CC BY
61
УДК 622.016.63-047.58
В.И. Сарычев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, Sarychevy@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.В. Мельник, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (499) 237-21-71 (Россия, Москва, МГГУ),
Н.И. Абрамкин, д-р техн. наук, проф., (499) 237-21-71 (Россия, Москва, МГГУ),
Е.И. Захаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), И.Н. Зубаков, аспирант, (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ И ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТ В КОРОТКИХ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ
Предложены технологические схемы очистных работ в коротких забоях; приведены зависимости изменения продолжительности очистной выемки и крепления от плотности установки крепи и площади сечения камеры; получена номограмма для определения продолжительности транспортирования угля самоходными вагонами; даны рекомендации для расчета суммарной продолжительности очистного цикла.
Ключевые слова: короткие забои, технологические схемы и процессы, организация работ.
Рассматривая системы разработки короткими очистными забоями как организационно-технологические и пространственно-геометрические системы с определенными и неопределенными характеристиками, можно выделить в их структуре типовые элементы, комбинация и синтез которых являются основанием для принятия эффективных решений при формировании технологических схем в различных геотехнологических ситуациях. Главным элементом, свойства которого адекватно отражают совокупность признаков короткозабойных технологий, в такой системе является протяженная горная выработка - условная одиночная очистная камера (заходка) с фиксированными граничными параметрами, определяемыми областями рационального применения горношахтного оборудования, геометрическими размерами выемочных участков при отработке околоствольных целиков и ситуационными геомеханическими критериями в конкретных горногеологических и геотехнологических условиях.
Исходя из реализации наиболее прогрессивных решений при формировании технологических схем ведения очистных работ в условной камере, предлагается в качестве исходного использовать следующее оборудование: проходческие комбайны избирательного действия (табл. 1), оснащенные ленточными перегружателями; короткие скребковые конвейеры (перегружатели); ленточный телескопический конвейер; самоходные вагоны (табл. 2) [1]; подвесная монорельсовая дорога типа ДМК. Крепление камер в зависимости от устойчивости вмещающих пород и размеров
выработки осуществляется либо анкерной крепью, либо прямоугольной (деревянной или смешанной) крепью с затяжкой кровли.
Таблица 1
Область применения проходческих комбайнов _
Показатели 1ГПКС 4ПП-2М КП-25 П-160 4ПП-5
Размеры выработки вчерне: площадь сечения, м2 4,7-15,0 9,0-25,0 7,0-25,0 9,0-33,0 14,0-
высота, м 1,6-3,6 2,6-4,5 2,0-4,7 2,6-4,3 36,0
ширина, м 2,6-4,7 3,6-6,5 3,6-5,5 3,8-7,6 2,6-5,0 4,2-6,5
Угол наклона выработки, гра- +20/-25 ±10 ±15 ±15 ±10
дус
Удельное давление на почву, 0,065 0,090 0,100 0,110 0,180
МПа
Скорость передвижения, м/мин 6,8 2,0 4,2 1,8 2,0
Отличительной особенностью формирования технологических схем очистной выемки в условной камере является разделка забоя с одной установки комбайна - без маневровых операций. Такой абстрагированный подход является универсальным, так как:
позволяет моделировать ведение горных работ в очистной камере с максимальными темпами выемки исходя из ширины камеры, ограниченной максимальными размерами, характерными для конкретного комбайна;
совокупность процессов и операций в расширяемой части камеры аналогична процессам и операциям в опережающей части камеры при ведении очистных работ в камерах с большими пролетами;
процессы и операции в камерах и заходках при камерно-столбовых системах разработки соответствуют камерным системам.
Таблица 2
Технические характеристики самоходных вагонов _
Параметры ВС5Э ВС10Э ВС15Э ВС15М ВС25Э
Грузоподъемность, т 5,5 10,0 15,0 15,0 25,0
Габариты, мм
длина 6700 7700 8500 8200 9800
ширина 1900 2300 2500 2500 2800
высота 1200 1450 1600 1750 2000
Вместимость кузова, м3 4,0 7,5 12,0 12,0 18,4
Максимальная скорость движения, 7,2 8,0 9,7 9,0 7,2
км/ч
Максимальный радиус поворота по внешнему габариту, м 6,5 7,6 8,7 8,5 9,0
Максимальный угол преодолеваемого подъема, град 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0
При расширении камер или ведении работ в заходках некоторые операции могут быть исключены из общего цикла (например, наращивание конвейера и вспомогательных коммуникаций, крепление заходок), что существенно снизит общую трудоемкость и увеличит темпы подвигания забоя в расширяемой части камеры или в заходках.
Для условной камеры были сформированы два базовых варианта технологии ведения горных работ: первый (рис. 1) - поточная технология с транспортированием горной массы телескопическими конвейерами и доставкой материалов и оборудования монорельсовой дорогой; второй (рис. 2) - цикличная технология с транспортированием горной массы и доставкой материалов и оборудования с помощью самоходных вагонов.
В структуру рабочего цикла по первой базовой схеме включаются следующие виды операций: собственно работа выемочного комбайна по разрушению массива и погрузке рабочей массы в определенных горногеологических условиях с учетом маневровых и вспомогательных операций; установка крепи с затяжкой кровли выработки; вспомогательные работы по оборудованию водоотводной сети, наращиванию вентиляционных и противопожарных коммуникаций; конвейерных ставов и монорельса; подготовительно-заключительные операции.
не более 8 м
Рис. 1. Поточная схема организации работ в очистной камере: 1 - проходческий комбайн; 2 - скребковый перегружатель;
3 -ленточный телескопический конвейер;
4 - монорельсовая дорога
К рабочим операциям категории «а» относятся подготовительно-заключительные операции, работа комбайна и операции по обслуживанию транспортных магистралей; к категории «б» - операции по возведению крепи с затяжкой кровли, а к категории «в» - вспомогательные работы.
не более 8 м
Рис. 2. Цикличная схема организации работ в очистной камере: 1 - проходческий комбайн; 2 - ленточный перегружатель;
3 - самоходный вагон
Цикличная технология организации работ имеет определенные преимущества, в частности по профильной конфигурации очистных камер и при использовании самоходных вагонов в качестве транспортных средств для выполнения операций по доставке к забою материалов и оборудования с помощью монорельсового транспорта. Таким образом, из структуры рабочего цикла исключаются операции по обслуживанию системы конвейеров. При этом изменяется распределение видов работ по организационным категориям: в категорию «а» вводятся операции по транспортированию горной массы самоходными вагонами, которые, однако, могут быть полностью или частично совмещены (из-за простоя комбайна во время перегона вагона) с операциями по установке крепи (затяжке кровли).
В зависимости от горно-геологических условий возможны 2 схемы крепления в камерах: в слабых вмещающих породах - установка трехэлементной прямоугольной крепи (рис. 3, а) - деревянной или смешанной - с затяжкой кровли; при устойчивой кровле - анкерное (рис. 3, б).
Предложенные технологические схемы являются универсальными, т.е. в рамках короткозабойных технологий легко адаптируются к любой очистной выработке с изменением организации работ в структуре рабочего цикла, которая ориентирована на исключение тех или иных операций в зависимости от принимаемой системы разработки (одиночными камерами, камерами с расширением, камерно-столбовая).
При таком подходе все операции очистного цикла (время операций, мин), ориентированные на 1 метр подвигания камеры (заходки) были разделены на следующие: работа комбайна - tк; продолжительность крепления - ^р (^р. анк - продолжительность крепления анкерами; ^р. рам - продолжительность крепления рамными крепями); tтрансп при поточной
технологии транспортирования горной массы не учитывается, т.к. входит в цикл очистных работ (конвейерная доставка), а при цикличной технологии - продолжительность транспортирования горной массы из очистного забоя камеры (заходки) входит в структуру объема работ, дополняя продолжительность общего цикла временем грузовой откатки и перегона (?охк) и
разгрузки (/разгр) полезного ископаемого (имеется в виду откатка самоходными вагонами), т.е. соответствуют номенклатуре операций категорий «а» и «б», принятых в нормативном документе [2].
а1
Е Йлулутлулч ЛУЛГЛ//лиД I
800
920
Рис. 3. Варианты крепления выработок: а - прямоугольная крепь; б - анкерная крепь
Естественно, что данные параметры находятся в зависимости от типа, маневренности и технических характеристик применяемого оборудования, геотехнологических условий ведения очистных работ (сечения выработки, длины камеры, крепости вмещающих пород и номенклатуры операций) и численного состава звена рабочих очистного забоя. Так, например, были получены зависимости изменения продолжительности ведения очистных работ для пяти типов комбайнов (см. табл. 1) от площади поперечного сечения камер 5К (рис. 4), которые являются характерными и для площади поперечного сечения заходок как при камерно-столбовой системе, так и при камерной системе с расширением забоя.
Данные зависимости построены исходя из привлечения 2-х человек для ведения механизированных работ (пком = 2 чел.). В противном случае необходимо корректировать данные графика (см. рис. 4) следующим ко-
VI
эффициентом ——, т.е.
2
tк = ¿к-• (1)
^ком
Такой подход необходим, например, при увеличении сечения выработки, особенно ее размеров по ширине.
Следующая совокупность операций формирует процесс крепления очистных выработок (камер, а при необходимости и заходок). Отличительной особенностью определения времени крепления камер является привлечение горнорабочих, занятых как на механизированных работах по ведению очистных работ, так и на вспомогательных операциях (базовое количество людей - 4 человека), т.е. полное звено. В результате были получены графические зависимости изменения продолжительности ведения работ по креплению (^ кр) от сечения выработки при различной плотности
как анкерного (рис. 5), так и рамного крепления (рис. 6). При изменении количества рабочих результаты графической интерпретации необходимо домножить на коэффициент 4/^кр , где ^кр - предполагаемое число горнорабочих (с учетом машиниста и его помощника) в очистном звене.
Рис. 4. Зависимости продолжительности очистных работ от сечения камеры при использовании комбайна: 1 - 1ГПКС; 2 - 4ПП-2М; 3 - КП-25; 4 - П-160; 5 - 4ПП-5
Последней, важнейшей составляющей цикла работ (имеется в виду не цикл, связанный с плотностью крепления, а цикл, отнесенный к 1 м подвигания очистного забоя камеры или заходки) , является продолжительность транспортирования горной массы (полезного ископаемого).
При проектировании поточной технологии ведения горных работ (т.е. при использовании конвейерного транспорта) продолжительность операций по разделке забоя и транспортированию горной массы адекватны. Но для цикличной технологической схемы, адаптированной на применение самоходных вагонов, структура цикла очистных работ изменяется: в нее вводится время, затрачиваемое на откатку горной массы (полезного ископаемого), и время на разгрузку вагонов и их маневрирование.
Исходя из этого, по результатам моделирования для пяти типов самоходных вагонов (см. табл. 2) были получены (привлекается 1 горнорабочий):
номограмма для определения продолжительности транспортирования горной массы с учетом холостого перегона вагона при различных средних скоростях движения и дальности откатки - г отк (рис. 7);
графики зависимости изменения продолжительности разгрузки от сечения камеры с учетом объемной вместимости кузова, а значит, и количества рейсов - /разгр (рис. 8).
^кр. анк>
мин/м 30
25
20
15
10 5
° 4 6 8 10 12 14 16 18 в,, м2
Рис. 5. Зависимости продолжительности анкерного крепления от сечения камеры при плотности установки анкеров: 1 - 2,0ряд/м; 2 - 1,5ряд/м; 3 - 1,0ряд/м (в каждом ряду - по 3 анкера на пролет выработки)
^кр. рам>
мин/м
30
25
20
15
10
5
4
2
1
10
12
14
16
18
ЭК1 м2
Рис. 6. Зависимости продолжительности рамного крепления от сечения камеры при плотности установки рам: 1 -1,0р/м; 2 -1,5р/м; 3 - 2,0р/м; 4 - 2,5р/м; 5 - 3,0р/м
В первой четверти номограммы показано изменение количества циклов откатки пц. отк на 1 м подвигания забоя в зависимости от площади
поперечного сечения камеры (заходки) для различных типов самоходных вагонов. Во второй четверти определяется итоговое время откатки ^ отк, затрачиваемое на транспортировку и перегон комбайна при подвигании очистного забоя на 1 м на все сечение камеры в зависимости от времени ¿ц.отк
цикла откатки, которое с точки зрения практического использования номограммы может быть найдено по формуле:
2 Ь
'отк
ц. отк
V
(2)
ср
где Ьотк - длина транспортирования полезного ископаемого до места разгрузки, м; ¥ср - средняя скорость движения самоходного вагона, м/мин.
На рис. 7 пунктирной линией показан пример использования номограммы: для площади поперечного сечения камеры £к = 14,5 м при использовании самоходного вагона ВС5Э с объемом кузова 4 м необходимо Пц.отк = 3,63 цикла откатки на 1 м длины выработки; при времени отк =
4мин (например, при длине откатки Ьотк = 100 м и средней скорости движения вагона Уср = 50 м/мин) итоговое значение времени откатки ¿отк =
18,53 мин/м.
Графики, определяющие время разгрузки самоходных вагонов, построены исходя из средней скорости продолжительности данной операции независимости от емкости кузова. По данным [1] такая средняя скорость разгрузки для всех типов вагонов, принимаемых в данной работе, составляет около 12 м3/мин. Исходя из этого для условий приведенного выше примера продолжительность разгрузки составит 1разгр = 5,60 мин/м.
Необходимо отметить, что на графиках учтено влияние доли затрат времени на механизированное выполнение вспомогательных и маневровых операций, а также на продолжительность регламентированных перерывов на отдых и личные надобности.
Таким образом, результаты расчета, интерпретированные в графической форме, позволяют определять продолжительность цикла на 1 м подвигания забоя при любой технологической схеме ведения горных работ в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий очистной выемки. При этом суммарная продолжительность операций на 1 м подвигания забоя для поточной технологии определяется по графикам рис.4 и 5 или 6:
1 подв. оч = 1 к +1 кр, (3)
а для цикличной технологии определяется по графикам рис. 4, 5 или рис. 6, 7 и 8:
5.,м2 18 16 14 12 10 8 6 4 0 5 10 15 20 25 Х^,, мин/м
Рис. 7. Номограмма для определения продолжительности транспортирования горной массы с учетом холостого перегона вагона при различных средних скоростях движения и дальности откатки
для самоходных вагонов типа: 1 - ВС5Э; 2 - ВС10Э; 3 - ВС15Э, ВС15М; 4 - ВС25Э
S_ м
Рис. 8. Зависимости продолжительности разгрузки горной массы от сечения камеры при использовании самоходного вагона типа: 1 - ВС5Э; 2 - ВС10Э; 3 - ВС15Э, ВС15М; 4 - ВС25Э
В уравнении (4): t0TK +/разгр = ¿хранен- В итоге построенные графики исходя из формул (3) и (4) являются базовыми зависимостями для графического метода определения организационно-технологических показателей очистной выемки как при камерной системе разработки с расширением камер, так и при камерно-столбовой системе.
Список литературы
1. Потапенко В.А., Сидорчук В.К., Цыплаков Б.В. Разработка пологих угольных пластов короткими очистными забоями. Тула: ЗАО «Гриф и К0», 2007. 352 с.
2. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах: в 2 ч. М.: Изд-во ИГД им. А.А. Скочинского, 1979.
V.I. Sarychev, V. V. Melnik, N.I. Abramkin, E.I. Zaharov, I.N. Znbakov
MODELING TECHNOLOGICAL SCHEMES AND ORGANIZATION OPERATION INSHORTWALL FACES
Technological schemes of operation in short faces were proposed and dependences for mining operation and timbering duration from timbering density and stope cross-sectional area were substantiated. A nomogram for calculating duration of transporting coal by self-propelling cars was proposed and recommendations on calculation of total duration for mining cycle were substantiated.
Key words: shortwall faces, technological schemes and processes, organization operation
Получено 24.11.11
