CC BY
110
УДК 621.311.22:622.7.002.68:662.654 Г.Д. Вахрушева, В.И. Мурко, В.И. Федяев, В.И. Карпенок, В.П. Мастихина, Д.А. Дзюба
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУСПЕНЗИОННОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
Материалы данной статьи подготовлены в процессе реализации проекта в рамках частногосударственного партнерства в сфере реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (шифр 2010-218-02-174 «Разработка технологии и создание пилотного образца автоматизированного энергогенерирующего комплекса, работающего на отходах углеобогащения»).
Полученные результаты могут быть использованы для расчета технологических схем комплексов для приготовления и сжигания углеотходов в виде суспензионного угольного топлива (ВУТ).
Высокие требования потребителей к качеству угля способствуют развитию углеобогащения. За последние годы только в Кузбассе введено в строй более 10 углеобогатительных фабрик. Отличительными особенностями новых фабрик являются применение замкнутого водношламового цикла и отсутствие отделений термической сушки. Вместе
с тем при обогащении образуется от 0,5 до 7% от переработанного угля тонкодисперсных отходов с влажностью от 20 до 45% и зольностью от 18% до 60%. В настоящее время данный продукт не реализуется и сбрасывается в отвалы. Количество таких отходов только в Кузбассе составляет свыше 150 млн. т и продолжает непрерывно возрастать более чем на 150 т в сутки. В результате безвозвратно теряются миллионы тонн добытого угля, а также усугубляется и без того неблагоприятная экологическая обстановка в регионе. Экологический ущерб обусловлен тем, что при таянии снега и в период выпадения осадков, адсорбированные на поверхности твердых частиц углеотходов коагулянты, флокулянты и другие химические реагенты в растворенном виде и вместе с угольными частицами попадают в близлежащие водоемы и почву.
На рис. 1 представлена типовая схема получения фильтр-кеков на фильтр-прессах на углеобогатительных фабриках [1].
классифицирующий гидроциклон
отходы флотации или шлам
шлам в присадку к отсеву или в отвал
отходы флотации в отвал
Рис. 1. Типовая схема установки фильтр-пресса
Таблица 1. Данные по использованию фильтр-прессов на обогатительных фабриках
Наименование предприятия Качество фильтр-кеков Характеристики фильтр-прессов
Зольность осадка, % Влажность осадка, % Класс, мм Название Количе- ство Производительность, т/ч
одного общая
ЦОФ «Абашев-ская» отходы флотации 13,0-65,0 до 50,0 0-0,2 «Aндриц» CPF 2200 S7 2 10,0-12,0 20,0-24,0
ОФ «Антоновская» шлам 14,0-16,0 34,0-36,0 0-0,1 WXG-3,0 2 12,0 24,0
ОУ «Барзасское товарищество» шлам 19,8 до 35,0 0-0,3 «EIMCO MDP-1,5» 1 7,5 7,5
ОФ «Бачатская Коксовая» отходы флотации 39,5-52,0 до 35,0 0-0,3 WXG-3,0 3 8,6 25,8
ОФ «Бачатская Энергетическая» шлам 7,3 30,0-38,0 0-0,1 ЗМ МКЗ PRESS 1 6,2 6,2
ЦОФ «Беловская» отходы флотации 55,0-70,0 до 50,0 0-0,5 «Вемко»-2,6 3 14,0 42,0
ЦОФ «Березовская» отходы флотации 48,0-55,0 до 50,0 0-0,2 «Aндриц AT »-2,2 3 10,0-12,0 30,0-36,0
ОФ «Красногорский разрез» шлам 24,0-28,0 35,0 0-0,1 BN-3M 2 18,0 36,0
ЦОФ Кузбасская» шлам 28,0-30,0 40,0-45,0 0-0,2 «Aндриц» CPF 2200 S7 2 15,0 30,0
ЗАО ОФ «Между -реченская» 2 тех-комплекс отходы флотации 55,0-65,0 до 45,0 0-0,15 «EIMCO»-2,6 2 12,3 24,6
ОФ «Нерюнгрин-ская» конц. 8,48,6 микст 26,5-36,0 30,0 34,0-36,0 0-0,5 «EIMCO MDP-2,6» 12 6 8,0 7,2 42,0
ОФ «Северная» отходы флотации 25,0-30,0 до 45,0 0-0,15 WXG-3,0 3 16,8 50,4
ОФ «Спутник» шлам 25,0-27,0 до 40,0 0-0,15 WXG-3,0 2 21,0 42,0
ОУ «Шестаки» шлам 21,7 до 30,0 0-0,15 «EIMCO MDP-1,5» 1 4,4 4,4
ОФ «Тугнуйская» шлам 50,6-52,1 до 45,0 0-0,05 WXG-3,0 «Phoenix» 3 15,0 45,0
ИТОГО: в час в год 439,9 2639400
В табл. 1 приведены сводные данные по качественным показателям фильтр-кеков, получаемым на углеобогатительных фабриках, типам и количеству установленных фильтр-прессов.
Учитывая, что в литературе в настоящее время практически отсутствуют сведения о реологических параметрах и теплофизических характеристиках водоугольных суспензий, получаемых из тонкодисперсных отходов углеобогащения, данные исследования являются актуальными для правильного выбора технологического оборудования и проведения расчетов и проектирования установок приготовления и сжигания ВУТ.
Экспериментальная часть
Анализ табл. 1 показывает, что с учетом крупности тонкодисперсных отходов углеобогащения, как правило, не превышающей 500 мкм, и влажности, равной 30^45%, наиболее эффективным направлением утилизации отходов углеобогащения является их сжигание в виде водоугольных суспензий (ВУТ). В этом случае обеспечивается использование всего добытого угля по его прямому назначению, а образующаяся при сжигании зола является хорошим строительным материалом. В результате появляется возможность существенно сократить объемы площадей, занятых гидроотвалами и отстойниками, и рекультивировать нарушенные земли.
Таким образом, утилизация тонкодисперсных
отходов углеобогащения является актуальной задачей решения экономических и экологических проблем угледобывающих регионов.
Свойства фильтр-кеков (табл. 1) учитываются при разработке технологии приготовления ВУТ на основе фильтр-кеков ОФ.
Элементы технологии приготовления ВУТ были исследованы в лабораторных условиях.
Для проведения исследований по определению возможности приготовления суспензионного угольного топлива из фильтр-кеков отобраны и проанализированы пробы фильтр-кеков, полученных от переработки углей различных стадий ме-
таморфизма (марки угля) и зольностей Кузнецкого угольного бассейна:
При этом решались следующие задачи:
- разработка составов комплексных пластифицирующих добавок при приготовлении водоугольного топлива из фильтр-кеков в лабораторных условиях;
- определение значений основных структурнореологических характеристик полученного ВУТ и выбор оптимального варианта добавки;
- определение и анализ теплофизических характеристик ВУТ.
Характеристика проб исходного сырья пред-
Таблица 2. Характеристика исходных продуктов
№ про- бы Наиме- нование продук- та Марка угля Вла- га об- щая, ж;, % Золь- ность, А*,% Гранулометрический состав, % Классы крупности, мм Низшая теплота сгорания, е;, МДж/кг (ккал/кг)
,0 + ,0 3, і ,0 ,0 - 5 ,3 0, 5 5 ,3 0, ■ 0 5 ,2 0, 0 5 ,2 0, 1 0 6 0, 0 6 0, 1 71 ,0 0, 71 о, 0, -
ОФ «Северная»
1 фильтр- кек КО+К 47,4 23,6 - - 3,0 1,9 2,2 7,1 85,8 12,4 (2969)
2 фильтр- кек КО+К 46,7 24,0 - - 3,8 2,1 2,3 8,3 83,5 12,6 (2999)
3 фильтр- кек КО+К 45,0 18,7 - - 0,1 0,5 0,9 4,8 93,7 14,0 (3349)
ЦОФ «Абашевская»
1 фильтр- кек ГЖ 31,5 28,2 1,5 1,4 8,5 6,4 6,9 14,8 60,5 14,5 (3463)
2 фильтр- кек ГЖ 34,0 24,6 1,9 2,4 27,0 23,7 45,0 14,6 (3492)
ОФ «Щедрухинская»
1 фильтр- кек Г 41,3 26,2 - 0,1 0,8 2,0 13,2 83,9 13,4 (3211)
2 фильтр- кек Г 37,8 32,5 - 1,1 4,9 3,7 24,2 66,1 13,1 (3140)
3 фильтр- кек Г 39,9 32,9 - 1,7 5,7 3,2 23,5 65,9 12,5 (2980)
4 фильтр- кек Г 42,3 31,5 - 0,6 2,5 2,9 20,5 73,5 12,1 (2902)
ОФ «Междуреченская»
1 фильтр- кек Т 34,1 44,6 - 1,4 3,1 2,7 28,2 64,6 11,5 (2758)
2 фильтр- кек КС 34,9 52,3 - 9,7 12,0 6,0 20,2 52,1 10,0 (2390)
ЦОФ «Кузбасская»
1 фильтр- кек КЖ+К 42,8 28,1 - 0,2 2,6 3,2 23,0 71,0 13,1 (3137)
ОФ «Красного рская»
1 фильтр- кек Т 36,7 28,0 - 1,5 2,9 2,0 18,6 75,0 14,7 (3518)
ОФ «Спутник»
1 фильтр- кек Г 32,0 29,1 - - 0,7 2,0 5,6 21,1 70,6 14,5 (3458)
2 фильтр- кек Г 35,6 25,6 - - 1,2 3,5 7,5 24,0 63,8 14,3 (3415)
3 фильтр- кек Г 37,1 30,4 - - 0,8 1,7 5,0 22,1 70,4 12,9 (3093)
ставлена в табл. 2.
Для исследования приготовления ВУТ и выбора пластифицирующих добавок использовалась смесительная камера вибростенда СВУ-2 (вибросмеситель), в котором проводилось перемешивание исходных компонентов суспензионного угольного топлива.
Согласно методике в вибросмеситель загружался исходный материал, комплексная добавка и при необходимости водопроводная вода. Для определения оптимальной добавки при приготовлении ВУТ из фильтр-кеков использовалось несколько видов комплексных добавок. Добавки состояли как из одного компонента, так и из двух компонентов: разжижающего и стабилизирующего. Количество добавки от твердой фазы меня лось в зависимости от вида добавки и получено го результата эксперимента. Также изменялось соот-
ношение компонентов в составе комплексных добавок.
Свойства фильтр-кеков (табл. 1) учитываются при разработке технологии приготовления ВУТ на основе фильтр-кеков ОФ.
Элементы технологии приготовления ВУТ были исследованы в лабораторных условиях.
Для проведения исследований по определению возможности приготовления суспензионного угольного топлива из фильтр-кеков отобраны и проанализированы пробы фильтр-кеков, полученных от переработки углей различных стадий метаморфизма (марки угля) и зольностей Кузнецкого угольного бассейна/
При этом решались следующие задачи:
- разработка составов комплексных пластифицирующих добавок при приготовлении водоугольного топлива из фильтр-кеков в лаборатор-
Таблица 3. Характеристика суспензионного угольного топлива на основе фильтр-кеков углеобогатительных фабрик Кузбасса
№№ п/п Номер пробы Золь- ность, А*,% Наимено- вание добавки Количество добавки от твердой фазы, % Массовая доля твердой фазы, СТ, % Гранулометрический состав, классы, мм Низшая теплота сгорания, е;, МДж/кг (ккал/кг)
5 5 го 0, + 5 5 ,3 0, ■ 0 5 ,2 0, 0,160-0,250 0 6 0, 1 71 ,0 0, 71 о, 0, -
ОФ «Северная»
1 1 23,6 Тип С 0,1 50,1 4,2 2,7 2,2 7,2 83,7 11,7 (2800)
2 2 24,6 Тип С 0,4 52,9 4,0 2,4 2,5 8,3 82,8 12,3 (2947)
3 3 18,7 Тип С 0,3 52,8 - - 2,3 3,5 94,2 13,4 (3192)
ЦОФ «Абашевская»
4 1 26,4 Вариант В2 1,0 68,4 1,5 1,5 14,2 20,0 62,8 14,8 (3549)
ОФ «Щедрухинская»
5 1 26,2 Вариант В2 1,0 51,7 0,3 1,0 2,0 12,9 83,8 11,5 (2758)
6 2 32,9 Вариант В2 1,0 59,3 1,7 5,4 3,6 23,4 65,9 12,3 (2933)
7 3 31,5 Тип Я 1,0 55,1 0,5 2,4 3,0 20,6 73,5 11,5 (2745)
ОФ «Между реченская»
8 1 44,5 Вариант М1 0,31 60,1 0,6 2,5 1,7 19,6 75,6 10,3 (2468)
9 2 53,3 Вариант М1 0,31 62,2 9,1 9,4 3,9 16,9 60,7 9,2 (2205)
ЦОФ «Кузбасская»
10 1 27,1 Вариант В1 1,0 56,5 - 2,1 1,5 11,9 84,2 13,0 (3118)
ОФ «Красногорская»
11 1 27,7 Вариант В1 1,0 55,2 0,8 2,0 1,3 11,3 84,6 12,6 (3031)
ОФ «Спутник»
12 1 29,7 Вариант В2 1,0 63,5 0,4 1,9 5,6 21,0 71,1 13,3 (3190)
13 2 24,0 ТИП УКрасн. 1,0 60,7 1,0 2,5 6,0 22,0 68,5 13,6 (3258)
14 3 30,0 Вариант В2 1,0 58,5 0,6 1,6 4,2 21,0 72,6 11,9 (2854)
ных условиях;
- определение значений основных структурнореологических характеристик полученного ВУТ и выбор оптимального варианта добавки;
- определение и анализ теплофизических характеристик ВУТ.
Характеристика проб исходного сырья представлена в табл. 2.
Для исследования приготовления ВУТ и выбора пластифицирующих добавок использовалась смесительная камера вибростенда СВУ-2 (вибросмеситель), в котором проводилось перемешивание исходных компонентов суспензионного угольного топлива.
Согласно методике в вибросмеситель загружался исходный материал, комплексная добавка и при необходимости водопроводная вода. Для определения оптимальной добавки при приготовлении ВУТ из фильтр-кеков использовалось несколько видов комплексных добавок. Добавки состояли как из одного компонента, так и из двух компонентов: разжижающего и стабилизирующего. Количество добавки от твердой фазы менялось в зависимости от вида добавки и полученного результата эксперимента. Также изменялось соотношение компонентов в составе комплексных добавок.
Оптимальный вариант добавки определялся из условия минимальной вязкости при наибольшем содержании твердой фазы в ВУТ. Кроме того устанавливалась статическая стабильность, которая должна быть не менее 20 суток.
Характеристика отдельных проб суспензионного угольного топлива на основе фильтр-кеков с анализируемых предприятий приведена в табл. 3, а реологические модели течения - в табл.4 .
Результаты и их обсуждение
Анализ табл. 2 показал, что зольность исследуемых проб фильтр-кеков изменялась в широком диапазоне: от 18,7% фильтр-кек ОФ «Северная» до 52,3% фильтр-кек марки «КС» ОФ «»Между-реченская». Влажность фильтр-кеков анализируемых проб варьировала в интервале значений от 31,5% (фильтр-кек ЦОФ «Абашевская») до 47,4% (фильтр-кек ОФ «Северная»).
Таким образом, наиболее влажные - пробы фильтр-кека с ОФ «Северная», а наиболее зольные
- с ОФ «Междуреченская». Пробы фильтр-кеков с ЦОФ «Абашевская», ОФ «Щедрухинская», ЦОФ «Кузбасская», ОФ «Красногорская» и ОФ «Спутник» имели срединные значения, как по влажности, так и по зольности.
Гранулометрический состав исследуемых
Таблица 4. Реологические модели течения суспензионного угольного топлива на основе фильтр-кеков
обогатительных фабрик Кузбасса
№ п/п № про- бы Реологические модели течения
Степенная (псевдопластичная) ту П т = К у Бингамовская (вязкопластичная) т = То+МвГ ( )
Эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с'1, П, мПа-с Коэффициент кон-систент-ности, К, Па-с" Индекс пото- ка, п Среднеквадратичное отклонение, а Начальное напряжение сдвига, То, Па Структурная вязкость, /и0, Па-с Среднеквад- ратичное отклонение, а
ОФ «Северная»
1 1 < 100 - - - - - -
2 2 444 1,86 0,71 0,14 16,07 0,30 0,11
3 3 237 1,30 0,62 0,07 10,11 0,11 0,05
ЦОФ «Абашевская»
4 | 1 | 356 | 0,53 | 0,92 | 0,04 | 4,15 | 0,31 | 0,04
ОФ «Щедрухинская»
5 1 < 100 - - - - - -
6 2 193 0,57 0,76 0,05 6,73 0,11 0,02
7 4 237 2,32 0,50 0,10 11,64 0,09 0,05
ОФ «Междуреченская»
8 1 785 10,12 0,43 0,06 28,67 0,29 0,52
9 2 474 14,33 0,25 0,13 25,71 0,11 0,35
ЦОФ «Кузбасская»
10 | 1 | 429 | 1,87 | 0,69 | 0,06 | 14,86 | 0,26 | 0,19
ОФ «Красногорская»
11 | 1 | 281 | 0,43 | 0,90 | 0,02 | 4,34 | 0,22 | 0,33
ОФ «Спутник»
12 1 593 1,03 0,88 0,03 8,96 0,48 0,09
13 2 533 1,20 0,82 0,06 11,22 0,39 0,16
14 3 326 0,60 0,86 0,04 7,29 0,24 0,03
W(х)-100 ехр(-4.685- х0'355) (по «плюсу»)
W(х)-100 (1 - ехр(-4.685- х0 355)) (по «минусу»)
Рис. 2. Характеристики гранулометрического состава ВУТ ОФ «Северная»
проб фильтр-кека также неоднороден по крупности. Наиболее тонкодисперсную структуру имели шламы ОФ «Северная», в отдельных пробах которых выход класса менее 0,071 мм достигал 93,7% (проба № 3). Наиболее крупными по гранулометрическому составу являлись шламы (отходы) ЦОФ «Абашевская», в пробах которой присутствовал класс +3,0 мм в количестве і,5%^і,9% от исходного, выход класса менее 0,071 мм в пробе № 2 - 45,0%.
Гранулометрический состав проб фильтр-кеков с остальных анализируемых предприятий имел приблизительно одинаковое распределение выходов по классам крупности
Обработка гранулометрического состава твердых частиц в ВУТ из табл. 3 по уравнению Рози-на-Раммлера [2] показала, что полученные зависимости хорошо описывают экспериментальные значения (рис. 2).
Учитывая, что водоугольные суспензии с массовой долей твердой фазы более 50% являются неньютоновскими жидкостями, для каждой из исследуемых проб ВУТ по результатам измерений напряжений сдвига на различных скоростях сдви-
га определялись соответствующие коэффициенты реологических уравнений.
Для наилучших по реологическим свойствам проб построены кривые течения.
На рис. 3 реологические кривые ВУТ для
пробы №4 из фильтр-кека ОФ «Щедрухинская» и для пробы №1 из фильтр-кека ЦОФ «Кузбасская».
Важнейшим параметром, характеризующим суспензионное угольное топливо, является его низшая теплота сгорания.
Низшая теплота сгорания анализируемых проб фильтр-кеков изменялась в основном в интервале от 11,5 MДж/кг (2758 ккал/кг) (фильтр-кек марки «Т» ОФ «Mеждуреченская») до 14,7 MДж/кг (3518 ккал/кг) (фильтр-кек ОФ «Красногорская») (табл. 2). Исключением является проба фильтр-кека марки «КС» ОФ «Mеждуреченская», низшая теплота сгорания которой составляла 10,0 MДж/кг (2390 ккал/кг). Следовательно, наиболее низкокалорийный фильтр-кек с ОФ {^еждуре-ченская», а высококалорийный - фильтр-кек с ОФ «Красногорская».
Приготовление суспензионного угольного топлива влечет за собой лишь незначительное отно-
Рис. 3. Реологические кривые течения ВУТ (для проб №4 фильтр-кека ОФ «Щедрухинская» и №1 фильтр-кека ЦОФ «Кузбасская»).
Рис. 4. Зависимость низшей теплоты сгорания от влажности и зольности суспензионного угольного топлива и исходного фильтр-кека (ЦОФ «Кузбасская», проба №1 и ОФ «Красногорская», проба №1).
сительное уменьшение низшей теплоты сгорания по сравнению с исходным фильтр-кеком (на 1,5 -15,2 %). В результате получается жидкое топливо, которое можно транспортировать по трубопроводам, в авто- и железнодорожных цистернах, танкерах и т.д., хранить в емкостях и эффективно сжигать используя технологию сжигания путем его распыления через форсунки.
На рисунке 4 приведены графики зависимости
низшей теплоты сгорания от влажности и зольности суспензионного угольного топлива и исходных фильтр-кеков для ЦОФ «Кузбасская» и ОФ «Красногорская», где наблюдалось минимальное и максимальное снижение низшей теплоты сгорания соответственно.
Выполненные исследования показали возможность получения суспензионного угольного топлива на основе тонкодисперсных отходов уг-
леобогащения и фильтр-кеков с необходимыми структурно-реологическими и теплофизическими характеристиками:
- массовая доля твердой фазы от 53,0% до 63,0%;
- зольность от 18,0% до 40,0%;
- эффективная вязкость при скорости сдвига
81 с-1 при температуре 20 0С от 200 до 600 мПа-с;
- низшая теплота сгорания ВУТ от 2500 ккал/кг до 3300 ккал/кг;
- гранулометрический состав:
0-250 мм - до 5,0%,
0,071 мм - 60,0% - 80,0%;
- статическая стабильность от 10 до 30 суток.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Л.А. Антипенко. Технологические регламенты обогатительных фабрик Кузнецкого бассейна. Прокопьевск, 2007.
2. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых/ Андреев С.Е., Перов В.А., Зверевич В.В. М.: Недра,1980. - С. 415.
□ Авторы статьи:
Вахрушева Галина Дмитриевна, ведущий инженер СибГИУ.
Тел.89617177488
Карпенок Виктор Иванович, старший научный сотрудник СибГИУ. Тел. 89617177459
Мурко Василий Иванович, докт.техн.наук, проф., рук. лаборатории СибГИУ.
Тел. 89617177514. E-mail: sib_eco@kuz.ru
Мастихина Вера Павловна, старший научный сотрудник СибГИУ. Тел. 89617177496
Федяев Владимир Иванович, генеральный директор ЗАО НПП « Сибэкотехника». Тел. 89617177459
Дзюба
Дмитрий Анатольевич, старший научный сотрудник СибГИУ. Тел. 89617177430
УДК 622.831.2 А. А. Рогачков, В. В. Климов, А. В. Ремезов К ВОПРОСУ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК В ЗОНАХ ПОВЫШЕННОГО ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ
Интенсивное развитие концентрации горных работ при отработке сближенных пластов длинными столбами с оставлением угольных целиков вышерасположенных пластов приводит к ситуации, когда подготовительные выработки нижеза-легающих пластов находятся в технологически неудовлетворительном состоянии. Невосполнимые потери времени от простоев лав, вызванные нарушением контура и крепи выработок, а также срочная необходимость в перекреплении подготовительных выработок, все эти факторы в значительной степени увеличивают себестоимость извлекаемого угля.
Сегодня на шахтах, отрабатывающих сближенные пласты, применяется ряд способов обеспечения рационального поддержания подготовительных выработок нижезалегающих пластов.
Так на стадии проектирования, планирование горных работ путем расположения подготовительных выработок относительно проекций зон ПГД (краевые части, целики вышерасположенных пластов) далеко не всегда приводит к положительным результатам, о чем свидетельствует опыт
отработки сближенных пластов Болдыревского и Поленовского в условиях шахты им. С.М. Кирова.
Следует подчеркнуть, что оперативное решение задач по обеспечению устойчивости подготовительных выработок, расположенных в сложных условиях шахт, затруднительно, используя основные действующие нормативные документы [1]. В этой связи нередко расчеты паспортов крепления согласовываются со специалистами СПГГУ (Горный научно-исследовательский университет), КузГТУ, ОАО «КузНИУИ», ООО «ЦАКк».
К примеру, дополнительные нетиповые расчеты параметров тросовой анкерной крепи усиления для поддержания подготовительных выработок в особых условиях проводятся на основании опыта инженерных кадров.
Тем не менее, как показывает практика, использование анкерной крепи в сочетании в тросовой, полностью не решает проблему, по различным причинам: недостаток практического опыта применения анкеров глубокого заложения; слабая нормативно-расчетная база при обосновании параметров крепи с использованием канатных анке-
ров; отсутствие понимания геомеханических принципов работы тросовой крепи и областей рационального использования канатных анкеров и как следствие не выполнения ряда функций типовых канатных анкеров, приводящее к относительно низкой фактической несущей способности (в ряде случаев менее 100 кН).
Наблюдениями установлено, что одной из причин слабой эффективности анкерного крепления подготовительных выработок, расположенных в сложных условиях - это введение парной подготовки угольных пластов.
Уже сегодня назрела проблема влияния оставленных целиков на вышерасположенных пластах на поддерживаемые подготовительные выработки нижезалегающих пластов. Тем более что в последнее время натурное изучение процессов изменения напряженно-деформированного состояния контура и крепи подготовительных выработок проводятся редко с применением методик проведения исследований, нуждающихся в корректировке для конкретного месторождения отдельно.
Вместе с тем теоретические исследования показывают, что основными причинами нарушения устойчивости подготовительных выработок ниже-залегающих пластов являются влияние на них повышенного горного давления, сохраняющегося под краевыми частями угольного массива и целиками, оставленными на вышерасположенном пласте.
При этом влияние зоны ПГД может быть как отрицательным, так и положительным. Поэтому
очень важно знать параметры и степень интенсивности проявлений горного давления для эффективности применения анкерной крепи и качественных рекомендаций на практическом уровне.
Сегодня, практическим изучением геомехани-ческих вопросов с целью рационального крепления выработок на шахтах занимается несколько организаций. Среди них можно отметить «Центр анкерного крепления Кузбасса.
Одним из примеров практического опыта работ ООО «ЦАКк» может служить отработка левой части панели пласта Толмачевского шахты «По-лысаевская» где инструментальными наблюдениями специалистов было установлено, что краевые части угольного массива и целики, оставленные при отработке пласта Бреевского, оказывают неблагоприятное влияние на состояние контура и крепи подготовительных выработок пласта Толмачевского. Так для отработки лавы 1827 приходилось проводить дополнительную подготовительную выработку по причине неудовлетворительного состояния вентиляционного штрека 1827. Затраты исчислялись миллионами рублей.
Несмотря на то, что применение в качестве основного опорного элемента анкерной крепи гибких гофрированных подхватов из листового проката типа «штрипс» стали пользоваться все
большим спросом на шахтах Кузбасса все еще остается проблема обеспечения технологически удовлетворительного состояния контура и крепи подготовительных выработок, расположенных в сложных условиях.
Рис. 1. Обрушение кровли подготовительной выработки, закрепленной анкерной крепью с опорными элементами типа «штрипс» в условиях шахты Талдинская-Западная
Рис. 2. Состояние контура и крепи подготовительной выработки, расположенной в сложных условиях с
использованием облегченных опорных элементов и канатных анкеров
Относительно слабая несущая способность, а также расстояние между анкерами более 1 м по ширине выработки между отверстиями «штрип-сов» - все эти недостатки могут привести к аварийным ситуациям (рис.1). Так из материалов расследования обрушения подготовительной выработки шахты Талдинская-Западная следует: расчетная плотность крепления кровли не соответствует действительности, т.е. менее фактической.
Практический опыт крепления подготовительных выработок с применением облегченных опорных элементов показывает, что наиболее рациональные области использования подхватов типа «штрипс» - опорные элементы для закрепления боков подготовительных выработок, а также для крепления промежуточных участков пород кровли средней устойчивости при наличии ложной кровли, где необходима большая область перетяжки кровли (рис.2).
При сравнении значений предельно допустимых нагрузок при одинаковых расстояниях между анкерными стержнями на опорные элементы швеллер №8, и «штрипс» (В-300) толщиной 1,52,0 мм можно сделать вывод о том, что применение опорных элементов типа «штрипс» в подготовительных выработках, расположенных в зонах ПГД, не могло обеспечить их безремонтное поддержание за относительно небольшой период [3]. Паспортные схемы, рассчитанные с использова-
нием опорных элементов типа «штрипс», естественно предполагают значительное увеличение плотности анкерных стержней, что в свою очередь повлечет увеличение затрат на первоначальное крепление выработок.
Минимизация затрат на крепление и поддержание горных выработок на ряде шахт привела к решению использовать в качестве основного опорного элемента анкерной крепи - металлические шайбы (плитки) размеры: 100*100*8 мм, 300*300*5 мм и другие, не принимая во внимание что применяемые опорные элементы имеют специфическую область рационального использования и требуют детального изучения их деформационных параметров для определенных условий поддержания подготовительных выработок.
Анализ результатов расчетного обоснования смещений кровли для подготовительных выработок пласта Болдыревского шахты им. С. М. Кирова показывает, что в разных горно-геологических и горнотехнических условиях поддержания подготовительных выработок различного назначения и размеров смещения кровли, рассчитанные по существующим методикам превышают значение 50 мм (от 70 до 240 мм) и по интенсивности горного давления согласно п. 3.2.3 соответствуют в основном среднему значению (50-200 мм) [1].
Расчет ожидаемых смещений подготовительных выработок пласта Поленовского в 50% случаях указывает на интенсивное горное давление, а
50% расчетных смещений отмечает средний уровень интенсивности проявлений горного давления.
Таким образом, применение в качестве опорных элементов для анкеров в кровле металлических плиток по пластам Болдыревскому и Поле-новскому в блоке № 3 шахты им. С. М. Кирова не рекомендуется без специальных экспериментальных работ с обязательным инструментальным мониторингом по разработанным методикам[2].
Согласно действующей инструкции [1] пункта 5.9 рекомендуется применять, как правило, в качестве опорных элементов под анкерные стержни по кровле цельные или составные опорные элементы, соединяющие все анкеры в рядах по ширине выработок в единую совместную работающую систему.
При таком креплении возможно эффективное усиление крепи выработки по кровли дополнительными продольными подхватами с использованием стоечной или тросовой анкерной крепи усиления.
В том случае, если необходима замена опорных элементов в кровле на отдельные шайбы увеличенных размеров, общее сопротивление штанговой крепи для крепления кровли выработок рассчитывается в обычном порядке, а также по плотности установки стержней по площади обнажений кровли, но формирование единой совместной системы уже осуществляется за счет элементов перетяжки кровли в сочетании с общим количеством анкерных стержней и опорных элементов.
При такой схеме крепления кровли важную роль выполняет конструкция элементов перетяжки кровли (решетчатой металлической затяжки), где важнейшим параметром является сопротивление узлов затяжки растяжению [2].
Выводы
1. Эффективность использования анкерной крепи, используемой для поддержания подготовительных выработок, расположенных в сложных горно-геологических условиях, наличием зон ПГ Д на шахтах может быть достигнута путем дополнительного применения канатных анкеров.
При этом конструктивные особенности, а также длина канатных анкеров, несущая способность должны быть обоснованы с учетом глубины распространения в массив зон повышенной нару-шенности.
2. Опорные элементы, как основной штанговой анкерной крепи, так и дополнительной тросовой крепи следует выбирать с учетом уровня действующих напряжений в окрестностях охраняемых подготовительных выработок.
В ряде случаев, использование облегченных подхватов типа «штрипс», установленных в кровле при расстоянии между отверстиями 1 м и более приводит к неудовлетворительному состоянию подготовительных выработок, расположенных в наиболее благоприятных горно-геологических условиях.
3. Расчетное обоснование параметров анкерного крепления подготовительных выработок, расположенных в сложных горно-геологических условиях следует проводить с использованием практического опыта поддержания подготовительных выработок смежных выемочных участков, а также при условии непрерывного контроля (мониторинг) за смещениями, состоянии прикон-турных слоев пород кровли с помощью замерных станций СКЦ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по расчету и применению анкерной крепи на угольных шахтах России. ВНИМИ. Санкт-Петербург, 2000 г.
2. Рекомендации по обоснованию схем крепления подготовительных выработок с использованием анкерной крепи и металлических демпфирующих шайб 300*300*5 в условиях шахты им. С.М. Кирова / «ЦАКк» от 13.02.2009 г.
3. Результаты оценки степени деформаций швеллера № 8 в подготовительных выработках шахты им. С.М. Кирова / «ЦАКк» от 26.11.2008 г.
□ Авторы статьи:
Рогачков Антон Александрович , канд.техн.наук, ведущий инженер ООО «ЦДКк-Кузбасс», тел. 905 905 7013
Климов Виктор Викторович, заместитель главного инженера, руководитель технологической службы шахты "Полысаевская", тел. 8 (38456) 2-42-40; 9-46-75.
Ремезов
Анатолий Владимирович, докт.техн.наук, профессор каф. разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом КузГТУ, тел. 903 946 1810.
