностних властивостей.

4. Розроблено заходи щодо безпечної технології застосування створених засобів підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок, з обліком стиснутих габаритів їхнього робочого простору.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій роботи підтверджено:

використанням класичних положень гірничо-інженерної практики охорони, підтримки і погашення підготовчих гірничих виробок, а також апарату будівельної механіки, теорії пругкості і пластичності, статики споруджень та опору матеріалів при обгрунтуванні і створенні нетрадиційних засобів реалізації запропонованої технології;

достатнім обсягом та апробованою вимірювальною апаратурою при проведенні лабораторних, стендових і шахтних експериментальних досліджень;

узгодженістю і збіжністю отриманих результатів при проведенні різних видів досліджень (аналітичних та експериментальних).

Наукове значення роботи полягає в обгрунтуванні технології і нетрадиційних засобів її реалізації для підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок в умовах вугільних шахт Донбасу.

Практичне значення роботи визначається використанням запропонованої автором технології та нетрадиційних засобів її реалізації для підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок в умовах шахт ДХК «Лисичанськвугілля».

Реалізація висновків та рекомендацій роботи

Результати виконаної дисертаційної роботи ввійшли складовою частиною і реалізовані в:

«Регламентных положениях по техническому обслуживанию и ремонту механизированных комплексов, агрегатов и очистных комбайнов в угольных шахтах Донбасса», затверджених Мінвуглепромом України у 1999 році.

Технічному завданні «Агрегат для резки металла в шахтных условиях типа АРМ» (ТЗ 0319824000-98), затвердженому Мінвуглепромом України у 1998 році.

Особистий внесок здобувача. Автором сформульована ціль роботи, її ідея і наукові положення. Крім того, автором обгрунтовано і розроблено конструкцію агрегату для різки металу, який витягається з виробок, що погашаються, досліджено параметри технології охорони і підтримки підготовчих виробок із застосуванням нетрадиційних засобів (пневматичні оболонки з водою, керамічні стояки, рукава з полімерних матеріалів з породою).

Апробація результатів дисертації. Зміст роботи та її окремих положень доповідалися й одержали схвалення на технічних радах ДХК «Лисичанськвугілля» і ВО «Дзержинськвугілля» і вченій раді ДонНДІ (1997-1999 р.р.); Міжнародній конференції «XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин», НГА України, м. Дніпропетровськ, 12-14 жовтня 1998 року; II Міжнародному симпозіумі з механіки еластомерів, ІГТМ НАН України, червень, 1997 рік; на засіданні вченої ради Відділення ФТГП ДонФТІ НАН України ім. О.А. Галкіна, 9 квітня 1999 року.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 друкарських робіт, у тому числі: 1 книга, 1 брошюра і 6 статей (одна з яких - без співавторів).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновку, списку літератури з 87 найменувань і містить 131 сторінку машинописного тексту, 52 рисунка, 31 таблицю.

Автор висловлює подяку кандидату технічних наук, старшому науковому співробітнику Ільїну Анатолію Іллічу за консультативну допомогу при підготовці дисертаційної роботи, а також за методологічне керівництво й участь в експериментальних дослідженнях.

Основний зміст роботи

Дослідженням стану підготовчих гірничих виробок, процесів деформації гірничого масиву, вибору й обгрунтування техніко-технологічних параметрів засобів механізації ремонту, підтримки, погашення і забезпечення стійкості виробок присвячені роботи К.А. Ардашева, А.Д. Алексєєва, А.Ф. Бахтіна, А.Ф. Борзих, В.В. Виноградова, Ю.З. Заславського, М.П. Зборщика, А.Н. Зоріна, А.І. Карлова, К.В. Кошелєва, Г.Г.Літвінського, Л.Я. Парчевського, Є.І.Піталенка, К.Ф. Сапицького, Б.М. Усаченка, Ю.М. Халімендика, А.Н. Шашенка, Л.Н. Ширіна, С.В. Янка та інших.

Проведений аналітичний огляд дослідницьких робіт в області охорони, підтримки і погашення підготовчих виробок вугільних шахт показує, що для різних регіонів Донбасу ці проблеми носять специфічний характер і вимагають у кожному типовому випадку свого інженерного, аналітичного і прикладного рішення. Отриманий рядом робіт аналітичний апарат і практичні рекомендації з охорони і підтримки гірничих виробок при переході на глибокі (більш 800 м) горизонти вимагають серйозної трансформації стосовно до нових гірничо-геологічних і гірничотехнічних умов ведення зазначених робіт. У вітчизняній і зарубіжній інженерній практиці немає робіт аналітичного й експериментального характеру, що обгрунтовують окремі параметри технології охорони, підтримки і погашення гірничих виробок нетрадиційними засобами (кріпленням посилення; пневматичними оболонками, заповненими водою; полімерними рукавами, заповненими породою; керамічними стояками, а також установками для погашення гірничих виробок) у зонах впливу очисних робіт на вугільних пластах похилого залягання. Тому аналітичні й експериментальні роботи в цій області необхідні і правомочні. На підставі вищевикладеного, і відповідно до поставленої цілі, у роботі вирішуються наступні задачі:

1. Дослідження і аналітичне обгрунтування параметрів технології підтримки підготовчих виробок кріпленням посилення.

2. Обгрунтування параметрів технології охорони підготовчих виробок нетрадиційними технологічними засобами.

3. Встановлення конструктивно-технологічних параметрів запропонованих засобів погашення підготовчих виробок.

4. Експериментальне визначення перспективи застосування розробленої нетрадиційної технології і засобів підтримки, охорони і погашення підготовчих виробок на шахтах ДХК «Лисичанськвугілля».

5. Обгрунтування ефективності застосування розробленої нетрадиційної технології і визначення області її поширення.

Найважливішим питанням експлуатації гірничих підготовчих виробок є забезпечення їхнього проектного перерізу протягом усього періоду функціонування виробки, у тому числі в зонах впливу очисних робіт, незалежно від характеру завалення бокових порід. Ця технологічна вимога може бути забезпечена кріпленням посилення основного аркового кріплення підготовчої виробки.

Інститутом ДонНДІ та ДХК «Лисичанськвугілля» розроблено ряд конструктивно-технологічних вариантів кріплень посилення, однак, аналітичне обгрунтування раціональної технології їхнього застосування і вибір типу кріплення для похилих вугільних пластів у дійсній дисертаційній роботі виконується вперше. Тому основу одного з підрозділів аналітичних досліджень цієї дисертації складає порівняльна оцінка механіки навантаження розроблених типів кріплення посилення, з експериментальною перевіркою і обгрунтуванням найбільше застосовної з них в умовах підготовчих виробок на похилих вугільних пластах.

У дисертаційній роботі розглядається механіка навантаження аркового кріплення підготовчої виробки без кріплення посилення і з шістьма конструктивно-технологічними варіантами її посилення. З огляду на повну аналогію ведення аналітичних досліджень, стосовно до кріплення посилення, показана їхня суть на прикладі, що рекомендується для умов похилих пластів конструктивно-технологічного варіанту її виконання.

Результати аналітичних досліджень, у частині визначення максимальних моментів вигину, оброблені графоаналітичним методом (рис. 2) і зводяться до наступного. Кріплення посилення типу КУ4.000, що рекомендується, як це видно за даними графіку рис. 2, незначно зменшує момент вигину у найбільш небезпечному перерізі основного кріплення. Однак, момент опору основного кріплення збільшується приблизно в два рази, за рахунок наявності верхняка із спецпрофілю, котрий зусиллями силових циліндрів КУ4.000 притискається до арочного кріплення виробки, сприймаючи при цьому з нею зовнішні навантаження як єдине ціле.

Другий підрозділ аналітичних досліджень зв'язаний з визначенням міцностних характеристик рами установки для погашення підготовчих виробок, що зводиться до визначення запасу тривкості основної її несучої рами. Встановлений у результаті досліджень мінімальний запас тривкості (n_т min=1,33) забезпечує конструктивно-технологічне компонування запропонованої конструкції у стиснутих умовах гірничих виробок, що погашаються.

Експериментальними розділами роботи (лабораторними, стендовими та шахтними дослідженнями) встановлено чисельні значення силових та технологічних параметрів (несуча спроможність, характер та вид деформацій, робочі характеристики) запропонованих нетрадиційних засобів охорони, підтримки та погашення гірничих виробок.

У зв'язку з тим, що аналітичний апарат досліджень запропонованих нетрадиційних засобів (пневматичних оболонок, заповнених водою; полімерних рукавів, заповнених породою; керамічних стояків) дуже багатоплановий, з погляду залучених фундаментальних дисциплін, визначення їх силових та технологічних параметрів у дійсній роботі виконано експериментально.

Основу експериментальних досліджень складало одержання чисельних значень параметрів цих засобів на стендах та в умовах реально діючої підготовчої виробки (конвеєрний штрек 81-ї західної лави гор. 660 м ш. «Черноморка», ДХК «Лисичанськвугілля»).

Шахтними експериментами доведено реальну ефективність і можливість застосування типу кріплень посилення, що рекомендується, для підтримки гірничих виробок на похилих вугільних пластах. В умовах реального штреку доведено ефективну можливість використання нетрадиційних засобів його охорони, у тому числі у зонах впливу очисних робіт.

Таким чином, виконаними в дисертаційній роботі дослідженнями встановлено, що для умов підготовчих гірничих виробок на похилих вугільних пластах, принципово можливо застосування нових способів їхньої охорони, підтримки та погашення.

Дослідженнями доведено, що вже в найближчій тимчасовій перспективі можливо застосування кріплень посилення типу КУ4.000, що підвищують у два рази момент опору основного штрекового кріплення зовнішнім навантаженням.

У області охорони та погашення підготовчих виробок шахтними експериментами відпрацьована технологія застосування для цих цілей нетрадиційних у вугільній промисловості засобів.

Поділом дисертації, присвяченим економічній оцінці виконаних досліджень, показана ефективність їхнього застосування в умовах реально діючих шахт.

В узагальненому виді результати виконаних у дисертаційній роботі досліджень, доцільно звести до наступного блоку рішень:

У області технології охорони та підтримки гірничих виробок

Використання кріплень посилення з гідростояками у зонах впливу очисних робіт.

Застосування, у залежності від характеру завалень порід покрівлі, на сполученні очисного вибою з підготовчою виробкою спеціальних нетрадиційних засобів різного ступеню жорсткості, а отже, несучої спроможності (пневматичні багаття типу 6ПМ-3, заповнені водою; накатні багаття з полімерного рукава, заповненого породою; керамічні стояки).

Варіювання зазначеними вище засобами дозволить мати мобільний паспорт сполучення очисного вибою з підготовчим виробленням, що гнучко трансформується під гірничо-геологічні та гірничотехнічні умови, реально що складаються.

Розроблені та пройшли шахтну експериментальну перевірку технологічні паспорти сполучень, що рекомендуються, з прив'язкою до кожного з розглянутих нетрадиційних засобів. Ці технологічні схеми, по своєї суті, найбільше прийнятні для умов похилих пластів шахт ДХК «Лисичанськвугілля» і можуть бути безпосередньо використані службами їхніх головних технологів.

У області погашення підготовчих гірничих виробок

Розробка та впровадження установок типу АРМ для витягу, відновлення аркового кріплення та підготування металоконструкцій до транспортування по гірничих виробках. Використання цієї частини дисертації дозволить істотно підвищити рівень механізації технологічного процесу погашення виробок на діючих горизонтах шахт.

виробка гірничий порода

Висновки

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної для вугільної промисловості України наукової задачі, що полягає у розробці та обгрунтуванні техніко-технологічних параметрів нетрадиційних технологічних способів та засобів охорони, підтримки та погашення підготовчих гірничих виробок вугільних шахт.

Основні наукові висновки та результати, отримані у дисертаційній роботі, полягають у наступному:

1. Науковий аналіз існуючих способів підтримки, охорони та погашення підготовчих виробок на вугільних шахтах дозволив установити, що застосування кріплень посилення з гідравлічними стояками для підтримки виробок, а також використання пневматичних багать типу 6ПМ-3, заповнених водою, накатного багаття із полімерного рукава, заповненого породою, керамічних стояків для їхньої охорони у зонах впливу очисних робіт, реалізують на практиці нетрадиційні способи експлуатації гірничих виробок.

2. Створена установка по витягу металоконструкцій з виробок, що погашаються, уперше реалізує на практиці механізацію цього технологічного процесу і замикає технологічний цикл з експлуатації виробок у цілому.

3. Розроблено технологічні рішення та рекомендовано паспорти кріплення сполучень очисного вибою з підготовчою виробкою нетрадиційними засобами кріплення, застосування яких може варіюватися у залежності від фізико-механічних властивостей порід, що вміщають, та характеру завалення їх у підготовче вироблення.

4. Аналітичними дослідженнями обгрунтовано критерії тривкості та, як слідство, компоновочно-технологічні рішення елементів конструкції запропонованих засобів підтримки та погашення гірничих виробок.

5. Експериментальними дослідженнями запропонованих нетрадиційних засобів охорони підготовчих гірничих виробок, по-перше, отримано їхні робочі характеристики, по-друге, доведено доцільність їхнього використання у реальній технології з охорони виробок у зоні впливу очисних робіт.

6. Результати досліджень реалізовано:

ДонНДІ - при розробці Технического задания «Агрегат для резки металла в шахтных условиях типа АРМ» (ТЗ 0319824000-98), затвердженого Мінвуглепромом України у 1998 році, та «Регламентных положений по техническому обслуживанию и ремонту механизированных комплексов, агрегатов и очистных комбайнов в угольных шахтах Донбасса», затверджених Мінвуглепромом України у 1999 році; вони увійшли складовою частиною у науково-дослідні та проектно-конструкторські роботи інституту по двох галузевих темах (№0319205100 і №0319824000), виконаних у 1992-1998 роках;

Шахтою «Черноморка» ДХК «Лисичанськвугілля» - при проведенні технологічного циклу робіт, зв'язаних із підтримкою, охороною та погашенням конвеєрного штреку 81-ї західної лави на пласті l₄, гор. 660 м.

7. Виконані дослідження дозволили установити шляхи удосконалювання запропонованих нетрадиційних технологічних способів та засобів охорони, підтримки підготовчих гірничих виробок. Крім того, шахтними експериментальними дослідженнями обгрунтовано можливі об'єми застосування запропонованої технології з експлуатації гірничих виробок на вугільних шахтах ДХК «Лисичанськвугілля».

Економічні ефекти (у розрахунку на 1 погонний метр добового посування очисного вибою) складають:

з засобів охорони виробок:

пневматичні багаття, наповнені водою 29750 грн./рік;

керамічні стояки 13335 грн./рік;

стояки з полімерного матеріалу, наповнені породою 26565 грн./рік;

багаття з полімерного рукава, наповненого породою 21735 грн./рік;

з засобів підтримки підготовчих виробок - кріплення посилення з гідравлічними стійками - 60084 грн./рік при лімітній ціні секцій кріпи посилення даного типу - 15019,15 грн.;

з засобів механізованого погашення гірничих виробок - 35345 грн./рік, при верхній межі лімітної ціни установки - 253897 грн.; термін окупності установки складає 4 роки.

Основні положення дисертації опубліковано у наступних роботах автора

1. Теросипов В.М. Охрана подготовительных выработок // Прогрессивные технологии подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Сб. научных трудов НГА Украины №3, том 3. - Днепропетровск: НГА Украины, 1998. - С. 128-129.

2. Гребенкин С.С., Теросипов В.М. Средства механизации производственных процессов при погашении горных выработок // Прогрессивные технологии подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Сб. научных трудов НГА Украины №3, том 3. - Днепропетровск: НГА Украины, 1998. - С. 152-154.

3. Ильин А.И., Николенко Н.А., ТеросиповВ.М. Охрана подготовительных выработок // Известия Донецкого горного института. -1998. - №2 (8). - С. 40-41.

4. Ильин А.И., Литвинов Ю.Г., Керкез С.Д., ТеросиповВ.М., КеркезВ.С. Оценка результатов создания нетрадиционных крепей для охраны подготовительных выработок // Геотехническая механика. - 1999. - №11. С. 378-383.

5. Гребенкин С.С., Ильин А.И., Керкез С.Д., Теросипов В.М. Шахтные экспериментальные исследования параметров зоны обрушения пород в горных выработках угольных шахт // Науковий вісник НГА України. - 1998. - №2. - С. 11-12.

6. Керкез С.Д., Теросипов В.М. Безремонтное содержание пластовых штреков и средства механизации их погашения // Науковий вісник НГА України. -1998. - №2. - С. 13-14.

7. Создание, эксплуатация и ремонт горношахтного оборудования для очистных забоев крутых и наклонных угольных пластов /Гребенкин С.С., Булат А.Ф., Ильин А.И., Керкез С.Д., Доронин А.Д., Керкез В.С., Теросипов В.М. - Донецк: Регион, Лебедь, 1999. - 348 с.

8. Регламентные положения по техническому обслуживанию и ремонту механизированных комплексов, агрегатов и очистных комбайнов в угольных шахтах Донбасса /Гребёнкин С.С., Доронин А.Д., Ильин А.И., Пащенко В.Л., Гуляев В.Ф., Стукалов Н.А., Линёв В.А., Швыдкий Ю.В., Рудой И.В., Керкез В.С., Теросипов В.М. - Донецк-Киев: Минуглепром Украины, ДонНИИ, 1999. - 12 с.

Размещено на Allbest.ru