CC BY
69
М.В. Колмакова
ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ДОБЫЧИ УГЛЯ КОМБАЙНАМИ В ГАЗООПАСНЫХ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ
Раскрыты причины метановой опасности при добыче угля комбайнами в шахтах. Исследованы условия зависимости интенсивности добычи угля от технических возможностей комбайнов и ограничивающего их газового фактора. Дана количественная оценка повышения интенсивности добычи угля комбайнами в газоопасных забоях.
Проведенная с 1993 по 2003 г. реструктуризация угольной отрасли вызвала закрытие 59% шахт [в России 137 шахт из 232 (59%), в Кузбассе 43 шахт из 73 (59%)] и связанные с этим отрицательные последствия [1]. Однако это привело и к некоторым положительным изменениям, таким как реконструкция действующих предприятий, увеличение нагрузки на забой за счет внедрения новой высокопроизводительной отечественной и зарубежной техники. В результате повысилась концентрация горных работ и в отрасли появились новые организационные структуры «шахта-пласт» и «шахта-лава». В этих условиях резко возросла добыча угля из одного очистного забоя, достигнув 10 000 т в сутки и более, что в 20 раз превышает уровень добычи угля из лав с аналогичными условиями при применявшейся 50 лет назад буровзрывной технологии. Но резкий рост добычи привел к росту газообильности выработок, повышению газоопасности шахт, увеличению числа взрывов газа, гибели людей, несмотря на некоторое снижение их газообильности. В настоящее время в угольной отрасли России и Кузбасса 73% шахт являются опасными по метану и все опасными по взрывчатости пыли. Анализ взрывов на шахтах России за последние 15 лет показывает, что общее число взрывов газа и пыли сокращается, а число погибших людей во время одного взрыва возрастает в несколько раз; время на ликвидацию аварий от взрыва горноспасателями увеличивается в среднем в два раза; ухудшаются социальные последствия и растут экономические затраты; наибольшее число людей погибает при взрывах в очистных забоях, например, на шахте (далее - ш.) им. Ше-вякова (1992 г.) - 25 чел. (г. Междуреченск); на ш. Центральная (1993 г.) - 28 чел. (г. Копейск); на ш. Вор-кутинская (1998 г.) - 28 чел. (г. Воркута); на ш. Зырянов-ская (1997 г.) - 67 чел. (г. Новокузнецк); на ш. Ульяновская (2007 г.) - 110 чел. (г. Новокузнецк) и др.
Основной причиной взрывов метана в очистных забоях является несоответствие между объемом выделяемого метана при добыче угля и вентиляционными возможностями разжижения газа до допустимых норм. Согласно регламентированному руководству [2] для расчета максимальной нагрузки на очистную выработку в действующих шахтах необходимо знать суточную добычу угля, среднее метановыделение и максимальный расход воздуха, который можно подать в выработку по условиям вентиляции. Опыт работы шахт и проведенные нами исследования показывают, что средние величины суточной добычи угля и метановыделения не характеризуют степень газоопасности шахт при добыче угля высокопроизводительными комбайнами, т.к. газовая ситуация при этом изменяется от допустимой до предельной в течение нескольких минут. Поэтому возникает необходимость перехода от статического к динамическому принципу оценки газоопасности совре-
менных очистных забоев с учетом нестационарности добычи угля и выделения метана.
Анализ показывает, что в настоящее время в угольной отрасли используется около 50 отечественных и зарубежных типов механизированных крепей, при которых применяется около 30 видов добычных комбайнов. Несмотря на такое многообразие добычной техники, принципы расчета ее возможностей по добыче угля остаются одинаковыми.
В этой связи газоопасность забоев необходимо оценивать по интенсивности добычи угля, определяемой техническими возможностями добычной техники и с учетом газового фактора.
Теоретически возможная интенсивность добычи угля комбайном, в зависимости от мощности электродвигателей комбайна и удельных энергозатрат на разрушение, рассчитывается по формуле [3]:
Р
а =-¡тгт^, (1)
W ■ 60
где ат - технически возможная интенсивность добычи угля, т/мин; Р - мощность электродвигателей комбайна, кВт; W - удельная энергия разрушения угля, кВт-ч/т.
Исследования показывают, что энергия разрушения тонны угля при коэффициенте его сопротивления разрушению изменяется от 0,25 до 1,2 кВт-ч/т (рис. 1).
Поскольку разрушенный уголь в лаве требует погрузки на конвейер, то суммарная величина энергии разрушения и погрузки увеличивается до 0,4. Общая величина разрушения, транспортировки и доставки угля составляет по шахте 0,4 и более. Для шахт Кузбасса величина энергии разрушения и погрузки угля на конвейер в среднем равна 0,25-0,4. При сверхмощных зарубежных комбайнах типа «Джой 4LS.9», «Джой 4LS.8», «Long» энергия разрушения и погрузки угля превышает указанные пределы в несколько раз. Опираясь на имеющиеся исследования, принято, что интенсивность добычи угля от энергии разрушения выражается линейной зависимостью. По формуле (1) рассчитана технически возможная добыча угля некоторыми современными добычными комбайнами. Результаты расчетов зависимости интенсивности от удельной энергии разрушения добычи угля сведены в таблицу.
Из таблицы видно, что фактическая интенсивность добычи угля ниже теоретической в 5-10 раз и более, что свидетельствует об имеющихся больших технических резервах увеличения добычи угля в очистных забоях, сдерживаемых газовым фактором. При высокой газоносности угольных пластов комбайн не может работать непрерывно длительное время, т.к. происходит отключение электроэнергии ввиду превышения концентрации метана. Поэтому коэффициент машинного времени в газообильных очистных забоях весьма низок и составляет обычно Км = 0,15-0,25.
Рис. 1. Зависимость интенсивности добычи угля (а) от мощности (Р) современных очистных комбайнов:
1 - ГШ-68; 2 - КГС-460; 3 - ГШ-500; 4 - КСП; 5 - 4Ь8; 6-9 - при величине коэффициента энергии разрушения (Ж)
0,25; 0,3; 0,35; 0,4 соответственно
Результаты расчетов зависимости интенсивности от удельной энергии разрушения добычи угля
Мощность комбайна, кВт Типы выемочных комбайнов Интенсивность добычи угля, т/мин
техническая, при W = 0,25 кВт-ч/т расчетная, при К = 0,15 фактическая
300 1 ГШ-68 20,0 3,0 2,9
320 2ГШ-685 21,3 3,1 2,7
400 KGS-460 26,7 4,0 3,2
450 КШЭ 30,0 4,5 2,4
500 ГШ-500 33,3 4,9 2,1
560 КСП 37,3 5,5 5,2
630 K-700 42,0 6,3 5,2
900 4LS 60 9,0 10,0
С учетом формулы (1) интенсивность добычи по газовому фактору связывается с теоретически возможной интенсивностью следующей зависимостью [2]:
ар = ашКм , (2)
где а - расчетная интенсивность добычи угля по газу, т/мин; Км - коэффициент машинного времени.
По формуле (2) рассчитана интенсивность добычи угля в очистных забоях по газовому фактору при минимальном коэффициенте машинного времени Км = 0,15 и коэффициенте удельной энергии разрушения угля Ш = 0,25 (см. таблицу). Фактическая добыча угля отличается от рассчитанной по формуле (2) в среднем на 22%, о чем свидетельствуют показатели работы выемочных комбайнов на высокогазоопасных шахтах Ленинск-Кузнец-кого района Кузбасса с заданными условиями. Определено, что максимальная фактическая интенсивность добычи угля на шахтах данного района находится в пределах от 0,5 до 7,14 т/мин, т.е. отличается более чем в 12 раз при среднем значении 3,75 т/мин. Средняя теоретическая интенсивность добычи угля комбайнами в районе составляет 30 т/мин, отличие ее от среднего значения достигает восьми раз.
Установлено, соответственно, что величины коэффициентов машинного времени в очистных забоях, в зависимости от их газообильности, находятся в пределах 0,15-0,45.
Проведенные исследования показывают, что при существующей энергии разрушения увеличение мощности очистного комбайна с 300 до 900 кВт приведет к увеличению интенсивности добычи угля с 20 до 60 т/мин, т.е. в три раза. Во столько же раз можно увеличить нагрузку на очистной забой с применением дегазации угольных пластов и увеличением за счет этого коэффициента машинного времени. Таким образом, количественно оценены два основные пути повышения эффективности работы газоопасных очистных забоев, которые требуют увеличения удельной энергии разрушения угля и повышения коэффициента машинного времени за счет предотвращения простоев из-за газового фактора.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1) используемая на современном этапе оценка мета-ноопасности высокопроизводительных очистных забоев угольных шахт свидетельствует о наличии противоречий между возможностями добычной техники и ограничивающим ее газовым фактором;
2) вактическая интенсивность добычи угля в очистных забоях может быть повышена в три раза и более за счет увеличения энергии разрушения и во столько же раз за счет увеличения коэффициента машинного времени.
Проведенные исследования позволяют внести коррективы в методику определения допустимой нагрузки на очистной забой и создать более безопасные условия работ в шахтах.
ЛИТЕРАТУРА
1. ИвашнёвЛ.И. Основные итоги реформирования угольной отрасли России. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 54 с.
2. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Макеевка; Донбасс: МакНИИ, 1989. 319 с.
3. Александров Б.А., Антонов Ю.А., Показаньев С.А., Цехин А.М. Горные машины и оборудование: Метод. указания по выполнению курсового
проекта. Кемерово: ГУ КузГТУ, 2006. 35 с.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 25 августа 2007 г.
