Аналитические исследования по обоснованию угла диагонального положения линии очистного забоя для повышения эффективности разработки мощных наклонных угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © В.Г. Виткалов, Нгуен Ань Туан,

Фам Чунг Нгуен, 2012

УДК 622.031.14

В.Г. Виткалов, Нгуен Ань Туан, Фам Чунг Нгуен

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ УГЛА ДИАГОНАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЛИНИИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ НАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Рассмотрены технологические решения отработки мощных наклонных угольных пластов. Разработана принципиальная схема для расчета зависимостей уменьшения угла наклона угольного пласта вдоль очистного забоя и наклона забоя от угла диагонального положения очистного забоя при различных углах падения пластов. Предложены технологические решения обеспечивающие повышения эффективности горных работ и необходимого уровня безопасности при отработке мощных наклонных угольных пластов.

Ключевые слова: пласт, технология, наклон, забой, угол.

Угольная промышленность Вьетнама имеет среди отраслей ТЭК наиболее обеспеченную сырьевую базу. Геологические запасы каменных углей и антрацитов СРВ составляют около 20 млрд т. Балансовые запасы , оценены до глубины -300 м. от минимальной мощности угольных пластов 0,8 м, составляют 3728 млн т., из которых примерно 90 % сосредоточены в месторождении Куагнинь [1]. Учитывая значительные запасы угля он и в перспективе останется одним из важнейших топливных ресурсов страны.

Угленосные отложения представляют собой сложную складчатую систему, состоящую из пликативных дислокаций, осложненных разрывными нарушениями - надвигами и сбросами. Пласты в пределах шахтного поля имеют сложное строение, не выдержаны по мощности, а непосредственная и основная кровля сложена породами средней крепости.

Значительная часть запасов (77,27 %) сосредоточены в пластах мощно-

стью более 3,5 м, из них основная часть запасов (49,23 %) находится в пластах свыше 4,5 м и около 90,17 % сосредоточено в пластах с углом падения от 20 до 35°.

Распределение балансовых запасов сосредоточенных в наклонных мощных угольных пластах в зависимости от технологических параметров выемочных участков и находятся в следующих соотношениях,- около 36,20 % запасов сосредоточено с длиной выемочных участков по про-странию (700-1000), а 21,09 % с длиной более 1000м, при этом запасы с длиной поля по падению более 200 м составляют 50,60 %.

В целом на шахтах Вьетнама используется ручной труд при разработке мощных наклонных угольных пластов. Уровень механизации при добыче угля низкий,- в основном применяется буровзрывной способ отбойки угля и ручная погрузка на скребковый конвейер. Добыча угля добываемого с пластов более 3,5 м и

углом падения от 18 до 35° с использованием средств комплексной механизации составляет не более 5 %. [2].

В известных, освоенных практикой технологических схемах разработки мощных наклонных угольных пластов предусмотрено перпендикулярное или близкое к нему примыкание очистного забоя к подготовительным выработкам. Рекомендации подобных конструкций технологических схем содержатся в нормативных документах и технологических схемах очистных и подготовительных работ на угольных шахтах, утверждённых министерством угольной промышленности СССР и действующих по настоящие времени [3, 4, 5].

При расположении очистного забоя близком к перпендикулярному к подготовительным выработкам приводит к формированию нависающего забоя угольного пласта. Это обстоятельство при некоторых типах кровель может привести к динамическому удару, разрушению призабойной части пласта, усиленному отжиму угла и вывалам породы, что негативно сказывается на ведении очистных работ и техники безопасности. Для предотвращения подобных явлений необходимо нависающий забой перевести в слабонаклонный.

В мировой практике накоплен незначительной опыт отработки мощных (>6 м) наклонных угольных пластов одним слоем с выпуском угля из подкро-вельной толщи, длинолавными комплексно-механизированными системами, которые соответствовали бы мировым показателями по нагрузке на очистной забой и высокой степени безопасности.

Это связано прежде всего с трудностями по поддержанию призабой-ной кровли и обеспечению устойчивости забоя, а также сложностью управления мехкомплексом в плоскости пласта.

Изучая технологические схемы разработки пологих и наклонных угольных пластов Кузнецкого угольного бассейна, которые были разработаны творческими коллективами на основе опытной эксплуатации различных схем подготовки и отработки комплексно-механизированных очистных забоев в разнообразных горногеологических условиях, а также обобщения анализа передового опыта и данных научно-исследоваческих институтов (КузНИУИ, ННЦ ГП - ИГД им. А,А. Скочинского, КузГТУ, ПНИУИ, ИПКОП РАН, МГГУ) не дают адекватного ответа на технологию отработки мощных наклонных угольных пластов с необходимым уровнем безопасности и эффективности горных работ [6, 7, 8].

Выявленные в процессе освоения технологии очистной выемки с выпуском угля недостатки (устаревшее очистное оборудование, неэффективные решения по разупрочнению и выпуску угля и связанные с этим высокие потери полезного ископаемого, пожароопасность и др.) во многом явились причиной свертывания работ этого прогрессивного направления.

В мировой угольной промышленности, где решением проблемы отработки мощных наклонных угольных пластов одним слоем занимаются в течение длинного времени, в инженерно-технических работников сложилось мнение, что подобное эффективное технологическое решение, это проблема реального будущего, в связи с трудностью поддержания приза-бойного пространства и низкой эффективностью управления комплексом в плоскости пласта.

При выемке мощных (более 6м) наклонных угольных пластов наклонными слоями по простиранию в качестве главных препятствий являются:

- проблема устойчивости приза-бойной кровли и угольного пласта;

- проблема поперечной и продольной устойчивости механизированного комплекса относительно элементов залегания пласта;

- сложность контроля отжима угля и горизонта почвы угольного пласта;

- трудность поддержания примыкающих штреков нижнего слоя;

- опасность нахождения людей в рабочих зонах лавы.

Длительное время мощные пласты в основном отрабатывались многослоевыми системами, которые в настоящее время стали не приемлемы по условиям организации пожарной безопасности, низкого коэффициента извлечения угля и высокой себестоимости [8, 9].

Необходимо отметить, что в мировой практике положительный опыт отработки мощных наклонных угольных пластов с необходимым уровнем безопасности и современным уровнем производительности - более 1 млн. т угля в год отсутствует [7].

Отработка мощных наклонных угольных пластов с применением средств комплексной механизации, предназначенных для работы в условиях пологих пластов, связана с рядом особенностей и проблем, главными из которых являются:

- сползанием и разворотом секций механизированной крепи и базы забойного конвейера при выполнении технологического цикла по выемке угля;

- повышенным отжимом пласта угля с формированием нависающего забоя и снижением устойчивости при-забойной кровли;

- скатыванием по лаве кусков угля и попаданием его в рабочее пространство;

- проблема доставки по лаве оборудования;

Попытки перенесения успешного опыта применения в российской и зарубежной практике механизированных комплексов предназначены для работы на пологих пластах в условиях выемки мощных наклонных угольных пластов привело к тому, что средства комплексной механизации стали металлоёмкими и как следствие дорогими, с невысокой нагрузкой на очистной забой.

Попытка усовершенствования механизированных комплексов путем создания защитных устройств от скатывающихся кусков угля и породы, создания ограждения для прохода людей и якорных устройств от сползания комплекса, не привело к желаемым результатам, потому что знания были направлены не на устранения причин их порождающих, а на их последствия.

Реализация концепции технологии пригодной для ведения очистных работ в условиях мощных наклонных угольных пластов, на шахтах Германии, привело к тому, что значительно повысились металлоёмкость и цена оборудования, которые к тому же стало менее производительным, со значительным объемом тяжелого ручного труда [немецкий опыт Кузнецов Ю.Н.].

В научной, технической и учебной литературе, а также альбомах технологических схем рекомендуется при отработке пластов с углами падения более 18°, для создания направленного движения механизпрованных комплексов в плоскости пласта, необходимо придерживаться следующих рекомендации - для механизированных крепей с нижними связями между секциями монтажные камеры, располагать под углом 92-95° к конвейерному штреку (нижняя часть лавы опережает верхнюю), а для мехкрепей с верхними связями между секциями -под углами 86-88° (верхняя часть лавы опережает нижнюю) [10].

Рис. 1. Общий вид технологической схемы для отработки наклонных угольных пластов с диагональным положением очистного забоя

Сущность предлагаемой нами технологической схемы отработки мощных наклонных угольных пластов (рис.1) заключается, в диагональном расположении линии очистного забоя относительно горизонтальной плоскости, с опережением его верхней части при разработке наклонными слоями по простиранию.

Угол диагонального положения забоя необходимо выбирать с учетом перевода его с нависающего в на-

клонный, но не более 10°, с учетом уменьшения угла наклона угольного пласта вдоль очистного забоя.

Для обоснования угла диагонального положения линии очистного забоя согласно (рис. 1) и выведения аналитических выражений отражающих связь между изменением угла наклона угольного пласта анаКл вдоль очистного забоя и наклона забоя от угла диагонального положения очистного забоя у при различных углах падения пластов, нами была составлена и рассмотрена принципиальная схема (рис.2).

Для определения вертикальной высоты этажа из треугольника АБЭ получим соотношение

БД Х

вт а =

или это^ =

ВБ Ь

где Х-вертикальная высота этажа, м; Ь- Длина лавы, м.

Тогда вертикальная высота этажа будет найдена из следующего соотношения

Рис. 2. Принципиальная схема для расчета зависимости уменьшения угла наклона угольного пласта а„акл вдоль очистного забоя и наклона забоя от угла диагонального положения очистного забояупри различных углах падения пластов

Рис. 3. Характерные кривые отражающие изменения угла наклона угольного пласта Онакп вдоль очистного забоя от угла его диагонального положения упри различных углах падения пластов 0,ад.

X = sinaniM. L (1)

Для определения диагонального положения линии очистного забоя у из треугольника BCD найдем новую

BD

длину лавы Li , тогда__= cos у

CD

или

L

Li = --(2)

cosy

Для определения нового угла падения лавы из треугольника ACD, получим следующее выражение: AD

CD

■ = sinaH

(3)

Таким образом для обоснования связи между апал и уменьшением угла наклона угольного пласта анакл , подставим аналитические выражения (1) и (2) в выражение (3), получим :

• _ X - -

sinaHaKb — —

L

cos у

Проанализировав значение входящих в формулу (4) величин и произведя преобразования, в окончатель-

sin anad L

L

(4)

ном виде получим аналитическое выражение, обеспечивающая связывает между собой анакл и апал, Которое будет иметь следующий вид

sin анакл = sinana^ cosy (5) На основании полученного аналитического выражения (5) и принятых углов падения пластов апад (18°, 25°, 30°, 35°), с помощью программы Microsoft Excel проведены вычисления и построены характерные кривые отражающие изменения угла наклона угольного пласта анакл вдоль очистного забоя, от угла его диагонального положения очистного забоя у, град при различных углах падения пластов апад, которые показаны на рис. 3.

На технологию ведения очистных работ при выемке мощных наклонных угольных пластов важное место занимает отжим угля, который негативно сказывается на безопасности ведения горных работ. С целью обеспечения устойчивости призабойного пространства, необходимо вертикальный или нависающий забой пласта перевести в устойчивый с отклонением от вертикального положения на угол от 5 до10°.

При отработке мощных наклонных угольных пластов механизированными комплексами при изменении положения лавы в плане из прямоугольной в диагональную на угол у относительно горизонтальной плоскости, вертикальный забой угольного пласта, также преобразуется в устойчивый забой с углом 5 (рис. 4, а, б).

Для нахождения связи между углом наклона забоя угольного пласта 8 в зависимости от изменения угла разворота линии очистного забоя у при

Рис. 4. Сечение лавы при различных углах диагонального положения линии очистного забоя (а: у= 0 и б: уф 0)

различных углах падения пластов рассмотрим следующее:

Из треугольника ДСЭ найдём угол БЛ X

ан

sina„„,„ =-

DC LI

Выразим отсюда высоту этажа X = ялОшлД- (6)

Из треугольника ADE найдём угол разворота линии очистного забоя 8, который равен отношению DA (X) к DE (L2) т.е.

. _ DA X

sin 8 =-=—.

DE L2

Тогда высоту этажа можно будет найти из следующего аналитического выражения

X = sin8L2. (7)

Из аналитических выражений (6) и (7) получим соотношение:

sin8L2 = ^ОаклД-

Тогда на основании преобразований получим следующее аналитическое выражение для нахождения угла наклона угольного забоя.

sin8 = sinaHaxM § • (8)

Треугольники BCD и BDE находятся на одной плоскости пласта,

следовательно угол BED равняется углу BDC или у .

Тогда из треугольника CDE получим следующее аналитическое выражение

LI

— = tgy .

L2

(9)

Подставим аналитическое выражение (9) в аналитическое выражение (8) и произведя некоторые преобразования получим sinS = sinaHam . tgy или sin S = sin anaà cos ytgy

Тогда получим окончательное аналитическое выражение для нахождения угла наклона забоя: sinS = sinanad sin y (9)

На основании аналитического выражения (1 - 2) и принятых углов падения пласта апад (18°, 25°, 30°, 35°) с помощью программы Microsoft Excel были проведены вычисления и построены графические зависимости отражающие характер изменения угла наклона забоя угольного пласта S, от угла его диагонального положения у для различных углов падения пласта, которые приведены на рис. 5.

Согласно аналитическому выражению (1-2) и графическим зависимо-

Рис. 5.Зависимости угла устойчивого наклона забоя угольного пласта 8, от угла его диагонального положения упри различных углах падения пластов

Рис. 6 .Зависимость изменения длины лавы от угла диагонального положения очистного забоя у

стям (рис. 5) при переводе линии очистного забоя у относительно угла падения пласта, призабойное пространство угольного пласта переходит из вертикального положения в наклонное пропорционально изменения диагонального положения забоя и изменению угла падения пласта. При этом, чем меньше угол падения пла-

ста, тем на большим угол необходимо повернут линию очистного забоя.

Для обоснования изменения длины лавы от угла диагонального положения линии очистного забоя относительно подготовительных выработок выемочного участка на основании аналитического выражения L = =L1/cos у с помощью программы Microsoft Excel был построен график, который представлен на рис. 6.

На основании приве-деных зависимостей (рис. 4 ,5, 6) при которых максимальное значение угла устойчивого наклона забоя угольного пласта 8 составляет 10°, приводит к увеличению угла разворота линии очистного забоя от 15 до 35° при углах падения пластов от 18 до 35° соответственно, при этом длина лавы увеличивается с 100 до 120 м, а угол наклона линии очистного забоя в продольной уменьшается от 2° до 3

Установленные закономерности представленные на (рис. 4, 5, 6), в конкретных горно-геологических условиях, позволяют производить раскройку шахтного поля с расположением подготовительных выработок перпендикулярно углу устойчивого наклона забоя угольного пласта, с целью повышения эффективности очистных работ и безопасности ведения горных работ.

плоскости

°°

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Доан Ван Кен, Нгуен Ань Туан, Фунг Мань Дак и др. Исследование и выбор технологии механизации, разработка, проектирование и фабрикация механизированной крепи, которая соответствует с горно-геологическими условиями мощных угольных пластов, имеющих угол падения до 35°, в бассейне Куангнинь. Итоговые сообщения государственной научно-технической программы КС.06.01/06-10 (Часть геология). Ханой. 2008.

2. Отчет о результатах работы угольной компании «Винакомин» за 2005-2009гг. Ханой, 2010.

3. Временные нормы технического проектирования угольных и сланцевых шахт, ВНТП 1-92. - М.: Минтопднерг, РФ, 1993, 99 с.

4. Технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах, часть I, М., 1991, 215 с.

5. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах, часть 1: технологические схемы, М., 1971. 331 с.

6. Бурчаков А. С и др. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых, М., 1969, 702 с.

7. Коровкил Ю.А. и др., Теория и практика длинолавных систем. - М.: Тех-гормаш, 2004, 600 с.

8. .Шундулиди И.А., Козовой Г.И. Технология и механизация эффективной разработки мощных пологих и наклонных угольнх пластов. - ИСПИН . 2001. - 202 с.

9. Шундулиди И.А. Интегрированные технологические системы двухстадийной отработки запасов мощных угольных пластов. - М.: Корина-офсет, 2004. - 359 с.

10. Технологические схемы разработки пологих и наклонных пластов Кузнецкого бассейна. Прокопьевск. 1989, 77 с. и'.'-1^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Виткалов В.Г. - профессор, кандидат технических наук, Фам Чунг Нгуен - аспирант,.

Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Нгуен Ань Туан - кандидат технических наук, Ханой, Ханойский институт горной науки и технологии (ХИГНиТ).

А

- РАЗМЫШЛЕНИЯ И ДИАЛОГИ

«Неделя горняка» — первый шаг к интеграции отраслевых специалистов.

Для сохранения единства горных инженеров необходимо общение, как профессиональное, так и общечеловеческое. В жизни отраслевых специалистов много общего, им есть что обсудить, обменяться новыми идеями, помочь товарищам, попавшим в сложное положение. Хотя бы для этого полезно раз в год собираться и удовлетворять естественную потребность в общении.