Способ оптимальной ориентации очистных работ, в частности в каменноугольном месторождении

 

Способ оптимальной ориентации очистных работ, в частности в каменноугольном месторождении, относится к области горного дела. Способ заключается в том, что при планировании очистных работ в тектонически напряженном осадочном месторождении, в частности в каменноугольном месторождении, производят выбор направления очистной выемки, длины очистного забоя, скорости и последовательности отработки пласта. С этой целью ориентацию планируемых очистных работ производят в зависимости от простирания, длины по простиранию и ширины размывов пласта в массиве месторождения, выявленных и спроектированных с учетом тектомеханического процесса, определяемого энергией складкообразования и тектонической энергией. Это в свою очередь позволяет в дальнейшем повысить добычу полезного ископаемого при его разработке. 11 з.п. ф-лы.

Настоящее изобретение относится к способу планирования очистных работ в тектонически напряженном осадочном месторождении, в частности в каменноугольном месторождении, путем выбора направления очистной выемки, длины очистного забоя, скорости и последовательности отработки пласта, при этом положение очистных забоев ориентируют по тектоническим нарушениям в массиве месторождения и за основу планирования для выбора подлежащего вскрытию и подготовке к очистной выемке массива месторождения принимают падение, простирание и величину сброса соответствующего выявленного геологического нарушения и форму кривой энергии складкообразования, а также произведенные тектонической энергией разрыхления, смятия и сжатия в горной породе и обусловленные этим перемещения тектонических масс.

В одном из таких способов, описанных, например, в заявке WO 95/14155, для учета тектомеханического процесса при возникновении месторождения для проецирования на части месторождения предлагается использовать тектомеханические взаимосвязи при возникновении планируемого для разработки массива месторождения в качестве основы для планирования очистных работ, причем более точные данные о форме и характере тектоники улучшают основы планирования очистных работ, а следовательно, также планирования необходимых для этого вскрытия и подготовки. Так, в известном способе для планирования очистных работ уже предлагается использовать взаимосвязи между большой и малой тектоникой или между первичными и вторичными нарушениями. При этом учет тектомеханических взаимосвязей позволяет на более раннем этапе получить сведения о том, останется ли, например, сброс данного известного нарушения предположительно постоянным или же он будет увеличиваться или уменьшаться в том или ином направлении простирания. Известный способ, таким образом, уже позволяет определять значения изменений в направлениях простирания и падения при выявленных нарушениях, используя эту информацию для планирования очистных работ. Далее, можно получить данные о разрывах от вертикальной проекции сбросов в зависимости от падения слоев породы, т.е. в зависимости от складчатости, и в соответствии с этим осуществлять планирование очистных работ. Благодаря этому можно получать более точную информацию о форме и характере большой и малой тектоники, что в известной степени позволяет целенаправленно улучшить основы планирования очистных работ и тем самым само планирование.

Далее, из заявки DE-A-2544391 известен способ определения оптимального направления очистных работ, в частности с целью избежать горных ударов, выбросов газов и обрушений, при этом в данном способе устанавливают порядок отработки пластов, а очистные работы тем самым проводят с учетом уменьшения тектонических сил, причем зоны с меньшим уменьшением тектонических сил отрабатываются отдельно в первую очередь и очистные работы ведутся соответственно из зон с большим уменьшением тектонических сил в направлении зон с меньшим уменьшением тектонических сил.

Хотя эти известные способы и позволяют повысить надежность планирования при ориентации очистных работ в массиве месторождения при очистных работах, соответственно при выемке возникают другие проблемы, которые связаны с содержащейся в пласте породой и которые часто приводят к уменьшению добычи полезного ископаемого в забое вплоть до отказа от соответствующей высоты этажа.

Исходя из вышеизложенного, в основу изобретения была положена задача усовершенствовать известный из уровня техники способ с целью повысить информативность основ планирования.

Эта задача решается с помощью способа, представленного в формуле изобретения, включая предпочтительные варианты его осуществления.

Основная идея изобретения заключается в том, что ориентацию планируемых очистных работ производят в зависимости от простирания, длины по простиранию и ширины размывов пласта в массиве месторождения, выявленных и прогнозируемых с учетом тектомеханического процесса, определяемого энергией складкообразования и тектонической энергией, причем положение обширных сдвигов и/или сдвиговых зон определяют с учетом присущей месторождению эквидистантности, а при вскрытии размыва пласта на расстоянии менее 300 м от него устанавливают простирание размыва пласта и соотносят с простиранием сдвига и/или сдвиговой зоны в направлении потока энергии.

Под "размывами пласта" подразумеваются нерегулярности пласта, к которым относятся обеднения пласта, заносы пласта песком, cкучивания пласта, расщепления пласта, линзообразные прослойки в пласте, заполнения эрозионных желобов, а также поверхностная эрозия пласта. В основе обусловленных размывами пласта проблем при добыче лежат различные причины: вследствие наличия породы в массиве содержание пустой породы в выдаваемом на-гора угле повышается; существует также повышенная склонность к обрушению кровли или висячего бока с вытекающими отсюда "проблемами возведения крепи" и, кроме того, возникает повышенный износ рабочих органов добычной машины и/или выемку приходится местами переводить на взрывной режим работы. Далее, вследствие размывов при том же объеме добычи по товарному углю возрастает выход пустой породы, что требует отвалов большей емкости на земной поверхности. Кроме того, размывы пласта при том же объеме добычи по товарному углю на шахте приводят также к тому, что в других очистных забоях необходимо увеличивать скорость продвигания фронта очистной выемки, соответственно требуются внеплановые инвестиции в организацию дополнительных очистных забоев, а предусмотренный порядок отработки пластов при этом не может быть соблюден.

Преимущество настоящего изобретения в основном состоит в том, что оно практически полностью позволяет устранить вышеназванные проблемы за счет исключения зон с более сильными, соответственно частыми размывами пласта при выборе ориентации очистных забоев.

Горные породы, как правило, через определенные промежутки разделены на параллельные слои крупными, имеющими большую протяженность, приблизительно параллельными сдвиговыми зонами. При этом на сдвигах имело место более или менее крупное горизонтальное перемещение масс. В зависимости от падения слоев горных пород, а также в зависимости от подведенной тектонической энергии и ее местных уменьшений тектомеханический процесс в области сдвиговых зон привел к возникновению различных дислокаций от незначительных срезов до значительных тектонических нарушений со сбросом более 100 м.

Крупные сдвиговые зоны часто начинаются или оканчиваются в области пересечения больших антиклиналей с большими сбросами. Когда антиклинали еще только складывались в складки, а большие сбросы уже были уложены, при складкообразовании поверх сбросов возникали разрыхления, а под ними образовывались смятия. Если же оси антиклинали по обе стороны сброса расположены не точно друг против друга, то разрыхления и смятия взаимно не компенсируются, в результате чего рядом образуются дефицит и избыток масс. Вследствие перемещения материала на сдвигах дефицит и избыток масс устраняются. В дополнение к большим сдвиговым зонам, имеющим заданное направление простирания, которое доминирует на больших протяжениях как последовательно, так и параллельно, следует ожидать сдвиговых зон с другими направлениями простирания. В то время как доминирующие сдвиги, как правило, выходят из точки пересечения больших антиклиналей с большими, составляющими более 200 м сбросами, сдвиги, соответственно сдвиговые зоны, простирающиеся приблизительно под прямым углом к ним, появляются преимущественно в области пересечения доминирующих сдвигов, соответственно сдвиговых зон с падающими в рурской каменноугольной системе (рурский карбон) на запад большими, составляющими более 200 м сбросами.

При этом при планировании очистных работ следует учитывать, что большие сбросы в области пересечения с доминирующими сдвигами, соответственно со сдвиговыми зонами, явно изменяют свое направление простирания таким образом, что во время тектомеханического процесса в почве сбросов возникают более сильные разрыхления, а в кровле возникают смятия. В результате перемещения масс по сдвигу разрыхление с помощью отклоненной энергии складкообразования задвигается; то же самое действительно и для разрыхлений в почве пластов крупных сдвигов, падающих в рурской каменноугольной системе на запад. С целью задвинуть эти разрыхления в почве пластов требуется второй сдвиг, по которому может происходить дополнительное перемещение масс, при этом затраты энергии для устранения разрыхлений в области крупных разрыхлений больше, если перемещение масс происходит только по сдвиговой зоне.

Разделение горных пород через определенные промежутки крупными, приблизительно параллельными сдвиговыми зонами или простирающимися на большие расстояния сдвигами на расположенные параллельно друг другу слои дает крупномасштабную реальную картину с растром нарушений, который может быть получен, соответственно определен так же и в других, менее известных месторождениях, а получение такого растра нарушений основано на эквидистантности сдвиговых зон. Так, например, в рурской каменноугольной системе расстояние между крупными, простирающимися с востока на запад главными сдвигами, которые также могут быть заложены латентно и при этом, как правило, образованы в виде ослабленных зон, составляет около 5,2 км, а между ними на расстоянии от 0,8 до 1,5 км в зависимости от уменьшения энергии складкообразования находятся другие сдвиговые зоны или сдвиги.

Разделение горных пород через определенные промежутки крупными, приблизительно параллельными сдвиговыми зонами или сдвигами оказывает влияние на энергию складкообразования и противодавление. Энергия складкообразования и противодавление отклоняются сдвигами. Поскольку энергия складкообразования подводится к горным породам широким фронтом, с параллельно расположенными отклонениями энергии связано сложение энергии, а также противодавления с получением все больших значений. В результате на формирование других тектонических нарушений закономерно влияет тектомеханический процесс. Благодаря этому сбросы в области крупных сдвиговых зон и сдвигов, как правило, имеют меньшую величину или же они оканчиваются, приходя со всех сторон, в соседней области сдвигов, соответственно снова начинаются отсюда. Это относится прежде всего к небольшим, составляющим менее 100 м сбросам, и, кроме того, изменяется также направление простирания сбросов. То же самое относится к надвигам. Принимая во внимание эти взаимосвязи в тектомеханическом процессе, следует предполагать возможность более крупных сбросов между сдвиговыми зонами. В этих зонах материал горных пород усиленно надвигается друг на друга, вследствие чего возможности сдвижения в них по малотектоническим нарушениям в горной породе ограничены.

Направление простирания доминирующих сдвигов, соответственно сдвиговых зон в месторождении, ориентируется по уменьшению энергии складкообазования в крупных антиклинальных и надвиговых областях. Большая складчатость и/или большие размеры надвига связаны с большим уменьшением тектонической энергии. Вследствие этого в направлении потока энергии рядом с друг другом возникают зоны с различной внутренней энергией. Большая энергия отклоняется диагонально в направлении меньшей энергии. В этом направлении (направление простирания) возникают срезы, ответственные в тектомеханическом процессе за возникновение и формирование, в частности, сдвигов, при этом срезы возникли в более ранний период и могут быть обозначены как первоначальная матрица горного массива.

Если доминирующие, простирающиеся с востока на запад сдвиги и/или сдвиговые зоны наталкиваются на антиклинальные и/или надвиговые зоны, которые вследствие их складчатости и размеров надвига служат предпосылкой образования доминирующих сдвигов и/или сдвиговых зон, имеющих направление простирания с севера на юг, то срезы из обеих систем накладываются один на другой в направлении потока энергии, исходя из антиклинальных и надвиговых областей, которыми обусловлены сдвиги и/или сдвиговые зоны с направлением простирания с севера на юг.

Для планирования очистных работ при этом особое значение имеет в целом постоянно повторяющееся различие между направлениями простирания рано возникших размывов пласта и нарушений, возникших позже как их следствие. Различное направление простирания можно объяснить противоположно направленным перемещением материала по срезам сдвиговых зон: либо направления простирания размывов и вторичных нарушений проходят параллельно направлениям простирания сдвиговых зон, либо направления простирания образуют друг с другом действительный для рурской каменноугольной системы угол приблизительно 30 гон. Однако вершины этого угла обращены в противоположных направлениях, что указывает на поворот в противоположную сторону направления перемещения масс по обеим сторонам среза. Тем самым вначале (уже во время седиментации) имело место перемещение масс в направлении генерального простирания, а затем ортогонально к нему. Пластичная еще масса горных пород отступала к востоку и западу и позднее двигалась (после сильного затвердевания) на север. Существенным для направления простирания размывов пласта в рурской каменноугольной системе является отклонение осажденного материала горных пород ортогонально к наибольшему горизонтальному напряжению горных пород, которое для рурской каменноугольной системы принимается в направлении с юго-юго-востока на северо-северо-запад. На сдвигах, соответственно ослабленных зонах это вызывало движение, которое было направлено против более поздних движений, и тем самым определяет направление простирания размывов пласта.

В соответствии с различными вариантами осуществления изобретения проектирование размывов пласта производят с учетом вышеприведенных рассуждений, а направление ориентации очистных работ выбирают параллельно проектируемому размыву пласта.

Согласно одному из примеров осуществления изобретения еще одну проекцию расположения размывов пласта получают в соответствии с наличием надвигов, при этом два надвига могут оканчиваться на проходящей под прямым углом к генеральному простиранию линии или на узкой полосе, проходящей в том же направлении. В этом случае при планировании ориентации очистных работ необходимо также учитывать размывы пласта, простирающиеся в направлении этой линии или узкой полосы. В частности, это относится к размывам пласта, которые начинаются в исходной области расположенных к югу надвигов и оканчиваются приблизительно за 400 м до расположенного к северу от них надвига. В этой зоне уже заранее сказываются более поздние энергетические различия в тектомеханическом процессе. Аналогичные результаты получают в том случае, если простирающиеся с востока на запад, соответственно с севера на юг сдвиги оканчиваются к югу в той же области.

Далее, окончание складок и надвигов имеет значение постольку, поскольку при планировании необходимо учитывать соответственно к северу от исходной области размывы пласта с простиранием с севера на юг в западной исходной области и с простиранием с востока на запад в восточной исходной области. Далее, при планировании очистных работ необходимо учитывать центральную биссектрису между двумя приблизительно параллельными по падению и простиранию надвигами с величиной сброса более 10 м. При этом происходит наложение нагрузок на горные породы, если расстояние по слою между надвигами меньше 800 м. В случае рурской каменноугольной системы эти 800 м имеют значение постольку, поскольку это расстояние является значительным расстоянием между крупнотектоническими надвигами в некоторых областях рурской каменноугольной системы.

Кроме того, размывы пласта, составляющие вплоть до расстояния по слою приблизительно 400 м в кровле надвигов, также следует включать в планирование ориентации очистных работ. При этом речь идет о размывах пласта, которые простираются параллельно надвигам. Существенным при этом является то, что надвиги находятся в северном и южном крыле крупных антиклинальных систем и имеют падение на север и на юг. В этой зоне благодаря распределению напряжений в тектомеханическом процессе более поздние напряжения были относительно незначительными, в результате чего на более раннем этапе возникло свободное пространство для возможных ослабленных зон, в которых образовывались размывы пласта.

Область кровли надвигов во время тектомеханического процесса нагружается в результате скольжения по слою. Это связано с изменением меры надвига для надвигов того же стратиграфического уровня. В этих случаях скольжение слоя сильнее разрушило области с размывами пласта, и по этой причине в одном из примеров осуществления изобретения планирование очистных работ должно предусматривать уменьшение расстояния между рамами крепи в области штрека и уменьшение запаздывания с возведением крепи в области лавы.

Далее, согласно еще одному из примеров осуществления изобретения особое значение имеет петрография месторождения. Мощные пачки песчаника на небольшом расстоянии от пласта указывают на прибрежную седиментацию, и в этой области тектонические сдвижения предположительно были меньше, а размывы пласта в связи с движениями по ослабленным зонам не имели места. В этом случае планирование очистных работ не требует учета размывов пласта, однако при таких условиях необходимо предусматривать соответствующие меры по согласованию очистных работ с меньшей мощностью пласта, обеспечивая больший интервал перестановки крепления лавы и используя соответствующие добычные средства. При этом согласно одному из примеров осуществления изобретения целесообразно с помощью заранее пробуренной частой сетки скважин установить наименьшую ожидаемую мощность пласта и затем согласовать крепление лавы и использование добычных средств с установленным значением.

Представленные в вышеприведенном описании, в формуле изобретения и в реферате отличительные признаки изобретения как индивидуально, так и в любых сочетаниях друг с другом могут быть существенны для осуществления изобретения в его различных вариантах.

Формула изобретения

1. Способ планирования очистных работ в тектонически напряженном осадочном месторождении, в частности каменноугольном месторождении, путем выбора направления очистной выемки, длины очистного забоя, скорости и последовательности отработки пласта, при этом положение очистных забоев ориентируют по тектоническим нарушениям в массиве месторождения, а за основу планирования для выбора вскрываемого и подготавливаемого к очистной выемке массива месторождения принимают падение, простирание и величину сброса соответствующего выявленного геологического нарушения, а также форму кривой энергии складкообразования и производимые тектонической энергией разрыхления, смятия и сжатия в горной породе и обусловленные этим перемещения тектонических масс, отличающийся тем, что ориентацию планируемых очистных работ производят в зависимости от простирания, длины по простиранию и ширины размывов пласта в массиве месторождения, выявленных и прогнозируемых с учетом тектомеханического процесса, определяемого энергией складкообразования в тектонической энергией, причем положение обширных сдвигов и/или сдвиговых зон определяют с учетом присущей месторождению эквидистантности, а при вскрытии размыва пласта на расстоянии менее 300 м от него устанавливают простирание размыва пласта и соотносят с простиранием сдвига и/или сдвиговой зоны в направлении потока энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выявленном расположении линий простирания размыва пласта и сдвига и/или сдвиговой зоны под углом друг к другу положение размыва пласта проектируют под выявленным углом к последующей форме сдвига и/или сдвиговой зоны, а направление очистных работ закладывают параллельно спроектированному размыву пласта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выявленном параллельном расположении по простиранию размыва пласта и сдвига и/или сдвиговой зоны положение размыва пласта проектируют параллельно последующему расположению сдвига и/или сдвиговой зоны, а направление очистных работ закладывают параллельно спроектированному размыву пласта.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что при выявленном соответственно при спроектированном перерыве в расположении обширного сдвига и/или сдвиговой зоны расположение выявленного, соответственно спроектированного размыва пласта проектируют в направлении простирания сдвига и/или сдвиговой зоны, а направление очистных работ закладывают параллельно спроектированному размыву пласта.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что при выявленном в области кровли надвига размыве пласта со спроектированным параллельно надвигу простиранием в области кровли на расстоянии по слою до 400 м от надвига бурят разведочные скважины с целью дальнейшего определения массива месторождения и/или осуществляют прозвучивание.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при изменении величины надвига у надвига того же стратиграфического уровня предусматривают при планировании очистных работ меньшее расстояние между рамами крепи в области штрека и уменьшенное запаздывание возведения крепи в области лавы.

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что при расстоянии по слою менее 800 м между двумя приблизительно параллельными по падению и простиранию надвигами области с выявленными и/или спроектированными размывами пласта практически исключают из планирования очистных работ.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в случае складки, проходящей приблизительно поперек направления подвода энергии, области в энергетической тени складки с выявленными и/или спроецированными размывами пласта практически исключают из планирования очистных работ.

9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в случае складки, проходящей приблизительно поперек направления подвода энергии, очистные работы в областях в энергетической тени складки с выявленными и/или спроецированными размывами пласта планируют с меньшей добычей в забое.

10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в случае складки, проходящей приблизительно поперек направления подвода энергии, направление очистных работ в областях в энергетической тени складки при выявленных и/или спроецированных размывах пласта выбирают в направлении простирания размывов пласта.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в случае имеющихся на небольшом расстоянии от пласта мощных слоев песчаника планирование очистных работ осуществляют без принятия соответствующих мер по проектированию размывов пласта и предусматривают соответствующие меры по согласованию очистных работ с меньшей мощностью, обеспечивая больший интервал перестановки крепления лав и используя соответствующие добычные средства.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что с помощью предварительно пробуренной частой сетки скважин устанавливают наименьшую ожидаемую мощность пласта и согласуют крепление лав и добычные средства с установленным значением.