Минимум потерь
Геотехнические особенности доработки прибортовых запасов комплексом глубокой разработки пластов
Одним из основных требований, предъявляемым к недропользователям, согласно Закону Российской Федерации «О недрах», является полнота извлечения полезных ископаемых.
Добыча угля на разрезах связана со значительными потерями прибортовых запасов, сосредоточенных между предельной технической и лицензионной границами, которые в среднем составляют 20-40% от общих запасов в границах лицензии. Извлечение прибортовых запасов угля позволяет сократить потери полезного ископаемого, увеличить срок деятельности разреза и получить дополнительную прибыль.
Указанные запасы могут быть отработаны комбинированным способом. С точки зрения горнотехнической возможности и экономической эффективности наиболее приемлемой является безлюдная геотехнология — комплекс глубокой разработки пластов (КГРП). Данная технология позволяет дорабатывать прибортовые запасы угля с относительно низкой себестоимостью и в более короткие сроки, чем при использовании других традиционных способов добычи.
Технология, как комбинированная система разработки, сопровождается развитием сложных геомеханических процессов, обусловленных взаимным влиянием открытых и подземных горных работ. Недостаточная изученность этих процессов, происходящих в горном массиве, затрудняет прогноз параметров технологии. При рассматриваемом способе добычи необходимо оценивать изменения геомеханического состояния горного массива и земной поверхности при различных горно-геологических условиях.
Отработка пластов комплексом КГРП осуществляется с борта разреза. Оборудование КГРП устанавливается на открытой площадке после окончания ведения ОГР по направлению падения угольного пласта режущим органом, по мере врезания которого в пласт осуществляется извлечение запасов до границ выемочного участка, не превышая технические возможности комплекса. Отработка производится камерами прямоугольного сечения шириной 3,5 м без крепления, в результате работы комплекса образуется выработка высотой, равной мощности вынимаемого пласта или слоя. При этом пульт управления, силовые агрегаты, гидравлика и другие механизмы комплекса КГРП размещаются на открытой площадке, в безопасной зоне (рис. 1).
Данный комплекс позволяет отрабатывать угольные пласты мощностью от 1,2 м до 7,0 м и более с максимальным углом падения пласта до 30º. При этом рабочий орган может углубляться на расстояние до 300 м.
Отработка производится камерами с оставлением межкамерных целиков. После отработки расчетного количества камер оставляется барьерный целик. Для данной технологии необходимо правильно определить расстояние между барьерными целиками, а также ширину барьерных и межкамерных целиков.
Технология КГРП имеет ряд особенностей, осложняющих процесс выемки запасов, к основным из которых можно отнести: необходимость оставления защитных пачек угля при неустойчивых породах кровли; недоработка камер до проектных параметров из-за преждевременного обрушения кровли, разрушения межкамерных целиков и притока воды в камеры; зажатие режущего органа и выдвижного става вследствие вывала неучтенной ложной кровли или локального нарушения; отсутствие визуального и инструментального контроля за состоянием камер и целиков.
Научно-практический опыт Сибирского института геотехнических исследований в области решения геотехнических задач при разработке угольных месторождений позволил наработать методические основы по обоснованию технологических параметров системы КГРП в различных горно-геологических и горнотехнических условиях. Результаты исследований ООО «СИГИ» внедрены на угледобывающих разрезах Кузбасса и Якутии и позволили повысить безопасность ведения горных работ и обеспечить полноту выемки запасов.
С целью снижения рисков от влияния вышеуказанных негативных факторов и обеспечения контроля за состоянием целиков и кровли камер, Сибирским институтом геотехнических исследований разработан комплекс оборудования и способ дистанционного фото-видеомониторинга состояния выемочных камер, целиков кровли и почвы выемочных камер, а также критерии их оценки. Общий вид модели представлен на рис. 2.
Методом дистанционного контроля фиксируется фактическое состояние выемочных камер, целиков и процессы, происходящих в массиве:
- деформации (трещины, разрушение) в межкамерных целиках (рис. 3);
- устойчивость кровли, подрезка защитной пачки угля в кровле и почве пласта (рис. 4);
- проявление горного давления в виде пучения почвы (рис. 5);
- наличие включения породного прослоя, которое ранее принималось за подсечку почвы пласта и приводило к изменению траектории проведения камер или уменьшению вынимаемой мощности (рис. 6);
- место и масштаб обрушения пород кровли и зажатия оборудования (рис. 7)
В ходе проведения видеомониторинга за процессами, происходящими в массиве, установлено следующее:
- время, характер и дополнительные факторы, влияющие на разрушение межкамерных целиков;
- минимально необходимые параметры межкамерных целиков, для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий;
- необходимые параметры мощности защитных пачек угля в кровле и почве пласта;
- изменения траектории проведения камер в случаях подрезки защитной пачки угля и начале развития деформационных процессов в соседней камере;
- признаки, предшествующие преждевременному обрушению пород кровли;
- место, масштаб и причины зажатия оборудования в случаях преждевременного обрушения пород кровли и другие особенности данной технологии, которые до этого момента контролировать не представлялось возможным.
Несмотря на более чем 15-летний период применения системы КГРП, геомеханика подрабатываемого массива и земной поверхности мало исследована. В основном нормативном документе (Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. — СПб, ВНИМИ, 1998), регламентирующем охрану зданий, сооружений, коммуникаций и природных объектов от вредного влияния горных работ при разработке угольных пластов, отсутствует методика расчета ожидаемых сдвижений и деформаций подрабатываемой земной поверхности комплексом КГРП. В этой связи актуальными являются любые научные исследования в данном направлении и особенно инструментальные наблюдения.
На основании выполненных ООО «СИГИ» исследований и инструментальных наблюдений можно сделать основные выводы:
- оседание подрабатываемого комплексом массива начинается с некоторой критической площади подработки массива, для определения размеров которой требуются специальные инструментальные наблюдения и теоретические изыскания. Обрушение происходит быстро, в течение суток массив садится почти на полную величину приведенной вынимаемой мощности. Дальнейшая «доусадка» массива происходит в течение 4-5 месяцев и не превышает 12% от окончательного максимального оседания. При этом величина горизонтальных сдвижений практически не изменяется;
- установленные эмпирические граничные углы, углы сдвижения и полных оседаний позволяют прогнозировать общую зону влияния и опасную зону сдвижений и деформаций при подработке горного массива и поверхности комплексом КГРП;
- аналитические зависимости, установленные на основе инструментальных наблюдений, позволяют производить расчет ожидаемых оседаний и горизонтальных сдвижений в зоне влияния от выемки очистных камер и обоснованно разрабатывать меры защиты сооружений и коммуникаций, находящихся на подрабатываемой поверхности.
Оценка горно-геологических и горнотехнических условий на основании установленных зависимостей от всех выше перечисленных факторов позволяет как обосновывать безопасные параметры технологии КГРП, так и оперативно производить их корректировку для обеспечения безопасного ведения горных работ, повышения качества добываемой продукции и полноты выемки запасов.
Алексей Быкадоров, к.т.н., генеральный директор Сибирского института геотехнических исследований,
Дмитрий Дегтярев, заведующий лабораторией геомеханики ПГР,
Владимир Волынкин, старший инженер лаборатории геомеханики ПГР