Комплексное обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке высокогазоносных угольных месторождений

На правах рукописи

ЛОГИНОВ Александр Кимович

Комплексное обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке высокогазоносных угольных месторождений

Специальность 25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность» (в горной промышленности)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009

Диссертационная работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном горном университете на кафедре «Подземная разработка пластовых месторождений».

Научный консультант

доктор технических наук, профессор МИХЕЕВ Олег Витальевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Фрянов Виктор Николаевич

доктор технических наук, профессор

Катков Геннадий Алексеевич

доктор технических наук, профессор

Каледина Нина Олеговна

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук - Институт проблем комплексного освоения недр (г. Москва)

Защита диссертации состоится « » 2009 г. в час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Мельник Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В процессе реструктуризации угольной отрасли России получен целый ряд положительных результатов ее функционирования.

Однако игнорирование роли горной науки в процессе реструктури­зации и отсутствие финансовой государственной поддержки привело к применению временных техно­логических схем шахт; износу оборудования на 70-80%; ограничению потенциальных возможностей высокопроизводительного очистного оборудования неблагоприятными для его эксплуатации формой и разме­рами выемочных участков в пределах одной действующей шах­ты; применению устаревших пространственно-планировочных решений при техническом перевооружении действующих шахт; бессистемному выделению или объединению шахт в организационно-административные и экономические структуры без учета специфики горно-геологических и горнотехнических усло­вий освоения несколькими горными предприятиями крупных уголь­ных месторождений. Результаты реструктуризации угольной отрасли недостаточны для достижения хозяйствующими субъектами основной цели, характерной для новых экономических отношений – обеспечения устойчивого роста уровня рентабельности производства конкурентоспособной угольной продукции.

Как показывает мировой опыт, рентабельность производства, достаточная для устойчивого функционирования и развития предприятий в конкурентной среде, а также оплата труда, привлекательная для высококвалифицированного операционного персонала и менеджмента, обеспечиваются лишь на предприятиях высокого технико-экономического уровня, ориентированных на интенсивное освоение своего георесурсного потенциала.

В этом контексте одним из ключевых вопросов проектирования единой высокопроизводительной шахты «Воркута» является управление производственными рисками по фактору обеспечения безопасности угледобычи. Четыре шахты, объединяемые в одну, разрабатывают пласты угля, опасные по взрывам пыли и метана. Кроме того, пласты «Мощный» и «Тройной» являются опасными по внезапным выбросам угля и газа, а пласт «Пятый» отнесен к опасным на полях шахт «Воркутинская» и «Комсомольская».

Основным фактором сдерживания интенсивности подземной угледобычи является высокая метанообильность шахт основных бассейнов России – Печорского и Кузнецкого. Для рентабельной угледобычи эффективность дегазации должна быть не менее 50-60%, в то же время выполнение этого условия требует реализации целого ряда нетрадиционных технологических решений.

На основании вышеизложенного, можно констатировать, что исследования, направленные на научное обосно­вание прогрессивных технологических решений по интенсивной и безопасной отработке высокогазоносных угольных месторождений на шахтах нового технико-экономического уровня, объективно позиционируются как весьма актуальные.

Целью диссертации является комплексное обоснование прогрессивных технологических решений по интенсивной отработке запасов высокогазонос-ных угольных месторождений с учетом закономерностей функционирования производства в конкурентной рыночной среде и специфики проявлений геомеханических и газодинамических процессов, направленных на структурные преобразования производственного фонда угольной компании и системно-ориентированное повышение эффективности и безопасности горных работ.

Основная идея диссертации заключается в реализации системного подхода к обоснованию параметров технологических систем шахт и структурных преобразований производственного фонда угольной компании, функционально ориентированных на создание угледобывающих комплексов нового технико-экономического уровня с учетом специфики горно-геологических условий и возможности управления геомеханическими и газодинамическими процессами при интенсивной отработке запасов высокогазоносных угольных пластов.

Методы исследований. В диссертации использованы: комплексный метод исследований, включающий технико-экономический анализ, научное обобщение состояния и прогнозирование развития научно-технического прогресса подземной технологии добычи угля; системный и структурно-функциональный анализы технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов при проектировании строительства новых и реконструкции действующих угольных шахт; методы математической статистики и экспертных оценок.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Приоритетным направлением преобразования производственного фонда угольной компании, обеспечивающим высокую производительность и безопасность подземной угледобычи при групповой реконструкции шахт, должно являться их объектно-ориентированное интегрирование в единый угледобывающий комплекс со строительством общешахтной конвейерной подземной магистрали и выдачей горной массы для переработки непосредственно на технологические линии обогатительной фабрики.

2. Обоснование параметров технологии многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов высокогазоносных угольных пластов следует осуществлять с учетом механизма рационального взаимодействия предохранительных угольных целиков с боковыми породами в режимах, обеспечивающих эксплуатационное состояние участковых выработок без опасных концентраций напряжений, разрушения краевых частей целиков и пучения почвы. При этом размеры целиков необходимо обосновывать исходя из специфики механизма их работы в режимах упругого или неупругого деформирования.

3. Канатные анкеры, устанавливаемые в основной кровле угольных пластов, ограничивают развитие изгибающих моментов сверх допустимых значений, вызывающих разрушающие деформации в породном массиве при охране выработок, что предопределяет необходимость обеспечения рационального сочетания штанговых и канатных анкерных крепей, силовые и деформационные характеристики которых должны определяться условиями взаимодействия с породным массивом.

4. Научно обоснованные методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем управления газовыделением при заблаговременной дегазационной подготовке запасов угля должны учитывать физико-химические и физико-механические свойства угольного пласта, оценку потенциальной метаноизвлекаемости и степень заблаговременной дегазации высокогазоносных угольных пластов.

5. Обоснование методологического подхода к оценке метаноизвлекаемости из неразгруженных от горного давления угольных пластов через скважины заблаговременной дегазации базируется на учете структуры высокогазоносного угольного пласта, специфики газокинетических, сорбционных, физико-химических процессов массопереноса метана и фактической скорости газоотдачи углей в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

6. Технологическая схема предварительной дегазации шахтных полей через скважины с поверхности без удаления рабочей жидкости гидровоздействия и метана в условиях недостатка времени для эффективного извлечения последнего из неразгруженных угольных пластов является приоритетной альтернативой их заблаговременной дегазации.

7. Обеспечение требуемого уровня безопасности производства при реализации новых технологических решений по отработке высокогазоносных угольных пластов достигается необходимой полнотой выполнения функций, непосредственно связанных с этими решениями, в рамках работы системы управления охраной труда и промышленной безопасностью (СУОТ и ПБ), оцениваемой по предложенному критерию.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

• значительным объемом аналитических, экспериментально-аналитических и шахтных исследований основных подсистем подземной угледобычи при строительстве новых и реконструкции угледобывающих предприятий Воркутинского промышленного района;
• удовлетворительной сходимостью результатов исследований с фактическими данными о функционировании основных подсистем подземной угледобычи при строительстве новых и реконструкции действующих угледобывающих предприятий (расхождение не превышает 10-15%);
• положительными результатами внедрения разработанных технологических, технических и организационных решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов угольных пластов при строительстве и реконструкции горных предприятий нового технико-экономического уровня;
• положительными результатами натурных испытаний технологии предварительной дегазационной подготовки запасов поля шахты «Комсомольская» ОАО «Воркутауголь».

Научная новизна работы:

1. Предложен системный подход к разработке прогрессивных технологических и пространственно-планировочных решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов при реконструкции действующих горных предприятий и создании на их основе угледобывающих комплексов, базирующийся на учете горно-геологических, геомеханических, газодинамических и горнотехнических условий освоения угольных месторождений.

2. Обоснованы направления повышения интенсивности, эффективности и безопасности добычи угля на шахтах, разрабатывающих высокогазоносные угольные пласты, на основе системно-ориентированного технологического перевооружения очистных, подготовительных и транспортных работ.

3. Разработаны методические принципы обоснования параметров технологии многоштрековой подготовки и интенсивной отработки запасов угольных пластов, базирующиеся на учете специфики механизма взаимодействия предохранительных угольных целиков у подготовительных выработок с боковыми породами в различных режимах.

4. Разработана методическая база обоснования параметров технологии анкерного крепления подготовительных горных выработок на значительных глубинах их проведения и поддержания при отработке высокогазоносных угольных пластов.

5. Научно обоснована методология оценки метаноизвлекаемости из неразгруженных угольных пластов через скважины заблаговременной дегазации.

6. Разработаны методические принципы обоснования рациональных технологических схем управления газовыделением при заблаговременной дегазационной подготовке запасов шахтных полей для условий Воркутского месторождения.

7. Научно обоснованы параметры технологической схемы предварительной дегазации шахтного поля через скважины с поверхности без их освоения посредством подготовки запасов выемочных участков парными штреками и использованием пластовой дегазации в зонах гидрорасчленения угольных пластов.

8. Предложен и обоснован критерий результативности функционирования системы управления охраной труда и промышленной безопасностью – полнота выполнения функций этой системы.

Научное значение диссертации заключается в разработке методической базы для реализации системного подхода, объективно-ориентированного на обоснование прогрессивных технологических и технических решений при проектировании строительства и реконструкции горных предприятий с учетом специфики проявлений геомеханических и газодинамических процессов в условиях интенсивной отработки высокогазоносных месторождений и закономерностей развития научно-технического прогресса в угледобывающей отрасли.

Практическое значение диссертации заключается в разработке рекомендаций по реализации прогрессивных пространственно-планировочных и технологических решений по вскрытию, подготовке и отработке запасов высокогазоносных угольных пластов, а также соответствующему повышению результативности функционирования СУОТ и ПБ угольной компании.

Реализация результатов работы.

Разработана, утверждена и реализована концепция развития угледобывающих предприятий Воркутинского промышленного района.

Разработаны схемы многоштрековой подготовки выемочных участков параллельными выработками, методики проектирования предохранительных угольных целиков и паспортов анкерного крепления выработок, в том числе при многоштрековой подготовке.

Разработанные технико-технологические решения реализованы в технико-экономическом обосновании строительства шахты «Воркута».

Разработанные технологические решения по предварительной дегазации пласта «Четвертого» на участке лавы 514-с включены в «Отраслевое руководство по заблаговременной дегазационной подготовке высокогазоносных угольных пластов к эффективной и безопасной разработке» и в «Концепцию обеспечения метанобезопасности угольных шахт России на 2006-2010 гг.», согласованные с Ростехнадзором.

Результаты исследований автора используются в учебном процессе филиала С-ПбГГИ (ТУ) «Воркутинский горный институт» и МГГУ при подготовке специалистов по направлению 130400 - «Горное дело».

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и получили одобрение на научно-технических семинарах по проекту № ESIB9303 Tacis (Новокузнецк, Саарбрюккен, Антверпен, Лондон, 1996), научных симпозиумах в рамках «Недели горняка» (Москва, 2000-2008), научно-технических советах государственной угольной компании «Росуголь» (Москва, 1994-1996), научно-технических советах Комитета по угольной промышленности Минэнерго России (Москва, 1996-2001), научно-практических конференциях «Экспо-Уголь» (Кемерово, семинар «Шахтный метан – извлечение, использование, метанобезопасность» 2005, 2006), межрегиональной научно-практической конференции (Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2005-2007), научных семинарах кафедр «Подземная разработка пластовых месторождений» и «Инженерная защита окружающей среды» Московского государственного горного университета (Москва, 2000-2008).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 28 научных трудах, включая 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 монографиях и 1 патенте РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов и заключения, содержит 101 рисунок, 62 таблицы, список литературы из 157 наименований.

Автор выражает благодарность чл.-корр. РАН, профессору, доктору технических наук Л.А. Пучкову и доктору технических наук В.В. Мельнику за ценные методические рекомендации, кандидатам технических наук М.И. Смирнову и А.С. Соловьеву за практические советы при подготовке диссертации, а также коллективам кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений» МГГУ и ОАО «Воркутауголь» за оказанную помощь при проведении экспериментальных исследований.

Основное содержание работы

1. Оценка современного состояния, тенденций и направлений развития

научно-технического прогресса в технологии подземной добычи угля

В ходе реструктуризации угольной отрасли России изменилась экономическая основа ее функционирования: из дотируемой она перешла на обеспечение своих финансовых ресурсов за счет реализации продукции и возвратных заемных средств.

Вместе с тем позитивные результаты угледобывающих предприятий и темпы их роста недостаточны и далеки от уровня эффективности, достигнутого в крупнейших странах-производителях угля.

Основные экономические показатели даже передовых угледобывающих предприятий России, несмотря на проводимые технические, технологические и другие преобразования, значительно ниже достигнутого за рубежом уровня производительности труда, доходности и эффективности. Сопоставление величин технико-экономических показателей крупнейших шахт мира с аналогичными показателями лучших российских шахт показывает, что отечественные шахты отстают от зарубежных:

- по производительности труда – более чем в 7 раз;

- по величине коэффициента использования возможностей оборудования – в 2-3 раза;

- по средней заработной плате одного рабочего – более чем в 12 раз.

Проблема низкой эффективности производства осложняется постепенным ухудшением горно-геологических и горнотехнических условий для большинства действующих горных предприятий: увеличиваются глубина горных работ, длина транспортных коммуникаций, истощаются наиболее качественные запасы угля и т.д.

Большая часть запасов угля залегает в сложных горно-геологических условиях в виде свит сближенных пластов различной мощности с изменяющимися углами падения (от пологих до крутых), включая и мульдообразное залегание с наличием в шахтных полях геологических нарушений; угольные пласты в большинстве случаев газоносные, нередко опасные по гео- и газодинамическим явлениям. Диапазон глубин залегания пластов - от 150 до 1150 м.

При низкой производительности труда и высоких затратах ресурсов себестоимость добычи на российских угольных предприятиях ниже по сравнению с себестоимостью в основных угледобывающих странах. Сложившаяся ситуация объясняется относительно низкой стоимостью труда и потребляемых ресурсов.