CC BY
43
----------------------------------------- © В.И. Клишин, Ю.С. Фокин,
Д.И. Кокоулин,
Кубанычбек уулу Бакыт,
2005
УДК 622.232
В.И. Клишин, Ю.С. Фокин, Д.И. Кокоулин,
Кубанычбек уулу Бакыт
ОСОБЕННОСТИ ВЫПУСКА ПОДКРОВЕЛЬНОЙ (МЕЖСЛОЕВОЙ) ТОЛЩИ УГЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫМИ КРЕПЯМИ
Семинар № 11
0коло 50 % мировых промышленных запасов угля залегает на пластах мощностью свыше 4 м [1], значительная часть которых находится в Китае, России, Казахстане, Польше, Румынии, Кыргызстане и др. При отработке таких пластов взамен традиционного разделения их на наклонные слои, применяются технологии разработки с выпуском угля подкровельной или межслоевой толщи, использующие силы горного давления для сокращения затрат на добычу. Для их реализации предложены и созданы механизированные комплексы, обладающие дополнительными функциями по управлению процессом извлечения угля, находящегося над крепью или об-рушающегося позади нее. Преимущества этой технологии заключаются в значительном сокращении объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, энергоемкости системы, снижении опасности самовозгорания угля, а также возможности разработки указанных пластов в сложных условиях и извлечение запасов из оставленных ранее охранных целиков.
В мировой практике применяют два вари-
Рис. 1. Комплекс с выпуском угля в верхней части ограждения на забойный конвейер
анта технологии выемки средствами механизации с выпуском подкровельной (межслоевой) толщи угля [2]: на забойный скребковый конвейер отрабатываемого слоя; на забойный или дополнительный скребковый конвейер, расположенный в завальной части лавы. Особенности первой технологии заключаются в расположении выпускного отверстия вблизи от забоя, что позволяет иметь небольшой размер секции крепи по длине, но не обеспечивает необходимой подготовки угля выпускаемой толщи к самообрушению из-за малого расстояния от верхняка до люка (рис. 1). Поэтому даже при слабом угле возникает необходимость в его дополнительном разрыхлении. Кроме того, выпуск угля сопровождается значительным пылеобразованием, что повышает опасность и трудоемкость работ.
Во второй технологии, при выпуске угля на завальный конвейер создаются благоприятные условия, обеспечивающие деформирование и разрушение подкровельной толщи (рис. 2). Однако это приводит к значительному увеличе-
Рис. 2. Комплекс с выпуском угля у почвы пласта на завальный конвейер
нию размеров секции крепи, а введение дополнительного завального конвейера усложняет
N 1 и*8м
1^-
Рис. 3. Эффективная площадь выпускного отверстия при выгрузке угля с помощью завального скребкового конвейера
конструкцию крепи и перегрузочного устройства на сопряжении лавы с конвейерным штреком, что затрудняет его обслуживание.
Кроме перечисленных частных
недостатков, оба варианта обладают общими недостатками - при выпуске само-обрушающегося угля под действием собственного веса через выпускное окно, создается ограниченный размер потока в обрушенном угле, что не позволяет выпускать круйНдкууювышуеолдными преимуществами технологии с выпуском угля, известны и трудности ее реализации. В первую очередь это относится к требованиям полноты выпуска угля и механизации работ по её осуществлению, обеспечения надежности, безопасности и эффективности работы очистного забоя. Кроме того, при выпуске угля происходит перемешивание его с обрушенными породами кровли, что повышает зольность.
Для предотвращения потерь, самовозгорания угля и обеспечения безопасного ведения горных работ во ВНИМИ обоснованы различные технологии [3], из которых наиболее предпочтительными следует считать: вариант отработки пласта на всю мощность с одним подсечным слоем и выпуском угля из подкровель-ной толщи; вариант с предварительной отработкой монтажного слоя и выпуском угля из межслоевой толщи. Необходимым условием эффективного выпуска подкровельной (межслоевой) толщи является обеспечение равномерного разрушения угля по всей мощности. Поэтому основной задачей следует считать поиск схемы разделения пласта на слои и выбор параметров слоев, при которых обеспечивалась бы саморазрушение угля в толще, необходимое его дробление и выпуск.
Извлечение угля без потерь и разубожива-ния возможно при обеспечении выпуска угля по всей длине лавы одновременно из всех секций [4]. Тогда контактная граница уголь - порода опускалась бы одновременно, т.е. обеспечивался бы площадно-управляемый выпуск.
Учитывая опыт применения исследований в области выпуска сыпучих материалов [5, 6]
необходимо отметить, что эффективная площадь выпускного отверстия - есть часть его общей площади, через которую фактически вытекает сыпучий материал, когда работает выгружающее устройство или когда открыт выпускной затвор. Во многих случаях эффективная площадь занимает только часть всего выпускаемого отверстия, иногда довольно малую.
Подобная ситуация возникает и в случае, когда по существующей технологии отработки мощных пластов по длине лавы в механизированном комплексе с выпуском подкровельной (межслоевой) толщи угля на завальный конвейер и увеличение количества открытых затворов не обеспечивает повышения производительности выпуска, а значит полностью отсутствует возможность площадного управляемого выпуска угля (рис. 3).
Для подтверждения выявленных особенностей и определения технических возможностей отечественных и зарубежных механизированных крепей с выпуском подкровельной толщи угля на завальный конвейер, с учетом опыта их применения на шахтах, нами были проведены лабораторные исследования на стенде для изучения взаимодействия сыпучего материала, непосредственно в зоне контакта с узлами механизированной крепи.
Стенд (рис. 4) представляла собой металлический каркас и
Рис. 4. Стенд
имитировала в масштабе 1:25 выемочный участок горизонтального пласта мощностью 6,5 м. Для визуального наблюдения формирования фигуры выпуска пе-
2G7
Н — высота окна (шиберного затвора), мм N - ширина зоны потока на уровне выпускного окна, мм SQ - Извлечено угля (без ра-зубоживания), гр h ^ d max — max _ 5
1200 (48) 750 (30) 14450(578) 250 (3^10)
900 (36) 575(23) 14125 (565) 180 (3^7)
600 (24) 500 (20) 13325 (533) 120 (3^5)
* Размеры в скобках - соответствуют размерам в модели
Таблица 2
редняя стенка, сделана из органического стекла толщиной 6 мм, задняя стенка - из фанеры.
Материалом служил уголь фракции 3^20 мм и щебенка (гранит) с фракцией 10^25 мм.
Основным методом изучения закономерностей выпуска является метод, основанный на наблюдении и фиксации положения отдельных частиц и прослоек сыпучего материала на контакте с прозрачной стенкой модели.
Методика исследований состояла в следующем. Стенд по всему ее горизонтальному сечению, на высоту 24 см, (что в масштабе составляет 6 м) загружалась углём. Для удобства наблюдений за процессом движения и фиксации выпуска горизонтальные слои угля через 3 см на определенных уровнях насыпались окрашенными прослойками магнетита, толщиной 1 см. В качестве горной массы, имитирующей давление покрывающих пород засыпали щебенку, высотой 24 см (в масштабе 6 м). После выпуска каждой окрашенной полосы, выпущенный уголь взвешивался на торговых весах с точностью ±1 г. Измерялись ширина зоны потока угля и фигура его образования на всех прослойках и каждое положение фотографировалось.
Лабораторные исследования позволили определить технические возможности принципа управления процессом выпуска подкровельной толщи угля, предусмотренном в крепи поддерживающего типа, например, ZFS производства КНР. В крепях данного типа выпуск угля чаще всего производится за счет управляемого ог-
раждения путем его поднятия-опускания. Выпускное окно в этом случае регулируется путем изменения расстояния между нижним торцом ограждения и линией естественного
Рис. 5. Влияние высоты выпускного окна (шиберного затвора) на изменение ширины зоны потока
№ опыта Н — высота окна, мм Состав угольной фракции, мм
1. 1200(48) 70^750 (3^30)
2. 900 (36) 70^500 (3^20)
3. 600 (24) 50^500 (3^20)
* Размеры в скобках - соответствуют размерам в модели
откоса выпускаемого угля. Выдвижное ограждение в виде шиберного затвора позволяет уменьшать или увеличивать площадь выпускного окна.
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-н7 [7], в то время как для угольных шахт это соотношение равно 4^5 [8]. Зависимость производительности выпуска угля от ширины зоны потока угля и высоты шиберного затвора приведены в табл. 1.
На рис. 5 показано гистограмма, где наи-
лучший показатель ширины зоны потока на уровне выпускного окна (шиберного затвора) получен при выпуске угля при максимально открытом затворе 1200 (48) мм. С уменьшени-
N, мм 800
700
600
500
400
300
200
100
0
750
575
500
□ 600 □ 900 □ 1200
Н, мм
Рис. 6. Исследование процесса выпуска угля из подкро-вельной толщи на завальный конвейер механизированной крепи типа ZFS
ем максимального значения высоты окна до 600 (24) мм, сужается ширина зоны потока.
Кроме того, при выпуске самообрушающе-гося угля на завальный конвейер, расположенной на почве пласта образуется зона потока породы в виде конуса (рис. 6), угол наклона, которого со стороны забоя составляет 680+760, с завальной стороны 75°+80°.
Дальнейшие опыты для этих же параметров проведены с крупнокусовым углём. В табл. 2 приведен состав угольной фракции при разной высоте выпускных окон.
После засыпки стенда углем, мощность пласта составит 6 м, в том числе высота под-кровельной толщи - 3 м. В качестве породы использовался гранит крупностью < 500 (20) мм. На рис. 6, показан процесс выпуска подкро-вельной толщи угля на завальный конвейер механизированной крепи, при высоте шиберного затвора 1200 (48) мм и с крупностью угля 70+750 (3+30) мм.
Процесс выпуска начинался одновременно с движением скребкового конвейера заполненного углем. Сразу же на уровне шиберного затвора образовалось зависание угля (см. рис. 6, б, в). На практике, в таких случаях двигают шиберным затвором с помощью гидродомкратов, при испытании на модели обрушение зависшего угля имитировалось с помощью прута. При обрушении было видно, что на высоте
3500 (140) мм образовалось пустое пространство (рис. 5, г, д, е, ж). При этом дальнейший выпуск угля под собственным весом и накрывающих горных пород не наблюдается, в связи с образованием куполов угольного массива, которые искусственно обрушали с помощью специальных устройств (см. рис. 6, е). Такая картина повторялась до прихода породы на скребковом конвейере.
Аналогичным образом проведены опыты с высотой шиберного затвора 900 (36) и 600 (24) мм. Кроме того, в опытах наблюдалось проникновение кусков породы в пустые пространства угольного массива, образовывающие собой фигуру выпуска в виде клина. Угол клина со стороны забоя составляет 740 со стороны завала 640. Ширина зоны потока на разных высотах шиберного затвора колебалась в пределах 600+875 (24+35) мм, а на верхнем уровне под-кровельной толщи 3875+4250 (155+170) мм.
Опыты с крупнокусковыми углями подтвердили низкую эффективность работы механизированных крепей с выпуском на завальный конвейер. При засыпке стенда углем, при максимально открытом шиберном затворе (Н = 1200 мм) уголь под естественным откосом вываливается за рештаком с забойной стороны. Из-за постоянного зависания крупнокускового угля и необходимости ликвидации зависаний с помощью специальных устройств, существующая технология выпуска крупнокускового угля на завальный конвейер, полноценный его выпуск не гаран-
тирует. Частое куполооброзование угля над щитом, специальные технические приемы и средства его ликвидации осуществляются непосредственно в присутствии обслуживающего персонала, создавая небезопасную среду.
Установлено также, что выпуск подкро-вельной (межслоевой) толщи угля на завальный конвейер механизированной крепи приводит к образованию фигуры выпуска в виде клина, с величиной зоны потока на уровне шиберного затвора, равной 500+800 мм или шагу передвижки секции крепи, а увеличение коли-
1. Фетвайс Г.Б. Модель для выбора оптималь-
ных параметров проекта разработки весьма мощных угольных пластов подземным способом. // Глюкауф, 1994, № 9/10. С. 16-23.
2. Гапанович Л.Н., Савченко П.Ф., Бернацкий
В.А. Развитие механизированных крепей и технологии с выпуском угля. // Уголь. - 1986. - № 11. - С. 33-37.
3. Громов Ю.В., Бычков Ю.Н., Кругликов В.П.
Управление горным давлением при разработке мощных пологих пластов угля. - М.: Недра, 1985. - 239 с.
4. Саламатин А.Г. Подземная разработка мощных пологих угольных пластов. // - М.: Недра, 1997 - С. 407.
чества открытых затворов из нескольких секций не обеспечивает одновременный площад-ный выпуск угля по длине лавы, вследствие этого, происходит частые зависания угля и значительные её потери.
Установкой регулируемых по производительности питателей на каждой секции крепи достигается управление процессом одновременного, площадного выпуска угля по длине лавы, тогда при выпуске контактная граница уголь - порода будет опускаться вертикально и параллельно почве пласта, что обуславливает минимальные потери угля.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Дженике Э.В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. - М.: Мир, 1968. 163 с.
6. Крамаджян АЛ., Стажевский С.Б., Хан Г.Н. О взаимодействии питателей возвратно-поступательного действия с транспортируемыми материалами. // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1997. - № 3. - С. 60-68.
7. Дубынин Н. Г. Выпуск руды при подземной разработке. - М.: Недра, 1965 - С. 267.
8. Шундулиди И.А. Интегрированные технологические системы двухстадийной отработки запасов мощных угольных пластов. - М.: 2004. - С. 360.
— Коротко об авторах
Клишин Владимир Иванович - зав. лаб., доктор технических наук, Фокин Юрий Сирафимович - кандидат технических наук, Кокоулин Даньяр Иванович - кандидат технических наук, Кубанычбек уулу Бакыт - аспирант,
ИГД СО РАН, Новосибирск.
