Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад“

Донецький національний технічний університет”

Пирін Сергій Миколайович

УДК 622.273.3:622.272.1.2

ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ РОЗРОБКИ

ПОТУЖНИХ ПЛАСТІВ КАМ'ЯНОЇ СОЛІ В УМОВАХ

ДВО “АРТЕМСІЛЬ”

Спеціальність 05.15.02 – Підземна розробка родовищ корисних

копалин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України (м.Донецьк) і Українському науково-дослідному інституті соляної промисловості (УкрНДІсіль) Міністерства аграрної політики України (м. Артемівськ)

Науковий доктор технічних наук, професор

керівник: Ярембаш Ігор Федорович,

професор кафедри розробки родовищ корисних копалин ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України

Офіційні доктор технічних наук, старший науковий співробітник

опоненти: Піталенко Євген Іванович,

завідуючий відділом охорони надр і зрушень земної поверхні Українського державного науково-дослідного і проектно-конструкторського інституту гірничої геології, геомеханіки і маркшейдерської справи (УкрНДМІ) НАН України;

кандидат технічних наук, доцент

Лобков Микола Іванович,

заступник директора з наукової роботи Інституту фізики гірничих процесів НАН України

Провідна Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки установа: України, кафедра “Підземна розробка родовищ корисних копалин”

(м.Кривий Ріг)

Захист відбудеться 14 червня 2007 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 навч. корпус, ВАЗ).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (83000,м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корпус).

Автореферат розісланий “10” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В.П.Кондрахін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Основним досягненням в області підземного видобутку кам'яної солі є перехід з буропідривного способу руйнування гірничого масиву на машинну (комбайнову) виїмку шарами по всій потужності пласта в камерах великих поперечних перетинів.

Комбайновий комплекс на соляних рудниках є системою взаємно доповнюючих одна одну гірничих машин – комбайн, бункер-перевантажувач і самохідні вагони, з яких сіль поступає на конвеєр через солеспускні свердловини.

Застосування машинної технології розробки потужних пластів кам'яної солі дозволяє різко скоротити кількість технологічних процесів і операцій і тим самим підвищити надійність всього комплексу робіт, безпеку праці, збільшити продуктивність, понизити втрати корисних копалин в надрах.

В той же час при існуючих параметрах системи розробки (ширина камер до 17,0 м, висота камер до 35,0 м, довжина – до 2000,0 м) і об'ємах видобутку (близько 3,0 млн. т/рік) час відпрацювання камер істотно збільшився і досягає 15 років і більше, що не можна вважати задовільним з погляду безпеки присутності людей в камерах з неконтрольованими оголеннями.

У зв'язку з цим виникає необхідність проведення досліджень по обґрунтуванню раціональних параметрів камерної системи розробки потужних пластів з поділом на яруси і переходу від циклічного способу видобутку солі в камерах до потокової технології. Це визначає актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами темами.

Робота виконана в рамках одного з основних наукових напрямів кафедри підземної розробки родовищ корисних копалин Донецького національного технічного університету та Українського науково-дослідного інституту соляної промисловості (УкрНДІсіль) Міністерства аграрної політики України.

Робота базується на результатах, отриманих при виконанні наступних науково-дослідних тем: “Виконання комплексу досліджень по вдосконаленню системи розробки, технології видобутку і способу управління гірничим тиском на соляних рудниках України з метою підвищення ефективності експлуатації соляних родовищ і якості солі” № держреєстрації 0194U029770; “Виконання досліджень геомеханічних і технологічних процесів при ярусному відробленні пласта солі на дослідно-промисловій дільниці рудника №3 ДВО “Артемсіль” № держреєстрації 0101U008253; “Розробка параметрів системи розробки і технології видобутку солі потужних пластів кам’яної солі Артемівського родовища і підготовка вихідних даних для проектування дослідно-промислового виробництва” № держреєстрації 0196U002905.

Метою роботи є вдосконалення технології розробки потужних пластів кам'яної солі для підвищення продуктивності комбайнових комплексів, раціонального видобування корисних копалин і безпеки ведення гірничих робіт в очисних камерах з неконтрольованими оголеннями.

Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені задачі:

1. Теоретично обґрунтувати варіанти технологічних схем потокового видобутку солі.

2. Визначити ефективність пропонованих схем потокової технології у виробничих умовах.

3. Теоретично обґрунтувати параметри ярусного відроблення потужних пластів.

4. Перевірити і уточнити параметри ярусного відроблення на дослідно - промисловій ділянці (ДПД).

5. Провести шахтні інструментальні спостереження за особливостями проявів гірничого тиску на ДПД, станом земної поверхні, будівель і споруд на ділянці підробки ярусними камерами.

Об'єктами досліджень є потужні пласти кам’яної солі Артемівського родовища.

Предмет досліджень – технологія розробки потужних пластів кам’яної солі.

Ідея роботи полягає у використанні камер малого перетину і потокової технології робіт, при відробленні потужних пластів, в умовах Артемівського родовища, для зниження втрат корисних копалин, підвищення ефективності виробництва і безпеки робіт.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використаний системний підхід, що містить:

- теоретичні дослідження технології видобутку і параметрів системи розробки, засновані на класичних методах механіки підземного будівництва, опору матеріалів і з урахуванням конкретних умов розробки соляної товщі;

- експериментальні дослідження в соляних рудниках, які включають дослідно-промислові випробування потокової технології видобутку і ярусного відроблення потужних пластів;

- натурні інструментальні спостереження за осіданням земної поверхні, станом будівель і споруд і деформованим станом соляного масиву в підземних виробках.

Основні наукові положення роботи, що виносяться на захист:

1. Ефективність потокової технології механізованої виїмки солі в камерах визначається відстанню між солеспускними свердловинами ( не менш ніж 6 м ) і їх діаметром ( не менш ніж 300 мм ). При цьому, порівнюючи з використанням циклічної технології, досягається зростання продуктивності роботи очисного обладнання в 2,4 рази, а коефіцієнт використання машинного часу – до 75% від тривалості зміни.

2. Ширина міжкамерного і міжярусного цілика при розробці потужних пластів кам’яної солі камерами малого перетину з поділом видобувного блоку на яруси, знаходиться в лінійній залежності від ширини камери. Використання системи розробки з параметрами: ширина камери – 10,0 м, висота камери – 6,5 м, висота ярусу – до 12,0 м, дозволяє збільшити коефіцієнт видобутку в 1,6 рази у порівнянні з традиційним видобутком солі камерами великого перетину.

Наукова новизна роботи:

1. Вдосконалена і апробована камерна система розробки потужних пластів кам'яної солі для умов Артемівського родовища відмінна від існуючої поділом блоку, що виймається, на яруси, в яких видобуток здійснюється проведенням камер малого перетину за допомогою комбайнової технології.

2. Вперше теоретично розраховані і експериментально підтверджені безпечні розміри міжкамерних і міжярусних ціликів у соляному блоці що відробляється, які забезпечують стійкість конструктивних елементів системи розробки.

3. Вперше теоретично обґрунтована і впроваджена в промислових умовах потокова технологія машинної виїмки солі в камерах, яка забезпечує безперервну доставку відбитої солі до скіпового ствола і вирівнювання нерівномірних вантажотранспортних потоків.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується:

- достатнім об'ємом аналітичних досліджень, шахтних експериментів і інструментальних спостережень;

- використанням апробованих методів досліджень і методик розрахунку;

- коректністю постановки і рішення задач із застосуванням фундаментальних положень механіки гірничих порід і будівельної механіки;

- комплексним поєднанням шахтних, аналітичних і статистичних методів досліджень;

- достатньою збіжністю результатів аналітичних і шахтних досліджень;

- позитивними результатами дослідно–промислових випробувань потокової технології і відробленням потужного пласта з поділом на яруси.

Наукове значення роботи полягає в теоретичному і експериментальному обґрунтуванні параметрів системи розробки камерами малого перетину з поділом блоку, що розробляється, на яруси, а також потокової технології машинної виїмки солі.

Практичне значення роботи полягає в розробці рекомендацій по застосуванню системи розробки камерами малого поперечного перетину з розділенням блоку, що розробляється, на яруси і застосуванні потокової технології машинної виїмки.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи.

Проведено випробування потокової технології видобутку солі на руднику №4 і відроблення дослідно–промислової дільниці Підбрянцевського пласта з поділом на три яруси на руднику №3 ДВО “Артемсіль”. Застосування розроблених технічних рішень дозволило збільшити технічну продуктивність виїмкових комплексів, поліпшити геомеханічну ситуацію на відробленій ДПД і збільшити коефіцієнт видобування солі.

Результати роботи у вигляді доповнення і зміни до “Методичних вказівок по розрахунку параметрів системи розробки світи пластів кам'яної солі Артемівського родовища” і “Керівництва по проектуванню технології машинного видобутку кам'яної солі в умовах соляних рудників ДВО “Артемсіль ” (ярусна і потокова виїмка солі)” прийняті для розробки робочих проектів виїмкових ділянок в ДВО “Артемсіль”.

Особистий внесок здобувача. Всі основні положення і результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно та опубліковані в десяти наукових працях.

Апробація роботи. Основні положення роботи в цілому і її окремі положення обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Шахтне і підземне будівництво 21 століття” (м. Донецьк, квітень 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, травень 2004 р.); Міжнародній науковій конференції “7-ма школа геомеханіки” (м. Глівіце, Устрань (Польща), травень 2005 р.); засідання технічної ради Асоціації підприємств та організацій солевидобувної промисловості України “Укрсіль” ( м. Київ, липень 2006 р.).

Публікації. Основні наукові результати опубліковані в 10 статтях, в тому числі – 8 у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, містить 124 сторінки машинного тексту, 19 рисунків, 12 таблиць, списку використаної літератури із 111 найменувань і 4 додатків. Загальний об'єм роботи 202 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі “Постановка питання” проведений короткий огляд і критичний аналіз робіт, присвячених розвитку світової і вітчизняної технологій видобутку кам'яної солі; методів визначення раціональних параметрів камерної системи розробки соляних родовищ; принципів вдосконалення системи розробки і технології видобутку солі.

Соляні рудники ДПО “Артемсіль” є сучасними гірничими підприємствами, які оснащені високопродуктивною технікою.

Значний якісний стрибок в підвищенні технічного рівня підземного видобутку солі досягнутий на прикінці 80-х років минулого сторіччя після впровадження технології комбайнового видобутку солі замість буропідривного способу. Така технологія освоєна в промислових масштабах вперше у вітчизняній і світовій практиці.

З п'яти промислових пластів на солерудниках ДПО “Артемсіль” у теперішній час роботи ведуться на двох – Брянцевському і Підбрянцевському, що пов'язано з найвищою якістю солі і витриманістю її сортності за всіма основними компонентами продуктивної потужності.

Питанням технології підземного видобутку кам'яної і калійної солей присвячені праці Андрєічева А.Н., Пермякова Р.С., Зільбершмідта В.Г., Ковтуна В.Я., Магасутова М.Ф., Черевка П.І., Сидорова С.І. та ін.

Аналіз практики, огляд науково-дослідних робіт і фондових матеріалів дозволив розробити класифікацію технологій видобутку солі, які застосовувалися на солепідприємствах України, починаючи з ХIХ століття.

Практично всі класи і підкласи класифікації знайшли віддзеркалення при видобутку кам'яної солі на Артемівському родовищі.

Технологія видобутку солі в камерах зазнала значну еволюцію – від буропідривного способу відбою до комбайнового, що забезпечило: різке скорочення (з 10-12 до 3-4) кількості технологічних операцій і, завдяки цьому, досягнуто підвищення надійності технології видобутку солі; збільшення продуктивності і безпеки праці гірників; зниження втрат корисної копалини в надрах.

Загальною ознакою всіх технологічних схем комбайнової виїмки є відроблення камерних запасів солі горизонтальними шарами в низхідному порядку від стелини до підошви камери.

Аналіз досвіду експлуатації Артемівського родовища більш ніж за 100 років, а також досвіду розробки потужних пластів кам'яної і калійної солі в Росії, в країнах Західної Європи і Америки показує, що найпоширенішою і практично безальтернативною є камерна система розробки.

Вдосконаленню камерної системи розробки і її параметрів присвячені дослідження Шевякова Л.Д., Малахова Л.Д., Іменитова В.Р., Агошкова М.І., Капленка Ю.П., Проскурякова М.М., Софійського К.К., Усаченка Б.М., Щелканова В.А. та ін. вчених і практиків.

Камерна система розробки отримала найбільше розповсюдження на соляних рудниках завдяки наступним перевагам: значні розміри виробок дозволяють застосовувати потужне високопродуктивне видобувне і транспортне устаткування; простота кріплення (анкерування) і в більшості випадків його відсутність; можливість реалізації поточності технологічних процесів виїмки і транспортування з малоенергоємним процесом доставки солі з виїмкового шару на транспортний горизонт за рахунок самопливності руху гірничої маси по солеспускним свердловинам.

До істотних недоліків камерної системи розробки слід віднести: неможливість контролю стану оголень камер великої (до 36 м) висоти; підвищення вимог до оформлення оголень і стелини камери; великі втрати запасів солі в ціликах; складність провітрювання очисних забоїв через великий об'єм камер.

В той же час при існуючих параметрах системи розробки (ширина камер до 17 м, висота до 35 м, довжина до 2000 м) і об'ємах видобутку (близько 3 млн. т/рік) час відроблення камер істотно збільшився і досягає 15 і більше років. Цей факт не можна вважати сприятливим з погляду безпечної присутності людей в камерах з неконтрольованими оголеннями.

З другого боку, класична схема відпрацювання шарів комбайном з самохідним вагоном зумовлює циклічність процесу видобутку, що знижує продуктивність комбайна, ускладнює роботу загальношахтного транспорту. Усунення цих недоліків можливо тільки шляхом вдосконалення технології і конструктивних параметрів системи розробки.

Основними елементами камерної системи розробки є цілики різного призначення (міжкамерні, панельні, бар'єрні і інш.) і покрівля (стелина) камер, до яких при розробці потужних пластів з поділом на яруси і купольних родовищ слід додати міжярусні і міжповерхові цілики. Розміри несучих елементів обумовлюють безпеку і ефективність системи розробки.

Параметри конструктивних елементів системи розробки соляних родовищ повинні забезпечувати: безпеку гірничих робіт і тривалу стійкість несучих конструкцій; суцільність і водонепроникність налягаючої (водозахисної) товщі порід; допустимі зсуви земної поверхні; максимально можливе (враховуючи вище перелічені вимоги) видобування корисної копалини.

На підставі аналізу сучасних методів визначення параметрів камерної системи розробки соляних родовищ встановлено, що єдиного методичного підходу до їх визначення не існує.

УкрНДІсіль розроблені певні вимоги до часу відроблення камерних запасів солі як окремої камери, так і всіх камер в межах панелі. Ці геомеханічні вимоги (так званий “часовий чинник”) стали останніми роками особливо актуальними у зв'язку з різким зменшенням об'ємів видобутку (більш ніж в два рази) і, відповідно, збільшенням часу відпрацювання камерних запасів солі на всю висоту камер.

У зв'язку з цим, актуальним є вдосконалення технології і системи розробки, яке направлене на скорочення термінів відпрацювання камер за рахунок різкого підвищення навантаження на очисні вибої (підвищення продуктивності комбайнових комплексів) і зміну параметрів камерної системи розробки (усунення впливу “часового чинника”). Вирішенню цих питань присвячена дана дисертаційна робота.

В другому розділі “Вдосконалення технології видобутку кам’яної солі в умовах Артемівського родовища” приведені експериментально-аналітичні дослідження варіантів високопродуктивної потокової технології видобутку солі при існуючій камерній розробці на повну потужність пласта. Розглянуті основні принципи вдосконалення технологічної схеми роботи комбайнових комплексів.

Очисна виїмка на шарі ведеться послідовними ходами комбайна, кількість яких (заходок) визначається шириною камери, параметрами робочого органу комбайна і технологічною схемою ведення виїмково-транспортної роботи.

Проведення комбайнового ходу включає зарубку в масив солі, власне проходку та відгін комбайна в початкове положення.

При виїмці шарів доставка солі від комбайна з бункером-перевантажувачем типу БП-37 (або без) до солеспуску здійснюється циклічно самохідними вагонами типу 5ВС-15.

Продуктивність комбайнового комплексу в загальному випадку забезпечується параметрами машин, що входять в нього, і відстанню доставки (L) до солеспуску, що і визначає циклічність.

Граничне значення цієї відстані, при переході за яке комбайн простоює в очікуванні вагону, називається критичним (Lкр).

Величина Lкр, крім технічних параметрів машин, залежить від кількості вагонів і технологічної схеми їх роботи (рис. 1).

Рис. 1. Типові схеми роботи комбайнових комплексів

1-комбайн; 2-бункер-перевантажувач;

3-самохідний вагон; 4-пункт перевантаження.

В загальному випадку Lкр можна визначити із порівняння тривалості циклів роботи вагонів (TЦ1) і сумарної тривалості циклів роботи бункера-перевантажувача (ТЦ2) за той же період:

nВ·TЦ1 =TЦ2 , (1)

де nВ – кількість вагонів у складі комплексу.

, (2)

де tз.п. – час завантаження перевантажувача комбайном, хв.;

tp – час завантаження комбайном вагону з перевантажувача, хв.;

? – коефіцієнт простою комбайна при розвантаженні бункера-перевантажувача, ? ? 0,5; tз.в = tp – час завантаження вагону перевантажувачем, хв.; (tг + tП )= 2?/v – час руху навантаженого і порожнього вагонів, хв.; v – швидкість руху вагонів, м/хв.; tрв = tр – час завантаження з перевантажувача у вагон, хв.

Час завантаження перевантажувача комбайном

, (3)

де q – вантажопідйомність самохідного вагону, т; Qк – продуктивність комбайна, т/хв.

Таким чином

, (4)

де ТЦ1 – час роботи комбайна; ТЦ2 – час роботи транспортного ланцюжка до солеспуску.

Враховуючи рівняння (1), (2) і (3), загальний вираз для визначення критичної відстані при будь-якій з типових схем роботи комплексу (окрім а), представлених на рис. 1, має вигляд:

, (5)

При роботі комплексу по схемі а поняття критичної відстані непридатне, оскільки у складі комплексу відсутній бункер-перевантажувач, і комбайн простоює в очікуванні вагону при будь-якій відстані доставки.

Технічно можлива продуктивність (Qт) комплексу при даній відстані доставки (L) визначається по формулі:

, (6)

де Тц = Tц1 при ? < Lкр;

Тц = Tц2/n при ? > Lкр.

Тривалість циклу залежить від відстані між солеспусками.

Застосування на соляних рудниках схеми роботи комбайнових комплексів не вирішує проблеми безперервної доставки солі до конвеєрної лінії. У всіх випадках доставка здійснюється циклічно, зумовлюючи зупинки комбайна на час розвантаження бункера-перевантажувача, очікування самохідного вагону та ін.

Хронометражні спостереження показали, що залежно від довжини доставки час основної роботи по відбою складає 24-34%, на очікування вагонів – 27-58% тривалості зміни. Тому теоретичні розрахунки продуктивності комплексів надто орієнтовні.

Істотно підвищити продуктивність та надійність роботи комбайнових комплексів можливо при організації безперервної доставки солі з камери, тобто шляхом застосування потокової технології машинної виїмки (рис. 2).

Рис. 2. Технологічна схема з доставкою через зближені солеспуски

1 – комбайн; 2 – перевантажувач; 3 – самохідний вагон;

4 – конвеєр; 5 - солеспуск

Така технологія забезпечує максимальну продуктивність комбайнового комплексу, що видно з рівнянь (4) і (6), якщо в комбайновому циклі Т1 будуть відсутні простої.

Це можливо при безпосередній доставці солі комбайном із забою камери на конвеєрну лінію через зближені солеспускні свердловини, тобто L > min.

Такий підхід до вирішення проблеми і є теоретичною основою розробки потокової технології відпрацювання камерних запасів солі.

Запропонована і апробована схема потокової технології роботи комбайнового комплексу, яка має ряд особливостей порівняно з традиційною схемою: на транспортному горизонті уздовж камери із зміщенням щодо її осі проходиться штрек доставки, в якому вмонтовується конвеєрна лінія; зі штреку доставки пробурюють солеспускні свердловини з кроком, рівним довжині самохідного перевантажувача; довжина свердловин відповідає відстані між стелиною штреку доставки і підошвою верхнього виїмкового шару; на верхньому горизонті по осі камери на всю її довжину проходить розрізна виробка.

Кожний шар заввишки 3,0-3,2 м відпрацьовують трьома ходами комбайна, починаючи з центрального ходу.

В процесі очисної виїмки відбиту сіль доставляють до найближчої свердловини поворотним перевантажувачем; самохідний вагон використовують для перепуску солі з поворотного перевантажувача в солеспуск і як накопичувач. По свердловині сіль поступає в штрек доставки на скребковий конвеєр, далі по системі стрічкових конвеєрів сіль транспортують до скіпового ствола рудника.

Таким чином, технологічна схема забезпечує ритмічну роботу ділянок видобутку в цілому за рахунок згладжування нерівномірності вантажопотоків всієї гірничотранспортної системи солерудника.

Потокова технологія пройшла випробування на руднику № 4 ДВО “Артемсіль”.

Встановлено, що ефективність потокової технології механізованої виїмки солі в камерах визначається відстанню між зближеними солеспускними свердловинами (не менш ніж 6 м) та їх діаметром (не менш ніж 300 мм). Її використання дозволяє збільшити продуктивність роботи очисних комплексів в 2,4 рази, а коефіцієнт машинного часу – до 75% від тривалості зміни, в порівнянні з застосовуваною в даний час циклічною технологією.

Досягнуті наступні експлуатаційні показники: продуктивність очисного комплексу за час основної роботи (виїмки заходки) до 300 т/год; експлуатаційна продуктивність комплексу з урахуванням зарубки і відгону комбайна склала 880 тонн за зміну. При такій продуктивності час відпрацювання камери (з середньою довжиною 800 м і запасами близько 1 млн. т) не перевищить одного року.

В третьому розділі “Вдосконалення камерної системи розробки потужних пластів Артемівського родовища кам’яної солі” приведені дослідження з обґрунтування вдосконалення системи розробки потужних пластів кам'яної солі в умовах Артемівського родовища.

При розробці потужних горизонтальних пластів можливе розділення їх на яруси, між якими залишаються цілики.

В умовах Артемівського родовища можливе тільки співвісне відроблення ярусів по потужності пласта із залишенням міжярусних ціликів, висота яких відповідає певним умовам і залежить від ширини міжкамерного цілика, висоти і ширини камер в кожному ярусі.

Шахтне поле рудника, в межах якого проводиться ярусне відпрацювання пласта, розділяється на окремі ділянки (блоки), розміри яких вибираються з техніко-економічних міркувань.

Визначення параметрів ділянки видобутку і виїмкових камер ведеться за критеріями мінімальних втрат солі в надрах, технологічності робіт і призначення виробок для їх подальшого використання для потреб народного господарства.

Дослідженнями встановлено, що при малих висотах відробленого простору в камері рівень відносної навантаженості міжкамерних ціликів незначний і практично не змінюється в часі, що свідчить про роботу масиву цілика в зоні пружних і мало пружно-пластичних деформацій.

Поступове збільшення висоти виробленого простору спричиняє за собою зростання відносної навантаженості міжкамерних ціликів і появу відчутних процесів їх деформації в часі.

При цьому деформацію в часі необхідно розглядати у взаємодії єдиної системи – “ширина камери + цілик”, а стійкий їх стан визначається інтервалом часу, в межах якого дотримується умова, при якій швидкість деформації масиву потолочини камери не перевищує швидкості деформації міжкамерних ціликів.

При розрахунку параметрів ярусної технології необхідно враховувати фізико-механічні і реологічні властивості кам'яної солі, що визначають у часі деформованість масиву кам'яної солі.

Основними вихідними даними для обґрунтування параметрів системи розробки з ярусним відпрацюванням потужних пластів солі [ширина камери ( ? ), висота камери ( h ), ширина міжкамерних ( а ) і міжярусних ціликів ( hя.ц) і ін.] є :

- природні – глибина розробки, потужність пласта, що розробляється, літолого-структурні особливості будови покриваючих порід і солі та ін.;

- регульовані – ширина і висота камери, розміри ціликів, спосіб виїмки;

- експериментально встановлені – межа міцності при одноосному стисненні і на вигин, реологічні параметри , що визначають деформованість у часі масиву солі.

Раніше проведеними дослідженнями УкрНДІсіль доведено, що повзучість кам'яної солі апроксимується з достатнім ступенем точності рівнянням Вольтерра-Работнова з внесеною в нього функцією залежності між напругою і деформацією. Встановлена залежність реологічних параметрів ? і ? від діючої напруги дає можливість представити рівняння стану кам'яної солі у вигляді функції, залежної від однієї змінної ?.

Визначення параметрів міжярусних ціликів проводиться з урахуванням їх напруженого стану (розрахункова схема представлена на рис.3):

- допустимі напруги (?Ді)

, (7)

де ?ст – межа міцності солі при одноосному стисненні;

n – коефіцієнт запасу міцності;

- напруг, що створені товщею налягаючих з поверхні порід над пластом висотою Н і питомою вагою ? (?Д1)

?д1 = Kпр ? ? ? H , (8)

Рис. 3. Розрахункова схема визначення напруг у

міжярусному цілику

де Kпр – коефіцієнт, що враховує ступінь привантажу на міжярусний цілик

; (9)

- напруг, що викликані власною вагою міжярусного цілика (?Д,2)

; (10)

- напруг, що створюються на міжярусні цілики міжкамерними ціликами відпрацьовуваних ярусів (?Д,3)

, (11)

де аі і hi – ширина і висота міжкамерного цілика відроблених ярусів;

- напруг від вигину міжярусного цілика (?виг)

. (12)

Якщо вважати, що прогинання міжярусного цілика в порівнянні з його поперечним розміром незначне, то осьове стиснення при його деформації відбувається за рахунок бокового тиску міжкамерного цілика.

Таким чином, міцність (довготривала стійкість) міжярусних ціликів можна представити рівнянням міцності у вигляді :

, (13)

де Кб.н – коефіцієнт бокового навантаження (бокового тиску), визначає величину горизонтальних напруг, тобто, яка частина навантаження, діючого на міжкамерний цілик, передається на міжярусний.

Як показують численні дослідження, кам'яна сіль відповідає в'язко-пружно-пластичній моделі.

При цьому в'язкий елемент виконує функцію затримки у часі пружних і пластичних деформацій.

Міжярусний цілик слід розглядати як плиту, що знаходиться під дією подовжніх і поперечних сил. Стійкість її визначається опором не тільки згинаючим навантаженням, але і стискаючим – з боку міжкамерних ціликів.

Коефіцієнт бокового навантаження на цілик може бути обґрунтований за наступними умовами: міжярусний цілик повинен бути такої потужності, щоб у масиві, на сполученні міжкамерного і міжярусного ціликів, виникали реактивні сили, перпендикулярні вертикальному навантаженню, і визначається з відомого виразу

(14)

де – коефіцієнт Пуассона.

Розрахунковий апарат для визначення параметрів міжкамерних ціликів збережений таким же, як і для їх визначення при виїмці пласта камерами на повну потужність пласта, тобто зберігається принцип розрахунку міцності у вигляді:

. (15)

Рішення рівнянь (7–13) на ЕОМ для умов Артемівського родовища дозволило отримати номограми для визначення потужності міжярусного цілика.

За номограмою, задаючись шириною камери з урахуванням співвідношення

, при ?к ? 12,0 м , (16)

і обчисленим значенням міжкамерного цілика aц, визначаємо потужність міжярусного цілика.

Параметри системи розробки камерами малого перетину, які гарантують підвищення безпеки робіт, усунення впливу часових обмежень на відпрацювання камер і стійкість конструктивних елементів в блоці, що виймається, знаходяться в прямо пропорційній залежності від ширини камери.

Час служби конструктивних елементів системи розробки залежить від реологічних параметрів соляної товщі (? і ?) і коефіцієнта запасу міцності (n).

Використовуючи рівняння теорії спадковості Вольтерра-Работнова, такий час можна визначити по формулі:

, років , (17)

де

(18)

?ст – тимчасовий опір на одноосне стиснення;

?1ст – допущені нами напруги;

0,3·10-7 – коефіцієнт, що враховує розмірність.

Тоді при n = 2, t = 22 роки; n = 3, t = 290 років; n = 4, t = 1250 років.

Конструктивні параметри системи розробки з ярусним відпрацюванням пласта в межах виїмкової ділянки дають можливість обрахувати її ефективність по чиннику коефіцієнта видобутку солі.

Розроблена методика розрахунку коефіцієнта видобутку солі при ярусному відпрацюванні пласта і встановлена залежність його величини від ширини ділянки, що виймається, і кількості ярусів в межах пласта.

Визначено, що коефіцієнт видобутку солі зростає при збільшенні ширини ділянки до 800?1200 м і кількості ярусів в межах пласта. При подальшому зростанні ширини ділянки до 2000 м Квид не змінюється. Таким чином, при проектуванні ділянок видобутку солі з ярусним відпрацюванням ширина ділянки повинна бути не менша 800 м.

Областями застосування ярусного відпрацювання потужних пластів кам'яної солі можуть бути наступні: ділянки з недостатньою стійкістю оголень вироблень, коли потрібен доступ робітників для огляду стелини і боків камери і приведення їх в безпечний стан; аварійні (небезпечні) ділянки шахтного поля рудників, що вимагають підвищеної гідроізоляції; створення виробок цільового призначення, які після видобутку солі використовуватимуться для народногосподарської мети; робота рудників в умовах об'ємів видобутку, що різко змінюються, оскільки при ярусному відпрацюванні виключається чинник часу планування гірничих робіт; селективна виїмка солі по сортах при зміні якості її по потужності пласта.

В четвертому розділі “Експериментальна перевірка та уточнення технологічних процесів та параметрів камерної системи розробки з ярусним відпрацюванням Підбрянцевського пласта рудника №3 ДВО “Артемсіль”” приведені результати експериментальної перевірки основних аналітичних досліджень ярусного відпрацювання потужного пласта кам'яної солі. Дослідно-промислова ділянка (ДПД) була організована біля північної межі гірничого відведення рудника №3 ДВО “Артемсіль”. Ширина ДПД складає 200-250 м, довжина –545-635 м. Площа ДПД в плані рівна 131360 м2. Середня потужність Підбрянцевського пласта по підрахунковому блоку 4А складає 31,36 м.

Відповідно до питань, які вирішуються в даній роботі, на ДПД передбачено випробувати різновид камерної системи розробки з ярусним відпрацюванням потужного пласта кам'яної солі. Її основні положення для умов рудника №3, який розробляє Підбрянцевський пласт, наступні: відпрацювання пласта по потужності передбачено трьома ярусами; розташування очисних камер прийнято по падінню пласта і співвісно по трьом ярусам; між очисними камерами кожного ярусу передбачаються міжкамерні цілики, також співвісно по всім трьом ярусам; між ярусами передбачаються міжярусні цілики, які як дві суцільні монолітні плити розділяють по потужності пласта очисні камери I, II і III ярусів.

З урахуванням вимог потокової технології ведення очисних робіт, передбачено першу ярусну камеру розташувати в місці виходу східного конвеєрного ходка на горизонт III ярусу.

Параметри конструктивних елементів камерної системи розробки з ярусним відпрацюванням пласта на ДПД визначені відповідно до вимог розділу 3 даної роботи і складають по всім трьом ярусам (I, II, III): ширина камер – 10,0 м; висота камер – 6,5 м; ширина міжкамерних ціликів – 8,0 м; ширина міжярусних ціликів – 4,6 м; потужність запобіжної пачки солі в стелини очисних камер I-го ярусу прийнята не менше 1,0 м; потужність запобіжної пачки солі в підошві III-го ярусу - 1,0?1,3 м.

ДПД введена в експлуатацію в 2000 році з дозволу Комітету Держнаглядохоронпраці України (лист №04-03-/3053 від 06.09.1999).

Розрахунковий коефіцієнт видобутку (Квид) кам'яної солі на ділянці з ярусним відпрацюванням пласта рівний 0,343, на ділянці з традиційною технологією видобутку – 0,216, що вказує на високу ефективність запропонованого варіанту відпрацювання потужного соляного пласта з поділом його на видобуткові яруси і більш раціональний видобуток запасів корисної копалини з надр.

У зв'язку з упровадженням ярусного відпрацювання потужного пласта виникла необхідність у вирішенні наступних питань технологічних процесів, а саме: відпрацювати процес нарізки гирл камер з виїмкових штреків в умовах зменшеної ширини камер; дослідити режими провітрювання очисних вибоїв ярусних камер; оцінити техніко-економічні показники роботи комбайнових комплексів порівняно з традиційною технологією.

Відпрацьовування технологічного процесу нарізки гирл камер виконаний в період підготовки до очисної виїмки камери №21. Нарізка гирл проводилася з виїмкових штреків, які проходилися на кожному ярусі чотирма ходами комбайна “Урал 10 КСА” в два шари. При цьому нарізка гирл камер виконувалася після проходки верхнього шару виїмкового штреку. Після нарізки всіх гирл виїмковий штрек проходив на всю висоту, і потім виконувалися заїзди в камери з другого шару виїмкового штреку. Всі операції нарізки гирл камер відпрацьовані в достатній мірі.

Згідно розрахункам в комбайновий забій необхідно подавати не менше 500 м3/хв повітря. Повітряна зйомка на ділянці показала, що в робочий забій подається 630 м3/хв повітря, тобто забезпеченість складає ?140%. В ізольовані (на вентиляційному штреку) відроблені по 1-му ярусу камери поступає за рахунок витоків від 39 до 50 м3/хв повітря. Експериментально встановлено, що запорошеність в камерах малого перетину в 1,5 – 2,0 рази менша, ніж в камерах великого перетину.

Техніко-економічні показники на ділянці з ярусним відробленням пласта наступні.

Середній річний видобуток солі на ділянці склав 160 тис. т, середньомісячний – 13 тис. т. За показниками роботи комбайнових комплексів на ДПД і в очисних вибоях з традиційною технологією (шарова виїмка на повну потужність пласта) їх експлуатаційна продуктивність не відрізняється більш ніж на 5%. Цей показник підтверджує те, що конструктивні і технологічні параметри ділянки не погіршують умови експлуатації комбайнових комплексів. Це підтверджується також показниками змінної продуктивності комбайнових комплексів при вдосконаленій і застосовуваній системах розробки. Так, середньо змінний видобуток солі на ДПД і по руднику в цілому коливався в межах 300-330 т, максимальний на ділянці був більше в 1,4 рази, що говорить про невикористані можливості комплексів. Основним стримуючим чинником є програма відвантаження готової продукції по руднику відповідно до замовлень споживачів.

Натурні спостереження за проявами гірничого тиску на ДПД включали визначення величин і швидкостей деформації масиву ціликів (міжкамерних і міжярусних), запобіжної пачки солі в стелині камер і визначення величин зсуву земної поверхні над ділянкою.

Інструментальні спостереження за деформацією масиву опорних ціликів проводилися за допомогою глибинних реперних пристроїв, сукупність яких у вибраному місці досліджень утворює спостережний пункт.

До початку ведення очисних робіт (1999 р.) на ДПД була закладена поверхнева спостережна станція у вигляді профільної лінії III навхрест камер з 10 реперами для визначення осідання земної поверхні, а також закладені стінні і ґрунтові репери в будівлях, що підробляються. Через цю ділянку проходить давно існуюча профільна лінія для контролю осідання земної поверхні над відробленим Брянцевським пластом.

Контроль за деформацією будівель проводиться у вигляді візуальних оглядів і інструментальних спостережень по стінних і ґрунтових реперах, закладених в 1999 р. по периметру будівель.

За більш ніж п'ятирічний період спостережень за станом конструктивних елементів системи розробки на ДПД з ярусним відробленням Підбрянцевського пласта накопичився великий об'єм інформації про їх напружено-деформований стан. В період оформлення опорних ціликів (ведення очисних робіт) швидкості деформації соляного масиву коливалися в межах 14?16 мкм/добу. По мірі відпрацювання камер швидкості деформації знижувалися і знаходилися в межах 6?8 мкм/добу. Зростання швидкостей деформації спостерігалось в період підроблення спостережних пунктів нижчезалягаючими ярусами.

В даний час, після закінчення відробки ДПД, швидкості деформації опорних ціликів стабільні і складають 3?4 мкм/добу, що на 15 – 20% менше, ніж на ділянках відпрацьованих по “класичній камерній системі” розробки, що вказує на сприятливі геомеханічні умови.

Гірничі роботи на ДПД, як і в цілому на руднику №3, не представляють загрози для експлуатації природних і цивільних об'єктів, розташованих на земній поверхні.

Таким чином, характер і параметри деформації конструктивних елементів системи розробки не відрізняються від вже давно працюючих ціликів і відповідають коефіцієнту запасу міцності 3,0-4,0 що забезпечує стійкий стан ціликів більш ніж на 300 років.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі дано нове рішення актуальної наукової задачі з вдосконалення технології розробки потужних пластів кам’яної солі, що складається з аналітичного обґрунтування та експериментального підтвердження параметрів міжкамерних та міжярусних ціликів, та забезпечує їх стійкість протягом біль ніж 300 років, підвищує коефіцієнт витягу запасів у 1,6 рази, забезпечує схороність земної поверхні та об’єктів, які на ній розташовані.

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. Вдосконалена діюча камерна система розробки потужних пластів кам'яної солі в умовах Артемівського родовища тим, що робиться поділ виїмкового блоку на яруси, в межах яких видобуток ведеться камерами малого перетину з використанням комбайнової технології.

2. Теоретично розраховані основні параметри пропонованої системи розробки (розміри міжкамерних і міжярусних ціликів, висота камер, кількість ярусів), що забезпечує підвищення безпеки виробництва, вилучення тимчасових обмежень по відпрацюванню камер і стійкість конструктивних елементів в блоці, що виймається, і знаходяться в прямо пропорційній залежності від ширини камер.

3. Отримана залежність коефіцієнта видобутку солі при ярусному відпрацюванні пласта від ширини виїмкової ділянки і кількості ярусів в межах пласта.

4. Теоретично обґрунтована і впроваджена у виробництво потокова технологія машинної виїмки солі в камерах, яка забезпечує безперервну доставку солі до скіпового ствола і вирівнювання нерівномірності вантажопотоків, ефективність якої залежить від відстані між зближеними свердловинами і їх діаметром.

5. Експериментально встановлено, що після закінчення відпрацювання дослідних ділянок за новою технологією швидкості деформації ціликів складають 3 – 4 мкм/добу, що на 15 – 20% менше, ніж на ділянках відроблених по “класичній камерній системі” розробки.

6. Для умов рудника №3 ДВО “Артемсіль”, який відпрацьовує Підбрянцевський пласт, визначені основні конструктивні параметри нової системи розробки: ширина камери – 10,0 м, висота камери – 6,5 м, ширина міжкамерного цілика – 8,0 м, висота міжярусного цілика – 4,6 м.

7. Експериментально встановлено, що запорошеність в камерах малого поперечного перетину в 1,5 – 2,0 рази менша, ніж в камерах великого перетину.

8. Встановлено, що використовування нової технології дозволяє збільшити коефіцієнт видобутку в 1,6 рази в порівнянні з традиційним видобутком солі камерами великого перетину.

9. Встановлено, що застосування потокової технології видобутку солі в камерах дозволяє підвищити продуктивність робіт очисних комплексів в 2,4 рази, а коефіцієнт машинного часу – до 75% від тривалості зміни, в порівнянні з застосовуваною в даний час циклічною технологією.

10. Проведена дослідно-промислова перевірка розробленої технології в 21-й очисній камері рудника №3. На кінець 2006 року на дослідній ділянці видобуто 1 млн. 870 тис.т солі.

Результати роботи у вигляді Доповнення і зміни до “Методичних вказівок по розрахунку параметрів системи розробки світи пластів кам'яної солі Артемівського родовища” і “Керівництва по проектуванню технології машинного видобутку кам'яної солі