авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Комплексное обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке высокогазоносных угольных месторождений

-- [ Страница 3 ] --

В диссертации разработаны приоритетные технологические и технические решения, обеспечивающие высокую производительность и безопасность подземной угледобычи при групповой реконструкции шахт, заключающиеся в научно обоснованном объединении действующих шахт в угледобывающий комплекс со строительством общешахтной конвейерной подземной магистрали горизонтального транспортирования и наклонного ствола протяжённостью 3000 м с выдачей горной массы для переработки в объёме 1214 млн. т в год непосредственно на технологические линии обогатительной фабрики, позволяющие:

- ликвидировать скиповые подъемы и технологические комплексы поверхности;

- сократить число воздухоподающих и воздуховыдающих стволов и сети горных выработок;

- сократить число шахтных конвейерных магистралей, маршрутов движения людей и грузов;

- увеличить коэффициент полезного использования воздуха в шахте;

- сократить основные объемы внутренних железнодорожных грузоперевозок и эксплуатационные затраты на тепло, электроэнергию и обслуживание ликвидируемых объектов.

Для эффективной реализации проекта освоения на современном научно-техническом уровне мульдовой части Воркутского месторождения путем объединения действующих шахт "Северная", "Заполярная", "Комсомольская" и "Воркутинская" в одно мощное предприятие по добыче и обогащению угля необходима реальная и объективная оценка сложившейся геомеханической ситуации на выемочных полях указанных шахт, в особенности динамических проявлений горного давления.

Основные концептуальные решения по стратегии развития угледобывающих предприятий Воркутинского промышленного района явились основой для разработки технико-экономического обоснования инвестиций в строительство шахты «Воркута».

3. Обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке запасов выемочных участков

Комплексно-механизированная технология очистных работ при подземной разработке угольных пластов пологого залегания создала научно-технические предпосылки для резкой интенсификации горных работ и улучшения технико-экономических показателей.

Одним из основных факторов, обеспечивших высокие технико-экономические показатели функционирования угольных шахт, является использование многоштрековых технологических схем подготовки и отработки запасов выемочных участков. Основные преимущества этих схем заключаются в следующем:

- обеспечиваются высокие темпы проведения выработок по угольному пласту с использованием специально созданного оборудования;

- полная механизация работ по проведению и креплению выработок, что достигается сооружением выработок прямоугольного сечения и их анкерным креплением. Безремонтность поддержания этих выработок обеспечивается, наряду с усилением крепи впереди очистного забоя, целиками угля;

- снижается напряженность в обеспечении наиболее полного использования возможностей технических средств очистных работ и повышается уровень безопасности работ;

- механизируются рабочие процессы на сопряжениях лавы со штреками.

Вместе с тем указанным технологическим схемам присущи следующие недостатки:

- более значительные объемы проходческих работ и потери угля в целиках;

- опасность самовозгорания угля в оставляемых целиках;

- неизвлекаемые целики угля осложняют отработку свиты пластов вследствие создания зон повышенного горного давления.

В этой связи при разработке концепции развития угледобывающих предприятий Воркутинского промышленного района имело место дальнейшее усовершенствование многоштрековых схем подготовки запасов выемочных участков несколькими параллельными выработками. Были разработаны методические основы проектирования предохранительных угольных целиков и паспортов крепления горных выработок, в том числе при многоштрековой подготовке и анкерном креплении. Очевидно, что при проектировании целиков должна обеспечиваться не только надежная охрана выработок, но и предотвращение горных ударов, снижение вредного влияния на выработки сближенных пластов.

Сущность разработанной методической основы проектирования предохранительных угольных целиков заключается в следующем. Целики, применяемые для охраны и поддержания горных выработок, следует рассматривать как специфическую крепь, и для выполнения своих функций она должна иметь силовые и деформационные характеристики, соответствующие условиям применения. В зависимости от сочетания собственной жесткости целиков, условий формирования внешних нагрузок на них и контактного взаимодействия с почвой и кровлей пласта должно обеспечиваться надежное поддержание выработок, предотвращение горных ударов, а в необходимых случаях - планомерное разрушение целиков.

Размеры околоштрековых целиков, регламентируемые рекомендациями ВНИМИ, при многоштрековой подготовке не гарантируют сохранение эксплуатационного состояния штреков вследствие больших расчетных деформаций контура (смещения кровли и отжима краевых частей целиков) при применении сталеполимерной анкерной крепи, прогнозируемых инструкцией.

С целью управления состоянием массива при многоштрековой подготовке проектирование целиков производится с учетом нагрузочных свойств кровли. Для этого применяют сочетания целиков с различными деформационными характеристиками, которые обеспечивают их работу в режимах прогрессирующей ползучести, постоянной скорости деформации и жестких, работающих в режиме упругих деформаций.

Существует принципиальное различие в характере деформирования узких и широких целиков, которое заключается в том, что в центральной части целиков, имеющих отношение ширины к высоте более 4 - 6, формируется упругое ядро, в котором уголь находится в условиях объемного сжатия, а прочность возрастает до величин опорного давления. В более узких целиках центральная часть по мере увеличения опорного давления разрушается без образования упругого ядра.

При последовательной отработке запасов выемочных участков, разделенных двумя ленточными целиками, основную нагрузку при отработке запасов первого участка воспринимают жесткие целики, работающие в режиме упругих деформаций. Для предотвращения горных ударов размеры целиков должны быть приняты такими, чтобы при отработке запасов второго участка центральное ядро податливых целиков под действием опорного давления было бы разрушено. При этом нагрузка от податливого целика будет перераспределяться на отрабатываемую панель и на упругое ядро опорного целика, краевые части которых будут приведены в неудароопасное состояние естественным отжимом угля горным давлением или искусственным разупрочнением.

В необходимых случаях для поддержания кровли и краевых частей целиков должны применяться крепи усиления и затяжка кровли и стенок выработок.

На шахте “Воркута” при глубине 900-1100 м для обеспечения безопасности работ при многоштрековой подготовке запасов выемочных участков может потребоваться применение стабильных целиков шириной более 70 м.

На основе обобщения отечественного и зарубежного опыта, результатов специальных исследований с применением мониторинга в режиме реального времени в период подготовки и отработки запасов выемочных участков установлен механизм напряженно-деформированного состояния углепородного массива вокруг подземных выработок и выявлена определяющая роль влияния на него главных горизонтальных напряжений.

Под действием горизонтальных напряжений обрушение кровли распространяется на 0,15 – 0,40 м выше укрепленного анкерами горизонта кровли, независимо от длины штанг. Местоположение поверхности расслоения кровли соответствует глубине анкерования ее жесткими штангами. Таким образом, анкерная крепь определяет горизонт отделения закрепленной штангами пачки слоев от вышележащих пород. Укрепление кровли сталеполимерными или клинораспорными анкерами не предотвращает расслоение, а при их одинаковой длине глубина анкерования определяет структуру поверхности отслоения от вышележащего массива.

С увеличением длины анкеров возрастают высоты зоны обрушения. В этих случаях паспорта крепления должны предусматривать анкерование угловых частей поперечного сечения штреков или применение технологических схем с анкерами различной длины. Доказана эффективность использования анкеров различной длины для уменьшения числа обрушений. Поэтому в настоящее время такие технологические схемы крепления, в том числе с использованием канатных анкеров, рекомендуется применять в качестве постоянной крепи в процессе всего выемочного цикла.

При отсутствии горизонтальных напряжений кровля в большинстве случаев разрушается от растяжения в середине пролета. При увеличении горизонтальных напряжений напряжения в кровле становятся сжимающими до тех пор, пока не произойдет разрушение у кромки, смежной с целиком.

Значение коэффициента безопасности (отношение прочности пород к напряжениям) имеет тенденцию к возрастанию по мере удаления от контура выработки и увеличению горизонтальных напряжений. Это приводит к увеличению высоты «куполов» обрушения и росту значений горизонтальных напряжений при данной величине коэффициента безопасности.

Штанговые анкеры ограничивают прогиб слоев, вследствие чего происходит неполная разгрузка массива от горизонтальных напряжений. Высокие значения горизонтальных напряжений вызывают сжатие в кровле, увеличивая в дальнейшем рост опорного давления. Выявлена тенденция к разрушению опор в виде среза из-за высоких горизонтальных нагрузок.

Главные горизонтальные напряжения, действующие в массиве горных пород, определяют форму разрушения, величины касательных (сдвигающих) напряжений и размеры неустойчивого свода над пересечением. Горизонтальные напряжения могут также способствовать чрезмерным деформациям и изгибу слоев кровли и почвы, но могут и препятствовать обрушению кровли в процессе выемки.

В условиях напряженного состояния массива, характеризующегося высокими значениями горизонтальных напряжений, одним из основных решений является правильная ориентировка профилей штреков и пересечений относительно направления главных горизонтальных напряжений и геологических нарушений.

Проектирование паспортов крепления подготовительных выработок должно предусматривать сочетание штанговых и канатных анкерных крепей. Их силовые и деформационные характеристики должны обосновываться с учетом условий и режимов взаимодействия штанговых и канатных анкерных крепей с породным массивом, определяемых для каждой конкретной выработки на основании геологической разведки. Штанговые (сталеполимерные или клинораспорные) крепи должны устанавливаться в непосредственную кровлю, а канатные – в основную.

4. Научное обоснование выбора принципиальных технологических решений по обеспечению метанобезопасности на шахтных полях Воркутского месторождения

Основной природный барьер на пути к высокопроизводительной и безопасной разработке высокогазоносных угольных пластов – наличие в них метана, с которым связаны такие основные опасности подземной угледобычи, как взрывы газа и пыли, внезапные выбросы угля и газа с катастрофическими последствиями. По известным причинам при определенном уровне газовыделения в горные выработки обеспечить метанобезопасность только средствами вентиляции практически невозможно.

В мировой практике применяются десятки способов дегазации угольных шахт: из подземных выработок (предварительная пластовая дегазация, дегазация разгружаемых пластов-спутников, дегазация выработанных пространств, газоотсос из-за перемычек и др.), а также с поверхности (чаще всего, вертикальные скважины в «купола» обрушения). Эффективность дегазации в ряде случаев достигает 60-85%, что, однако, не всегда обеспечивает планируемый уровень нагрузок на очистной забой. Это связано с тем фактом, что при высокой интенсивности угледобычи достаточно велико газовыделение в лаву непосредственно из самого разрабатываемого пласта, а максимальная эффективность по съему метана подземными пластовыми скважинами ограничена 2-3 м3/т (средний уровень редко достигает 1 м3/т, лучшие показатели в мировой практике не превышают 3-4 м3/т). Единственной альтернативой для усиления дегазации интенсивно разрабатываемого угольного пласта является его заблаговременная дегазация с поверхности (ЗДП). ЗДП широко применяется в высокоразвитых угледобывающих странах и при газоносности 12-20 м/т в комплексе с подземными пластовыми и вертикальными «куполовыми» скважинами обеспечивает нагрузки на очистной забой на уровне 15,025,0 тыс. т/сут. Суммарная эффективность дегазации при этом достигает 75 %.

Многолетний опыт реализации технологии ЗДП в Донбассе и Карагандинском бассейне показал, что высокая эффективность по снижению газообильности горных выработок может достигаться исключительно по итогам реализации только лишь одной стадии ЗДП, заключающейся в закачке в пласт проектного объема рабочей жидкости и раскрытия трещин на необходимом расстоянии от скважины без дальнейшего извлечения метана на поверхность. Это так называемая разновидность технологии – ЗДП-2 (или ГРП-2). Эффективность данной технологической схемы достигается за счет блокирования метана в мельчайших порах и трещинах, что существенно повышает остаточную газоносность угольного пласта и, следовательно, снижает газовыделение в очистной забой. Блокирование реализуется за счет глубокой пропитки пласта силами самодвижения воды, в частности капиллярными.

Проанализирован первый опыт работ по заблаговременной дегазационной подготовке высокогазоносных угольных пластов Воркутского месторождения на поле шахты «Комсомольская». Он особенно важен при принятии обоснованных решений на стадии проектирования шахты «Воркута». На поле шахты «Комсомольская» было пробурено три скважины с поверхности для целей заблаговременной дегазации по технологии ЗДП-2.Обрабатывались два рабочих пласта – «Тройной» и «Четвертый». Объем закачки в эти пласты составил 5000 м3. Оценка предполагаемой эффективности осуществлялась путем гидродинамических испытаний (по динамике падения давления после закачки рабочей жидкости в пласт, а также по темпу ухода жидкости в пласт до, в процессе и после обработки). Результаты исследований, проведенных при участии ученых МГГУ, показали увеличение гидропроводности и газопроницаемости пластов практически на порядок.

Достигнутые результаты работы лав 412-ю и 512-ю: дебит 5-6 тыс. м3/сут., повышение нагрузки на очистной забой в 1,8-2,2 раза, снижение газообильности горных выработок на 65-70%, ожидаемый технико-экономический эффект – 2,45 млн. долл. США, – подтвердили технико-экономическую состоятельность применения данной технологии в бассейне.

Как показывает мировой и отечественный опыт, при применении классической технологии ЗДП-1 с освоением скважин и извлечением метана на поверхность в течение 3-5 и более лет природная газоносность угольного пласта может быть снижена до 50%. Такая высокая эффективность в большинстве случаев решает вопрос обеспечения требуемого высокого уровня нагрузок на очистные забои.

Вместе с тем установлено, что широкое применение технологии ЗДП-1 сдерживается фактором времени. Необходимость иметь резерв времени 3-5 лет – объективная реальность, связанная со сложной структурой неразгруженного угольного пласта, в котором газ в подавляющей части объема находится в сорбированном состоянии (80-90% и более). Процесс десорбции метана – процесс весьма длительный и в основном зависит от термодинамических факторов (давление, температура). Газоперенос в угольном пласте осуществляется крайне медленно (движение метана по микропорам и переходным порам (сорбция метана, поверхностная и кнудсеновская диффузия), исчисляется месяцами и годами. Во многих горнотехнических условиях столь значительного резерва времени (3-5 и более лет) нет. В этих условиях большую актуальность приобретает технология ЗДП-2 (без освоения скважин и извлечения метана).

Но не только фактором времени определяются области эффективного применения технологий ЗДП-1 и ЗДП-2. Сами свойства и состояние углегазоносного массива (газоотдача, газопроницаемость и др.) могут предопределять крайне низкий дебит метана из скважины, а следовательно, низкий суммарный съем метана. Эффективный съем метана является основной целью при реализации технологии ЗДП-1.

Для заблаговременного определения целесообразности применения той или иной технологии (ЗДП-1 или ЗДП-2) разработана методология определения потенциального уровня метаноизвлекаемости из угольных пластов и рабочая методика метанодобываемости конкретных шахтных полей.

Основные показатели угольного массива, влияющие на метанодобываемость: метаноемкость и метаноносность угля в массиве; пористость коллектора метана; трещиноватость массива и наличие нескольких систем трещин; газопроницаемость угольных пластов; давление метана в массиве; интенсивность метаноотдачи в скважину; угленосность толщи; степень метаморфизма угля и его петрографический состав; напряженное состояние (горное давление); температура пласта; влагонасыщенность (обводненность); минеральный состав и текстура угольного пласта.

Основные технологические параметры, влияющие на метанодобываемость: дебит одиночной скважины; коэффициент стабилизации дебита; размер зоны дренирования пласта вокруг скважины.

Оценка метаноизвлекаемости проводилась комбинированным методом – на основе эмпирических замеров фактической скорости газовыделения с поверхности обнажения угля со стенок пластовых скважин (наиболее целесообразный вариант), подготовительных выработок (желательно, вне зоны влияния горных работ) или с поверхности обнажения в очистном забое (менее достоверная информация вследствие наличия эффекта разгрузки). Уточнение оценочных коэффициентов осуществляется на базе теоретических расчетов диффузии угольного метана, расчета дебита газа в асимметричной задаче фильтрации газа в скважину и дебита метана в трещину с определением зоны дренирования (дегазации) угольного пласта.

Площадь определения зоны дренирования (дегазации) пласта рассчитывается по формуле:

, где m – пористость угля, м3/м3; Р – текущее-1,

где m – пористость угля, м3/м3; Р – текущее давление газа, Па; k - коэффициент газопроницаемости, м2; а, в – константы сорбционной изотермы, м3/м3 и Па-1 ; µ - динамическая вязкость газа, Пас.

Выражение получено для потока газа применительно к измерению газоотдачи пласта в скважину.

Планируемая нагрузка на лаву в условиях ОАО «Воркутауголь» составляет 3000-3300 т/сут., при этом прогнозное газовыделение разрабатываемого пласта может достигать 6,5-8,5 м3/т. Без кардинального снижения газообильности горных выработок, и в первую очередь разрабатываемого пласта, обеспечить такую нагрузку не представляется возможным. В условиях Воркутского месторождения при отсутствии предварительной дегазации даже высокоэффективная текущая дегазация не обеспечивает решения проблемы метанобезопасности.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.