Способ разработки пологих и наклонных угольных пластов

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке пологих и наклонных средней мощности и мощных пластов с применением гидромеханизации. Сущность изобретения: осуществляют блоковую подготовку месторождения. В пределах отрабатываемого столба перед очистной выемкой пласт разупрочняют проведением маарообразных полостей с формированием податливых угольных целиков. Полость формирует через интервал на расстоянии от очистной выработки, определяемый из математических выражений. 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке пологих и наклонных средней мощности и мощных угольных пластов с применением гидромеханизации.

Известен способ разработки пологих угольных пластов, который включает в себя блоковую подготовку, нарезку выемочных столбов и последующую выемку угля из последних заходками гидромониторами известных типов [1] Недостатком известного способа является то, что с увеличением глубины разработки и усложнением горно-геологических условий этот наиболее представительный и распространенный способ разработки угольных пластов становится не эффективным в виду того, что в этих условиях подготовку и нарезку выемочных столбов необходимо производить шириной в 1,5-2,0 раза большей, чем на малых и средних глубинах. К тому же с увеличением глубины разработки возрастает прочность угля. Поэтому современные средства выемки (гидромониторы типа 12ГД-2, ГДМС-10 и др.) не позволяют эффективно отрабатывать широкие столбы с увеличенной крепостью угля, что ведет к увеличению энергоемкости процесса, снижению производительности гидромониторной выемки, высоким эксплуатационным потерям, за счет составления в выработанном пространстве угольных целиков значительных размеров.

Известен комбинированный способ камерной выемки при разработке пластовых месторождений сильвинитов, заключающийся в проведении ряда выемочных выработок у почвы пласта (чаще от 2 до 4 камер в виде веера) с формированием между ними ленточных прямоугольных целиков, затем и обуривание, рыхление взрыванием и последующую выемку [2] Однако этот способ недостаточно эффективен, так как из-за значительного объема работ подготовительного характера характеризуется большой трудоемкостью и высокой энергоемкостью процесса.

При этом можно выделить ряд крупных недостатков комбинированного способа выемки: это в первую очередь многооперационность и невысокий уровень механизации процессов таких как бурение шпуров, заряжение, взрывание, крепление, сборка кровли, что указывает на большую трудоемкость; применение ВВ характеризует данный способ также с отрицательной стороны, так как при взрыве в процессе разупрочнения происходит разброс отбитой массы на значительные расстояния, увеличивая эксплуатационные потери, что усложняет процесс погрузки и доставки, а собственно применение ВВ уменьшает безопасность труда рабочих; кроме того многостадийность и прерывистость цикла растягивает процесс выемки во времени.

Известен способ камерно-столбовой разработки мощных угольных пластов с обратной выемкой по падению буровзрывным способом, принятый нами в качестве прототипа. Этот способ предполагает предварительное ослабление угольного массива перед очистной выемкой проведением выемочных выработок у кровли и почвы пласта и последующим ведением из последних взрывогидравлической выемки угля [3] Однако данный способ недостаточно эффективен из-за ряда недостатков, основные и главные из которых следующие: во-первых, данный способ требует проведения выемочных выработок у почвы и кровли вынимаемого пласта одновременно, что связано с высокой трудоемкостью проведения и сложностью их поддержания; во-вторых, применение буровзрывных работ характеризует данный способ как энергоемкий из-за применения нескольких видов энергии, и большой номенклатуры применяемого оборудования; в третьих, применение собственно ВВ для разупрочнения угольного массива характеризует данный способ как неприемлемый в современных условиях и не отвечающий требованиям времени по таким факторам, как: социальные, из-за его безопасности, экологические, из-за токсичности и др.

Основные задачи, которые позволяет решить предлагаемое изобретение, следующие:
повышение эффективности очистной выемки за счет снижения энергоемкости процесса гидроотбойки угля, которое достигается путем разупрочнения угольного массива;
снижение эксплуатационных потерь угля, повышение производительности гидроотбойки в пределах выемочного столба, увеличение безопасности ведения горных работ.

Косвенные задачи, решаемые в результате использования предлагаемого изобретения, следующие:
увеличение сохранности нарезных (выемочных) выработок за счет уменьшения смещений пород кровли на их контуре;
способ может быть использован в качестве профилактического мероприятия по предупреждению газодинамических проявлений.

Решение этих задач достигается тем, что подготовленный выемочный столб перед очистной выемкой разупрочняют проведением у почвы пласта маарообразных полостей переменного сечения в направлении от выемочной выработки до обрушенного пространства с временным формированием податливых угольных целиков, обеспечивающих разупрочнение угольного массива выемочного столба до состояния, когда его несущая способность снижена против первоначальной, но устойчивость выемочных выработок при этом сохраняется, а производительность гидроотбойки при этом существенно увеличивается.

Реализация данного способа позволит устранить указанные в прототипе недостатки и повысить эффективность разработки пологих и наклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях с предварительным разупрочнением угольного массива.

Сущность данного способа заключается в следующем.

Угольный пласт в пределах выемочного блока перед очистной выемкой вначале отрабатывается у почвы пласта проведением маарообразных полостей с временным формированием податливых угольных целиков. Маарообразные полости переменного сечения проводятся на всю ширину выемочного столба гидромониторами известных типов. (Маары воронкообразные или цилиндрические углубления в земной поверхности. Словарь иностранных слов. М. Русский язык, 1988, с.608).

Исходя из конструктивных особенностей и параметров предлагаемого способа, представляется возможным добиваться различных смещений по ширине выемочного столба. Так в месте установки гидромонитора в выемочной выработке смещения минимальные по той причине, что начальное сечение разгрузочной выработки (устье маарообразной полости) минимально и находится у почвы, а сечение выработки намного больше, в результате чего формируется устойчивое сопряжение с минимальными смещениями в выемочной выработке. И, напротив, на границе с обрушенными породами, где сечение разгрузочной выработки на период ее проведения максимальное, а целик-минимальных размеров, то и смещения в этой области будут наибольшими. Таким образом, по мере проведения разгрузочных маарообразных полостей с увеличением их сечения нарастают смещения, уголь межполостных целиков переходит в запредельное состояние, разрушается и происходит таким образом локальное разупрочнение пласта, сопровождаемое искусственным снижением прочности угля в отрабатываемом столбе в направлении от выемочной выработки до обрушенного пространства. Причем последнее особенно важно при увеличенных размерах выемочного столба, когда эффективность гидроотбойки в обычных условиях значительно снижается.

Работы подготовительного характера, т.е. мероприятия по локальному разупрочнению угольного пласта и разгрузке горного массива проводятся попеременно таким образом, что если в одном выемочном столбе ведутся очистные работы, то в другом профилактические мероприятия по подготовке столба к очистной выемке. Таким образом достигается оставление участка (опережение), определяемое из условия, исключающего забучивание угольной пульпой (затопление) пространства выемочной выработки перед гидромонитором, которое предлагается определить по формуле
l где h_м высота выемочной машины (гидромонитора), м;
i гидравлический уклон. Если размеры выемочного блока значительные, то возможно совмещение очистных и подготовительных работ в одном выемочном столбе, но с обязательным опережением равным не менее двух шагов посадки основной кровли.

На фиг.1 представлен способ разработки пологих и наклонных угольных пластов в виде блока подготовительных и очистных работ с элементами мероприятий по разупрочнению угля в выемочных столбах; на фиг.2 проведение маарообразных полостей, посредством которых формируются податливые целики угля переменного сечения.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Участок угольного пласта, ограниченный по падению вентиляционным 1 и аккумулирующим 2 штреками по простиранию разделяют на выемочные блоки 3 блоковыми выработками-печами 4, 5. Из последних с уклоном i 0,07 проходческими комбайнами 6 известных типов проводятся выемочные выработки 7. Расстояние между ними определяют расчетом, сообразуясь с устойчивостью выемочных столбов 8 и эффективной дальностью действия гидромониторной струи (но не менее 15 м). Затем из выемочных выработок 7 гидромониторами (например ГДМС12-10) 11 проводят разгрузочные выработки (маарообразные полости) 9 с определенным для конкретных горно-геологических условий интервалом. Предшествующая очистной выемке подобная технология профилактики в выемочных столбах (мероприятия по разгрузке) осуществляются проведением маарообразных полостей 9 с временным формированием податливых опор в виде угольных целиков 10 определенной формы, в результате частичного разрушения которых происходит разгрузка массива в столбе 8. При этом разгрузочные полости 9 проводят на длину, равную ширине столба 8 между выемочными выработками 7. Выемка угля в разгрузочных выработках 9 осуществляется гидромониторами известных типов. Проводимым разгрузочным выработкам 9 придается маарообразная форма. Проводимые гидромонитором маары имеют переменное сечение, увеличиваясь от выемочной выработки в сторону отработанного пространства, и формируют при этом податливые опоры 10 также переменного сечения. По мере подвигания фронта забоев при проведении разгрузочных выработок 9 (маарообразных полостей) и увеличении числа податливых целиков 10 возрастает изрезанность пласта у его почвы. Преобладающие деформации при этом испытывают податливые угольные целики 10. Причем, чем дальше от выемочной выработки в сторону отработанного пространства 13, тем большие деформации испытывают угольные целики. Таким образом, под действием неравномерной распределенной нагрузки вблизи забоя уголь целиков 10 вначале упруго сжимается, затем по мере удаления забоя переходит в запредельное состояние, раздавливается вышележащим массивом, заполняя объем вынутых разгрузочных выработок 9 (маарообразных полостей).

Дальнейшая отработка, разупрочненного таким образом оставшейся части угольного массива производится из выемочных выработок 7 с применением гидромониторов известных типов 12.

Проведенные исследования показывают, что благоприятные результаты могут быть получены при условии правильного определения и установления основных конструктивных параметров принятой технологии.

В рассматриваемом примере основным конструктивным параметром, определяющим сущность технологии являются параметры разгрузки, т.е. интервал, через который проводятся маары, формирующие податливые целики. Для этого предложена зависимость следующего вида:
L 2h1,5-
где h_п высота вынутой полости (маар) в рассматриваемом сечении, м;
Р давление технологической высоконапорной воды, МПа;
m мощность пласта, м;
σ_сж предел прочности угля на одноосное сжатие, МПа;
γ плотность пород кровли, т/м³;
Н глубина разработки, м;
ln основание натурального логарифма;
К коэффициент концентрации вертикальных напряжений.

Предлагаемый способ разработки угольных пластов может быть реализован практически в любых горно-геологических условиях, так как основан на возможности широкого варьирования параметрами разгрузки, при которых достигается разупрочнение угольного массива по ширине отрабатываемого столба.

Достоверность достижения поставленных задач обеспечивается:
1. Аналитическими, лабораторными и шахтными исследованиями, на основе которых получена зависимость и разработан метод расчета, позволившие с достаточной для практики точностью определять основные конструктивные параметры разгрузки и разупрочнения угольного пласта в заданных горно-геологических условиях.

2. Использованием научно обоснованных методов и применением новейших средств (приборы, датчики) для определения в натурных условиях размеров зон разгрузки, прочностных характеристик угля и пород в этих зонах, используемых для уточнения параметров предложенной зависимости.

3. Результатами практического применения предложенного способа выемки при отработке пологих и наклонных мощных угольных пластов (условия разработки пл. Байкаимский, Инский III на гидрошахте "Инская" ПО "Беловоуголь").

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ И НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, включающий блоковую подготовку, проведение выемочных выработок и очистную гидромониторную выемку из последних, отличающийся тем, что пласт в пределах отрабатываемого столба перед очистной выемкой разупрочняют проведением у почвы маарообразных полостей в направлении от выемочной выработки до обрушенного пространства с временным формированием податливых целиков переменного сечения через интервал, определяемый по эмпирической зависимости

где h_n высота полости (маара), м;
m мощность пласта, м;
P давление технологической высоконапорной воды, МПа;
σ_сж- предел прочности угля на одноосное сжатие, МПа;
γ плотность пород кровли, т/м³;
H глубина разработки, м;
K коэффициент концентрации вертикальных напряжений, очистную выемку ведут на расстоянии от работ по разупрочнению, определяемом по формуле

где h_м высота выемочной машины, м;
i гидравлический уклон выработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2