CC BY
35
© Б.А. Анферов, В.М. Станкус, Л.В. Кузнецова, 2007
УДК 622.272
Б.А. Анферов, В.М. Станкус, Л.В. Кузнецова
ПРОБЛЕМЫ ДОБЫЧИ КОКСУЮЩИХСЯ УГЛЕЙ ИЗ КРУТОНАтОННЫХПЛАСТОВ и способы ИХ РЕШЕНИЯ
~П Кузнецком угольном бассейне в 2006 г. добыто 56 млн.т
-Я-М коксующегося угля, что составило 80 % от общероссийской добычи. Балансовые запасы коксующихся углей в Кузбассе до глубины 600 м составляют 68,4 млрд т (на 01.01.2004 г.). Балансовые запасы горных отводов действующих предприятий оцениваются в 10,7 млрд т. В том числе особо ценных марок (ГЖ, Ж, КЖ, К и ОС) - 2,5 млрд т, которые предназначены только для подземной добычи [1].
Однако промышленные запасы коксующихся углей (на 01.01.2005 г.) [2] составляют 3,7 млрд т, в том числе особо ценных марок - 1,6 млрд т. Таким образом, 66 % балансовых запасов действующих предприятий признаются сегодня неперспективными для разработки при существующих технологиях добычи угля. К неблагоприятным запасам относят, в том числе, и крутонаклонные угольные пласты технологичные по мощности. Так, например в Ерунаковском геолого-экономическом районе (ГЭР) ведется выборочная отработка локальных участков пологих угольных пластов марки Ж и ГЖ, пригодных для комплексной механизации. Разведанные запасы, дислоцированные в других горно-геологических условиях, в том числе в крутонаклонных пластах, на полях шахт «Ильинская», «Ускатская», «Ульяновская», «Казанковская» и «Жерновская» признаны не технологичными.
В случае появления эффективной технологии добычи из крутонаклонных пластов будет возможен рост технологичных запасов коксующихся углей, как за счет действующих производственных мощностей, так и за счет строительства новых шахт на перспективных площадях, например в Анжерском ГЭР (восточное крыло Анжерской синклинали на севере района), Байдаевском (западное крыло Байдаевской брахисинклинали и западное крыло Антонов-
ской синклинали), Бачатском (южная часть Главной синклинали), Беловском (юго-западное и северо-восточное крыло Чертинской брахисинклинали), Кемеровском (западное крыло Кемеровской синклинали), Ленинском (Тамбовское и Каменское месторождения), Осиновском, Ускатском и Терсинском геологоэкономических районах.
Диапазон крутонаклонных пластов включает пласты, залегающие под углом от 35 до 55 градусов к горизонту. Эти пласты не удается эффективно разрабатывать традиционными средствами комплексной механизации, хорошо зарекомендовавшими себя при разработке пологих пластов, в частности по системе разработки «Длинные столбы по простиранию». Одной из причин этому является нерегламентированное сползание секций механизированной крепи по линии падения пласта во время передвижки. При разработке этих пластов по щитовой системе, хорошо зарекомендовавшей себя при разработке крутых угольных пластов, возрастает сложность управления щитом по линии падения, вследствие чего резко повышается аварийность очистного забоя. Более того, в границах этого диапазона находится предельный угол осуществления самотечного транспорта отбитого угля по почве выработки; при углах менее 45 градусов приходится принимать специальные меры для организации транспорта отбитого угля по линии падения.
Разработка крутонаклонных угольных пластов пока ведется только на шахтах Прокопьевско-Киселевского ГЭР Кузбасса с применением буровзрывных работ, что, с одной стороны, само по себе повышает опасность ведения горных работ, а с другой - является мало эффективным - среднесуточная нагрузка на очистной забой составляет не более 300 т.
В связи с чем назрела необходимость решения актуальной задачи - механизации основных операций при выемке угля из крутонаклонных пластов с обеспечением нагрузки на очистной забой не менее 1000 т/сут. с наиболее полным использованием положительных свойств крутонаклонного залегания и минимизацией отрицательных.
Успешное развитие средств комплексной механизации для разработки пологих угольных пластов по системе «Длинные столбы по простиранию» и достигнутые при этом производственные результаты вызвали желание использовать этот опыт при разработке крутых и крутонаклонных угольных пластов. Однако механиче-
ский перенос средств комплексной механизации с пластов пологого залегания на крутонаклонные пласты оказался до настоящего времени несостоятельным. При прочих равных условиях при разработке крутонаклонных пластов повысились металлоемкость и энергоемкость очистной добычи, резко снизилась нагрузка на очистной забой, а, следовательно, и эффективность разработки.
Для снижения влияния угла падения на работу оборудования разработано много различных средств компенсации сползания оборудования или удержания его на месте. Низкая эффективность этих мероприятий доказана практикой работы шахт, разрабатывающих крутые и крутонаклонные угольные пласты.
Замысел состоит в том, чтобы использовать угольный массив для удержания крепи от сползания по падению пласта путем бурения скважины 1 в массиве (рис. 1), в которую затем вводят опорную балку 2, являющуюся составной частью секции крепи 3 [3]. При снятии распора с секции крепи и ее передвижке сползание крепи по падению пласта ограничено упругими деформациями опорной балки, а направление движения - траекторией скважины.
Для бурения скважины в угольном массиве разработана конструкция бурового снаряда [4], заключенного во внутренней полости опорной балки коробчатого сечения (рис. 2), у которого орган, транспортирующий буровую мелочь, расположен внутри трубы, жестко связанной с режущим инструментом.
Анализ средств механизации отбойки угля - комбайнов показал, что существующие, т.е. серийные комбайны конца прошлого столетия, морально устарели и не могут использоваться в нынешних условиях. Необходимо, чтобы комбайн обладал высокой производительностью, мог отбивать уголь как прямым, так и обратным ходом. Такими характеристиками обладают очистные комбайны для пологих пластов - задача в том, чтобы приспособить их для работы на крутонаклонных пластах.
С этой целью нами разработана компоновка очистного комбайна для крутонаклонных пластов [5] (рис. 3).
У этого комбайна, как и у всех комбайнов для крутых пластов, корпус 1 находится в пространстве между режущими органами -шнеками 2, поэтому передний шнек всегда отбивает
Рис. 1. Схема расположения крепи в забое
уголь у почвы пласта, а задний - у его кровли. Корпус комбайна телескопически, т. е. с возможностью перемещения вдоль оси, крепится к направляющей балке 3, выполненной в форме длинной лыжи. Балка удерживается от сползания по падению пласта посредством каната лебедкой, установленной на вентиляционном штреке. За счет такой балки комбайн способен отбивать уголь, двигаясь как в прямом, так и обратном направлениях. Его преимущества особенно проявляются при работе в очистном забое, слабо наклоненном в сторону массива. При этом комбайн смещают в нижнюю часть балки при движении комбайна вверх и в верхнюю часть
- при движении в обратном направлении. Консоль балки, опережающая корпус комбайна, препятствует зарыванию исполнительных органов в угольный массив сверх паспортной глубины захвата.
Бурение скважин в угольный массив возможно не только у границы пласта с породами кровли, но и почвы, а также по средней линии мощности пласта. Нами были рассмотрены различные варианты компоновки секции крепи с буровым снарядом для определения наиболее выгодного, с точки зрения устойчивости секции во время передвижки, и разработаны различные технические решения для их использования.
С целью повышения устойчивости скважин разработана секция крепи, состоящая из двух полусекций 1, связанных между собой одной опорной балкой 2 с буровым снарядом 3 [6] (рис. 4).
Рис. 3. Схема компоновки очистного комбайна для крутонаклонных пластов
Рис. 4. Схема компоновки полусекционной крепи
Ее отличительной особенностью является увеличенное расстояние между скважинами и расположение опорной балки примерно посредине мощности пласта.
Полусекции данной крепи передвигаются по очереди - сначала нижняя, затем верхняя (по линии падения пласта). При этом опорная балка удерживает полусекцию от сползания по линии падения, а саму опорную балку удерживают с одной стороны угольный массив, а с другой - одна из полусекций.
Использование этой крепи позволит организовать отработку угольных пластов верхней границы диапазона средней мощности и нижней - диапазона мощных пластов. При этом в очистном забое предусмотрена работа двух очистных комбайнов по очереди - выше линии опорных балок и ниже нее, т.е. в два сближенных уступа. Предполагаемая нагрузка на очистной забой может составить более 2 тыс. т/сут.
Как известно, запасы углей крутонаклонных пластов характеризуются повышенной нарушенностью по сравнению с пологими пластами. Это обстоятельство существенно ограничивает возмож-
ную протяженность выемочных полей и столбов. А при относительно коротких выемочных столбах резко
Рис. 5. Схема установки крепи по падению
возрастают затраты на монтажно-демонтажные работы, которые снижают рентабельность добычи угля из крутонаклонных пластов.
Для выемки полосами по падению крутонаклонных угольных пластов мощностью от 3,5 до 5,5 м предлагается использовать механизированную крепь с буровой опорной балкой 1, снабженную выемочно-транспортным органом 2, выполненным в виде горизонтального шнека (рис. 5).
Секции крепи связывают попарно домкратами передвижки. При этом количество секций (длина очистного забоя) может быть принято из условия обеспечения разбавления газовыделения, протяженности ненарушенного участка или из экономических соображений.
В исходном положении секции 1 (рис. 6) установлены в линию, их опорные балки вставлены в скважины, секции расперты между кровлей и почвой пласта. Выемка угля осуществляется следующим образом. Сначала включают в работу крайнюю секцию на фланге полосы, в непосредственной близости от углеспускного ската. Исполнительные органы этой секции зарубают в угольный массив, после чего верхний осуществляет отбойку угля выше опорной балки до кровли пласта, нижний - от почвы до опорной балки. Затем исполнительные органы выемочных машин секций
возвращают в нижнее положение и при этом осуществляют транспортирование отбитого угля
Рис. 6. Схема отработки полосы
вдоль забоя до углеспускного ската 2. После этого секцию крепи передвигают на шаг передвижки, равный величине подвигания очистного забоя, и снова распирают между кровлей и почвой пласта.
На следующем этапе включают в работу первую и вторую секции крепи, а затем и третью и т.д. При этом исполнительные органы вновь вводимых в работу секций доставляют отбитый уголь в зону действия уже работающих секций и т.д. до ската. По мере подвигания по падению пласта линия очистного забоя принимает уступную форму и располагается по диагонали выемочной полосы. Далее работа очистного забоя осуществляется аналогичным образом. При этом отбитый уголь по скату поступает на штрек 3, в котором установлен ленточный конвейер.
Особенностями данной технологической схемы являются:
- исключена необходимость в прямолинейности очистного забоя, наоборот, уступная форма забоя улучшает условия транспор-
тирования отбитого угля, за счет частичного самотечного транспорта угля с одного уступа на другой;
- используемая выемочная машина в каждой секции крепи не требует постоянного присутствия людей в очистном забое; зарубка и отбойка угля могут быть автоматизированы существующими средствами автоматизации; человек же присутствует в пространстве очистного забоя только во время передвижки секций крепи;
- обособленность секций крепи друг от друга позволяет набирать комплект оборудования любой длины в зависимости от горно-геологических условий, например, нарушенности пласта, т.е. позволяет вынимать запасы между нарушениями;
- поскольку выемочная полоса может быть отработана достаточно быстро, то основная трудоемкость технологического процесса приходится на монтажно-демонтажные работы, которые выполняются специализированными бригадами по монтажу и демонтажу забойного оборудования в зонах, сопряженных со штреками, включают однотипные, часто повторяющиеся операции и могут быть эффективно механизированы. Кроме того, секции крепи выходят на штрек для демонтажа не все сразу, а по одной, последовательно, не прерывая ведения очистных работ в зоне других секций;
- нет необходимости передвижения выемочной и транспортной машин по линии вдоль очистного забоя, что повышает надежность работы забоя;
- на стадии монтажа оборудования набирается нужное количество секций крепи по ширине выемочной полосы, в соответствии с протяженность ненарушенной зоны, а это, в свою очередь, позволит наиболее полно извлекать запасы угля;
- за счет подъема уступов очистного забоя от флангового ската к центру улучшаются условия проветривания очистного забоя за счет общешахтной депрессии, так как воздух движется все время вверх.
Аналогичная технологическая схема может быть использована при выемке пластов средней мощности, но при этом должна быть использована соответствующая агрегатированная крепь (рис. 7).
Отличительной особенностью технологической схемы разработки пласта средней мощности является то, что объем проведения подготовительных выработок, может быть доведен до минимума, так как вентиляционный скат может быть сооружен
Рис. 7. Схема секции крепи для пластов средней мощности
сзади последней секции путем возведения крепи в выработанном пространстве.
Возможен и другой вариант реализации этой схемы - когда секции крепи последовательно монтируются и запускаются в работу по выемке угля в каждом цикле, увеличивая длину очистного забоя до тех пор, пока первая секция не выйдет на транспортный штрек. После выхода первой секции на транспортный штрек длина очистного забоя не будет увеличиваться, но не будет и сокращаться
- секции, вышедшие на штрек могут быть снова смонтированы в верхней части выемочной полосы и запущены в работу. И только после отработки всего выемочного столба или его части, например, между геологическими нарушениями, проводят скат для проветривания очистного забоя и организации запасного выхода из него.
Во всех вариантах разработки угольного пласта полосами по падению расчетная суточная нагрузка на очистной забой - не менее 2 тыс. т/сут. Производительность труда рабочего по добыче - 100130 т/смену. Учитывая высокие цены на коксующиеся угли, данная технология будет высокорентабельной.
Представленные технические решения по совершенствованию технологий выемки крутонаклонных угольных пластов разработа-
ны в Институте угля т углехимии СО РАН, защищены патентами Российской Федерации, или по ним ведется работа по патентованию.
Для внедрения технологии в производство в настоящее время необходимо за счет средств заинтересованного инвестора выполнить опытно-конструкторские и опытно-технологичес-кие работы.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Угольная база России. В 6-ти т. Т. 2: Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири. - М.: ООО Геоинформцентр, 2003.- 604 с.
2. Угольная промышленность Российской Федерации в 2004 году. - М.: Ро-синформуголь, 2005.- Т. 2.- 184 с.
3. Крепь для поддержания очистного забоя крутонаклонного угольного пласта: Патент РФ № 2231646. Опубл. 27.06.2004, Бюл. № 18.
4. Крепь очистного забоя мощного крутого угольного пласта: Патент РФ № 2212541. Опубл. 20.09. 2004, Бюл. № 26.
5. Узкозахватный комбайн для выемки угля из крутонаклонных пластов: Патент РФ № 2235202. Опубл. 27.08.2004, Бюл. № 24.
6. Секция крепи очистного забоя мощного крутонаклонного угольного пласта: Патент РФ № 2250375. Опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11. ВТШ
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Анферов Б.А. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук,
Станкус В.М. - ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук,
Кузнецова Л.В. - старший научный сотрудник, кандидат технических наук,
Институт угля и углехимии СО РАН.
