CC BY
56
© В.И. Клишин, 2013
УЛК 622.273+539.3 В.И. Клишин
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ ПОЛОГИХ И КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ С ВЫПУСКОМ УГЛЯ
Предложена технология выпуска угля при подземной разработке мошных угольных пластов. Разработаны способ управления процессом перемеше-ния предварительно разрушенной горной породы за счет принудительно-управляемого выпуска на забойный конвейер, а также конструкция механизированной крепи.
Ключевые слова: Технология, подземная добыча, мошный пологий и крутой пласт. механизированная крепь, выпуск угля.
Введение
В настоящее время всё большее распространение получают технологии разработки мощных угольных пластов с применением механизированных крепей, обеспечивающих выпуск угля из подкровельной или межслоевой толщи. В них заложен физический эффект разрушения угольной толщи, основанный на использовании сил горного давления. Этот факт позволил придать механическим комплексам дополнительные функции, связанные с управлением процесса извлечения угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади неё. В мировой практике известна технология выпуска на завальный и забойный конвейеры, которая применялась в основном в России, Китае, Казахстане, Франции, Чехии. Впервые этот способ был осуществлён на шахтах с применением комплексов типа КТУ и выпуском угля на забойный конвейер отрабатываемого слоя [1-5].
Очевидно, что такие технологии, в которых основным элементом является данная крепь, должны в недалёком будущем заменить традиционные трудоёмкие системы разработки — наклонные слои. Их преимущества заключаются в значительном сокращении объёмов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, энергоёмкости системы, снижении опасности самовозгорания угля, а также возможности разработки пластов в сложных условиях и извлечение запасов из ос-
тавленных ранее охранных целиков. Это позволяет повысить эффективность и безопасность отработки пластов, повысить нагрузку на пласт и концентрацию горных работ.
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 разрушенными породами кровли и повышается зольность угольной массы как конечного продукта. Всё это потребовало изучения процесса выпуска угля через выпускные окна в секции механизированной крепи и разработку принципиально новой конструкции всего добычного комплекса.
Технологии разработки мощных пологих угольных пластов с выпуском угля
В мировой практике применяется два варианта технологии отработки угольных пластов с использованием средств механизации с выпуском подкровельной (межслоевой) толщи: на забойный скребковый конвейер отрабатываемого слоя, применённый в комплексах КТУ, КНКМ (Россия), УИР-731 (Венгрия) и др. (рис. 1, а); и на дополнительный завальный скребковый конвейер, расположенный в завальной части лавы (например, комплексы ОКПВ-70, КМ81В (Россия), гРБ (Китай) и др., рис. 1, б).
Особенностями первой технологии является расположение выпускного отверстия вблизи от забоя, что позволяет иметь небольшой размер секции крепи по длине, но не обеспечивает необходимой подготовки угля к самообрушению из-за малого расстояния от верхняка до люка. Поэтому даже при слабом угле возникает необходимость в его дополнительном разрыхлении. В дополнение к данному недостатку, выпуск угля сопровождается значительным пылеобразованием и повышает опасность работ.
При применении второй технологии (при выпуске угля на завальный конвейер) создаются благоприятные условия деформирования и разрушения подкровельной толщи. Однако это приводит к значительному увеличению размеров секции крепи, а введение дополнительного завального конвейера усложняет
6
Рис. 1. Технология выпуска угля в верхней части ограждения на забойный конвейер (а); технология выпуска угля у почвы пласта на завальный конвейер (6)
конструкцию крепи и перегрузочного устройства на сопряжении лавы с конвейерным штреком, что затрудняет его обслуживание.
Кроме перечисленных частных недостатков, оба варианта обладают общими — а именно, при выпуске угля под действием собственного веса через выпускное окно создаётся ограниченный размер потока и, как следствие, увеличиваются потери и зольность, особенно при образовании крупнокусковой угольной массы. При таком выпуске невозможно избежать больших потерь и зольности угля без принципиального изменения технологических приемов. Однако если выпуск осуществлять по всей длине лавы одновременно из всех секций, то контактная граница уголь - порода будет опускаться одновременно и это позволит обеспечить площадно-управляемый выпуск.
Применение технологии площадного выпуска обеспечивает возможность отработки мощных пластов угля в сложных условиях,
в том числе, при тектонических нарушениях, при переменной мощности и углах падения пласта, возможности извлечения запасов угля, оставленных раннее в целиках, значительное сокращение объема подготовительных работ, исключение затрат на приобретение дополнительного дорогостоящего оборудования и т.п. В одном только Кузбассе запасы угля для выемки по одной технологии составляют более 142 млн т.
На основе выполненных исследований [6-8] предложены способы управления процессом перемещения угля за счет его принудительно-управляемого выпуска регулируемым по производительности плунжерным питателем на забойный конвейер и конструкция механизированной крепи (рис. 2). Регулируемый дозированный выпуск позволяет создать общий поток угля над механизированным комплексом, что обеспечивает полноту выемки угля и снижение его разубоживания. Кроме того, это позволяет управлять загрузкой лавного конвейера и не использовать дополнительного конвейера, усложняющего технологию и весь комплекс работ, особенно на сопряжении лавы с подготовительными выработками.
Питатель с бортами расположен между гидростойками в проёме перекрытия (выпускного окна), а его рабочая поверх.-ность с клиновыми рифлениями обеспечивает минимальное сопротивление перемещению его в сторону завала, а также максимальное трение и сцепление рабочей поверхности питателя при перемещении в сторону выпуска угля. Питатель снабжён гидродомкратом, шток которого закреплён на его жесткой плите, а корпус — на бортах. Для обеспечения перегрузки угля с питателя на забойный скребковый конвейер предложена разгрузочная площадка. Соединение перекрытия с основанием выполнено в виде траверс, образующих четырёх-звенник Чебышева. Заслон, закрывающий выпускное окно, выполнен в виде телескопически соединённых плит, оснащён гидродомкратом управления и шарнирно закреплён на перекрытии. В секцию могут дополнительно входить устройства удержания груди забоя, направленного передвижения базовой балки и обеспечение устойчивости секции, удержания забойного конвейера, активного подпора в процессе передвижения, перекрытия боковых зазоров и др.
Технология разработки мощных угольных пластов и конструкция механизированной крепи с устройством регулируемого
Рис. 2. Общий вид механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейер
выпуска угля на забойный конвейер содержит достоинства известных вариантов и исключает их недостатки. Поэтому она открывает новый взгляд на направления развития наукоемких технологий сплошной разработки мощных угольных пластов с применением предлагаемого механизированного комплекса.
Технология подэтажной разработки мощных крутых пластов с выпуском угля
Применение высокопроизводительных комплексов для разработки мощных крутопадающих пластов угля Прокопь-
евско-Киселевского бассейна, исторически сдерживалось их нарушенностью и сложностью залегания. Одним из направлений решения этой проблемы является создание комплекса «крепь-штрек», перемещаемого по мере подсечки подэтаж-ной толщи, по подэтажному штреку по простиранию пласта. Варианты таких комплексов были разработаны и изготовлены на Киселевском машиностроительном заводе им Черных (КПП), Сибгормаш (КПО), КузНИУИ (АПВ) и прошли успешные испытания на угольных шахтах [9-11]. В последние годы подобная технология реализована авторской группой польской фирмы «СБОТБСИ» на шахте «Казимиуш Юлиуш» (Республика Польша) и получила название «подбирковой» технологии. Эксплуатационными выработками в данной системе являются штреки, пройденные по почве пласта в нижней части каждой эксплуатационной панели. В конце штрека установлено забойное оборудование, специально созданное в Словакии, включающее две секции крепи, обеспечивающие крепление штрека и защиту подбиркового скребкового конвейера для транспортировки угля, установленного между основаниями секций крепи. Система разработки успешно применяется в условиях шахты «Казимеш-Юлеуш» на пласте мощностью 20 м с углом падения 45° [12]. Таким образом, опыт эксплуатации подбирковой системы «Казимеш-Юлеуш» еще раз подтвердил эффективность подэтажной выемки угля при разработке мощных крутопадающих пластов. Однако применение её в условиях Про-копьевско-Киселевского месторождения сдерживается разработкой невзрывных методов разупрочнения надштреко-вого угольного целика.
В ИУ и ИГД СО РАН обоснованы безвзрывные технологии воздействия на межслоевую (подкровельную) толщу для обеспечения физической возможности выпуска угольного массива: метод вибросейсмовоздействия на угольный пласт; метод направленного гидроразрыва угольного массива (рис. 3). Предложено производить разупрочнение угольного массива либо с помощью вибросейсмической установки, расположенной в промежуточном штреке, либо с помощью направленного гидроразрыва через пробуренные с промежуточного или подэ-тажного штреков скважин.
Рис. 3. Технологическая схема подэтажной выемки угля (а); предварительное разупрочнение массива методом вибросейсмовоздействия (6) и методом направленного гидроразрыва (в)
По этой технологии крутой пласт рассекается по простиранию на всю длину отрабатываемого блока подэтажными штреками 1, соединенными между собой и конвейерным штреком 2, печами 3. Между подэтажными штреками также по простиранию проходят промежуточные компенсационные штреки 4, из которых производиться операции по разупрочнению угольного целика, расположенного между подэтажными штреками. Штрек 4 может быть соединен с подэтажным штреком 1 вентиляционными сбойками 5, что позволит обеспечить вентиляцию тупикового забоя. Наиболее сложной операцией при применении этой технологии, является безопасный и эффективный выпуск угля из разрушенного целика на подэтажный штрек.
Для реализации данной технологии разработан и предложен принципиально новый комплекс оборудования, обеспечивающий механизированный управляемый выпуск угля из разрушенного межэтажного целика на подэтажный штрек. Комплекс включает в себя две гидрофицированные секции крепи 6, перегружатель 7 и штрековый конвейер 8. Перегружатель 7 устанавливается между секциями крепи, имеющими боковые щитки, с помощью которых производиться дозированный выпуск угля. Все операции по управлению комплексом оборудования гидрофицированы и питается от высоконапорной станции, установленной в нише подэтажного штрека.
Механизированные секции комплекса имеют специальные окна в поддерживающей части и обеспечивают управляемый принудительный выпуск угля регулируемыми по производительности питателями на перегружатель. За основу взята ранее предложенная конструкция механизированной крепи с управляемым выпуском регулируемыми питателями. Комплекс КПВ1 (рис. 4) включает в себя две секции 1 оградительно-поддерживающего типа, ограждения которых снабжены выпускными окнами с затвором 2 и откидными щитами 3, а основание питателями 4. Между основаниями секций на почве штрека установлен став перегружателя ПСП-26. Секции 1 связаны со ставом перегружателя гидроцилиндром подачи 5. Комплекс снабжен также двумя гидроцилиндрами с якорной стойками и круглозвенными цепями с помощью которых могут быть передвинуты вдоль подэтажного штрека как забойные секции 1, так и став перегружателя ПСП-26.
Передвижка комплекса в подэтажном штреке осуществляется путем взаимного перемещения друг относительно друга секций 1 и става перегружателя ПСП-26 при помощи гидроцилиндров подачи 5. Величина шага определяется состоянием кровли подэтажного штрека и границей порода-уголь относительно хвостовой части секций. После передвижки комплекса и распора секций 1 производится выпуск предварительно разупрочненного целика угля путем последовательного открывания затворов и щитков с погрузкой угля на став перегружателя с последующей перегрузкой на штрековый конвейер. После выпуска угля из потолочины и прихода в выпускные окна породы, щитки и затворы закрываются.
3 1
Рис. 4. Крепь подэтажного обрушения КПВ1
управляемые
гидроцилиндрами продольные
козырьки
-
верхняки
поперечные балки
продольные связи
опора
гидростойки
гидроцилиндр передвижения
?Г и
перегружатель ПСП-26
гидростоика
Рис. 5. Комплекс КПВ-2 на базе гидрофицированной шагающей крепи
Одним из существенных достоинств такого комплекса является возможность выпуска угля из потолочины с возможностью регулирования ширины потока на основе последовательного или одновременного открывания выпускных окон в ограждениях секций. Применение такой технологии позволяет регулировать перемещение потока выпускаемого угля по ширине подэтажной толщи, обеспечивая тем самым полноту выпуска отрабатываемого пласта, что подтверждено лабораторными испытаниями.
Для пластов с углом залегания до 45° в технологии ПШО предложен усовершенствованный комплекс КПВ-2 (рис. 5). Механизация работ может быть осуществлена путем использования гид-рофицированной шагающей крепи, которая предназначена для поддержания кровли на сопряжении подэтажного штрека с зоной выпуска угля. Она состоит из двух рам взаимосвязанных друг с другом гидроцилиндрами передвижения. Каждая рама оборудована продольными верхняками и поперечными балками, жестко закрепленными друг к другу, и опирается через гидростойки и опоры на почву выработки. Цилиндры гидростоек каждой рамы жестко связаны между собой продольными связями и шарнирно через диагональные связи - с поперечными балками. Такая взаимосвязь элементов рамы обеспечивает устойчивость крепи при передвижке.
В рабочем положении передвижная гидрофицированная крепь имеет постоянный контакт с кровлей. При передвижении крепи снимают распор со стоек одной из рам, при этом верхняки передвигаемой рамы отрываются от кровли и ложатся на поперечные балки распертой рамы.
При дальнейшем сокращении высоты гидростойки ее опоры отрывают от почвы на необходимую величину, а гидроцилиндрами передвижки снятую с распора раму, скользя верхняками по поперечной балке распертой рамы, перемещают на шаг передвижки. По окончании передвижки подают давление в поршневые полости гидростоек и передвинутую раму распирают. В такой последовательности происходит перемещение и второй рамы.
Предлагаемые технологии разработки мощных пологих и кру-топающих пластов требуют изучения процессы выпуска и более точного его описания для обоснования параметров технических решений. На основе выполненных лабораторных исследований процесса управляемого выпуска угля были выполнены численное исследование динамических режимов гравитационного движения и оценка напряженно-деформированного состояния предварительно разрушенного угольного массива при применении технологии с выпуском [13].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. — М.: Недра, 1997.
2. ШундулидиИ.А., Марков А.С., Калинин С.И., ЕгоровП.В. Выбор параметров технологии отработки мощных угольных пластов с выпуском межслоевых и подкровельных пачек угля. — Кемерово: Кемеровское книжное издательство, 1999.
3. ГапановичЛ.Н., Савченко П.Ф., БернацкийВ.А. Развитие механизированных крепей и технологии с выпуском угля // Уголь. — 1986. — № 11.
4. Сагинов А.С., Жетесов С.С. Совершенствование технологии выемки мощных пологих угольных пластов. — Алма-Ата: Казахстан, 1981.
5. Сагинов А.С., Жетесов С.С. Двухзабойная выемка угля на мощных пологих пластах. — Алма-Ата: Наука, 1982.
6. Клишин В.И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения. - Новосибирск: Наука, 2002. - 200 с.
7. Клишин В.И., Власов В.Н., Кубанычбек уулу Бакыт. Механизированная крепь с принудительным выпуском угля из подкровельной толщи. — М.: ГИАБ. — № 11, 2003.
8. КлишинВ.И., ФокинЮ.С., КокоулинД.И. Разработка мощных мета-нонасыщенных угольных пластов при совместной добыче угля и газа // Научно-техническое обеспечение горного производства. Материалы Международной научно-практической конференции. Горные науки Республики Казахстан - итоги и перспективы. - Алматы. - 2004. - Т. 68, ч. 1. - С. 323 - 326.
9. Томашевский Л.П., Левочко В.П., Боровиков П.А., Блинов Ю.С., Кузин Г.С., Калугин О.Ф. Разработка и научное обоснование технологии подэтаж-ной выемки угля и параметров выпускного механизированного комплекса «крепь-штрек». Сб. научн. тр. №25. Совершенствование технологии разработки крутых пластов Кузбасса. Прокопьевск, КузНИУИ, 1974 г. - С. 55-67.
10. Томашевский Л.П. Технология разработки мощных крутых нарушенных пластов Кузбасса и направления ее совершенствования. Обзор, ЦНИЭИуголь. М.,1978, 45 с.
11. Дмитриев С.Н., Запреев С.И., Сенько Л. С., Крылов В.Ф., Томашевский Л.П. Основы технологии разработки угля с применением гибких перекрытий. М., Недра, 1967, с. 114 - 119.
12. Stanislaw Gajos. Experience and practical aspects of utilizing a shrinkage metod of extraction at "Kazimierz-Juliusz" coal mine in Sosnowiec. International mining forum. New technologies in underground mining. Safety in mines. Cracow-Szczyrk-Wieliczka, Poland 2004. 157-168.
13. Клишин В.И., Клишин С.В. Исследование процессов выпуска угля при отработке мощных пологих и крутых угольных пластов. - ФТПРПИ, № 2, 2010. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Клишин Владимир Иванович - директор ИУ СО РАН, чл.-корр. РАН, klishinvi@icc.kemsc.ru, Федеральное государственное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук.
