CC BY
281
УДК 622.342
СЕЛЕКТИВНАЯ ОТРАБОТКА УЧАСТКОВ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ЗАПАСАМИ В ПОДМОСКОВНОМ
УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ
В.И. Сарычев, Г.Г. Рябов, С.Л. Сушков
Рассмотрена селективная отработка участков шахтных полей с ограниченными запасами в Подмосковном угольном бассейне.
Ключевые слова: селективная выемка угля, Подмосковный угольный бассейн, угольный пласт, камера, лава, кровля, бурошнековая выемка.
Общие требования к технологическим схемам. Требования к технологическим схемам ведения очистных и подготовительных работ, позволяющие в наибольшей степени учитывать горно-геологические условия эксплуатации угольных шахт Подмосковного бассейна, можно сформулировать следующим образом.
1. Для практической реализации систем разработки короткими очистными забоями необходимо обеспечить рациональную увязку выемочного, транспортного и иного оборудования по всему комплексу горных работ.
2. Использовать в технологических схемах как серийно выпускаемые, так и опытные образцы оборудования с относительно низкими стоимостными характеристиками и перспективой использования местных и региональных производственных и ремонтных баз.
3. Исключить из технологических схем трудоемкие, материалоем-кие, многоступенчатые и опасные процессы и операции и параллельно осуществить максимальную унификацию оборудования (многофункциональность).
4. Снизить до минимума, определяемого порогом экономической целесообразности, потери полезного ископаемого.
5. Обеспечить высоких показатели надежности технологических схем в целом и ее структурных элементов.
6. Ориентироваться на относительно простые схемы организации труда с высокими темпами ведения очистных и подготовительных работ.
7. Обеспечить возможность включения в структуры технологических схем процессов размещения различных веществ, с учетом их агрегатного состояния, в выработанном пространстве.
При ранжировании требований в современных условиях доминирующим требованием является обеспечение минимальной ресурсоемко-сти(без снижения требований безопасности и охраны недр). Это требование позволяет выделить следующие группы технологических схем выемки
ограниченных запасов угля в условиях форсированного сокращения производственных мощностей при ограниченных ресурсах, меняющихся требованиях к качеству угля и функциональному диапазону технологий [1].
1. Технологические схемы выемки угля проходческими комбайнами при камерных системах разработки.
2. Технологические схемы на основе специального оборудования.
3. Технологические схемы бурошнековой выемки.
Технологической основой указанных групп является структурное
сочетание средств выемки, вентиляции, транспорта и водоотлива, которое можно легко обеспечить в настоящее время.
Технологические схемы выемки угля проходческими комбайнами при камерной системе разработки. Технология выемки и транспортирования угля на основе проходческого оборудования может быть реализована в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических условий и включает следующие рациональные варианты.
Вариант 1. Выемка и транспортирование угля в периодически или не периодически располагаемых камерах протяженностью до 100 м (конкретные параметры системы разработки устанавливаются геомеханическими расчетами) сечением вчерне 5,3-15 кв. м прямоугольной или арочной формы, шириной 2,6-5,05 м. Камеры могут проходиться без крепления с последующим погашением или закладкой сыпучими, пласто-образными, габаритными материалами, либо с применением штанговой, индивидуальной, рамной или передвижной крепей.
Количество одновременно отрабатываемых камер на участке, их длина, взаиморасположение очистных забоев, форма камер, размеры междукамерных и участковых целиков, а также размеры и форму участков и параметры охраны камер и управления кровлей определяются по методикам стандартных геомеханических расчетов [2].
Если технологическая схема предполагает погашение камеры с извлечением крепи, либо последующее размещение габаритных заполнителей (контейнерных систем) целесообразно вместо крепеустановщика включить в комплект оборудования машину универсальную "Штрек" [3]. Основным достоинством однокомбайнового варианта технологической схемы является ее соответствие технологическим схемам ведения подготовительных работ на основе штатного оборудования, высокая гибкость, возможность как попутной (при выемке), так и последующей закладки пространства камеры с возможностью включения процессов закладки в структуру самой схемы.
Технологические процессы по выемке и транспортированию горной массы в камере осуществляет звено из 5 человек. Из четырех шестичасовых смен три являются рабочими и одна - ремонтно-подготовительной.
Для условий контрольного расчета по шахте "Сеченская" АО "Тулауголь" при мульдообразном залегании пласта на участке списания запасов была принята система разработки с периодическим расположением камер и следующими параметрами: ширина камеры 4,5 м; ширина междукамерного целика 4,0 м; ширина участкового целика 9,0 м; прочность сечения каЛ
меры арочной формы без подрывки пород кровли 8,5 м ; ширина выемочного участка 21,5 м; ширина выемочного поля 560 м; длина камер 80 м.
При геомеханическом обосновании системы разработки [1-2] предполагалось наличие трех одновременно вынимаемых камер на выемочном участке. При этом была выявлена возможность обхода (и перехода) многочисленных геологических нарушений, наличие которых на участке было установлено геологической и сейсмической разведкой. Транспортирование угля в пределах выемочного поля осуществляется как конвейером типа 1ЛТ-80, так с помощью и локомотивной откатки (более целесообразной при селективной выемке).
Расчетные технико-экономические показатели по варианту технологической схемы для контрольного примера:
■ подвигание забоя в смену, м - 11,0;
■ подвигание забоя в сутки, м - 33,0;
■ производительность труда: м/смену - 2,34; т/смену - 26,0;
■ число рабочих в сутки (1 камера), чел. -- 15;
■ суточная добыча угля, т - 400;
■ суточная добыча по участку, т - 1200.
Параметры организации труда для данной технологической схемы рассчитаны на с использованием программы "Цикл-М".
Вариант 2. При этом варианте осуществляется отработка периодически камер шириной 2,6...8 м прямоугольного сечения двумя комбайнами типа ГПКС с транспортированием угля самоходными вагонетками ВС-15. Выемка угля может осуществляться по следующим схемам.
1. Камера отрабатывается одновременно двумя комбайнами с отставанием одного от другого на 7.12 м. Первый комбайн прямым ходом первый проходит камеру шириной до 4 м, второй расширяет ее до 7. 8 м. По достижении проектной длины камеры начинается отработка обратным ходом соседней камеры тем же комплектом оборудования одновременно с погашением отработанной камеры и повторным использованием средств крепления.
2. Камера отрабатывается двумя комбайнами аналогично предыдущей схеме, но с параллельным погашением расширенной части камеры, что позволяет поддерживать выработанное пространство камеры шириной до 4 м при ширине забоя до 8 м.
3. Камера шириной до 4 м отрабатывается одним комбайном; после достижения проектной длины и перевода первого комбайна в соседнюю
камеру (отрабатывается обратном ходом) первая камера расширяется вторым комбайном и одновременно погашается прямым ходом.
Крепление камер осуществляется специальной крепью быстрораз-борной конструкции и затяжкой из стальных или пластиковых материалов
[3].
Вариантные расчеты технико-экономических показателей компоновочных схем продемонстрировали возможность достижения нагрузки на камеру до 400 т/сутки при 8 циклах в смену и темпах проведения камеры до 24 м/сутки. Минимальные потери в ленточных междукамерных целиках оцениваются в 50 %.
Типовые расчеты параметров вентиляции камер сечением в свету до 19 м показали возможность использования вентиляторов местного проветривания с параметрами: количество воздуха для проветривания ка-
-5
меры по минимальной скорости движения 5,15 м /с; депрессия вентилятора 106 МПа. Целесообразно применение осевых вентиляторов типа ВМ-6.
Технологические схемы на основе специального оборудования.
Селективная выемка запасов со сложными условиями залегания на участках неправильной формы, в том числе при доработке запасов, выборочной выемке, отработке целиков различной конфигурации может осуществляться на базе оборудования, неприменяемого ранее в Подмосковном бассейне или нерассматриваемого в качестве основного. Не являясь конку-рентноспособным по сравнению с традиционными, специальные средства выемки и транспорта могут применяться в гораздо большем диапазоне условий, в котором обычные технологии неприемлемы в принципе.
Для селективной выемке пластов со сложной структурой перспективной является флангово-фронтальная и короткозабойная фронтальная технология с применением машины фронтально-избирательного действия ВМФ-2 [1-2]. Машина имеет телескопическую стрелу с дисковым рабочим органом, снижающим динамические удары. Применение самоходной платформы в конструкции машины весьма перспективно для создания выемочного механизма в рамках короткозабойной технологии.
Технологические схемы выемки угля на базе машины ВМФ-2 адаптируются для работы как с гидрофицированными, так и с индивидуальными крепями, искусственными целиками или вакуумными блоками. Кроме того, технология может быть единственно приемлемой при выемке в зоне отжима угля на участках с карстовыми и дизъюнктивными нарушениями, а также при сложной гипсометрии пласта.
В качестве технической базы эффективной короткозабойной технологии может рассматриваться скреперо-струговая выемка угля, обширный опыт эксплуатации которой накоплен в странах Западной Европы и на шахтах Украины. Применение в очистном забое предельно простого в конструктивном исполнении оборудования, обеспечивающего механиза-
цию отбойки и доставки угля без наличия в очистной выработке конвейера позволяет достигнуть высокой надежности технологической схемы без постоянного присутствия людей. Периодический выход скреперо-стругов в подготовительные выработки создает благоприятные условия для контроля за их техническим состоянием.
Управление кровлей и охрана призабойного пространства осуществляются с применением спецкрепей, блоков, искусственных целиков или закладочных конструкций, оставляемых в выработанном пространстве или применяемых вслед за подвиганием очистного забоя.
С учетом требований в технологических схемах скреперо-струговой выемки целесообразно использование крепей, оставляемых в выработанном пространстве, имеющих низкую стоимость изготовления и обладающих предельной конструктивной простотой. Подобными качествами обладают клиновые комплектные крепи и крепи из вакуумных блоков. Геомеханически обоснованный паспорт установки крепей должен обеспечиваться крепеустановщиками также предельно простой конструкции.
Технология отработки короткими столбами с управлением кровлей удержанием на целиках реализуется на базе комплекса конструкции ДонУГИ, включающего буровое оборудование и раздвижной скреперо-струг.
Технологические схемы бурошнековой выемки угля. Бурошне-ковая технология является промышленно освоенным способом выемки угля и в наибольшей степени соответствует комплексу современных требований к технологиям угледобычи. Прежде всего, данная технология относится к категории "безлюдных", т.е. не требующих присутствия (даже эпизодического) в опасных местах. По своей структуре технология достаточно проста и, в то же время, обладает весьма значительной гибкостью в плане адаптации к изменению горно-геологических и горнотехнических условий [3]. Особенно следует выделить такие возможности технологии, как способность отрабатывать выемочные поля неправильной формы, пласты сложной структуры, вести выборочную, селективную выемку по мощности и по простиранию. Для условий Подмосковного бассейна весьма важным является отсутствие ограничений по устойчивости кровли и почвы, возможность погашения целиков угля, отсутствие процессов крепления, водоотлива и (частично) проветривания выемочных скважин.
Бурошнековая технология может быть принята как базовая для разработки универсальных совмещенных технологических схем очистных и подготовительных работ на пологих пластах тонких и средней мощности в составе проходческих и буро-закладочных комплексов для выборочной и селективной отработки месторождений, аналогичных месторождениям Мосбасса.
Бурошнековая выемка и отработка целиков угля в США, Германии, Англии, Франции осуществлялась с достаточно высокими технико-экономическими показателями: производительность установки 120... 150 т/смену при производительности труда рабочего очистного забоя 60.65 т/выход, рабочего по участку 30-40 т/выход, коэффициент извлечения 0,4.0,6 [3]. В СССР работы по бурошнековой технологии (в т.ч. и на шахтах Мосбасса) были начаты в 1960 г. Опыт применения отечественных бурошнековых установок БУГ-3 и БУГ-3М показал их высокую эффективность при отработке тонких пластов с углами падения до 150 в сложных горно-геологических условиях. При этом бурошнековая технология признается конкурентоспособной даже по сравнению с механизированными комплексами [3, 4, 6].
Прогрессивными технологическими схемами при применении базовых бурошнековых машин предусматривается одно- или двухскважин-ная выемка угля с управлением кровлей удержанием на целиках шириной около 0,2 м. Подготовка шахтного поля панельная с делением на ярусы или магистральными штреками. Размеры двухсторонних панелей 1600. 1800 м х 800.900 м. Выемочные участки подготавливаются штреками трапециевидной или арочной формы сечением не менее 7,5 м2 в свету. При этом весьма важной является проблема изменения стандартных конструкций крепей выемочных штреков, решение которой позволит сократить время на извлечение и восстановление крепи на участке выемки и соответственно увеличить производительность установки и снизить трудоемкость работ.
Основными направлениями адаптации технологии бурошнековой выемки к условиям Подмосковного бассейна являются:
включение в технологические схемы процессов бурения опережающих (направляющих) скважин;
разработка конструкций исполнительных органов с регулируемым переменным диаметром (например, диафрагменного типа);
введение в конструкцию исполнительных органов жестких невра-щающихся элементов и датчиков контроля положения конструкции в пласте, а также устройств для погашения межскважинных целиков;
геомеханическое обоснование параметров охраны скважин, выемочных участков, а также формы, размеров, расположения в пространстве отрабатываемой части пласта;
разработка технологических схем, позволяющих сократить объемы подготовительных работ и осуществлять совмещенные во времени с выемкой процессы проведения выемочных выработок и процессы размещения сыпучих или пульпообразующих компонентов в выработанное пространство специальными установками или с использованием шнекового става [4].
При применении бурошнековых установок типовой технологический цикл включает следующие операции: подачу буровых коронок и шнекового става на забой, отбойку и транспортирование угля, наращивание шнекового става, расштыбовку скважин, извлечение и демонтаж шне-кового става, концевые операции, передвижку установки, подготовку места забуривания, ориентирование установки, монтажные операции со средствами участкового транспорта.
На надежность принципиальной технологической схемы в наибольшей степени влияет состояние механизмов подачи, вращения, маневрирования исполнительным органом, закладка.
В качестве базовой для применения на шахтах Подмосковного бассейна предлагается технологическая схема с групповым расположением бурошнековых установок (четное число) без разделения выемочного участка на части в составе буро-закладочного комплекса или закладочного проходческого комплекса. При этом установки передвигаются одна за другой на расстоянии 50.70 м (уточняется геомеханическими расчетами) и выбуривают массив в одну сторону от выработки каждая.
Основными преимуществами такой схемы является следующее:
1. Отсутствие необходимости барьерного целика на границе отрабатываемых частей выемочного участка;
2. Сокращение длительности технологического цикла примерно на
13 %;
3. Высокая степень адаптивности схемы, позволяющая на ее основе вести буровые, закладочные работы и работы по проведению выемочного штрека в индивидуальном и совмещенном вариантах.
Использование схемы в составе бурозакладочного комплекса предполагает размещение в отработанных скважинах пустой породы крупностью до 80 мм, получаемой при проведении выемочной выработки или из других выработок либо источников. Закладка скважин может производиться сжатым воздухом по закладочному трубопроводу либо гидравлическим способом. При этом техноология бурения и конструкция исполнительного органа должны обеспечивать (при совмещении процессов извлечения шнеков и закладочных работ) пространство для размещения закладочного трубопровода. Возможен вариант закладки скважин самой буровой установкой, для чего необходимо совершенствование конструкции буровой коронки. Дальнейшую детализацию технологических схем бурошнековой выемки в направлении рационализации рабочих процессов необходимо осуществлять с учетом обоснования параметров закладки.
Опытные испытания показали, что возможность достижения высокой плотности закладочного массива с коэффициентом закладки до 0.8, следствием чего может явиться исключение потерь в межскважинных и междучастковых целиках. Однако использование технологических схем с
горизонтальным расположением скважин для угольных пластов Подмосковного бассейна при максимальном диаметре рабочего органа 750 мм предполагает значительные потери по мощности пластов (до 70%). Эта особенность оптимальным образом учтена в конструкции буро-закладочной машины (разработка НИТЕП г. Тула). Вертикальное расположение основной и коммуникационной скважин позволяет увеличить ее высоту до 1,13.1,24 м, что, в свою очередь, позволяет снизить потери по мощности на 20.30 %. Контрольно-управляющее оборудование позволяет регулировать силовые характеристики в районе рабочего органа, достигая при этом удовлетворительного состояния скважин при их значительной длине.
Бурошнековую установку обслуживает звено рабочих численностью не менее пяти человек: машинист установки, помощник, двое рабочих, выполняющих операции по подготовке рабочего места, наращиванию (укорачиванию) скребкового конвейера, маневрированию и погрузке угля.
На точке выбуривания рабочие подводят под верхняки шести соседних арок металлическую балку длиной 4,5 м из профиля СВП-19 и соединяют ее с верхняками при помощи специально изготовленных для этой цели хомутов. Затем удаляют затяжки и обирают породу в трех межрамных просветах от почвы выработки до замковых соединений, чтобы предотвратить обрушение пород кровли после снятия стоек. Затем снимают замки и удаляют две стойки крепи.
Далее защищают выработку на точке бурения и готовят БШУ к переводу на новую скважину. В устье предыдущей скважины из породы и глины при необходимости выкладывается изолирующая перемычка шириной 1,2 м, после чего межрамное пространство затягивается материалами при подготовке новой скважины [5].
После подготовки БШУ к работе ее необходимо сориентировать по отношению к вынимаемому пласту. Ориентируют БШУ по мощности пласта при помощи подъемных домкратов; затем ориентируют машину параллельно предыдущему положению при помощи ходовой части и распорных домкратов. Далее БШУ фиксируется.
Перед началом выбуривания угля необходимо установить рукоятку переключателя скоростей приводного вала в рабочее положение, нажать кнопку "сигнал", затем "Бурение".
Забуривание производится при скорости вращения шпинделей 45 об/мин и малой скорости подачи (до 0,5 м/мин). Затем снимается приспособление для забуривания и ведется дальнейшее бурение скважины. В процессе бурения машинист ведет наблюдение за работой БШУ, осуществляет управление и принимает участие в выполнении операций по наращиванию шнековых буров.
Режим бурения (скорость вращения шнеков и скорость подачи) выбираются машинистом в зависимости от конкретных условий. После за-буривания очередной пары шнеков необходимо остановить шнековый бур в таком положении, чтобы проушины в шнеках для транспортировки находились в верхнем положении. Затем редуктор перемещается в крайнее положение для приемки очередной пары шнеков. Одновременно с этим помощник машиниста доставляет к месту наращивания очередную пару шнеков. Подачу на забой необходимо включать только при вращающихся шнековых бурах. Отключать электродвигатель режущей части разрешается только после установления нулевой скорости подачи. После забурива-ния последней пары шнеков для лучшей очистки скважины необходимо в течение 2.3 мин провернуть шнековые буры без подачи.
При достижении проектной глубины скважины машинист реверсированием редуктора бурения возвращает шпиндель в исходное положение и выключает установку. Затем совместно с помощником отсоединяет шнеки от шпинделя и шнекового става, а далее помощник транспортирует шнеки к месту складирования. Оператор включением установки подает шпиндели к колоннам шнеков, реверсированием установки извлекает из скважины следующие шнеки, и процесс повторяется до извлечения всех шнеков.
После извлечения шнеков машинист и помощник снимают и складывают распор с домкратов. Затем машинист включает ходовую часть, передвигает установку на новое место и устанавливает ее в необходимое положение.
После извлечения шнеков и передвижки БШУ на новое место рабочие восстанавливают удаленные стойки крепи, соединяют их хомутами с верхняками и снимают поддерживающую балку.
Шнеки для выбуривания угля должны складироваться в специально отведенном месте на почве штрека впереди БШУ. Транспортирование шнеков от места складирования к БШУ при выбуривании угля и от БШУ к месту складирования при извлечении шнеков производится тельфером из комплекса оборудования БШУ. Монорельс тельфера переносится по мере подвигания фронта работ.
Камерные системы разработки. Как известно [1 -2], в общем случае наибольший эффект по обеспечению естественного состояния природного ландшафта при ведении подземных горных работ может быть достигнут только при сохранении целостности толщи пород в кровле угольного пласта. Наиболее приемлемым в таких условиях является применение для отработки угольных пластов систем разработки короткими забоями, в частности, камерных систем и короткими забоями скважинами (бурошнековая выемка). Такой вывод в результате исследований [3] процесса сдвижения земной поверхности и оценки устойчивости основной
кровли, представленной, как правило, прочными известняками и плотными глинами, склонными к зависанию над выработанным пространством. Эти исследования позволили установить такие размеры предельных пролетов основной кровли, при которых оседания поверхности достигают безопасных величин. С другой стороны, по величине предельного пролета было предложено определять ориентировочную ширину выемочного участка, включающего в каждом конкретном случае короткие забоя, целики между ними и часть между участковых целиков. Для определения рациональных размеров этих горнотехнических объектов были проведены дополнительные исследования.
Исследования проводились с использованием пакета прикладных программ '^ТЕММА" на основе численного моделирования на ЭВМ различных геотехнических ситуаций. Часть таких исследований по определению влияния жесткости непосредственной кровли на изменение нагрузки на междукамерные целики при трех типовых схемах отработки была проведена ранее [4-5].
Исследовано совместное влияние размеров камер, межкамерных и межучастковых целиков. Критерием оптимизации при выборе этих параметров являлось напряженное состояние междукамерного целика. При этом определение нагрузки на целик производилось с учетом совместного режима работы основной и непосредственной кровель, представленных разными слоями пород, целиков угля и очистных выработок в пределах моделируемого участка шахтного поля. В общем случае на ЭВМ моделировалась наиболее просто реализуемая на практике типовая схема, при которой выемка угля в пределах участка осуществляется парными камерами.
Пролет камеры изменялся в пределах от 2,5 до 5 м (шаг 0,5 м), что соответствует габаритам проходческих комбайнов типа ПК-3Р и ГПКС без дополнительных маневровых операций (т.е. при отбойке угля с одной установки). Для каждого конкретного пролета размер межкамерного целика (Ьк.ц.) принимался, исходя из отношения его ширины к пролету, равном 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1. Ширина между участкового целика ^у.ц.) изменялась от величины, соответствующей минимальной в данной ситуации величине междукамерного целика, до 32 м, где кривые нагрузки во всех случаях полностью стабилизировались. Мощность пласта угля была принята равной 2 м, а модуль упругости 840000 кПа. Основная кровля представлена пластом известняка с изгибной жесткостью 4.57107 кПа-м4, непосредственная глиной с жесткостью слоя 106 кПа-м4. Такой набор пород соответствует тяжелой кровле по классификации, принятой для Подмосковного бассейна. Влияние слоя известняка и выше лежащей породной толщи моделировалось распределенной нагрузкой q, а пригрузка от слоя глин реализовывалась через ее объемный вес.
Для реализации такой геотехнической ситуации на ЭВМ была предварительно разработана общая расчетная схема, которая в каждом конкретном случае (в зависимости от исходных данных размеров объектов моделирования) имитировалась соответствующими параметрами: числом связей между стержнями-слоями. Общим для всех случаев является наличие на схеме только трех объектов разработки: одной камеры и двух половин целиков. Возможность такого подхода обеспечена симметрией схем отработки как относительно центральной оси, проведенной через междукамерный целик, так и относительно оси, проведенной через между участковый целик.
Вычислительный эксперимент для схемы, соответствующей отработке камерами с пролетом Lк. = 5 м, шириной целика между ними = 5 м и шириной между участкового целика Ly.ц. = 24 м, показал, что ширина выемочного участка при этом равна Lк. + Lк.ц. + Ly.ц. = 39 м. В процессе моделирования было проведено около 180 типовых расчетов на ЭВМ, по результатам которых были построены графические зависимости изменения средней нагрузки на междукамерные целики угля от величины между участкового целика при варьировании пролетов камер и различных размерах опорных целиков между ними.
Графическая интерпретация результатов моделирования показывает общую для всех вариантов тенденцию изменения средней нагрузки при увеличении размеров между участковых целиков. При этом минимум нагрузки приходится на диапазон изменения ширины между участкового целика от 8 до 16 м. Кроме того, данные зависимости показывают существенное снижение? как разброса, так и самой величины нагрузок при снижении размеров камер, что обусловливает выбор схем отработки участков шахтных полей с меньшими размерами камер в условиях тяжелых кровель, так как оставляемые межкамерные целики воспринимают меньшую нагрузку. Так, при пяти метровом пролете камер диапазон изменения нагрузки после ее стабилизации находится в пределах от 1,9 gH до 5,2 gH, а при ширине камеры 2,5 м от 1,6 gH до 2,1 gH, где g ускорение свободного падения, м/с; Н глубина залегания разрабатываемого угольного пласта, м.
Таким образом, полученные зависимости позволяют определить усредненную нагрузку на междукамерные целики для условий тяжелых кровель, что дает возможность выбрать оптимальные параметры камерной системы разработки в пределах выемочного участка.
Бурошнековая выемка. Если для выбора параметров камерной системы разработки весьма важным является установление нагрузок на межкамерные целики с целью расчета их устойчивости, то на выбор параметров бурошнековой выемки существенной влияние оказывает корректное определение размеров между скважинных целиков для обеспечения про-
цесса выбуривания угля из скважин при исключении возможности сдавливания шнекового става.
Таким образом, сохранение целостности скважин в процессе их эксплуатации полностью зависит от устойчивости между скважинных целиков. Проведение многовариантных расчетов на ЭВМ ставило своей целью определение нагрузок на межскважинные целики угля при изменении технологических схем выемки. В частности, к моделированию были приняты схемы, при которых диаметр скважин изменялся от 0,5 до 1,2 м при постоянной величине между скважинного целика, равной 0,2 м. Кроме того, исследовалось изменение нагрузки также при применении парных и строенных скважин. Все расчеты проводились для условий тяжелых кровель. При этом в кровле выработанного пространства предполагалось сохранение защитной пачки угля размером от 0,1 до 0,3 м.
Результаты вычислительных экспериментов свидетельствуют о том, что существенные изменения нагрузки на межскважинные целики связаны с увеличением общего числа скважин, причем, чем больше их количество, тем круче кривая изменения нагрузки. Так, например, при 16-и скважинах средняя нагрузка практически независимо от величины межучасткового целика увеличивается более, чем в 3 раза при возрастании общего размера скважин от диаметра, равного 0,5 м, до суммарного диаметра трех скважин, равного 1,9 м. Результаты расчетов также показали, что изменение мощности подкровельной пачки угля незначительно влияет на итоговую нагрузку (не более 3.5 %).
Кроме того, были проведены исследования изменения нагрузки при следующих параметрах бурошнековой выемки: диаметр скважины 0,75 м, ширина между кважинного целика 0,45 м при суммарной высоте выработанного пространства 1,2 м, что характеризует вертикальное расположение основной и вспомогательной скважин. Здесь также в пределах выемочного участка было принято 2, 4, 8 и 16 скважин. Полученные нагрузки для данной схемы существенно ниже, но при этом увеличение числа скважин до 16 приводит почти к максимальному значению нагрузок для данной технологической схемы.
Необходимо отметить, что выбрав количество скважин и определившись с размерами между скважинного целика можно ориентировочно рассчитать потери угля в пределах выемочного участка. Так, например, без учета оставляемого угля в подкровельной пачке при 8-и скважинах и 4-х метровом между участковом целике потери составят около 54 %, а при 12-и скважинах уже около 50 %. Нагрузка же на целики изменится от 2,17 gH до 2,32 вИ.
Выводы
1. Рациональные технологические схемы выемки пологих угольных пластов средней мощности для типичных условий Подмосковного бассей-
на должны включать низко затратные технические и технологические решения и обладать максимальной адаптивностью к изменяющимся горногеологической и горнотехнической обстановке.
2. Обоснование конкретной технологической схемы комплекса горных работ должно базироваться на формальной оценке реальных горных ситуаций, а перспективы схемы окончательно могут быть выявлены при проведении натурных или численных исследований на ЭВМ.
3. Предлагаемые технологические схемы отработки участков шахтных полей камерными системами разработки, скреперо-струговой и бу-рошнековой выемкой являются наиболее простыми с точки зрения их реализации в конкретных условиях, обладают высокой гибкостью при адаптации их в изменяющихся геотехнических ситуациях; при этом при небольших изменениях технологии и оборудования легко трансформируются для решения задач селективной выемки и ведения закладочных работ.
4. Установлены закономерности, характеризующие влияние параметров камерных систем разработки и бурошнековой выемки (ширина выемочного участка, размеры камер и скважин, размеры межскважинных, межучастковых и межкамерных целиков, их количество) на величину максимальной средней нагрузки на целики угля для условий тяжелых кровель Подмосковного бассейна.
5. Установленные закономерности позволяют выявлять оптимальные параметры короткозабойных систем разработки, обеспечивающие возможность выбора и обоснования технологических схем выемки в конкретных горно-геологических и горно-технических условиях с учетом минимальных изменений целостности вмещающих выработки пород.
6. Разработаны рекомендации по выбору и обоснованию параметров короткозабойных систем разработки, исходя из условия прочности опорных целиков угля.
7. Выполненные исследования не являются полностью законченными, а полученные зависимости абсолютно универсальными, так как они могут быть использованы только для тех горно-геологических условий и с такими параметрами систем разработки, в рамках которых они были выполнены. Изменение состава и характеристик пород кровли и почвы угольного пласта, иные параметры разработки (даже в рамках рекомендуемых технологий) потребуют дополнительных исследований, которые могут быть проведены на основе численного моделирования на ЭВМ новых геотехнических ситуаций.
Список литературы
1. Подмосковный бассейн / Л.А. Заводчиков [и др.]. Тула: Изд-во «Гриф и К0», 2000. 356 с.
2. Качурин Н.М., Абрамкин Н.И. Перспективные технологии использования подземного пространства шахт Подмосковного бассейна. М.: Изд-во МГГУ, 2004. 98 с.
3. Геоэкологическое обоснование добычи угля на малых глубинах / Н.М. Качурин [и др.]. М.: Изд-во МГГУ, 2005. 298 с.
4. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов / Н.М. Качурин [и др.]. М.: Изд-во МГГУ, 2003. 293 c.
5. Разрушение горных пород шарошками и диспергирование примесей в жидкостях / Н.М. Качурин [и др.]. Тула: Изд-во «Гриф и К0», 2003. 330 с.
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рябов Геннадий Гаврилович, д-р техн. наук, проф., [email protected] , Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сушков Сергей Леонидович, канд. техн. наук, доц., [email protected] , Россия, Тула, Тульский государственный университет
SELECTIVE MINING AREAS OF MINE FIELDS WITH LIMITED RESOURCES
IN MOSCOW COAL BASIN
V.I. Sarichev, G.G. Riybov, S.L. Sushkov
Selective mining areas of mine fields with limited resources in Moscow Coal Basin were considered.
Key words: selective mining, Moscow Coal Basin, coal seam, cell, face, roofage, augering.
Sarichev V.I., Doctor of Technical Science, Professor, galina_stas@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Riybov G.G., Doctor of Technical Science, Professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Sushkov S.L., Candidate of Technical Science, Docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
