Анализ технологических схем с целью рационального электроснабжения участков угольных шахт при напряжении 3 (3,3) кВ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Л.А. Плашанский, В.Л. Беляк, 2007

УДК 658.26

Ё.А. Плащанский, В.Ё. Беляк

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ С ЦЕЛЬЮ РАЦИОНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЧАСТКОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ ПРИ НАПРЯЖЕНИИ 3 (3,3) кВ

Семинар № 22

Осуществление дальнейшего технического прогресса и коренное переустройство угольной промышленности предъявляют новые повышенные требования к совершенствованию электрификации горных работ. Увеличивается потребность в высокоэффективном и надежном электрооборудовании, в более рациональных и высоконадежных схемах электроснабжения, которые должны обеспечивать бесперебойную и экономичную работу машин и механизмов, рост производительности труда, повышение безопасности применения электроэнергии в подземных условиях. Комплексное решение данных задач неразрывно связано с применением современных, прогрессивных технологических схем разработки угольных месторождений.

История развития подземного способа добычи угля характеризуется постоянным совершенствованием систем разработки в комплексе с развитием горного машиностроения, созданием необходимого оборудования. В соответствии с этим можно выделить следующие основные периоды:

- 20-е годы - преобладание ручного труда на горных работах, системы разработки забоями небольшой длины и камерно-столбовые;

- 1930-1940 гг. - переход на длинные очистные забои и сплошную систему разработки, развитие механизированной зарубки, переход в очистных забоях на качающиеся конвейеры, начало комбайновой выемки угля;

- 1941-1950 гг. - развитие сплошных систем разработки, завершение механизированной зарубки, начало широкого внедрения угольных комбайнов, переход на скребковые конвейеры в очистных забоях;

- 1951-1960 гг. - переход на системы разработки длинными столбами, широкое внедрение комбайнов и индивидуальной металлической крепи, завершение перехода на скребковые конвейеры в очистных забоях, начало внедрения узкозахватной выемки комбайнами и стругами, создание передвижной гидрофицированной крепи, ставшей основой современных механизированных комплексов;

- 1961-1970 гг. - создание и широкое внедрение механизированных комплексов при разработке пластов с углом падения до 35°, начало планомерного технического перевооружения угольной промышленности;

1971-1980 гг. - широкое осуществление программы технического перевооружения очистных забоев с углом падения до 35° на основе ком-

плексной механизации выемки угля (комбайн-струг, гидрофицированная механизированная крепь, безразбор-ный скребковый конвейер) с практически полным ее завершением к концу периода, начало широкого внедрения комплексной механизации на крутых пластах с доведением ее уровня в этих условиях до 30 %, начало внедрения автоматизированных комплексов и агрегатов.

В конце 70-х годов была проведена классификация систем разработки, в основу которой был положен бинарный принцип, предполагающий наличие основного и дополнительного классификационных признаков. В качестве основного признака был принят способ выемки пласта по мощности, а в качестве дополнительного - порядок подготовки и последующей отработки пластов в пределах выемочного поля.

В соответствии с основным классификационным признаком системы разработки пластовых месторождений разделяются на два класса: система разработки пласта на полную мощность и система разработки пласта с делением на слои.

Согласно дополнительному классификационному признаку классы систем разработки разбиты на группы: сплошная система разработки, система разработки длинными столбами, комбинированная система разработки, система разработки короткими очистными забоями, система разработки без постоянного присутствия людей в очистном забое, система разработки наклонными слоями, система разработки поперечно-наклонными слоями, система разработки горизонтальными слоями, система разработки с принудительным обрушением и выпуском угля.

Анализ состояния шахтного фонда России в настоящее время показыва-

ет, что существующие технологические системы угольных шахт, как правило, не соответствуют требованиям, предъявляемым к современным угледобывающим предприятиям в плане достижения высоких нагрузок на очистные забои и производительности труда.

Основными недостатками существующих технологических схем являются:

- низкая производственная мощность шахт;

- значительное число действующих очистных забоев и низкие нагрузки на забой;

- большое число пластов, находящихся в одновременной разработке (от пяти до десяти пластов);

- значительная протяженность поддерживаемых горных выработок;

- высокий удельный объем проводимых горных выработок из-за ограниченных размеров выемочных столбов;

- сложные схемы транспорта угля, материалов и оборудования, небольшая нагрузка на транспортные выработки и большая их протяженность, многоступенчатость;

- сложные вентиляционные сети шахты.

Вместе с тем, указанные недостатки в широкой степени влияют на электромеханическое сопровождение технологического процесса, состояние которого зависит от надежного, бесперебойного, безаварийного и безопасного функционирования всего электротехнического комплекса.

Значительное число действующих очистных и подготовительных забоев и большое число пластов, находящихся в одновременной разработке, вызывают необходимость существования и одновременного обслуживания большого числа систем электроснабжения, обеспечивающих работу забо-

ев, большого количества электрооборудования, электрических аппаратов, разветвленной дорогостоящей кабельной сети, отстройки защиты, обеспечения требованиям ПБ по заземлению и т.п.

Высокий удельный объем проводимых горных выработок и необходимость их поддержания, сложные многоступенчатые схемы транспорта значительно усложняют подземную систему электроснабжения, вызывая необходимость создания промежуточных распределительных пунктов напряжением до и выше 1 кВ, установки дополнительных трансформаторных подстанций и станций управления. Большую проблему создают протяженные кабельные сети, эксплуатация которых осуществляется в сложных условиях, с точки зрения поддержания сопротивления изоляции на уровне требований стандарта.

Сложные вентиляционные сети шахт создают трудности в электроснабжении тупиковых забоев, в размещении комплексов электротехнического оборудования, его инженерном обустройстве.

Указанные недостатки вызывают необходимость формирования новых технологических систем на такой методической основе, которая позволит устранить или минимизировать эти недостатки.

Технологические системы высокопроизводительных угольных шахт должны отвечать следующим основным требованиям:

- повышение уровня качества запасов угля, вовлекаемых в отработку, так как этот показатель устойчиво влияет на надежность работы очистного оборудования и производительность забоя. Для выполнения этого требования необходим отказ от утвердившейся в условиях плановой

экономики концепции максимально полного извлечения запасов независимо от издержек;

- минимальное число действующих очистных забоев с целью повышения уровня концентрации горных работ. Концентрация горных работ достигается за счет максимальных нагрузок на блок, горизонт, угольный пласт, транспортную выработку, выемочный участок и очистной забой, а также за счет интенсификации функционирования основных производственных комплексов (очистные работы, подготовительные работы, транспорт, подъем и др.). Это требование приведет к росту мощности очистных и транспортных средств, общей энерговооруженности, что в свою очередь потребует увеличения мощности трансформаторных подстанций (в единице), снижения их количества, разработки и применения новых типов кабелей, модернизации кабельной сети, применения комплектных станций управления на базе микропроцессорной техники, специальных способов и средств управления, диагностики и мониторинга;

- переход на отработку запасов выемочных столбов лавами повышенной длины - длиннолавными системами. При подготовке запасов выемочных столбов следует принимать длину очистного забоя, оборудованного механизированным комплексом высокого технического уровня, на пологих пластах тонких и средней мощности в пределах 250-300 м, а на пластах мощностью свыше 3,5 м - 200-250 м. (рис. 1, 2). В данном случае следует отметить увеличенный расход кабелей, необходимость размещения кабелей большой протяженности в забое, однако протяженность общей кабельной сети сократится за счет снижения общей линии очистных забоев и соответствующих выработок.

ками и отработки запасов в нисходящем порядке двумя комбайнами без сохране■

ния косовичника

71

Рис. 2. Трехштрековая технология

подготовки и отработки выемочных панелей с охраной выработок сдвоенными рядами угольных целиков-колонн в США

а Ы а«4.=0°

Рис. 3. Сечения примыкающих к длинному очистному забою выработок при трехштрековой технологии подготовки и отработки выемочных панелей: а - в сечении, I -I по рис. 1 при углах залегания пластов а=0°; 'б - сечение II- II по рис. 1 при углах залегания пластов а= 15°

При применении схем с делением лавы на "верхнюю" и "нижнюю" особо остро стоит вопрос о питании верхней лавы и необходимости сооружения рас-предпунктов на промежуточном штреке;

- в качестве основной использовать систему разработки пластов длинными столбами. Учитывая возможные геологические нарушения, следует в необходимых случаях предусматривать применение камерно-столбовой системы разработки тех участков, отработка которых с использованием длиннозабойных механизированных комплексов нецелесообразна. В таких случаях пространственно-планировочные решения должны формироваться таким образом, чтобы участки с геологическими осложнениями размещались за монтажной камерой или в конце выемочного столба. При невозможности реализации такой планировки целесообразно предусматривать перемонтаж механизированного комплекса за максимально короткий срок.

В зависимости от размеров шахтного поля, его конфигурации и выдержанности элементов залегания пластов длина выемочных столбов должна составлять 2000-5000 м. С точки зрения построения системы подземного электроснабжения рекомендуемая длина выемочного столба потребует создания одного, максимум двух ЦРП-6(10) кВ;

- достаточная пропускная способность всех элементов технологической системы (транспортных и вентиляционных горных выработок, средств механизации производственных процессов в шахте и на ее поверхности;

- геометрические параметры горных выработок выемочного участка должны обеспечивать размещение необходимого оборудования, транспортных средств и иметь сечение порядка 15-20 м2 при анкерном креплении (рис. 3). Увеличение геометрических размеров выработок позволит решить проблему разме-

щения энергопоездов и их инженерного обустройства независимо от способа его передвижения;

- производительность очистного механизированного комплекса при работе его на пластах мощностью 1,5-2,5 м должна составлять 10-15 тыс. т/сут., а на пластах мощностью 4,2-5,0 м - 1520 тыс. т/сут. Такая производительность потребует значительного увеличения мощности и энерговооруженности механизированных комплексов, что в свою очередь требует коренного пересмотра номенклатуры взрывозащищенного электрооборудования, создания систем подземного электроснабжения нового поколения с применением современных систем мониторинга. Повышение мощности комплексов возможно (как один из вариантов) путем увеличения напряжения их питания.

Повышение энерговооруженности добычной и проходческой техники за рубежом также сопровождается стремлением к более высоким уровням напряжения: от 950 В до 2300 , 3300 и 4160 В с целью свести к минимуму размеры электродвигателей, увеличив мощность и производительность. К примеру, общая мощность и энерговооруженность очистных комбайнов системы «Джой» может превышать 1500 кВт. Она распределяется следующим образом: два электродвигателя системы резания по 650-800 кВт каждый, два электродвигателя системы подачи до 60 кВт каждый и два электродвигателя насосов до 45 кВт каждый. Энерговооруженность забойных конвейеров длиннолавных систем достигает 3х(800-1200) кВт;

- применяемое проходческое оборудование и технология крепления горных выработок сечением 15-20 м1 с анкерной крепью должны обеспечивать скорость подвигания одного подготовительного забоя не менее 600-1000 м/мес.;

- применяемое монтажно-демонтажное оборудование, технология перемонтажа технологических комплексов и всего оборудования выемочного участка должны обеспечивать длительность перемонтажа не более 10-20 дней;

- следует ориентироваться на применение горношахтного оборудования с высокой производительностью и энерговооруженностью, обеспечивающего динамичность функционирования технологической системы и ее адекватное реагирование на изменения внешней и внутренней сред;

- отработку запасов газоносных пластов необходимо вести без сохранения выработок для повторного использования и без проведения при-сечных выработок при применении газоотсасывающих вентиляторов и комбинированного проветривания выемочных участков.

В мировой практике принята концепция перехода к технологическим структурам «лава-шахта». Наиболее последовательно в этом направлении движутся угольные индустрии США, Австралии и Китая. При этом в системе технологических структур "лава-шахта" нижним уровнем рентабельности принято считать производительность длин-нолавных систем не менее 1 млн. т в год из забоя.

1. Козовой Г.И., Кузнецов Ю.Н., Рыжов A.M. Гибкие технологические системы высокопроизводительных угольных шахт. - М.: ОО "Международная академия связи", 2003.

2. Бурчаков A.C., Гринько Н.К., Ковальчук A.Б. Технология подземной разра-

Во вновь сооружаемых и реконструируемых шахтах, например, Великобритании, производительность длин-нолавных систем на уровне 3 млн. т угля в год считается нормой.

В общем случае, главным преимуществом длиннолавных систем является постоянное повышение производительности труда, которое в передовых угледобывающих странах увеличивается ежегодно на 10-15 %, причем в основном за счет:

- роста энерговооруженности оборудования, его производительности и надежности;

- комплексной автоматизации производственного процесса, позволяющей сократить количество лавного персонала, а также уменьшить потери рабочего времени за счет введения мониторинга состояния оборудования, дающего возможность своевременно выявлять и предупреждать вероятность отказов применяемых машин и оборудования.

Эти выводы должны быть положены в основу создания подземных систем электроснабжения нового поколения с учетом, прежде всего, необходимого уровня напряжения питания механизированных комплексов, напряжения питающих и распределительных сетей, средств защиты, блокировок и систем управления.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ботки пластовых месторождений полезных ископаемых. - М.: Недра, 1978.

3. Теория и практика длиннолавных систем. Под редакцией проф., д. т.н. Е.Я. Диколенко. - М.: ООО «Техгормаш»,

2004. ЕШЗ

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------

Плащанский П.А. - профессор кафедры ЭЭГП, Московский государственный горный университет.

Беляк В.Ё. - аспирант кафедры ЭЭГП, главный специалист Управления государственного горного и металлургического надзора Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору.