Научная статья на тему 'Комбинирование щитовой и слоевой систем разработки при выемке мощных крутонаклонных угольных пластов'

Комбинирование щитовой и слоевой систем разработки при выемке мощных крутонаклонных угольных пластов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
257
54
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УГОЛЬНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ / МОЩНЫЙ КРУТОНАКЛОННЫЙ ПЛАСТ / ЩИТОВАЯ СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ / СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ НАКЛОННЫМИ СЛОЯМИ / АГРЕГАТИРОВАННАЯ КРЕПЬ / COAL DEPOSIT / THICK STEEPLY SEAM / SHIELD MINING / INCLINED SLICING / AGGREGATED SUPPORT

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Анферов Борис Алексеевич, Кузнецова Людмила Васильевна

Предложенная комбинированная технология разработки мощных крутонаклонных пластов состоит из элементов щитовой разработки и наклонными слоями. Раскройка выемочной полосы на участки осуществляется слабонаклонными и противоположно направленными слоями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Анферов Борис Алексеевич, Кузнецова Людмила Васильевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Integration of shield and inclined slicing mining to mining of the thick steeply coal seams

The combined technology mining of thick steeply coal seams, including units of the shield mining and inclined slicing, are offered. The division of extraction band on sections produce by feebly tilted and contra directly layers.

Текст научной работы на тему «Комбинирование щитовой и слоевой систем разработки при выемке мощных крутонаклонных угольных пластов»

Г еотехнология

35

УДК 622.274

Б. А. Анферов, Л. В. Кузнецова

КОМБИНИРОВАНИЕ ЩИТОВОЙ И СЛОЕВОЙ СИСТЕМ РАЗРАБОТКИ ПРИ ВЫЕМКЕ МОЩНЫХ КРУТОНАКЛОННЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

Отсутствие высокоэффективных средств механизации трудоемких операций, слабое технологическое обеспечение, сложная инфраструктура шахт, разрабатывающих мощные крутонаклонные пласты, с одной стороны, и прорыв в технологии и развитии средств механизации очистных работ на пологих пластах, с другой, привели к потере привлекательности инвестирования добычи угля из таких пластов у бизнеса и закрытию существующих шахт [1].

Для разработки мощных крутонаклонных пластов авторами разработана технология подземной добычи угля, позволяющая использовать высокопроизводительные средства механизации при вы-

емке угля по щитовой системе разработки [2-4]. Идея технологии базируется: на раскройке вы-

емочной полосы участками слабонаклонных и противоположно направленных слоев, позволяющей перенести механизированную технологию разработки пологих пластов на крутые и крутонаклонные пласты; на вовлечении сил гравитации для передвижки крепи, сохраняя тем самым достоинства традиционной щитовой системы разработки; на использовании мобильности и компактности применяемых средств механизации для организации поточной работы по их монтажу (демонтажу), в зависимости от горно-геологических условий; на применении средств механизации

Рис. 1. Схема подготовки и отработки выемочного столба: 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - фланговый углеспускной скат нижнего слоя; 4 - фланговый углеспускной скат верхнего слоя; 5 - ближний углеспускной скат нижнего слоя; 6 - ближний углеспускной скат верхнего слоя; 7 -монтажная камера; 8 - секция щитовой агрегатированной крепи; 9 - очистной комбайн фронтального действия; 10- самоходный вагон; 11 - первая горизонтальная камера разворота; 12 - вторая горизонтальная камера разворота; 13 - целик безопасности; I-IV-вынимаемый слой

36

Б. А. Анферов, Л. В. Кузнецова

разрушения горных пород, позволяющих отбивать не только уголь, но и более твердые горные породы. Область применения такой технологии ограничивается мощностью пластов до 7,0 м. Для выемки более мощных пластов технология дополнена элементами слоевой системы разработки, такими как: разделение пласта по мощности на два наклонных слоя, оставление межслоевой пачки, монтаж гибкого перекрытия на почве слоя у кровли пласта и параллельная работа двух очистных забоев в наклонных слоях [5].

Подготовка шахтного поля осуществляется по этажной схеме пластовым способом (рис.1). Выемочный столб подготавливают проведением конвейерного и вентиляционного штреков. Угольный пласт по мощности делят на два наклонных слоя, один из которых примыкает к почве пласта (нижний слой), другой - к его кровле (верхний слой), оставляя между ними межслоевую пачку. При этом мощность наклонных слоев принимают в зависимости от технических характеристик применяемых средств механизации, например, секций крепи, а мощность межслоевой пачки - в зависимости от физико-механических свойств угля. Выемочную полосу оконтуривают по простиранию проведением у границ столба углеспускных скатов у почвы пласта и у почвы слоя, примыкающего к кровле пласта. У вентиляционного штрека в пространстве между скатами сооружают монтажную камеру, в которой монтируют секции щитовой агрегатированной крепи (рис. 2) [6].

Секции крепи в каждом слое устанавливают бок о бок в линию и связывают домкратами передвижки. В лоток укладывают рулон сетки, которую, разматывая, пропускают через щелевидные каналы. Затем сеткой накрывают межслоевую пачку, выдвижной решетчатый козырек и всю секцию крепи в слое у почвы пласта с нахлестом на почву. Пространство над сеткой заполняют закладочными породами, образуя подушку, защищающую секции крепи от динамических воздействий обрушенных пород кровли.

В рабочем пространстве очистного забоя каждого из слоев оформляют почву горизонтального слоя и монтируют очистной комбайн фронтального действия с режущим исполнительным органом, выполненным в виде горизонтально ориентированного барабана, например типа JOY 17СМ, и самоходный вагон, например В15К (см. рис.1).

Проветривание очистного забоя в слое у почвы пласта осуществляют за счет общешахтной депрессии по возвратноточной схеме: конвейерный штрек, углеспускной скат нижнего слоя 3, пространство очистного забоя нижнего слоя, углеспускной скат нижнего слоя 5, вентиляционный штрек. В слое у кровли пласта - конвейерный штрек, углеспускной скат верхнего слоя 4, очистной забой верхнего слоя, углеспускной скат верхнего слоя 6, вентиляционный штрек (см. рис. 1).

В исходном положении секции установлены в

линию, выдвижные козырьки выдвинуты до соприкосновения с межслоевой пачкой (в слое у почвы пласта), а в слое у кровли пласта секции лотками касаются кровли пласта. Выемка угля в наклонных слоях осуществляется слабонаклонен-ными слоями, начиная с ближней границы выемочной полосы. При этом машинисты комбайна и самоходного вагона должны всегда располагаться со стороны секций крепи. Очистной комбайн, не доходя до ближней границы выемочной полосы, начинает зарубаться в почву горизонтального слоя и грузить отбитый уголь в самоходный вагон. При этом комбайн придает почве вынимаемого слоя I уклон под углом Р в сторону ближнего углеспускного ската 5 (6), но не более допустимого для применяемых средств механизации - комбайна и самоходного вагона. Самоходный вагон, в свою очередь, транспортирует уголь до флангового углеспускного ската. При этом расстояние L, с которого комбайн начинают зарубать в почву монтажной камеры, принимают mc-ctg(3, где шс -мощность вынимаемого слоя, принимаемая в зависимости от шага передвижки секций крепи и из условия недопущения прорыва обрушенных пород в рабочее пространство. После отхода груженого вагона от комбайна, последний задним ходом возвращают к началу зарубки в почву горизонтального слоя; исполнительными органами секций агрегатированной крепи, установленных в зоне вынутого слабонаклоненного слоя, осуществляют оконтуривание образовавшейся очистной выработки - подрубают угловой целик у почвы слоя и целик у межслоевой пачки и кровли пласта. Отбитый уголь при этом просыпается на почву слоя, с которой комбайн грузит его в подошедший разгруженный самоходный вагон. После зачистки почвы слабонаклоненного слоя комбайн и самоходный вагон опять возвращают на почву горизонтального слоя, а в рабочем пространстве слабонаклоненного слоя I передвигают секции крепи.

В слое у почвы пласта передвижка секций крепи осуществляется под межслоевую пачку угля, которая, испытывая давление разрушенных пород за гибким перекрытием, сеткой, обламывается порциями примерно по линии, образованной стопорными бурами секций, установленных в слое у кровли пласта. Отломившаяся порция пачки падает на решетчатый козырек секции крепи, раздавливается и просыпается в рабочее пространство слоя у почвы пласта, где ее комбайном грузят в самоходный вагон и транспортируют к углеспускному скату.

После передвижки секций крепи в первом слабонаклоненном слое (I), аналогичным образом вынимают уголь во втором слабонаклоненном слое (II), который будет длиннее первого на величину L=mc ctgP, затем в третьем (III), четвертом (IV) и так далее. Когда в горизонтальном слое монтажной камеры останется ограниченное пространство, в котором смогут разместиться только

Г еотехнология

37

Рис. 2. Схема размещения оборудования в очистном забое (поперечный разрез): 1 - целик у межслоевой пачки и кровли пласта; 2 - угловой целик; 3 - ограждение; 4 - межслоевая пачка; 5 - углеспускной нижнего слоя; 6 -углеспускной скат верхнего слоя; 7 - рулон сетки; 8 - стопорный бур; 9 - очистной комбайн фронтального действия; 10 - основание; 11- ось; 12 - поворотное ограждение; 13 - выдвижной решетчатый козырек; 14 - щелевидный канал; 15 - щелевидный канал в ограждении; 16 -лоток; 17 — боковое ограждение; 18 -укосина; 19 - телескопическая каретка; 20 - режущий исполнительный орган;

21 - домкрат передвижки; 22 - гидравлический привод эмалированного скребка; 23 - лестница

комбайн и самоходный вагон, комбайн производит зачистку почвы текущего слабонаклоненного слоя до ближнего углеспускного ската и далее осуществляет выемку и оформление камеры разворота за пределами выемочной полосы (рис.З). Для этого крепление устья ближнего углеспускного ската усиливают дополнительными рамами. После этого комбайн в слое у кровли пласта вынимает уголь на высоту чуть больше высоты своего корпуса, смещаясь до кровли пласта, выходит за пределы выемочной полосы над ближним углеспускным скатом и, совершая возвратнопоступательные движения веером, прорубает в угольном массиве первую горизонтальную Т-образную камеру. Обнажения угольного массива в

Т-образной камере крепят рамной крепью, при возведении которой предусматривают возможность движения по камере комбайна и самоходного вагона по определенной траектории.

После сооружения первой камеры разворота комбайн и самоходный вагон разворачивают в ней и меняют местами. Затем комбайн и вагон холостым ходом перегоняют по почве отработанного слабонаклоненного слоя, который с этого момента будет являться транспортным, к фланговому скату верхнего слоя, где начинают выемку следующего слоя, наклоняя его в сторону этого флангового ската, т.е. в противоположную сторону. При этом транспорт отбитого угля осуществляют самоходным вагоном по почве транспортного слоя к

Рис. 3. Схема сооружения камеры разворота за пределами выемочной полосы (вид в плане): 1 - очистной комбайн фронтального действия; 2 - самоходный вагон; 3 - фланговый углеспускной скат нижнего слоя; 4 - фланговый углеспускной скат верхнего слоя; 5 - орт; 6 - ближний углеспускной скат верхнего слоя; 7 - камера разворота; 8 - рамная крепь; 9 - площадка; 10 - металлические трапы

38

Б. А. Анферов, Л. В. Кузнецова

ближнему углеспускному скату верхнего слоя.

Во время формирования камеры разворота (см. рис. 3) очистные работы в слое у почвы пласта подходят на уровень камеры разворота. Комбайн в слое у почвы пласта, смещаясь в сторону почвы, подрубает уголь и породы почвы, создавая тем самым площадку, на которой укладывают металлические трапы, спускаемые по ближнему углеспускному скату нижнего слоя с вентиляционного штрека; ниже трапов крепление этого углеспускного ската усиливают дополнительными рамами. Комбайн в слое у почвы пласта, двигаясь по трапам, выходит за пределы выемочной полосы и прорубает в угольном массиве орт, соединяющий пространство слоя у почвы пласта с камерой разворота. По выходе комбайна из слоя у почвы пласта в камеру разворота его там разворачивают, меняют местами с самоходным вагоном и холостым ходом возвращают в рабочее пространство слоя у почвы пласта для ведения очистных работ.

Далее вынимают слои аналогичным образом до тех пор, когда в транспортном слое останется пространство, в котором смогут разместиться

только комбайн и самоходный вагон. Тогда вагон и комбайн задним ходом возвращают в камеру разворота, где их опять разворачивают и меняют местами. Затем самоходный вагон и комбайн уже по следующей транспортной выработке возвращают в пределы выемочной полосы и начинают следующий цикл выемки слоев аналогичным образом, но уже с транспортировкой отбитого угля к фланговому скату.

Когда сократится до минимального размера следующая транспортная выработка, осуществляют формирование второй горизонтальной камеры разворота за пределами выемочной полосы и т.д.

На заключительном этапе работ по выемке полосы между секциями крепи и транспортным штреком оставляют приштрековый целик или целик безопасности, комбайн и самоходный вагон по одному из углеспускных скатов выводят на конвейерный штрек (рис. 4). Оставшийся целик безопасности вынимают исполнительными органами агрегатированных секций крепи, с выпуском отбитого угля на конвейерный штрек по скважинам, которые специально для этого пробуривают с

Рис. 4. Схема отработки выемочной полосы на заключительном этапе: 1 - конвейерный штрек; 2 -вентиляционный штрек; 3 - фланговый углеспускной скат нижнего слоя; 4 - фланговый углеспускной скат верхнего слоя; 5 - ближний углеспускной скат нижнего слоя; 6 - ближний углеспускной скат верхнего слоя; 7 -целик безопасности; 8 - секция щитовой агрегатированной крепи; 9 - углеспускная скважина; 10 — первая горизонтальная камера разворота; 11- вторая горизонтальная камера разворота

Г еотехнология

39

конвейерного штрека в створе с каждой секцией крепи (если угол падения пласта допускает самотечный транспорт отбитого угля), или скребками агрегатированных крепей (при угле залегания пласта, не допускающем самотечный транспорт); после чего секции по очереди переводят в транспортное положение и выводят на конвейерный штрек. Так как в слое у почвы пласта объем добычи больше за счет угля из межслоевой пачки, то подвигание очистного фронта по линии падения пласта в этом слое несколько отстает от фронта в слое у кровли пласта. В связи с этим, а также из условий безопасности, вывод секций на конвейерный штрек начинают с секций, установленных в слое у кровли пласта.

Пространство отработанной полосы изолируют перемычками, оставляя возможность использования всех камер разворота для тех же целей при выемке соседней выемочной полосы, в которой направления отработки слоев и их наклона принимают симметрично относительно отработанной выемочной полосы.

Достоинства и оригинальность технологии заключается в следующем:

- за счет организации выемки слоев с наклоном в разные стороны не только значительно упрощается и облегчается операция зарубки комбайна в следующий слой, но и появляется возможность формирования многократно используемой камеры разворота за пределами выемочной полосы, что значительно упрощает организацию

работ по выемке слоев;

- за счет использования исполнительных режущих органов агрегатированных крепей только для оформления очистного забоя и организации собственно выемки угля высокопроизводительным комбайном фронтального действия появилась возможность кратного увеличения производительности забоя;

- индивидуальное агрегатирование секций позволяет набирать комплект оборудования любой длины в зависимости от горно-геологических условий, например, нарушенности пласта, т.е. позволяет вынимать запасы между нарушениями;

- исключение буровзрывных работ в рабочем пространстве слоя у почвы пласта для разрушения межслоевой пачки угля повышает безопасность ведения очистных работ в целом.

В настоящее время при разработке мощных крутонаклонных угольных пластов нагрузка на очистной забой составляет не более 350 т/сут. с применением небезопасной буровзрывной технологии. Предлагаемый способ позволяет механизировать основные операции технологического цикла, что само по себе повышает безопасность ведения горных работ и многократно увеличивает нагрузку на очистной забой, обеспечивает более полное извлечение полезного ископаемого из недр, т.е. повышает эффективность и безопасность разработки мощных крутонаклонных угольных пластов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клишин В. И. и др. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений. - Новосибирск: Издат. дом «Новосибирский писатель», 2011. - 524 с.

2. Пат. № 2461713 Российской Федерации, МПК Е21С41/18. Способ разработки мощного крутонаклонного угольного пласта полосами по падению / Анферов Б.А., Кузнецова Л.В.; заявитель и патентообладатель ИУ СО РАН. № 2011106521; заявл. 21.02.2011; опубл. 20.09.2012, бюл. № 26. 9 с.: ил.

3. Анферов Б.А., Кузнецова Л.В. Щитовая механизированная разработка мощных крутых пластов с нетрадиционной раскройкой выемочной полосы // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013.-№ 1.-С. 20-26.

4. Анферов Б.А., Кузнецова Л.В. Щитовая система разработки - новые технологические решения выемки мощных угольных пластов // Известия вузов. Горный журнал. - 2013. - № 4. - С. 4-10.

5. Пат. № 2470157 Российской Федерации, МПК Е21С41/18. Способ слоевой разработки мощного крутонаклонного угольного пласта / Анферов Б.А., Кузнецова Л.В.; заявитель и патентообладатель ИУ СО РАН. № 2011124678; заявл. 16.06.2011; опубл. 20.12.2012, бюл. № 35. 11 с.: ил.

6. Пат. № 2415271 Российской Федерации, МПК7 Е21Д23/00. Секция агрегатированной крепи / Анферов Б.А., Кузнецова Л.В.; заявитель и патентообладатель ИУУ СО РАН. № 2009144438; заявл.30.11.2009; опубл. 27.03.2011, бюл. № 9. 8 с.: ил.

Авторы статьи

Анферов Борис Алексеевич канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории эффективных технологий разработки угольных месторождений Института угля СО РАН. Email: [email protected]

Кузнецова Людмила Васильевна канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории эффективных технологий разработки угольных месторождений Института угля СО РАН. Email: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.