Проблемы и пути их решения при отработке пластов крутых угольных шахт ООО «Объединение Прокопьевскуголь»

УДК 622.27

ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ ПЛАСТОВ

КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ООО «ОБЪЕДИНЕНИЕ ПРОКОПЬЕВСКУГОЛЬ»

В.И. Ефимов, Г.В. Сухарев

Рассмотрены особенности горно-геологических условий шахт ООО «Прокопь-евскуголь», отличающиеся наличием мощных крутых пластов, которые расположены близко относительно друг друга, и тем, что верхние горизонты этих пластов отработаны. Отражены основные проблемы добычи угля в сложнейших условиях и показаны некоторые пути их решения.

Ключевые слова: ООО «Прокопьевскуголь», крутое залегание, сближенные угольные пласты, верхний горизонт, направленное взрывание, посадка кровли, проветривание.

Отрабатываемые шахтами пласты, а их более 30, значительно нарушены, невыдержанны, сближены или весьма сближены по расположению относительно друг друга, поэтому практически повсеместно имеют место их совместные подработки или надработки. Принципиальная схема условий отработки сближенных и весьма сближенных пластов крутонаклонного залегания системой подэтажной гидроотбойки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема условий отработки сближенных пластов крутонаклонного залегания системой подэтажной гидроотбойки

Подобное пространственное расположение пластов вынуждает вести последовательную их отработку по определённой схеме от верхнего

пласта к нижнему. При этом появляются новые проблемы зоны повышенного горного давления. Наиболее труднопрогнозируемые зоны - так называемые «штампы» от целиков, оставленных на верхних отработанных пластах. Принципиальная схема наиболее часто встречающихся ситуаций приведена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема «штампов» от целиков, оставленных на верхних отработанных пластах

Наряду со стандартными опасностями (опасны по горным ударам, внезапным выбросам, угольной пыли, прорывам воды и глины, отнесены к высшей категории по пожароопасности) шахты крутого падения имеют ещё дополнительные проблемы в части:

- борьбы с внезапными посадками кровель (как правило, из песчаников), которые, как показывает опыт, часто сопровождаются вспышками метано-воздушной среды;

- достаточно точного прогнозирования процессов, происходящих в отработанном пространстве;

- борьбы с имеющимися эндогенными пожарами и недопущению возникновения новых;

- оперативного реагирования на режимы проветривания выемочных участков, их увязки с процессами, происходящими на дневной поверхности и в отработанном пространстве. Как показывает опыт, возникают ситуации (особенно весной - осенью), когда при изменении температуры и атмосферного давления на поверхности отработанное пространство начинает «выдавать» в действующие выработки выемочных участков газовые смеси, находящиеся там, хотя до этого активно принимало подаваемый воздух. Часто приходится наблюдать обратное. Подобного рода ситуации, как меха, провоцируют разжигание новых эндогенных пожаров и способствуют рецидивам возгорания старых.

Существуют несколько основных путей решения этой проблемы.

Первый путь - оставить без изменения и принять как данность

условия управления кровлей (перепуск пород вышележащих отработанных горизонтов), режимы проветривания выемочных участков и все усилия направить на профилактику эндогенной пожароопасности.

Если бы первый путь был бы достаточно эффективным, то не рассматривали бы три других.

Второй путь - провести дополнительные работы по искусственному управлению кровлями с целью «отсечки» перепуска пород вышележащего горизонта.

Искусственным управлением кровлями в условиях шахт Прокопьевска специалисты занимаются давно. Но вопрос управления кровлями, как метод борьбы с эндогенными пожарами возник недавно, в 2010-2011 годах после ряда аварий, сопровождаемых вспышками. Разработаны десятки вариантов управления: от формирования по контуру выемочного участка щелей отрыва в породах кровли шпуровыми зарядами (несколько вариантов) до многоуровневой проработки пород кровли скважинными зарядами или комбинациями скважин и шпуров. Ряд вариантов прошёл испытания на шахтах Прокопьевска и, на данный момент получен положительный результат (ООО «Шахта им. Ворошилова»). Принципиальные схемы управления кровлями приведены на рис. 3-9. На рис. 10, 11,12 пока-заноуправление кровлей путём создания щелей отрыва по контуру выемочного участка и дополнительно формирование второй, подсечной щели для создания интенсивного обрушения пород кровли. Реализация подобного решения осуществляется путём взрывания с периодичностью 6-8 м шпуровых зарядов, обеспечивающих перфорирование кровель под межго-ризонтным целиком (щель отрыва 1) и вдоль межблокового целика (щель отрыва 2). Щель 2 формируется перед началом ведения очистных работ в каждом выемочном подэтаже. Взрывания производятся с опережением очистных работ на 6...8 м. Максимальное количество одновременно взрываемых точек (пикетов) - 3, т.е. опережение на 18.24 м. Создание подсечной щели 3 производится при достижении очистными работами уровня 2-3-го выемочных подэтажей. Взрывные работы при её формировании производятся аналогично созданию щели 1. Принципиальная схема формирования щелей по всему выемочному участку приведена на рис. 3.

Порядок формирования щелей отрыва в породах кровли с указанием расчётных параметров приведён на рис. 4.

Важной деталью проведения взрываний из действующих выработок является необходимость их проведения в режиме камуфлета. Подобный опыт наработан на шахтах ООО «Объединение «Прокопьевскуголь» с использованием шпуров длиной до 5 м.

Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли приведены на рис. 5.

выемочному участку

Межгоризонтный целик к^ХХЗ; Отработанный гризонт ОО^О Вь

1 11

✓ | | * 1 ::: 4ель (линия) отрыва 1 пород кровли под межгоризо нтн ым 6-8м ' б-8м " Очистной забой Е 5 1

/ 6- м ^ 6- Зм J 6-

Зона действия взрыва с одного пикета 6-8м х 3

Щель (линия) отрыва пород кровли 2 вдоль межблокового целика

::

Рис. 4. Порядок формирования щелей отрыва в породах кровли с указанием расчётных параметров

Рис. 5. Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли

На рис. 13, 14, 15 приведён способ управления кровлями при помощи БВР - скважинными зарядами. Особенность предлагаемой схемы - заряд расположения над зоной отработки. Шаг ведения БВР 30...40 м по простиранию. Эта схема предполагает наиболее эффективное управление кровлей, т.к. заряд ВВ расположен в наиболее напряжённой части породного массива и лишь даёт дополнительный толчок к обрушению. Важная деталь в использовании предлагаемой схемы: расстояние от заряда ВВ до отработанного пространства должно быть таким, чтобы исключить огневой пробой в выработанное пространство (заключения ВНИМИ о контурах обрушения). Взрывание производится по техническому проекту БВР в режиме массового взрыва с соблюдением всего комплекса требований безопасности. При этом виде управления кровлями возможна комбинация с вышеприведённой схемой формирования щелей отрыва под межгоризонт-ным и межблоковыми целиками с помощью шпуровых зарядов и далее посадка кровель скважинными зарядами с нижележащих выемочных штреков. Принципиальная схема управления кровлей в пределах всего выемочного участка скважинными зарядами приведена на рис. 6.

выемочного участка скважинными зарядами

Шаг ведения БВР должен быть таким, чтобы не допустить самопроизвольной посадки кровель в присутствии людей на выемочном участке и в то же время нагрузить массив за счёт горного давления. По имеющемуся у авторов опыту, в данных условиях самопроизвольная посадка кровель, как правило, происходит после отработки выемочного контура параметрами более 40х40 м (первичная посадка может быть несколько больше). Поэтому БВР нужно производить до достижения обнажения кровли таких размеров. По мнению авторов, вполне достаточно проведения работ по управлению кровлями производить дважды (по простиранию пласта): под межгоризонтным целиком и ниже на 2-3 подэтажа. Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных парамет-

ров приведён на рис. 7.

Рис. 7. Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных параметров

Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли приведены на рис.8.

Рис. 8. Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли

На рис. 16, 17, 18 приведены способы многоуровневого управления кровлями при помощи БВР (комбинации шпуровых зарядов и скважин). Заряды расположены на разных расстояниях от пласта в массиве пород кровли с шагом 6.8 м по простиранию. Разупрочнение кровель опережающее. Каждая предлагаемая схема управления кровлей разработана для конкретных условий и зависит от расстояния расположения быв-

ших, списанных эндогенных пожаров относительно действующего горизонта. Понятно, что предложенные выше схемы предполагают «отсечку» перепуска пород вышележащего горизонта не сразу, а лишь по достижению очистными работами 2 или 3 выемочного подэтажа (в зависимости от угла падения пласта). Поэтому, чтобы достичь заполнения выработанного пространства породами кровли действующего горизонта относительно быстро, необходимо рассредоточить заряды по мощности кровли определенным образом. Взрывание производится по техническому проекту БВР в режиме массового взрыва с соблюдением всего комплекса требований безопасности. Именно такая схема управления кровлей в пределах выемочного участка с использованием комбинации шпуровых и скважинных зарядов приведена на рис. 9.

Шаг ведения БВР должен составлять, по данным авторов, 6...8 м (в дальнейшем он может быть увеличен). Разупрочнение кровель опережающее. Количество взрываемых одновременно точек расположения зарядов ВВ 3, но эта величина расчетная по сейсмике и может быть увеличена. По мнению авторов, вполне достаточно проведения работ по управлению кровлями производить дважды (по простиранию пласта): под межгори-зонтным целиком и ниже на 2-3 подэтажа. При получении наработанного опыта, возможно, достаточно будет одного раза (под межгоризонтным целиком). Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчетных параметров приведен на рис. 10.

Рис. 9. Схема управления кровлей в пределах выемочного участка с использованием комбинации шпуровых и скважинных зарядов

Рис. 10. Поэтапный порядок работ по управлению кровлями с указанием расчётных параметров

Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли приведены на рис. 11.

Рис. 11. Характерные разрезы при формировании щелей отрыва с помощью шпуровых зарядов в породах кровли

В статье приведены только 3 характерные схемы разупрочнения пород кровель, применяемых не только с целью исключения внезапных посадок труднообрушаемых кровель, но и работающих как средство борьбы с рецидивами эндогенных пожаров, расположенных на вышележащих, отработанных горизонтах шахт с крутым залеганием пластов. На самом деле их значительно больше, включая схемы с оставлением увеличенных

межгоризонтных целиков и методами их разгрузки для предотвращения их преждевременного разрушения.

Третий путь

Далее, по мнению авторов, при всех полученных положительных результатах управления кровлями, как средстве борьбы с пожарами, говорить о решении проблемы нельзя. Параллельно необходимо управление одним из наиважнейших факторов, влияющих на возникновение эндогенных пожаров - режимы проветривания выемочных участков. Пожары приходят не только с верхних отработанных горизонтов, они возникают и в контурах действующих горизонтов. Основная причина их возникновения: небольшой инкубационный срок самовозгорания и действующие компрессии или депрессии. Опыт ведения горных работ на ряде шахт объединения «Прокопьевскуголь» показывает:

на шахте применяется всасывающий способ проветривания. Поочерёдно «горят» несколько блоков пласта с одного квершлага. Вводится в эксплуатацию вентилятор главного проветривания, работающий на нагнетание. На крыле резко падает депрессия. Два блока дорабатываются без особых проблем, да ещё с превышением полугодового периода для каждого;

на шахте крыло работает под компрессией. Регулярно возникают угрозы самовозгорания, но изменить общую ситуацию не представляется возможным, т.к. на фланге нет вентилятора, который можно включить «на всас»;

на шахте выбывает из строя одна фланговая выработка, служащая для выдачи отработанной струи воздуха из шахты. Резко увеличивается компрессия на вентиляционном горизонте. Тут же возрастает угроза эндогенного возгорания.

Это лишь несколько характерных примеров, наглядно показывающих роль режимов проветривания в эндогенной угрозе возгорания углей. Именно по этой причине предлагается на рассмотрение применение локальных схем проветривания для выемочных участков, где снизить компрессию или депрессию вентиляторами главного проветривания не представляется возможным.

Поэтому необходимо рассмотреть возможность применения локальной схемы проветривания выемочного участка с использованием вентиляторов с переменной производительностью, сблокированных с ком-прессиометрами (депрессиометрами) автоматически. Цель - создание на выемочном участке компрессии или депрессии, близкой к «0», на тех шахтах, где

на крыльях существуют два или более выемочных участка, которые отрабатывают весьма склонные к самовозгоранию пласты с наличием списанных пожаров на вышележащих горизонтах и шахта имеет комбинированный способ проветривания;

имеется либо нагнетательный, либо всасывающий способ проветривания.

Вообще говоря о компрессиях и депрессиях при проветривании выемочных участков, нужно отметить то, что, в условиях шахт, и то и то, на наш взгляд, не очень то рационально. Загонять воздух компрессией в отработку или подавать кислород с поверхности (либо с рядом лежащих действующих очистных выработок - зачастую они связаны между собой) при депрессиях одинаково плохо. Очевидно, что лучшие режимы проветривания для борьбы с самовозгораниями - это минимизация «общения» отработанного пространства и действующих выработок, т.е. на

шахтах с нагнетательным или всасывающим способом проветривания, где выемочные участки расположены близко к ВГП;

шахтах с комбинированным способом проветривания, но на крыльях расположены два и более выемочных участка, отрабатывающих пласты весьма склонные к самовозгоранию.

Именно локальные схемы проветривания выемочных участков с применением вентиляторов с переменной производительностью, возможно, помогут решить эту проблему. Управление вентиляторами, а следовательно, и компрессиями-депрессиями, должно осуществляться в автоматическом режиме с помощью датчиков.

Это концепция, которая до сих пор не рассматривалась, но определённая предварительная работа нами проведена в части возможности создания аппаратуры управления вентиляторами с переменной производительностью. Существуют несколько концептуальных схем установки вентиляторов. Наиболее гибкая и управляемая схема - это установка вентиляторов на нагнетание в откаточном штреке и на вытяжку в вентиляционном. Вентиляторы управляются единым блоком управления, связанным с датчиками давления (компрессиометрами). Принцип - сколько воздуха входит на выемочный участок, столько и выходит. Основная задача - возможность создания «0» в любой точке выемочного участка путём установки туда датчика и сохранения объёма подаваемого воздуха без ущерба горным работам. К тому же, подобная система управления компрессиями, возможно, окажется восприимчивой к перепаду давлений в отработанном пространстве (связанном с поверхностью) и минимизации влияния эффекта «мехов», о которых говорилось выше. Безусловно, при рассматриваемой схеме есть свои проблемы. Одна из них - попадания метана выше допустимых концентраций из забоев выемочного участка в вентиляторы, работающие на вытяжку. Этот вопрос требует решения. Возможно, потребуются ограничения в применении или другое исполнение. Возможно, подсвежение струи из флангового ската. Вторая проблема - аварийная остановка вентиляторов или сбой в работе аппаратуры. Для этого автоматически должны открываться двери на вентиляционном и откаточном горизонтах выемочного участка. Поэтому концепция о применении локаль-

ных схем проветривания обозначена, скорее, как тема к обсуждению. Одна из схем приведена на рис. 12.

Рис. 12. Схема локального проветривания

Четвёртый и самый эффективный путь решения «нестандартных» проблем отработки сближенных мощных крутых пластов на глубинах 300.400 метров - применение в комплексе всех вышеприведённых мер, с получением достаточно надёжных гарантий в недопущении самовозгораний угля и внезапной крупномасштабной посадки кровли с перепуском межгоризонтного целика с возникновением рецидивов пожаров и прочих неприятностей. Это достаточно затратно, но ущерб от возможных пожаров может быть на порядки выше, включая крайнюю ситуацию - потерю людей и шахты.

Ефимов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., директор по инновациям и науке, efimov@pk-ugol.ru, Россия, Кемерово, ОАО ХК «СДС-Уголь»,

Сухарев Геннадий Васильевич, главный технолог, sukharev@pk-ugol.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»

PROBLEMS AND THEIR SOLUTIONS WHEN STEEP SEAM COAL MINES LTD

"PROKOP'EVSKUGOL'"

V. I. Efimov, G. V.Sukharev

Peculiarities of geological conditions of Mines Ltd "Prokop'evskugol'", distinguished by the presence of powerful steep seams that are located close to each other and the upper horizons of these seams worked. The main problems of coal mining in difficult conditions and shows some of the ways to solve them.

Key words: mines Ltd "Prokop'evskugol'", powerful steep seams, located close to each other, the upper horizon, directional blasting, planting of the roof, ventilation.

Efimov Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, director of innova-

tion and science, efimov@pk-ugol.ru, Russia, Kemerovo, JSC "Holding company "SBU-Coal",

Sukharev Gennadij Vasilevich, main technologist, sukharev@pk-ugol.ru, Russia, Prokopyevsk,, Limited liability company «Prokop'evskugol»

УДК 556

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОДОПОДГОТОВКИ ПРИ ОБОГАЩЕНИИ МЕДНО-МОЛИБДЕНОВЫХ РУД

И.В. Пестряк, О. Эрдэнэтуяа, В.В. Морозов

Рассмотрены результаты исследования. Представлена технология водопод-готовки при обогащении медно-молибденовых руд.

Ключевые слова: оборотные воды, кондиционирование, катионы меди, технические жирные кислоты, подземные воды, флотация руд.

Современные технологии обогащения руд предусматривают применение замкнутых схем с максимально-полным водооборотом, обеспечивающих минимальное загрязнение окружающей среды [1]. Одновременно, важной задачей является сохранение технологических показателей флотационного обогащения на уровне, достигаемом при использовании свежей технологической воды из естественных природных источников.

Для горно-обогатительных предприятий при выборе и совершенствовании технологии водоподготовки стоит единая задача снижения концентраций ионов тяжелых металлов и жирных кислот, одинаково важная как с позиции сокращения выбросов этих веществ в окружающую экосистему, так и позиции предотвращения их негативного влияния на процесс флотации.

Проведенными исследованиями показано, что причинами увеличения концентрации ионов меди в оборотных водах и в окрудающей гидросистеме являются процессы автоокисления медных минералов в отвалах и хвостохранилищах горно-обогатительного производственного комплекса при взаимодействии с насыщенными кислородом атмосферными осадками и кислыми природными водами. Для снижения концентраций ионов меди предложено использование естественных или природных барьеров, снижающих доступ внешней агрессивной среды или связывающей ионы меди в нерастворимые соединения [2].

Однако известно, что реакции связывания ионно-молекулярных компонентов в жидкой фазе флотационной пульпы и оборотных водах ха-