Инновационный путь развития наукоемкой технологии сплошной разработки мощных угольных пластов механизированными комплексами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

стоянному

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология. - Екатеринбург: УрО РАН, 2001, 335 с.

2. Артемьев Э.П., Рождественский В.Н. Повышение эффективности взрывных работ путем управления энергией взрыва на карьерах //Международная конф. По буровзрывным работам. 1У: Сб. докладов. - М., 1999. - с. 17-19. ЕШ

— Коротко об авторе -

Зубков А.В. - д-р техн. наук, ИГД УрО РАН.

© В.И. Клишин, М.В. Курленя,

209

2008

УДК 622.28 + 622.2

В.И. Клишин, М.В. Курленя

ИННОВАЦИОННЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ НАУКОЕМКОЙ ТЕХНОЛОГИИ СПЛОШНОЙ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ КОМПЛЕКСАМИ

~П Кузбассе в мощных пластах пологого залегания сосредо-

-Я-М точено до 4,7 млрд т угля и поэтому изыскание способов их разработки является актуальной задачей. Мировой опыт отражает развитие трех направлений создания технологий разработки месторождений с применением механизированных крепей и полной механизацией очистных работ:

- сплошная выемка пластов до 5,0-6,0 м;

- выемка одного слоя с последующим разрушением и выпуском угля из подкровельной толщи;

- послойная выемка.

В отечественной практике при сплошной выемке пластов мощностью до 5,0 м в различное время испытывались и эксплуатировались механизированные комплексы с крепями М-120, М-139, М-142, М-144, УКП. За рубежом аналогичная технология горных работ получила развитие в Китае, ФРГ, Великобритании, Польше. Выемка мощных пластов на шахтах США осуществляется с применением крепей фирм Германии и Великобритании. Китай ориентируется на использование собственных механизированных комплексов.

Анализ отечественного и зарубежного (Франция, Китай, Югославия) опыта применения технологии разработки мощных пологих и наклонных пластов с выпуском угля подкровельной толщи подтверждает преимущества этой технологии по сравнению со слоевой:

- пласт вынимается на всю мощность, что способствует высокой концентрации горных работ, снижению эксплуатационных потерь по мощности пласта и опасности возникновения эндогенных пожаров,

- в 1,5-2,0 раза уменьшается объём подготовительных выработок и затраты на их проведение и поддержание;

210

- используются силы горного давления и эффект самообрушения угля подкровельной толщи, что снижает энергозатраты на добычу угля;

- сокращаются в несколько раз затраты на оборудование очистных забоев и средства транспортирования угля в пределах выемочного поля;

- уменьшаются затраты на монтаж-демонтаж комплексов, средств транспортирования, электрооборудования, трубопроводов, на профилактические мероприятия и др.;

- снижается себестоимость добываемого угля, в связи с тем, что при сравнительно небольшом повышении численности рабочих по выпуску угля в забое резко возрастает нагрузка на лаву.

В технологиях разработки мощных угольных пластов с применением механизированных крепей, обеспечивающих выпуск угля из подкровельной или межслоевой толщи заложен один из важнейших физических эффектов - разрушение угольной толщи, основанное на использовании сил горного давления. Это позволило придать механическим комплексам дополнительные функции, связанные с управлением процессом извлечения угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади неё. В мировой практике применяют два варианта технологии выемки средствами механизации с выпуском подкровельной (межслоевой) толщи угля: на забойный скребковый конвейер (рис. 1) отрабатываемого слоя, примененный в комплексах КТУ, КНКМ (Россия), УНР-731 (Венгрия) и др. и на дополнительный завальный скребковый конвейер (рис. 2), расположенный в завальной части лавы, например, комплексы ОКПВ-70, КМ81В (Россия), (Китай) и другие. Совершенствование этой технологии в Китае, например, позволило обеспечить до 25 % добычи угля (в абсолютных величинах это составляет 500 млн т).

Очевидно, что эти новые технологии, в которых основным элементом является особая крепь, должны в недалёком будущем заменить традиционные трудоёмкие слоевые системы разработки. Их преимущества состоят в том, что они позволяют не только повысить эффективность и безопасность отработки пластов, нагрузку на пласт и концентрацию горных работ, но и дают возможность разрабатывать пласт в сложных горно-геологических условиях, извлекать запасы, оставленные раннее в охранных целиках.

211

Рис. 1. Комплекс с выпуском угля в верхней части ограждения на забойный конвейер

Рис. 2. Комплекс с выпуском угля у почвы пласта на завальный конвейер

Первая технологическая схема использует крепь, в которой выпускное отверстие находится в верхней части ограждения вблизи забоя (рис. 1).

Это позволяет иметь небольшой размер секции крепи по длине, но не всегда способствует естественному разрушению подкро-вельной толщи и, следовательно, надежному выпуску угля из-за малого расстояния от верхняка до люка. Поэтому даже для угольного массива, имеющего небольшую прочность, возникает необходимость в принудительно его рыхлении. Кроме того, выпуск угля сопровождается большим пылеобразованием, что повышает опасность работ.

Во второй технологической схеме используется крепь, в которой выпуск угля подкровельной толщи осуществляется у почвы пласта на завальный конвейер (рис. 2). В этом случае создаются благоприятные условия деформирования и разрушения подкро-вельной толщи. Однако это требует значительного увеличения размеров секции крепи, введения дополнительного завального конвейера, таким образом, происходит усложнение конструкции крепи и

212

перегрузочного устройства на сопряжении лавы с конвейерным штреком, что затрудняет его обслуживание.

Наряду с отмеченными преимуществами технологии с выпуском угля, известны и трудности её реализации. В первую очередь это относится к требованиям полноты выпуска угля, механизации работ по осуществлению его транспорта, обеспечения безопасности и эффективности работы очистного забоя. Потери угля в обрушенном пространстве приводят к его самовозгоранию. Кроме того, при выпуске угля происходит перемешивание его с обрушенными породами кровли и повышается зольность угольной массы как конечного продукта.

Обе рассмотренные технологические схемы обладают общими недостатками - при выпуске самообрушающегося угля под действием собственного веса через выпускное окно, создаётся ограниченный размер потока в обрушенном угле и, как следствие, увеличиваются потери и зольность, особенно при образовании крупнокусковой угольной массы. Для оценки отмеченных недостатков были проведены исследования на модели (рис. 3). Обрушенный уголь (черный цвет) и покрывающие породы (белый цвет) моделировались окрашенным песком. Визуализация деформационной картины осуществлялась посредством системы первоначально горизонтальных прослоек, контрастных по цвету с основным материалом, которые формировались у прозрачной лицевой стенки. Выпуск осуществлялся через три выпускных воронки, причем, расстояние подобрано таким образом, чтобы зоны, образующиеся около движущихся потоков горной массы пересекались над воронками выпуска, и не пересекались между собой.

На модели исследовался процесс влияния последовательного выпуска угля на форму и размеры зоны потока. На рис. 3, а, б, в приведены фотографии при последовательном выпуске из отверстий. В начале из центрального отверстия выпускался уголь до начала процесса разубоживания.

На этой же фотографии отмечен момент начала выпуска из левого выпускного отверстия. На рис. 3, б показан момент окончания выпуска чистого угля из среднего отверстия до разубоживания. Рис. 3, в - характеризует момент выпуска из правого отверстия до начала процесса разубоживания. Из приведенных фотографий видно, что между зонами потоков остаются

а г

213

Рис. 3. Исследование процесса выпуска на модели: поочередный последовательный выпуск, стадия выпуска «а», «б», в»;одновременный дозированный выпуск стадии «г», «д», «е»

214

гребни угольного массива, в данном примере, на всю высоту выпускаемого слоя.

На рис. 3, г, д, е показано исследование процесса одновременного дозированного выпуска из трех отверстий на той же модели. На рис. 3, г показано начало процесса одновременного выпуска из всех отверстий, на рис. 3, д - середина процесса, а на рис. 3, е - перед началом разубоживания. При одновременном выпуске из трех отверстий образуется одна зона потока, с площадью значительно большей, чем при последовательном выпуске из одиночных отверстий.

Исходя из выполненных экспериментов, нами были разработаны специальные стенды и проведены сравнительные лабораторные исследования по определению параметров механизированных крепей с выпуском угля из подкровельной толщи (рис. 4, 5). В качестве базовой крепи для исследования выпуска угля на завальный конвейер была взята крепь поддерживающего типа китайского производства. Начальные опыты проведены при различных высотах шиберного затвора, с соблюдением условия проходимости негабаритов угля определяемого отношением сечения выпускного окна к максимальному размеру выпускаемого материала. В рудной промышленности отношение сечения выпускного окна к максимальному диаметру кусков руды рекомендовано не менее 5-7, в то время как для угольных шахт это соотношение равно 4-5.

Процесс выпуска начинался одновременно с движением скребкового конвейера заполненного углем. Сразу же на уровне шиберного затвора образовалось зависание угля (рис. 6). При этом дальнейший выпуск угля под собственным весом и покрывающих горных пород не наблюдается, в связи с образованием куполов угольного массива, которые приходилось искусственно обрушить. Такая картина повторялась до появления породы на скребковом конвейере. На практике, в таких случаях двигают шиберным затвором с помощью гидродомкратов, при испытании на модели обрушение зависшего угля имитировалось с помощью специальных устройств. При выпуске угля на завальный конвейер образуются индивидуальные зоны потока с фигурой выпуска в виде конуса с углом наклона со стороны забоя 680-760, с завальной стороны -750-800, и шириной на уровне выпускного окна всего до 800 мм.

215

Рис. 4. Исследования по определению технических возможностей механитрован-ных крепей с выпуском на завальный конвейер

Рис. 5. Исследования по определению параметров устройства регулируемого выпуска угля в механизированной крепи на забойный конвейер

При таком выпуске без принципиального изменения технологических приемов невозможно избежать больших потерь и зольности угля. Однако, если выпуск угля осуществлять по всей длине лавы одновременно из всех секций, то контактная граница уголь — порода будет опускаться одновременно и это позволит обеспечить площадно-управляемый выпуск.

Это достигается установкой регулируемых по производительности питателей на каждой секции крепи, что обеспечивает управление процессом одновременного, площадного выпуска угля по длине лавы (рис. 7). Для исследования физической сущности процесса выпуска подкровельной толщи угля после передвижки секции механизированной крепи были проведены лабораторные опыты на стенде. На днище модели устанавливали секцию механизированной крепи с принудительно-управляемым выпуском угля на забойный конвейер (рис. 5, 7, 8).

С изменением угла наклона рабочей части питателя изменяется характер и закономерности движения частиц угля, а также величина ширины зоны выпуска и как следствие, изменяются показатели извлечения угля. Поток угля под действием собственного веса пережимает движущийся уголь по питателю. Увеличение угла наклона с 15о до 20о приводит к смещению самообрушающего угля при принудительном его выпуске, сначала с завальной стороны. При этом угол наклона зоны потока с забойной и завальной стороны увеличивается до 85о, т. е. образуется вертикальная стена и выпускное окно работает как свободное отверстие. Это исключает образование застойной зоны на желобе (рис. 8).

Для обеспечения гарантированного выхода потока угля на забойный конвейер необходимо обеспечить разворот потока угля на питателе, для чего высота окна должна быть не менее ширины вынимаемой ленты, равной трем шагам передвижки крепи. Конструкция модели позволяла принудительно выпускать под-кровельную толщу угля до появления породы в её выпускном окне. Передвижка механизированной крепи на ширину зоны потока, т.е. 3 -г 4 передвижки секции крепи, показало правильность принятого решения. На рис. 8 видно, что после каждой передвижки крепи порода под собственным весом опускается на почву пласта с завальной стороны.

218

Рис. 7. Общий вид механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейер

а) 6} в) г) л)

Рис. 8. Влияние угла наклона питателя на процесс выпуска

Таким образом, исследованиями установлено.

При выпуске угля на завальный конвейер образуются индивидуальные зоны потока с фигурой выпуска в виде клина, и шириной на уровне выпускного окна до 800 мм, а увеличение количества открытых затворов из нескольких секций не обеспечивает одновременный площадной выпуск угля по длине лавы.

Управляемый площадной выпуск угля по всей длине лавы на забойный конвейер обеспечивается установкой регулируемых по производительности питателей на каждой секции крепи. Средняя производительность одной секции крепи при шаге ее установки 1,75 м за чистое время работы составит: Q = 60 Ь Ь п А у, т/час

где Ь - ширина питателя, в зависимости от шага установки крепи составит 1-1,3 м; А - ход питателя экспериментально установлено 200-500 мм и обеспечивал п - 10-30 ходов в минуту. При таких соотношениях, толщина выпускаемого слоя угля на питателе составлял ^ - 0,4-0,7 м, последнее, кроме перечисленных параметров, зависимо, от Н - высоты выпускного окна, а - угла наклона питателя, ъ - заслона, 8 - рифлений и к - кусковатости угля; у - плотность угля в пласте, т/м3: 7 = 1,36.

Из расчета суточной нагрузки на очистной забой длиной 200 м и мощностью угольного пласта 7 м получены следующие данные: сменная добыча - 5028 т; подвигание комплекса в смену - 2,64 м; подвигание в сутки - 8,71 м; суточная добыча - 15084 т; подвигание в месяц - 191.6 м; добычи в месяц - 332 т.т.; годовая добыча - 3 млн 984 тыс. т; подвигание в год - 2299 м.

На основании проведенных экспериментальных исследований предложена конструкция механизированной крепи с регулируемым выпуском угля из подкровельной толщи угольного пласта на забойный конвейер. Данное техническое решение, предусматривает управление процессом перемещения самообрушаю-щегося угля над секциями механизированной крепи за счет принудительного, одновременного выпуска угля регулируемым по производительности питателями на один забойный скребковый конвейер. Конструкция предложенной механизированной крепи разработана с учетом геомеханических процессов, происходя-

221

щих в угольном пласте и породах кровли, содержит достоинства рассмотренных вариантов (рис. 1,2) и исключает их недостатки. Поэтому она открывает новый взгляд на направления развития наукоемких технологий сплошной разработки мощных угольных пластов. Возможности изготовления комплекса обсуждались на техническом совете завода ООО «Машиностроительный завод им. И.С. Черных» (г. Киселевск) и получили одобрение.

— Коротко об авторах -

Клишин В.И. - д-р техн. наук, профессор, заведующий лабораторией подземной разработки угольных месторождений, Курленя М.В. - академик РАН,

Институт горного дела СО РАН.

© Б.Л. Герике, С.Ю. Дрыгин, И.Л.

Абрамов, П.Б. Герике,

2008

УДК 681.518.54

222