Підвищення безпеки очисних робіт при видобутку вугілля спареними лавами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення безпеки очисних робіт при видобутку вугілля спареними лавами

Дніпропетровськ - 2002

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вугільна промисловість України є основною галуззю, що забезпечує країну енергоносіями. Кризовий стан галузі, виснаження запасів корисних копалин, моральний і фізичний знос устаткування, погіршення якості продуктивних сил обумовлює необхідність пошуку шляхів підвищення ефективності вуглевидобутку. На шахті «Добропільська» такий шлях було знайдено у переході на роботу очисних вибоїв спареними лавами.

Перехід до видобутку вугілля спареними лавами дозволив істотно знизити витрати на підготовчі роботи і транспортування вугілля, однак і породив ряд нових проблем, зв'язаних, насамперед, з безпекою очисних робіт: різкому погіршенню газової обстановки, порушенню стійкості провітрювання, завалам, обваленням, високому рівню травматизму. Це привело до того, що впровадження системи видобутку спареними лавами спочатку спричинило підвищення собівартості вугілля і суттєво погіршило техніко-економічні показники роботи шахти. Негативний досвід використання такої системи розробки в минулому також пов'язаний із проблемами забезпечення безпеки робіт і в даний час в Україні, крім шахти «Добропільська», системи розробки спареними лавами ніде не використовується. Питання пов'язані з безпекою очисних робіт при веденні очисних робіт спареними лавами дотепер достатньо не досліджені.

Зважаючи на можливість суттєвого зниження витрат на підготовчі робити та транспортування вугілля при його видобутку спареними лавами, необхідно знайти шляхи істотного підвищення безпеки робіт. Тому, проведення досліджень, спрямованих на підвищення безпеки очисних робіт при видобутку вугілля спареними лавами, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана відповідно до Національної програми поліпшення охорони праці на 1996-2000 р., прийнятої Кабінетом Міністрів України від 02.11.96 р. №1345 і комплексними планами поліпшення умов і охорони праці шахти «Добропільська» ДХК «Добропіллявугілля» на 1997…. 2000 роки.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування шляхів підвищення безпеки очисних робіт при видобутку вугілля спареними лавами.

Основні задачі досліджень:

- ідентифікувати виробничі фактори, що обумовлюють аварійність, небезпечні і несприятливі умови праці при веденні очисних робіт спареними лавами й обмежують використання цієї системи розробки;

- дослідити газовиділення на видобувних дільницях шахт при веденні очисних робіт спареними лавами і вплив дебіту метану на стійкість провітрювання гірничих виробок;

- дослідити геодинамічні процеси, що протікають у гірничих виробках видобувних дільниць вугільних шахт, і можливість управління гірським тиском, при веденні очисних робіт спареними лавами;

- обґрунтувати параметри системи розробки вугілля спареними лавами і кріплення, що забезпечують безпечний видобуток вугілля;

- обґрунтувати і розробити ефективну й економічну схему дегазації та ізольованого відведення метану при веденні очисних робіт спареними лавами;

- дати економічну оцінку запропонованим рішенням і визначити перспективи використання системи розробки спареними лавами при видобутку вугілля.

Об'єктом дослідження є процес видобутку вугілля при веденні очисних робіт спареними лавами в умовах шахти «Добропільська».

Предметом досліджень є умови та безпека праці на видобувних дільницях шахти, при веденні очисних робіт спареними лавами.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи використано аналіз і узагальнення існуючих літературних джерел, відносно газодинамічних і геодинамічних процесів, що протікають при веденні очисних робіт у гірничих виробках видобувних дільниць вугільних шахт - при виборі й обґрунтуванні напрямку робіт; методи математичного моделювання, електрогідродинамічних аналогій, числового моделювання геодинамічних процесів у масиві та натурні спостереження за станом гірничих виробок - для обґрунтування безпечних параметрів ведення очисних робіт і можливості управління гірським тиском; елементи класичної теорії аеро-, газодинаміки, газова і депресійна зйомка, матеріали вентиляційних журналів - для обґрунтування режимів вентиляції і управління газовиділенням; методи економічного аналізу - при оцінці запропонованих рішень і перспектив застосування системи розробки родовищ вугілля спареними лавами.

Ідея роботи полягає в урахуванні взаємозалежності газодинамічних і геодинамічних процесів при виїмці вугілля спареними лавами, що дозволяє вибором раціональних параметрів системи розробки одночасно поліпшити провітрювання і підвищити стійкість гірничих виробок видобувної дільниці, тобто створити безпечні умови для ведення очисних робіт.

Основні наукові положення і їх новизна.

Наукові положення:

1. Безпечний видобуток вугілля спареними лавами можливий тільки при комплексному управлінні гірським тиском і газовиділенням, що взаємозалежні й у першу чергу залежать від взаємного положення очисних вибоїв, швидкості ведення очисних робіт і режиму посадки покрівлі.

2. При використанні послідовної схеми провітрювання спарених лав з підсвіженням через проміжний штрек, кількість метану, який надходить зі свіжим струменем у вищерозташовану лаву, у залежності від відстані між очисними вибоями, може змінюватися більше ніж у два рази, а накопичення метану в тупику проміжного штреку, що погашається, виключається при відстані між виробками менше 8 м і випереджальному відпрацьовуванні нижньої лави.

3. Максимальний гірський тиск і навантаження, що діють на кріплення очисних вибоїв і штреків, спостерігаються в місці сполучення лав із проміжним штреком при роботі лав у створі. По мірі збільшення відстані між лавами відбувається зниження величини цього тиску (аж до відстані 6 м), а при подальшому збільшенні відстані тиск відрізняється нестабільністю і носить хвилеподібний характер. Затримка робіт приводить до перерозподілу гірського тиску між лавами і викликає в наступному деформації після поновлення роботи.

4. Після проходження першої хвилі перенапруги від випереджальної лави, зменшення величини гірського тиску приводить до появи порушень, розривів, тріщин у гірському масиві в місці сполучення лав із проміжним штреком і перерозподілу навантаження на елементи кріплення, що інтенсифікує процеси руйнування кріплення і гірничих виробок, причому руйнування підсилюються при застосуванні податливого кріплення.

Наукові результати і їх новизна:

1. Досліджені газовиділення на видобувних дільницях при видобутку вугілля спареними лавами. Уперше встановлено вплив взаємного положення лав на газовиділення, визначено питому вагу джерел і вплив на газовиділення режимів роботи лав і посадки покрівлі.

2. Досліджені геодинамічні процеси, що протікають у гірничих виробках видобувних дільниць вугільних шахт при веденні очисних робіт спареними лавами. Уперше встановлена залежність величини гірського тиску від відстані між лавами і динаміки ведення гірничих робіт, визначена величина коефіцієнта концентрації навантажень у найбільш небезпечній зоні та його зміна від зазначених факторів, показано що на стійкість підготовчих гірничих виробок у зоні ведення очисних робіт впливає не тільки величина гірського тиску але і характер зміни його в часі.

3. Обґрунтовані параметри системи розробки вугілля спареними лавами і кріплення, що забезпечують безпечний видобуток вугілля. Уперше запропоновано витримувати відстань між спареними лавами від 3 до 6 м (на відміну від рекомендованих раніше 35 - 45 м).

4. Обґрунтована і розроблена схема дегазації при веденні очисних робіт спареними лавами, що відрізняється використанням депресії вентилятора головного провітрювання та забезпечує відвід метану з виробленого простору.

5. Оцінено економічну ефективність запропонованих рішень і визначені перспективи застосування системи розробки спареними лавами.

Достовірність наукових положень та результатів підтверджується коректністю постановки і вирішення задач, застосуванням класичного математичного апарату та фундаментальних положень з області газодинаміки та геомеханіки при теоретичних дослідженнях, застосуванням апробованих методів моделювання при дослідженні геодинамічних процесів, узгодженістю результатів теоретичних та експериментальних досліджень, підтвердженням ефективності запропонованих автором рішень при вирішенні практичних задач, пов'язаних з забезпеченням безпеки очисних робіт при видобутку вугілля спареними лавами в умовах шахти «Добропільська».

Практичне значення результатів роботи полягає у виявлені та досліджені факторів, що обумовлюють аварійність, небезпечні і несприятливі умови праці при веденні очисних робіт спареними лавами і обмежують використання цієї системи при розробці родовищ вугілля. Вони можуть бути використані при виборі параметрів системи розробки вугілля спареними лавами, режимів провітрювання очисних вибоїв, виборі типів механізованого кріплення та кріплення підготовчих виробок, а також проектуванні дегазації видобувних дільниць.

Результати роботи дають підставу по іншому оцінити можливості використання системи видобутку вугілля спареними лавами як в умовах ДХК «Добропіллявугілля» так і в масштабах вуглевидобувної галузі України в цілому.

Результати роботи впроваджені на шахті «Добропільська» ДХК «Добропіллявугілля», що дозволило підвищити безпеку робіт і поліпшити умови праці, забезпечити стабільну, економічно ефективну роботу видобувних дільниць. Після впровадження результатів роботи добове навантаження на видобувну дільницю перевищило 1000 тон і шахта цілком перейшла на роботу спареними лавами, довівши річний видобуток до 1 млн. тон. Подальша підготовка до виїмки запасів здійснюється на шахті спареними лавами з урахуванням рекомендацій дисертаційної роботи. Річний економічний ефект від упровадження результатів роботи склав 2,7 млн. грн.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні наукової задачі, мети і наукових положень роботи, проведенні теоретичних досліджень. Автор організовував і безпосередньо брав участь у проведенні експериментальних досліджень газовиділення та геодинамічні процесів на видобувних дільницях шахти при роботі спареними лавами та впровадженні результатів роботи. Зміст дисертації викладений автором самостійно.

Особистий внесок дисертанта у роботах, опублiкованих у спiвавторствi полягає у дослідженні розподілу тиску та втрат повітря у відпрацьованому просторі очисної дільниці [6] та у розробці ознак винаходу, що розширюють можливість безпечного використання бурошнекової машини на газових шахтах [7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми аерології гірничодобувних підприємств» (м. Дніпропетровськ, 1999), науково-технічній конференції «Шляхи розвитку гірничорятувальної справи» (м. Донецьк, 2000 р.), науково-технічних семінарах ДХК «Добропіллявугілля» (м. Добропілля, 1998, 1999, 2000 р.) та кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету.

Публікації.

Основні положення дисертаційної роботи викладені в 7 наукових працях. П'ять наукових праць написані без співавторів.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел із 108 найменувань та 9 додатків. Загальний обсяг дисертації - 176 сторінок, із них основний текст на 150 сторінках, що містить 37 рисунків та 20 таблиць, і додатки на 26 сторінках.

аварійність праця гірничий шахта

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульовані мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, винесені на захист, а також відомості про практичне значення результатів роботи, їх апробацію і публікацію матеріалів дослідження.

У першому розділі виконано аналіз стану безпеки очисних робіт на шахті «Добропільська», досвіду інших шахт та літературних джерел стосовно стану досліджень за тематикою дисертації, який показав наступне:

- перехід шахти на роботу видобувної дільниці спареними лавами привів до істотного погіршення безпеки робіт, загазуванням, обваленням, простоям і, як наслідок, до зниження техніко-економічних показників роботи шахти;

- ефективність роботи виїмкових дільниць при роботі спареними лавами шахт у першу чергу залежить від правильного вибору режиму провітрювання лав і забезпечення стійкості гірничих виробок;

- управління газовиділенням при роботі спареними лавами на інших шахтах здійснювалось шляхом застосування додаткового аеродинамічного опору (шлюзи з вентиляційними вікнами, перемички тощо), що дозволяло підвищити ефективність за фактором - вентиляція;

- при зміні відстані між лавами змінюється величина провітрюваної зони і співвідношення між кількістю газу, що надходить у провітрювану і непровітрювану зони випереджуючої лави, однак рекомендації з вибору оптимальної відстані між лавами, при якому підтримується необхідний вміст метану у вихідних струменях та вибору ефективних режимів провітрювання спарених лав у літературних джерелах відсутні;

- питання управління гірським тиском і підвищення стійкості гірничих виробок при веденні очисних робіт спареними лавами в літературних джерелах практично не розглядаються;

- відомі методи управління газовиділенням, провітрюванням та гірським тиском, що використовуються для інших систем розробки, не можуть бути використані без проведення додаткових досліджень і доробки;

- негативний досвід використання системи розробки спареними лавами в минулому пов'язаний із проблемами безпеки робіт і нині ця система розробки в Донбасі ніде, крім шахти «Добропільська», не використовується.

За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.

У другому розділі приведені результати дослідження можливості поліпшення умов праці при видобутку вугілля спареними лавами шляхом підвищення стійкості гірничих виробок шахти та управління гірським тиском.

Газодинамічні і геодинамічні процеси при виїмці вугілля спареними лавами взаємозалежні і тому дослідження газодинамічних явищ, зокрема розподілу депресії і витоків повітря у виробленому просторі, дозволяє одержати інформацію про особливості прояву гірського тиску при веденні очисних робіт, а вибір параметрів системи розробки, для забезпечення безпечної роботи, повинний здійснюватися з урахуванням зазначеного взаємозв'язку газодинамічних і геодинамічних процесів і одночасно вирішувати питання поліпшення провітрювання і забезпечення стійкості гірничих виробок видобувної дільниці.

Для вивчення особливостей прояву гірського тиску були виконані дослідження характеристик виробок методом електрогідродинаміних аналогій. Застосування даного способу моделювання виправдано, тому що в непровітрюваній частині виробленого простору спостерігається ламінарний режим руху газоповітряної суміші. Спочатку задача вирішувалась в припущенні, що деформування в масиві при роботі спареними лавами відбувається за законом пружності. Потім враховувалася наявність прилягаючих до виробок зон пластичного деформування, що характеризується різким падінням опору зрушенню (у порівнянні з пружним) по досягненні дотичними напруженнями визначеного рівня, а також зон руйнування.

Результати моделювання дозволили виділити три зони, що відрізняються переважно нерівномірністю розвитку деформації, визначити режими навантаження кріплення та сформулювати загальні вимоги до конструкцій рамного кріплення нового технічного рівня, при роботі спареними лавами, насамперед, щодо типу і параметрів робочої характеристики. Режим навантаження кріплення аж до вибою є змішаний, з поступовим наростанням частки режиму заданої деформації. Показано, що найбільш доцільною є характеристика постійного опору. Її використання гарантує захист конструкції від передчасного руйнування у всьому діапазоні піддатливості, а також створює передумову досягнення максимальної працездатності.

Проведення досліджень взаємного впливу гірського тиску спарених лав, що відпрацьовуються, насамперед, необхідно для вибору оптимальної відстані між спареними лавами, при дотриманні якої забезпечується мінімальне і стабільне навантаження на кріплення проміжного штреку. Величина і характер розподілу гірського тиску при веденні очисних робіт спареними лавами залежить від відстані між лавами, потужності шару, характеристик кріплення і властивостей гірських порід, у тому числі величини коефіцієнтів розпушення порід між пластами. Для з'ясування взаємного впливу гірського тиску лав, виходячи з розробленої моделі зрушення гірських порід у межах зводу тиску, виконане числове моделювання процесів формування гірського тиску при веденні очисних робіт спареними лавами.

За результатами числового рішення задачі побудовані криві опорного тиску при відпрацьовуванні пластів спареними лавами. Результати моделювання показали, що штреки за певних умов можуть не витримати випереджальної хвилі опорного тиску лав. Тому нами виконане моделювання для різних варіантів розташування лав і при різній відстані між спареними лавами. Випередження лав практикувалося по черзі і здійснювався пошук варіантів підтримки виробок. Результати моделювання розподілу опорного тиску навколо очисних вибоїв при роботі спареними лавами в створі приведені на рис. 1.

Аналіз епюр опорного тиску при роботі спарених лав у створі (0-0) відносно одна одної, показує що це сама несприятлива ситуація по підтримці гірського масиву. Перерозподіл навантаження над виробленим простором приводить до дуже високої концентрації навантажень у зоні сполучення лав із проміжним штреком. Коефіцієнт концентрації в цій зоні досягає 8 - 9, що взагалі обумовлює неможливість роботи видобувної дільниці за даних умов. Розташування лав у створі неминуче приведе до обвалення сполучення відразу двох лав із проміжним штреком, завалам і припиненню роботи.

При збільшенні відстані до 3 - 6 метрів коефіцієнт концентрації знижується, епюра опорного тиску в зоні сполучення лав із проміжним штреком згладжується. Характерним є також те, що хвилі наростання тиску від лав у цій зоні взаємно перекриваються і значні зміни величини гірського тиску на кріплення у момент проходження лав відсутні. При цьому варто також враховувати те, що відстані 1-3 і 3-6 м забезпечують оптимальну технологічність при переміщенні комплексу з двох і шестиметрового кріплення сполучення, що є загальним для верхнього сполучення верхньої і нижньої лави. Діаграма розподілу навантажень при варіюванні відстані між спареними лавами від 3 до 6 м зображена на рис. 2.

При збільшення відстані між лавами до 8 і більше метрів, коефіцієнт концентрації ще трохи знижується, однак епюра опорного тиску в зоні сполучення лав із проміжним штреком має дві явно виражені хвилі наростання тиску, що приводить до значної зміни величини гірського тиску на кріплення у момент проходження лав. Це може негативно вплинути на стан кріплення, тому, що значні зміни тиску (почергове навантаження і розвантаження кріплення) сприяють його інтенсивному руйнуванню. При цьому варто також враховувати те, що при відстані 8 і більш метрів знижується технологічність при пересувці комплексу з двох і шестиметрового кріплення сполучень.

У результаті виконаного моделювання розподілу опорного тиску навколо очисних вибоїв при роботі спареними лавами нами запропоновано витримувати відстань при веденні робіт спареними лавами в діапазоні 3-6 м. (на відміну від рекомендованих 35 - 45 м). При такій відстані відсутня хвиля накладення епюр розподілу гірського тиску трьох виробок (1-а і 2-а лава та середній штрек), характерна для роботи лав у створі, хвилі наростання тиску від лав у зоні сполучення взаємно перекриваються і відсутні значні зміни величини гірського тиску на кріплення у момент проходження лав, характерні для роботи лав при відстані між ними 8 і більше метрів. Забезпечується оптимальна технологічність при пересувці комплексу кріплення сполучення.

З метою підтвердження результатів, отриманих нами при числовому моделюванні, проведено експериментальні дослідження впливу відстані між спареними лавами і динаміки гірського масиву на стійкість гірничих виробок. Дослідження виконувались на протязі 3 місяців на дільниці №3 шахти «Добропільська» (пласт m₅^1у гор. 450 м), шляхом зміни відстані між спареними лавами від 45 м до роботи лав в створі і перевірки результатів моделювання при різних варіантах випередження лав. Результати експериментів підтвердили неможливість роботи лав в створі і наявність складних та небезпечних умов (обрушення, завали, значні витрати на підтримку проміжного штреку) при відстані між лавами більше 8 метрів.

Так при роботі лав в створі виникло обрушення відразу двох лав в місті їх сполучення з проміжним штреком. Дільниця не працювала 10 днів. Після ліквідації обрушення і збільшення відстані між лавами до 2,5 м робота дільниці стабілізувалась, опорний тиск нормалізувався, стан покрівлі значно покращився. При подальшому збільшенні відстані до 3-6 метрів спостерігався найбільш безпечний та стабільний стан виробок. Дільниця забезпечувала стабільний та безперервний видобуток вугілля.

При збільшення відстані до 8 м суттєво посилились процеси руйнування проміжного штреку в місці сполучення виробок, що спричиняло затримку робіт. В свою чергу затримка робіт приводила до перерозподілу гірського тиску між лавами і додатково спричиняла деформації виробок, що ускладнювало умови ведення очисних робіт. При подальшому збільшенні відстані між лавами (аж до 45 м) ситуація ще більше ускладнювалась із-за необхідності підтримки в робочому стані значної дільниці проміжного штреку в зоні сполучення його з лавами. Так, робота дільниці при відстані 35 - 45 м була можлива лише за умов використання залізобетонних блоків для підтримки брівки між виробленим простором нижньої лави і проміжним штреком.

Експериментальні дослідження показали, що після проходження першої хвилі перенапруги від випереджальної лави, зменшення величини гірського тиску приводить до появи порушень, розривів, тріщин у гірському масиві в місці сполучення лав із проміжним штреком і перерозподілу навантаження на елементи кріплення, що інтенсифікує процеси руйнування кріплення і гірничих виробок, причому руйнування підсилюються при застосуванні податливого кріплення. З врахуванням результатів досліджень розрахований режим навантаження кріплення і обґрунтовано вибраний його тип при роботі спареними лавами.

У третьому розділі приведені результати дослідження газовиділення та вентиляції при роботі спареними лавами.

Спочатку при відпрацьовуванні шахтою пласта m₅^1у на горизонті 450 м 2-ю і 3-ю південними спареними лавами була застосована схема провітрювання, що передбачає подачу свіжого повітря по загальній підготовчій виробці і відвід вихідного струменя по двох виробках. Але при цьому, внаслідок перерозподілу газовиділення, режим провітрювання відрізнявся значною нестійкістю, що приводило до частих загазувань і зупинок роботи лав. Причиною перерозподілу газовиділення в спарених лавах є наявність аеродинамічного зв'язку між двома вентиляційними виробками через загальний вироблений простір, що примикає до них. Очевидне технічне рішення - збільшити кількість повітря, що надходить у виробки з більш складним газовим режимом, - не тільки не досягає мети, але і ускладнює ситуацію, тому що при збільшенні кількості повітря збільшується і дебіт метану (причому випереджальним темпом). Тому було прийнято рішення про перехід на видобувній дільниці до вентиляції за послідовною схемою провітрювання з підсвіженням через проміжний штрек (рис. 3) та проведення досліджень газовиділення з метою визначення раціональних режимів провітрювання дільниці. Для цього були проведені газові зйомки, у процесі яких визначені: розподіл концентрації метану в поперечному перерізі виробок; залежність потоку газу I_L від відстані L до вікна лав по ходу вихідного струменя; розподіл у перетині лав параметра I¹, що характеризує потік газу, віднесений до одиниці відстані b, для випадку, коли 2-га південна лава випереджала 3-ю південну лаву на відстань кроку посадки основи покрівлі 35-45 м (рис. 3.1б).

Рис. 3. Послідовна схема провітрювання спарених лав с підсвіженням через проміжний штрек: а - випередження 3-ї південної лави; б - випередження 2-ї південної лави.

У результаті виконання поперечних газових зйомок у лавах було встановлено, що при 0,1 b 4 м параметр I¹ розподілений за відстанню b як

(1)

де I_о¹ - значення параметра I¹ на границі з виробленим простором, м²/с; , , - експериментальні коефіцієнти.

Параметр I¹ збільшується по мірі віддалення від вибою і, досягши максимуму, закономірно убуває вбік виробленого простору. Максимальне значення I¹ присвячене до b = 0,25-0,6 м. Високе кореляційне відношення = 0,90-0,95 дозволяє стверджувати, що отримана залежність з достатньою точністю описує розподіл метану. Такий характер залежності показує, що основний потік газу в робочий простір спарених лав проникає через поверхню вибою і вузьку (0,6-0,7 м) призабійну смугу бічних порід. Приведений розподіл параметра I¹ був характерним для 3-й південної лави на різній відстані від входу в лаву. Для 2-ї південної лави такий вид розподілу спостерігався на значній її частині, починаючи від входу в лаву, і лише у верхній частині лави максимальне значення параметра було зміщено вбік виробленого простору, що свідчило про значне надходження звідтіля газу метану.

Дослідження розподілу концентрації метану по довжині лав показали, що для 3-ї південної лави був характерним лінійний ріст концентрації метану

, (2)

де С₀ - концентрація метану на вході в лаву; - відношення відстані від початку лави до місця вимірювання до довжини лави; а - емпіричний коефіцієнт.

В 2-й південній лаві лінійний ріст концентрації метану був характерним для нижньої її частини (до 2/3 довжини лави), а у верхній частині лави темпи росту концентрації метану істотно збільшувалися, що також свідчило про значне надходження газу метану з виробленого простору. Залежність середньої концентрації метану від довжини лави при цьому описувалась як

, (3)

де b - емпіричний коефіцієнт.

За характером розподілу концентрації метану в перетині вентиляційних штреків було встановлене періодичне газовиділення з ґрунту проміжного штреку на ділянці, що підтримується у виробленому просторі.

Перехід до зазначеної схеми провітрювання спарених лав дозволив дещо поліпшити газову обстановку на видобувній дільниці, але це не дозволило усунути накопичення метану в тупиках вентиляційного і проміжного конвеєрного штреків, що погашаються. Наявність у цих тупиках скупчень метану вибухонебезпечних концентрацій обумовлювало необхідність у застосуванні двох дорогих газовідсмоктуючих установок, що приводило до додаткового загромадження конвеєрної виробки і підвищенню витрат на видобуток вугілля. Зважаючи на те, що при роботі дільниці спареними лавами існує можливість управляти газовиділенням шляхом зміни параметрів розробки і вентиляційних режимів, необхідно було вирішити питання: як і куди транспортувати метан, що виділяється у виробленому просторі нижчерозміщеної лави при послідовному провітрюванні, щоб не допускати його скупчення в тупику проміжного штреку.

Для рішення цього питання були проведені теоретичні дослідження газодинамічних процесів на дільниці при різних варіантах випередження лав і зміні величини відстані між спареними лавами, які показали, що з погляду управління газовиділенням на дільниці схеми провітрювання (рис. 3) нерівнозначні, крім того, значний вплив на перерозподіл дебіту метану між лавами має величина випередження між лавами.

Схеми вентиляційних з'єднань виїмкової дільниці при випередженні верхньої 2-ї південної лави приведена на рис. 4. Тут штриховими лініями нанесені витоки повітря через загальний вироблений простір і через вироблений простір лав, а також потік метану, що надходить у повітря з виробленого простору Q_м, що умовно прив'язаний нами до вузла 6 схеми. Як видно зі схеми, частина проміжного штреку, що погашається, (гілка 2-6) є діагональною виробкою. Умова, при якій буде відбуватися винос метану і накопичення його в тупику проміжного штреку, що погашається, має вид

, (4)

де - величина статичного тиску у вузлах 2 і 6 відповідно, Па.

Аналіз цієї схеми провітрювання, виконаний з урахуванням можливого діапазону зміни опору виробленого простору та режимів руху витоків повітря через цей простір показав, що накопичення метану в тупику проміжного штреку буде відбуватися, якщо дотримується нерівність

(5)

де - аеродинамічні опори відповідних гілок, Н с²/м⁸; - кількість повітря на 3-му південному та проміжному штреках, м³/с. При реально можливих параметрах виробок і кількості повітря, нерівність (5) завжди дотримується, тому при застосуванні послідовної схеми провітрювання спарених лав з підсвіженням через проміжний штрек і випередженні верхньої лави виключити накопичення метану в тупику проміжного штреку, що погашається, неможливо.

Схеми вентиляційних з'єднань виїмкової дільниці при випередженні нижньої 3-ї південної лави приведена на рис. 5. Аналіз газодинамічних процесів при переході до цієї схеми провітрювання показав, що накопичення метану в тупику проміжного штреку, без врахування динамічного напору h_д, дія якого обумовлена гальмуванням повітряного потоку, що рухається у проміжному штреку, буде відбуватися коли дотримується нерівність

. (6)

При реальних параметрах розробки, нерівність (6) дотримується тільки при відстані між спареними лавами менше 3 - 4 м, а з врахуванням динамічного напору h_д виносу метану з загального виробленого простору на проміжний штрек не буде при відстані більше 2 м.

Другою відмінною особливістю цієї схеми провітрювання є те, що значна частина виробленого простору випереджальної нижньої лави знаходиться в зоні інтенсивного вивітрювання (витоки 1-2 і 1-3 на рис. 5), що сприяє виносу метану витоками повітря на ділянку проміжного штреку, яка підтримується у виробленому просторі. При цьому, незважаючи на відсутність виносу метану з загального виробленого простору на проміжний штрек, можливе накопичення небезпечних концентрацій метану в тупику проміжного штреку за рахунок фільтраційного руху газоповітряної суміші уздовж сполучення проміжного штреку з виробленим простором. Зі збільшенням відстані між спареними лавами винос метану зростає, що обумовлюється зростанням об'єму виробленого простору нижньої лави, звідкіля метан поступає на проміжний штрек. Розрахунки показали, що для виключення можливості накопичення метану необхідно підтримувати відстань між виробками менше 8 м. З врахуванням цього, а також результатів дослідження стійкості гірничих виробок і технологічності, для попередження небезпечних місцевих скупчень метану на проміжному штреку необхідно здійснювати випереджальну відробку нижньої лави при відстані між лавами 3-6 м.

При природному розподілі повітря між двома вентиляційними виробками дебіт метану у вихідних струменях, істотно відрізняється, що приводить до нерівномірного завантаження вихідних струменів: вміст метану в одній з виробок може перевищувати допустимий, у той час як в іншій є істотний резерв свіжого повітря. Аналіз газодинамічних процесів при роботі спареними лавами показав, що значний вплив на перерозподіл дебіту метану між лавами має випередження між лавами, тому, що при його зміні змінюється величина провітрюваної зони і співвідношення між кількістю газу, який надходить у провітрювану і непровітрювану зони випереджальної лави.

При проектуванні вентиляції виїмкових дільниць шахт прагнуть забезпечити рівномірне завантаження вихідних струменів метаном. Для нашого випадку умова рівномірного завантаження вихідних струменів лав має вид

К₃ = С₁/С₂ 1, (7)

В умовах шахти «Добропільська», при послідовній схемі провітрювання спарених лав з підсвіженням через проміжний штрек, такий режим провітрювання дільниці можливий тільки при відстані між лавами 30 і більше метрів. Але, через складність роботи дільниці за фактором гірського тиску та накопичення метану в тупику проміжного штреку, така відстань між лавами неприйнятна. Тому, при проектуванні вентиляції виїмкових дільниць зі спареними лавами, керуватися співвідношенням (7) недоцільно.

Для обґрунтування рекомендацій щодо співвідношення концентрацій метану в спарених лавах, був виконаний аналіз газовиділення і провітрювання, при відстані між лавами 3-6 м, що рекомендується нами за умовами гірського тиску і попередження небезпечних скупчень метану. Раціональне значення величини співвідношення концентрацій метану в спарених лавах К₃ визначено нами виходячи з виконання наступних умов:

(8)

де - неприпустима концентрація метану; - перетин проміжного штреку і нижньої лави; - мінімально допустима швидкість руху повітря у виробці.

Для умов шахти «Добропільська», при роботі спареними лавами з відстанню між ними від 3 до 6 м, рекомендована нами величина співвідношення концентрацій метану в спарених лавах складає:

 (9)

Тобто, при роботі спареними лавами, пріоритетним є нерівність, що зазначає більш ніж у 3 рази перевищення концентрації метану на вихідному струмені верхньої лави у порівнянні з концентрацією метану на вихідному струмені нижньої лави виїмкової дільниці, при цьому загальний дебіт метану на дільниці залишається практично незмінним.

Для підтвердження отриманих результатів проведено експериментальні дослідження впливу відстані між спареними лавами на газодинамічні процеси, які були суміщені з проведенням робіт з пошуку оптимального варіанту підтримки виробок. Вони повністю підтвердили теоретичні викладки.

При відстані між спареними лавами 24 і більше метрів дебіт метану в нижній лаві становив 1,9 м³/хв. Концентрація метану тупику проміжного штреку становила 2-3,5%, що обумовлювало необхідність відсмоктування газу з тупика проміжного штреку. Газова ситуація на дільниці помітно покращилася після скорочення відстані між вибоями до 15 м. Дебіт метану у нижню лаву почав зменшуватися. Знизився також його вміст у тупику проміжного штреку. При відстані між спареними лавами 8 м дебіт метану в нижню лаву знизився до 0,6 м³/хв, а його вміст у тупику проміжного штреку - до 0,3-0,2%. Це дозволило відмовитися від трудомісткого дорогого ізольованого відводу метану по газопроводу. Газова ситуація на дільниці значно покращилася, однак при такій відстані виникли труднощі з підтримкою проміжного штреку, що привели до завалів і, як наслідок, до наступного погіршення провітрювання дільниці.

При відстані від 6 до 2,5 м, метановиділення в нижній лаві залишалося практично незмінним, накопичення метану в тупику проміжного штреку не виявлено, зменшилося метановиділення у верхній лаві і збільшилася концентрація метану в дегазаційному трубопроводі на вентиляційному штреку цієї лави. Це дозволило підвищити ефективність ізольованого відводу метану по газопроводу з тупика вентиляційного штреку і, при збереженні попередньої кількості повітря на провітрювання лав, виключити обмеження по газовому фактору при максимальному навантаженні на забій. При відстані менше 2,5 м газова ситуація спочатку залишалася така ж сприятлива, але потім різко погіршилася через руйнування в проміжному штреку в місці сполучення верхньої і нижньої лав. Завали в штреку привели до зупинок робіт і порушенню провітрювання.

З огляду на позитивні результати роботи, із застосуванням спарених лав була підготовлена і наприкінці 1999 р. введена в експлуатацію виїмкова дільниця 3-ї та 4-ї південних лав пл. m₄⁰ гор. 200 м. Для цієї дільниці характерна значна інтенсивність газовиділення, що створювало істотні труднощі по забезпеченню необхідного газового режиму виробок. Проведена газова зйомка показала, що основним джерелом газовиділення на дільниці є вироблений простір, а забезпечення стабільної роботи лав можливе тільки при проведенні його дегазації.

Зважаючи на те, що для повної герметизації вентиляційного штреку від виробленого простору вищерозташованих лав горизонту був використаний цілик шириною 15 метрів, нами була запропонована оригінальна схема дегазації виїмкової дільниці шляхом використання депресії вентилятора головного провітрювання. Згідно цієї схеми дегазація здійснюється через технологічні свердловини 250 мм пробурені в цілику вугілля, що з'єднують в зоні обрушення вентиляційний штрек з ізольованим виробленим простором вищерозташованих лав. Це дозволило без витрат на відсмоктування метану більш ніж у два рази знизити газовиділення на дільниці і забезпечити її стабільну роботу при найвищих навантаженнях. Після впровадження дегазації дебіт метану в очисні виробки знизився на 55%, що дозволило забезпечити граничні навантаження на очисні вибої.

Для відводу метану за запропонованою схемою потрібна наявність цілика для повної герметизації вентиляційного штреку від виробленого простору вищерозташованих лав, що збільшує втрати корисних копалини. Для зниження втрат вугілля передбачена безлюдна виїмка цілика за допомогою бурозакладочної машини БЗМ-1М, удосконаленої нами з метою підвищення безпеки ведення виїмки на газових шахтах.

У четвертому розділі дана техніко-економічна оцінка впровадження результатів роботи та розглянуті перспективи подальшого їх використання.

У реальних виробничих умовах роботи спареними лавами на шахті «Добропільська», впровадження запропонованих у роботі заходів дозволило поліпшити показники роботи шахти, привело до істотного збільшення обсягу видобутку. Економічний аналіз показав, що внаслідок зменшення аварійності і травматизму та усуненню обмежень за газовим фактором додатково отримано біля 213 тис. тонн вугілля. Крім того значно зменшились виплати пов'язані з травматизмом, істотна економія отримана за фактором дегазації.

Впровадження системи розробки вугілля спареними лавами дозволило забезпечити високопродуктивну, безпечну і безаварійну роботу видобувних дільниць. Шахта освоїла рубіж 1 млн. 250 тис. тонн вугілля на рік. За рахунок чіткого дотримання встановлених технологічних регламентів, на порядок покращилися показники, що характеризують стан безпеки праці на основному виробництві. Крім цього, раціональне використання прохідницького корпусу та резерву лінії очисних вибоїв, дозволило приступити до розкриття нових пластів і горизонтів, що еквівалентно відкриттю практично нової шахти з перспективою на найближчі 70 років.

Отримані результати дозволяють по новому оцінити можливості використання системи видобутку вугілля спареними лавами. Вся західна частина Донбасу має гірничо-геологічні умови, що дозволяють здійснювати видобуток вугілля спареними лавами, де результати роботи можуть бути використані при виборі параметрів системи розробки вугілля, режимів провітрювання очисних вибоїв, виборі кріплення і проектуванні дегазації видобувних дільниць.

Висновки

В дисертації, яка є закінченою науковою роботою, поставлена та вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення безпеки очисних робіт при видобутку вугілля спареними лавами, що полягає в науковому обґрунтуванні безпечних параметрів ведення очисних робіт, застосовуваних технічних засобів, вентиляційних режимів і розробці нових високоефективних схем дегазації.

Найбільш важливі наукові та практичні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному:

Виконаний аналіз умов праці і стану безпеки робіт при веденні очисних робіт спареними лавами в умовах шахти «Добропільська». Ідентифіковані виробничі чинники, що обумовлюють аварійність, небезпечні і несприятливі умови праці при веденні очисних робіт спареними лавами й обмежують використання цієї системи при розробці родовищ вугілля. Встановлений взаємозв'язок газодинамічних і геодинамічних процесів при виїмці вугілля спареними лавами.

Шляхом моделювання геодинамічних процесів, що протікають у гірничих виробках при веденні очисних робіт спареними лавами, і їх експериментальних досліджень у шахтних умовах установлені закономірності впливу параметрів ведення очисних робіт і застосовуваних технічних засобів на стійкість гірничих виробок та визначені шляхи управління гірським тиском у зоні ведення очисних робіт, у тому числі:

- досліджений вплив відстані між спареними лавами на стійкість гірничих виробок, установлено, що максимальний гірський тиск, що діє на кріплення очисних вибоїв і штреків, спостерігається в місці сполучення лав із проміжним штреком при роботі лав у створі, по мірі збільшення відстані між лавами відбувається зниження величини цього тиску (аж до відстані 6 м), а при подальшому збільшенні відстані тиск відрізняється нестабільністю і носить хвилеподібний характер;

- досліджений вплив параметрів технічних засобів і інтенсивності ведення очисних робіт на стійкість виробок, установлено, що після проходження першої хвилі перенапруги від випереджальної лави, зменшення величини гірського тиску приводить до появи порушень, розривів, тріщин у гірському масиві в місці сполучення лав із проміжним штреком і перерозподілу навантаження на елементи кріплення, що в подальшому інтенсифікує процеси руйнування кріплення і гірничої виробки, причому руйнування підсилюються при застосуванні податливого кріплення, а затримка робіт приводить до перерозподілу гірського тиску між лавами і викликає в наступному деформації після поновлення роботи.

3. Теоретично й експериментально досліджені газодинамічні процеси, що протікають у гірничих виробках при веденні очисних робіт спареними лавами, установлені закономірності впливу параметрів ведення очисних робіт на газовиділення на видобувній дільниці і запропоновані шляхи поліпшення провітрювання і підвищення ефективності дегазації, у тому числі:

- досліджений вплив відстані між спареними лавами і послідовності ведення очисних робіт на газовиділення, встановлено, що кількість метану, який надходить зі свіжим струменем у вищерозташовану лаву, у залежності від відстані між очисними вибоями, може змінюватися більше ніж у два рази, а накопичення метану в тупику проміжного штреку, що погашається, виключається при відстані між виробками менше 8 м і випереджальному відпрацьовуванні нижньої лави;

- визначена найбільш раціональна величина відстані між спареними лавами за газовим фактором (від 3 до 6 м) і величина співвідношення концентрацій метану в спарених лавах;

- досліджені джерела газовиділення і запропонована оригінальна схема дегазації виїмкової дільниці за рахунок використання депресії вентилятора головного провітрювання, що дозволяє без витрат на газовідсмоктування більше ніж у два рази знизити газовиділення на дільниці і забезпечити її стабільну роботу при найвищих навантаженнях.

4. У результаті виконаних досліджень обґрунтовані параметри системи розробки технічних засобів і вентиляційних режимів, що забезпечують безпечний видобуток вугілля спареними лавами. Уперше запропоновано витримувати відстань між спареними лавами від 3 до 6 м.

5. Дана техніко-економічна оцінку ефективності використання запропонованих рішень і визначені перспективи використання системи розробки спареними лавами.

Результати дисертаційної роботи впроваджені на шахті «Добропільська», що дозволило поліпшити безпеку праці на видобувних дільницях забезпечити стабільні і високі техніко-економічні показники роботи шахти. Після впровадження результатів добове навантаження на очисну дільницю перевищило 1000 тон і шахта цілком перейшла на роботу спареними лавами, довівши річний видобуток до 1 млн. 250 тис. тонн. З урахуванням результатів роботи, подальша підготовка до виїмки запасів на шахті здійснюється спареними лавами. Річний економічний ефект від упровадження результатів роботи склав 2,7 млн. грн.

Размещено на Allbest.ru