CC BY
63
УДК 622.272/.275
B.И. Сарычев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
C.И. Шестаков, асп., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), С.С. Жуков, асп., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ), А.Е. Харламов, канд. техн. наук, асс., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ)
СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ОГРАНИЧЕННЫХ ЗАПАСОВ НА ОСНОВЕ КОРОТКИХ ЛАВ И АНКЕРНОГО КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ
Приведен анализ экспериментальных технологий отработки выемочных участков на основе короткозабойных систем разработки; обоснована возможность отработки ограниченных участков системой разработки короткими лавами; предложены варианты систем разработки короткими лавами с использованием анкерного крепления очистных забоев и пневматической закладкой выработанных пространств.
Ключевые слова: короткозабойные технологии, системы разработки короткими лавами, анкерное крепление, пневматическая закладка выработанных пространств.
Одной из главных задач угледобывающей отрасли на современном этапе хозяйствования остается проблема повышения эффективности добычи полезных ископаемых за счет создания новых или совершенствования уже известных технологий разработки месторождений. При этом такие технологии должны обеспечивать в большинстве случаев совместное выполнение следующих требований: высокие технико-экономические показатели; минимальные нарушения целостности подрабатываемых слоистых массивов и земной поверхности; отработка участков шахтных полей с ограниченными запасами угля.
Необходимо отметить, что по результатам оценки запасов на 47 шахтах России, проведенной Подмосковным НИУИ и ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского [5], к настоящему времени на ограниченных участках, отработка которых длинными комплексно-механизированными забоями затруднена или невозможна, сосредоточено около 369 млн т высококачественного угля. Наиболее значительны данные запасы в Кузнецком и Печер-ском бассейнах - 253 и 89 млн т.
Особого внимания заслуживает и возможность отработки предохранительных целиков, причем не только в период погашения шахт, но и в процессе ее эксплуатации, когда в отработку могут быть вовлечены запасы под охраняемыми природными, гражданскими и промышленными объектами. Конечно, их отработка регламентируется жесткими требованиями по сохранению естественного природного ландшафта и, как правило, невозможна при использовании систем разработки длинными столбами, вызы-
вающих значительные нарушения целостности подрабатываемых массивов и земной поверхности.
В связи с этим, как для доработки ограниченных участков, так и для вовлечения в отработку предохранительных целиков, возникает необходимость в нетрадиционных, более гибких, технологиях, которые в комбинации с обычными технологиями могут обеспечить максимальную полноту извлечения полезного ископаемого.
Кроме того, данные технологии должны реализовывать и возможность селективной разработки месторождений, когда для отработки отдельных участков, делящих шахтное поле в зависимости, например, от кондиционных характеристик угля, от мощности или гипсометрии пласта, от глубины или строения и свойств вмещающих пород, требуется применение принципиально отличающихся систем разработки или технологических схем ведения очистных работ.
Среди существующих технологий таким требованиям в полной мере отвечают только короткозабойные технологии. При этом важнейшим условием эффективного их использования является применение современных комплексов мобильного оборудования.
К группам систем разработки короткими забоями относятся системы, длина очистных забоев которых не превышает, как правило, 25...35 м. В настоящее время известно четыре основных варианта выемки, отличающиеся между собой видом очистного забоя, который характеризуется как камера, заходка, комбинированный забой (камера и заходка) и короткая лава.
Первые три вида очистного забоя в той или иной степени являются элементами таких широко известных систем разработки, как камерная, камерно-столбовая и короткими столбами.
Короткой лавой называется очистная выработка, защищаемая от выемочного пространства специальной стоечной или механизированной крепью, имеющая 2 выхода и проветриваемая за счет общешахтной депрессии. Подготовка лав, как правило, ведется двумя выемочными штреками, по своей сути повторяя столбовые или сплошные системы разработки. Выемка полезного ископаемого осуществляется открытыми заходками при использовании проходческих или некоторых видов добычных комбайнов с погрузкой угля на скребковый конвейер.
К коротким лавам можно также отнести и системы разработки полосами по восстанию и падению в пределах подготовленных длинных выемочных столбов, применявшиеся в 30.50-х годах прошлого столетия [1]. Наибольшее распространение короткие лавы получили при отработке предохранительных целиков под наземными объектами в комбинации с длинными забоями, известной как система разработки парными штреками [1,
В настоящее время применение систем разработки на основе коротких лав носит лишь экспериментальный характер [5]. Невозможность широкого применения данных систем разработки связано с отсутствием высокомобильного оборудования: использование укороченных механизированных комплексов и подготовка очистного фронта в совокупности предопределяют высокие эксплуатационные расходы.
Наблюдения за эксплуатацией экспериментальных короткозабой-ных технологий на шахте им. В.И. Ленина показали, что одними из основных факторов, определяющих эффективность работы выемочных участков, являются способы и средства крепления кровли камер и заходок. Разработка участка камерами с расширением при общей ширине выработанного пространства около 10 м и креплением стоечной деревянной крепью требует значительных затрат лесоматериалов [4]. При относительно низкой стоимости, возможности изготовления непосредственно в забое и легкости возведения деревянная крепь в качестве основного средства поддержания кровли выработок имеет целый ряд существенных недостатков, основными из которых являются следующие:
невысокая несущая способность и малая податливость; возможность возгорания;
значительные материальные и временные затраты по доставке леса к месту возведения крепи;
использование ручного труда при установке крепи; опасность проводимых работ по креплению кровли, в частности при установке стоек в непосредственной близости от линии обрушения;
сдерживание работы выемочного комбайна из-за значительных затрат времени на крепление кровли;
трудность и опасность извлечения стоек; ограниченность горной выработки по высоте.
В зависимости от устойчивости и состояния непосредственной кровли затраты лесоматериалов на крепление кровли камер составляли от 7 до 15 м на 1000 т добычи. На основании перечисленных недостатков можно констатировать, что технология крепления очистных выработок с использованием деревянных стоек в данных условиях не имеет дальнейшей перспективы. Кроме того, сдерживающим фактором является и использование в качестве основного средства доставки угля конвейера С50, так как его монтаж и перемонтаж требуют значительных затрат времени и ручного труда.
Аналогичная технология, но с анкерным креплением позволила исключить применение лесоматериалов, что значительно снизило их расход и повысило безопасность крепления [5]. Сократились затраты времени и увеличилась скорость крепления. Пооперационный анализ крепления кровли позволил установить, что при использовании отечественной установки для бурения скважин ПА-1 трудоемкость составила около 1,36 чел.-
смен/м, что значительно ниже, чем при установке деревянной и металлической крепи.
Применение в качестве основной крепи металлических подхватов из СВП-17 и стоек ИПК при камерной системе разработки с параллельным расширением камер при обратном ходе комбайна [5] обеспечило повышенную надежность поддержания кровли за счет большей несущей способности крепи. Металлическая крепь удобна в возведении, легко извлекается при погашении выработок и восстанавливается для повторного использования. Однако обладает практически всеми недостатками, присущими деревянной крепи, кроме того, имеет значительный вес и более высокую (по сравнению с деревянной крепью) трудоемкость возведения.
Технология отработки экспериментального участка короткой тупиковой лавой длиной 32...35 м с применением крепи 2ОКП70 (29 секций) с металлическими подхватами на козырьках в большей степени обеспечила механизацию процесса крепления кровли. Однако значительная трудоемкость установки металлических верхняков, трудность проветривания тупиковой выработки и сложность маневрирования при зарубке комбайна ГПКС снизили эффективность данной технологии (производительность труда рабочих составила 20.25 т/выход). Кроме того, ввиду неправильной конфигурации участка по длине постоянно производился демонтаж секций крепи.
В 90-х годах на шахте «Распадская» при отработке пласта 7-7а мощностью 3,25.4,0 м были экспериментально апробированы технологические схемы ведения очистных работ на базе камерно-столбовой системы разработки [2, 5]. К отработке было принято четыре блока различной площади. Организация работ и технология разработки угольного пласта 7-7а базировалась на применении оборудования фирмы «Джой», в состав которого входили широкозахватный комбайн типа «Континиус майнер» 12СМ18-10В и самоходные вагоны на пневмоходу типа «Шатл кар» 10SC32B-4, а также бурильные установки «Wombat» для анкерного крепления кровли. Ширина выработанного пространства после отработки межкамерного целика составляла 10.12 м.
Использование на шахте «Распадская» в качестве средств крепления кровли камер анкеров, устанавливаемых с помощью бурового станка «Wombat», снизило трудоемкость крепления кровли до 0,48 чел.-смен/м.
За период проведения наблюдений за технологией ведения очистных работ на базе камерно-столбовой системы разработки и импортного оборудования фирмы «Джой» на шахте «Распадская» было добыто свыше 500 тыс. т угля, пройдено более 11 км горных выработок (ежемесячно проходилось от 300 до 500 м сечением до 20 м2), пробурено около 7000 шпу-рометров и установлено порядка 40000 анкеров [2, 5]. Данные технологии и применяемое оборудование позволили достичь среднемесячной нагрузки
на забой 23 тыс. т при производительности труда рабочих до 69,6 т на выход.
Отработка экспериментальных участков на шахтах им. Ленина и «Распадская» сопровождалась потерями угля в предохранительных целиках, которые составляли от 10 до 50 %. Наиболее существенные потери угля имели место при камерной системе разработки (35.50 %). Камерно-столбовая система в этом плане выглядит предпочтительнее - от 25 до 33 %. При отработке угольного пласта короткой лавой потери угля не превышали 10 %.
За период экспериментальных исследований на вышеперечисленных участках шахтах было добыто около 700 тыс. т высококачественного угля. Опыт эксплуатации экспериментальных участков и проведенные исследования подтвердили целесообразность и эффективность применения короткозабойных технологий и позволили сделать следующие выводы:
наибольший эффект достигается при креплении выработанных пространств коротких забоев анкерными крепями;
системы разработки короткими лавами дают минимальные потери
угля;
конфигурация ограниченных запасов требует применения гибких технологических систем, позволяющих изменять геометрические параметры очистных забоев;
применение мобильных комплексов оборудования на базе, например комплекса «Джой», позволяет решать оперативные проблемы отработки ограниченных участков;
использование механизированных комплексов длинных очистных забоев ведет к повышенным эксплуатационным расходам;
подготовка ограниченных запасов должна основываться на пространственно-планировочных решениях подготовки всего шахтного поля.
В итоге, такие требования выдвигают на одно из приоритетных мест возможность использования систем разработки на основе коротких лав, при этом без применения сложных комплексно-механизированных систем.
Сущность блочной системы разработки (рис. 1) заключается в следующем: после оконтуривания длинного столба выемочными штреками его отработка осуществляется блоками при перемещении очистного забоя от одного штрека к другому (по принципу отработки полосами), а между блоками оставляются неизвлекаемые целики угля.
Подготовка блока производится путем проведения в его центральной части рассечки (печи) на всю ширину выемочного столба, что обеспечит как транспортирование полезного ископаемого, так и проветривание блока. Ширина блока по длине столба обосновывается геомеханически, исходя из устойчивости основной и непосредственной кровли, а также средств и параметров крепления выработанного пространства, но, как пра-
вило, не должна быть больше 2-х кратного шага первого обрушения основной кровли. В процессе ведения очистных работ в одном блоке, в соседнем - нарезается рассечка.
В зависимости от назначения работы по креплению можно разделить на два вида: крепление рассечки, крепление очистного забоя и, соответственно, выработанного пространства. Крепление рассечки осуществляется в процессе ее проведения анкерной крепью с подхватами, располагаемыми по простиранию, после чего устанавливаются стойки под прогоны, укладываемые по падению. Очистной забой, как и выработанное пространство, также крепится анкерами.
12 8 6 9 7 3
Рис. 1. Блочная технология отработки: 1- охранный целик; 2 - массив угля-подготавливаемый блок;
3 - рассечка (разрезная печь); 4 - выработанное пространство;
5 - вентиляционный штрек; 6- параллельный штрек; 7 - откаточный штрек; 8 - закладочный массив; 9 - отработанный блок; 10 -рамно-анкерная прямоугольная крепь; 11- анкерная крепь;
12 - двухрядная сплошная перемычка
Управление горным давлением разделяется на следующие этапы: на первом - поддержание кровли в выработанном пространстве блока осуществляется за счет возведенной анкерной крепи, рамной крепи рассечки и целиков угля; предполагается, что в пределах блока на втором этапе производится пневматическая или механическая закладка выработанного пространства с незначительным опусканием кровли, происходящим за счет усадки закладочного массива и частичного раздавливания междублоковых целиков. Закладка осуществляется после полной отработки блока. В результате очистные работы и работы по закладке разделены в пространстве.
Ниже предложены варианты систем разработки короткими лавами, базирующиеся на традиционных столбовых и комбинированных (столбовых и сплошных) системах разработки (рис. 2).
а
Рис. 2. Системы разработки короткими лавами с пневмозакладкой (а) и комбинированной закладкой (б), с сохранением выработок для повторного использования и с анкерным креплением 1 - угольный массив; 2 - перегородка (отшивка) или ряд пакетированной закладки; 3 - двухстоечный органный ряд;
4 - пневмозакладочный трубопровод; 5 - закладочный массив; 6 - анкера; 7 - бутовая полоса из пакетированной закладки
В качестве основного способа управления горным давлением предлагается использование пневматической закладки выработанных пространств. Основным достоинством данных систем является повторное использование выемочных штреков и анкерное крепление, исключающее необходимость применения механизированного или индивидуального крепления выемочных пространств. Закладка выработанного пространства
осуществляется маневрированием закладочного трубопровода, обеспечивающего подачу закладочного материала. Шаг закладки определяется на основе шага посадки основной кровли. В качестве отшивки используются либо органные ряды из деревянных стоек с ограждениями, либо пакеты с закладочным материалом [4].
Предлагаемые системы разработки исключают необходимость применения дорогостоящей механизированной крепи, что существенно снижает эксплуатационные расходы при ведении очистных работ. Кроме того, реализация таких технологий обеспечивает минимальные нарушения подрабатываемых массивов и земной поверхности и позволяет существенно снизить экологическую нагрузку на прилегающие к горным предприятиям территории за счет использования в качестве закладочного материала пустых пород из подготовительных выработок и пород, складируемых в террикониках.
Список литературы
1. Горное дело. Энциклопедический справочник. Т.5. М.: Углетех-издат, 1958. 448 с.
2. Козовой Г.И., Кузнецов Ю.Н., Рыжов А.М. Гибкие технологические системы высокопроизводительных угольных шахт. М.: ОО «Международная академия связи», 2003. 501 с.
3. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях /Минуглепром СССР. М.: Недра, 1981. 288 с.
4. Сарычев В.И., Харламов А.Е.Технологические схемы и параметры пакетированной закладки выработанных пространств в длинных очистных забоях/ Известия ТулГУ. Науки о Земле. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 1. С. 203-209.
5. Сидорчук В.К., Сарычев В.И., Шундулиди И.А. Гибкие технологии подземной разработки пологих угольных пластов. Тула: Изд. ТулГУ, 2001. 152 с.
V.I. Sarychev, S.I. Shestakov, S.S. Zhukov, A.E. Harlamov
MINING METHOD LIMITED COAL RESERVES WITH USING SHORT WALLS AND ANCHORING OPEN AREAS
Analyzing experimental technologies with using short walls was realized and possibility of mining limited coal reserves with ones was substantiated. Variants of mining methods with using short walls and anchoring open areas and pneumatic fill of ones were proposed.
Key words: short wall technologies, short wall mining methods, anchoring, pneumatic fill of open area.
Получено 17.02.2012
