Материал: Разработка эффективной технологии выемки мощных пологих пластов на участках с ограниченными размерами

Анализ применяемых в отечественной и зарубежной практике технологических схем для отработки угольных пластов камерно-столбовой системой и учет фактических горно-геологических условий, выбранных для экспериментов, участков на угольных шахтах, позволили разработать следующие схемы для испытаний в шахтных условиях.

Уголь пласта является опасным по взрываемости угольной пыли, т.к. имеет выход летучих веществ 35-36%. Нижний предел взрывчатости отложившейся угольной пыли 23-32 г/м3 (ВостНИИ).

Изучение склонности углей к самовозгоранию выполнено ВостНИИ по пробам. По удароопасности пласты, входящие в границы участка, отнесены к удароопасным.

Естественная радиоактивность пород и угля по данным гамма-каротажа низкая и не превышает естественного фона.

.2 Специфика условий горных работ на шахте «Распадская-Коксовая»

Стратиграфия и литология

Участок расположен в левобережье р.Ольжерас. В геологическом строении участвуют отложения кузнецкой подсерии кольчугинской серии верхней перми и кемеровской свиты верхнебалахонской подсерии балахонской серии нижней перми (сверху вниз). Промышленная угленосность приурочена к отложениям кемеровской (Р1kr) свиты[16].

Кемеровская свита включает в себя верхние горизонты верхебалахонской подсерии. Верхней границей свиты является пласт I. За нижнюю границу принята почва пласта XVII . Мощность свиты от 230 до 300 м. Свита включает одиннадцать пластов рабочей мощности, два из которых (III и IV-V) являются самыми мощными (9-10 м), суммарная мощность пластов в свите - 42,1м. Коэффициент угленосности - 15,5%.

Рисунок - 2.1 Стратиграфический разрез Томь-Усинского района. 1 - гравелиты, 2 - песчаник, 3, 4 - алевролиты, 3 - крупнозернистые алевролиты, 4 - мелкозернистые алевролиты, 5 - переслаивание песчаника с алевролитом, 6 - уголь, 7 - долерит, диабаз

Породы, вмещающие угольные пласты, представлены аргиллитами, алевролитами, реже песчаниками и конгломератами и характеризуются высокой механической прочностью. Коэффициент крепости пород по шкале Протодьяконова - песчаников 7-14, алевролитов 4-7, конгломератов 9-14, породных прослоев 1,6-3,8 , углистых аргиллитов 1,5-1,8 , углей 1-2.

Продуктивная толща и перекрывающие ее осадки в общем залегают моноклинально, имея северо-западное падение с азимутом 300-340°. Углы падения пластов угля пологие и изменяются от 8 до 12 градусов.

Поверхность характеризуется резко расчлененным рельефом: максимальные отметки достигают 541 м (абс.) на водоразделах, а минимальные 260 м (абс.) - в пойме р. Ольжерас.

Четвертичные отложения имеют небольшую мощность от 3 до 10м, покрывают повсеместно палеозойские отложения. На водоразделах и склонах они представлены покровными пылеватыми суглинками, супесями, глиной, элювиально-делювиальной дресвой и обломками коренных пород; в долинах рек и ручьев - песчано-валунно-галечниковыми пойменно-русловыми и отложениями низких террас[6]

Рисунок 2.2 - Стратиграфический разрез Кемеровской свиты в пределах поля шахты «Распадская-Коксовая»

Тектоника

В тектоническом отношении поле шахты и глубокие горизонты Ольжерасского месторождения приурочены к главному моноклиналу Томусинского района.

Продуктивная толща и перекрывающие ее осадки кузнецкой свиты в общем залегают моноклинально, имея северо-западное падение с азимутом 300-340°. Углы падения пластов угля изменчивы, причем отмечаются две закономерности:

. Углы падения увеличиваются от верхних пластов к нижним. Так, в пределах действующего горизонта +260м (абс) углы падения по пластам Ш, IV-V, VI не превышают 18-22°, по нижним пластам ХП XVII углы падения увеличиваются до 25-28°, в отдельных случаях до 30° и выше. А на северо-восточном фланге шахты угол падения пластов достигает на выходах (на ограниченной площади) даже 50-60°.

. Углы падения всех пластов уменьшаются с глубиной от выходов пластов под наносы. Так углы падения на горизонте +260м (абс) колеблются от 18-22° до 25-30°, с глубиной же углы падения пластов несколько выполаживаются и уменьшаются до 5-10° (по верхним пластам) и 10-15° - по нижней группе пластов.

Общее моноклинальное залегание пород осложнено четырьмя флексурообразующими складками: Усинской, Сосновской, Ольжерасской и Кузнецкой. Кроме названных пликативных структур, в пределах главного моноклинала наблюдается дополнительная складчатость, выраженная в виде волнистости и мелких пологих складок. Главным типом тектонических разрывов являются пологие субмеридианальные дизъюнктивы преимущественно с восточным и северо-восточным падением сместителей - несогласные взбросы, надвиги. Вертикальная амплитуда смещения всех установленных на поле шахты разрывов определяется в основном величинами 5-25м, за исключением 2-х надвигов (I-I и III-III), максимальные амплитуды которых достигают 40-100 метров.

Характерной особенностью разрывов является изменчивость их амплитуд как по падению, так и по простиранию сместителя и преимущественная приуроченность к определенным стратиграфическим горизонтам. Большинство нарушений максимальную амплитуду имеют в верхних горизонтах кемеровской свиты, а в нижних разрывы постепенно затухают.

Дизъюнктивные нарушения и сопровождающие из зоны перемятых пород - один из основных горно-геологических факторов, создающих технические трудности при отработке угольных пластов и управлении их кровлями[12].

Характеристика угольных пластов

Пласты III, IV, V, IV-V, VI в стратиграфическом разрезе залегают в верхних горизонтах кемеровской свиты верхнебалахонской подсерии балахонской серии нижней перми.

Пласт III имеет сложное строение, относительно выдержанный по мощности, содержит от одного до девяти прослоев аргиллитов и алевролитов мощностью 0,05-0,50м. Общая мощность пласта изменяется от 12,35м до 8,20м. В районе пересечения наклонными стволами мощность пласта составляет 10,1м. Мощность угольных пачек 9,05 м. Углы падения пласта составляют 8-12о.

Угольная пыль пластов с выходом летучих веществ более 15 % является взрывоопасной. Угольный пласт III имеет средний выход летучих компонентов: 24,5 % .

Средняя зольность пласта III (чистые угольные пачки) -10,2 %.

Средняя зольность пласта III (с засорением породными прослоями) -13,9 %.

Влага аналитическая - 0,9 %.

Естественная влажность пласта III - 4,2 %.

Объемная масса угля пласта III - 1,31 г /см3

Породы непосредственной кровли пласта III представлены в основном алевролитами различной зернистости, с отпечатками растений, трещинами закрытого типа со следами подвижек. Породы непосредственной кровли имеют коэффициент крепости f=5-6 , σсж.=42-71 МПа и являются устойчивыми и среднеустойчивыми. Мощность алевролитов 7,7-11,6м. На значительной площади имеется ложная кровля - аргиллит углистый мощностью 0,10-1,0 м.

Основная кровля представлена преимущественно песчаниками различной зернистости с коэффициентом крепости f=9-11 , σсж.=64-194 МПа, реже переслаивающимися песчаниками и алевролитами. Мощность пород основной кровли составляет от 14,5 до 40 м. Кровля труднообрушающаяся, тяжёлая и средняя.

Вышележащий пласт II залегает в 8,70 - 9,45 м от кровли пласта III и при мощности 0,20 - 0,85 м имеет средний выход летучих компонентов 24,1 % и является взрывоопасным по пыли.

Пласт I залегающий в 50,0 - 52,0 м выше кровли пласта III в границах поля шахты встречается фрагментарно, не имеет повсеместного распространения и промышленной мощности.

Природная газоносность пласта III оценивается в 11-24м3/т.

В месте пересечения вентиляционного наклонного ствола № 2 с пластом III (ПК 158) природная газоносность составит 18 м3/т, вентиляционного наклонного ствола № 1 (ПК150+5,0м) - 22 м3/т, транспортного наклонного ствола (ПК 170+5,0 м) - 20,5 м3/т.

Пласт IV-V имеет сложное строение, выдержанный по мощности, содержит 1-11 прослоев аргиллитов и алевролитов мощностью 0,05-0,50 м. Общая мощность пласта колеблется от 9,4м до 11,05м. Средняя мощность пласта составляет 10,30м. Мощность угольных пачек 8,85 м. Углы падения пласта составляют 9-13о.

Средняя зольность пласта IV-V (чистые угольные пачки) -10,5 %.

Средняя зольность пласта IV-V(с засорением породными прослоями) -15,8 %.

Влага аналитическая - 0,9 %.

Естественная влажность пласта IV-V - 4,5 %.

Угольный пласт IV-V имеет средний выход летучих компонентов: 22,1 %.

Объемная масса угля пласта IV-V - 1,31 г /см3

На всей площади пласта IV-V в непосредственной кровле залегают песчаники часто с прослоями гравелитов и конгломератов. Породы непосредственной кровли имеют коэффициент крепости f=7-9 , σсж.=75-96 МПа. Песчаники слагают практически всю мощность междупластья между пластом IV-V и вышележащим пластом III. Мощность междупластья постепенно уменьшается в направлении с юго-запада на северо-восток, при этом среднее значение Увеличение ее мощности наблюдается в северном направлении, т.е. по падению пластов. Непосредственная кровля устойчивая, ложной кровли не отмечается.

В непосредственной кровле иногда отмечается пачка крупнозернистых алевролитов, коэффициент крепости f=5-6 , σсж.=60 МПа.

Природная газоносность пласта IV-V оценивается в 17,2-24м3/т.

В месте пересечения вентиляционного наклонного ствола № 2 с пластом IV-V (ПК 169) природная газоносность составит 18,5-19,0 м3/т, вентиляционного наклонного ствола № 1 (ПК162) - 22 м3/т, транспортного наклонного ствола (ПК 182) - 21,0 м3/т.

Пласт IV имеет сложное строение и содержит от 1 до 3-4 прослоев породы. Мощность породных прослоев колеблется от 0.02 до 0.20 м, литологически представленных алевролитом, реже углистыми аргиллитами. Средняя суммарная мощность угольных пачек - 1.85 м. Основная кровля пласта сложена песчаниками, непосредственная -конгломератами. Редко встречается ложная кровля мощностью от 0.20 до 1.0 м, представленная углистыми породами. По мощности и строению пласт относится к относительно выдержанным.

Пласт V на площади участка имеет среднюю мощность угольных пачек 6.0 м. В юго-западной части - простого строения, а в северо-восточной части появляются 2-3, реже 3-7 прослоев породы мощностью от 0.05 до 0.30 м, сложенных алевролитами, реже углистыми аргиллитами. Прослои породы имеют линзовидный характер. Непосредственная кровля - алевролит. Ложная кровля - углистый аргиллит и тонкие угольные слойки. Почва пласта - алевролит, иногда разной зернистости. По мощности и строению пласт относится к выдержанным.

Пласт VI имеет сложное строение, относительно выдержанный по мощности, содержит 0-7 прослоев алевролитов мощностью 0,05-0,50 м. Общая мощность пласта колеблется от 2,7 м до 5,25 м. В районе пересечения наклонными стволами мощность пласта составляет 3,40 м. Средняя мощность угольных пачек 2,90 м. Углы падения пласта составляют 4-15о. Средняя зольность пласта VI (чистые угольные пачки) -12,7 %.

Средняя зольность пласта VI (с засорением породными прослоями) -18,8 %.

Влага аналитическая - 0,8 %.

Естественная влажность пласта VI - 4,2 %.

Объемная масса угля пласта VI - 1,34 г /см3

Непосредственная кровля представлена разнозернистыми алевролитами. Породы непосредственной кровли имеют коэффициент крепости f=4-6 , σсж.=40-60 МПа.

Природная газоносность пласта VI оценивается в 17,4-24,2 м3/т.

В месте пересечения вентиляционного наклонного ствола № 2 с пластом VI (ПК 181) природная газоносность составит 19,5 м3/т, вентиляционного наклонного ствола № 1 (ПК177) - 22 м3/т, транспортного наклонного ствола (ПК 195+5,0 м) - 22,0 м3/т.

Пласт VI на поле «Томусинской 5-6» представлен двумя пачками - VI в. п. и VI н. п. Залегает в 38-40 м ниже пласта IV-V. Средняя суммарная мощность угольных пачек составляет : верхней пачки - 1.75 м, нижней - 2.15 м. Строение пласта сложное. Разделяющий пачки прослой породы имеет мощность 0.6-1.0 м. В верхней и нижней пачках пласта содержится по 1-3 прослоя породы мощностью от 0.03 до 0.15 м. Прослои сложены алевролитами, реже аргиллитами. Непосредственная кровля - алевролит, основная - песчаник. На отдельных локальных участках встречается ложная кровля мощностью от 1.0 до 1.40 м, представленная углистым аргиллитом.

Шахтное поле сильно осложнено дизъюнктивными геологическими нарушениями. Расположение основных нарушений в пределах поля шахты «Распадская-Коксовая» представлено на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Расположение основных дизъюнктивных геологических нарушений на участках №1 и №2 поля шахты «Распадская-Коксовая»

3. Анализ опыта использования систем разработки короткими очистными забоями при разработке пластовых месторождений полезных ископаемых

.1 Общая характеристика

В передовых угледобывающих странах при применении камерностолбовой технологии достигается высокая эффективность добычи угля.

Меньшие первоначальные затраты способствуют широкому применению камерной и камерно-столбовой технологий отработки угольных пластов.

Высокая мобильность самоходного оборудования способствует отработке «неудобных» запасов угля с высокой эффективностью.

При развитии частного бизнеса в угольной промышленности применение мобильного оборудования по стоимости значительно ниже стоимости оборудования для длинных очистных забоев позволяет за короткий срок добиться высокой рентабельности частного угольного предприятия.

В мировой практике добыча угля и других полезных ископаемых короткими забоями при камерной или камерно-столбовой системе разработки составляет более 40 %. Преимущественное распространение эти системы получили в США, Канаде, ЮАР и Австралии[9].

Производительность труда рабочих в шахтах, применяющих короткозабойную технологию с оборудованием в основном фирмы «Джой», значительно (в 2-3 раза) выше, чем в России и западно-европейских странах, в которых преимущественное распространение получили системы разработки длинными столбами.

Разработке короткозабойной технологии и средств для ее механизации в России не уделялось достаточного внимания.

В 1959-1961 гг. были проведены опытно-промышленные испытания короткозабойных технологий с использованием отечественного оборудования на шахтах Кузнецкого, Донецкого и Карагандинского бассейнов. Эти испытания показали, что, применяя маломощные проходческие комбайны и средства транспорта, не предназначенные работать в этих условиях, нельзя добиться улучшения технико-экономических показателей по сравнению с длинными механизированными забоями.

В целях ускорения работ по выявлению эффективности применения короткозабойной технологии в России в 1961 г. в США было закуплено 5 комплектов фирмы «Джой» и в 1962-1964 гг. на шахте «Томусинская 1-2» были проведены испытания короткозабойной технологии на пластах XI, XII и XIII мощностью 1,9-2,4 м с углом залегания до 14°.

За период испытаний нагрузка на очистной забой составила в среднем 400 т (лучшая - 1000 т/сутки), производительность труда рабочего по очистному забою на выход - от 14 до 60 т, потери угля - 20-30 %.

Однако в технической политике бывшего Минуглепрома преобладала в то время только концепция перехода на длинные забои с механизированными комплексами и агрегатами, получившая, как известно, достаточное развитие, что послужило основанием для остановки работ по короткозабойным технологиям.

Подземная разработка угольных месторождений сопровождается оставлением в недрах подготовленных к выемке участков отдельных пластов в виде целиков различного назначения, а также участков ограниченных размеров и неправильной формы. Потери угля на названных участках шахтных полей сокращают срок службы горизонтов отдельных шахт и удорожают стоимость добычи из-за необходимости разработки более удаленных от вскрывающих выработок участков, а также ускоренным переходом на нижележащие горизонты с худшими условиями.