Снижение аварийности гидравлической выемки угля в очистных забоях Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.648.24 С.Г. Фомичев

СНИЖЕНИЕ АВАРИЙНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ВЫЕМКИ УГЛЯ В ОЧИСТНЫХ ЗАБОЯХ

"П основе аварийности процесса гидравлической очистной

-Я-М выемки угля и снижения технико-экономичес-ких показателей лежит забучивание забоя и связанная с ним последовательность операций трудно устраняемых с использованием имеющихся в забое выемочных средств и ручного инструмента:

а) забучивание почвы заходок в незакрепленном пространстве, перед установленным забойным оборудованием, негабаритами и элементами крепи;

б) остановка выходящего потока пульпы и накопление в полости заходки воды и угля до критического объема, если продолжается подача воды;

в) переход накопленной массы угля из неподвижного состояния в подвижное состояние и прорыв смеси из полости заходки;

г) разгон пульпы и её движение по наклонной почве выработок.

Возникновению аварийных ситуаций способствует ряд условий.

1. Высокий долевой объем негабаритов образующихся при гидравлическом разрушении массива с участием горного давления, который составляет 20-70 % от общей массы отбитого угля. Содержание негабаритов зависит от структуры угольного массива и прочности его пачек, и изменить его значение при разрушении массива струями большого диаметра dн = 20 - 30 мм не представляется возможным.

2. Негабариты движутся в потоке пульпы малой глубиной по широкой неровной почве заходок, останавливаются, накапливаются и препятствуют естественному смыву мелкого угля. Полное дробление негабаритов струей гидромонитора не гарантируется из-за интуитивной оценки рабочим их расположения в общей массе, поэтому в процессе принудительной выгрузки, включающей подтопление забоя струей с накоплением воды и выпуск пульпы, про-

исходит забучиванием забоя в зонах выхода пульпы не раздробленными негабаритами.

3. Наиболее опасные зоны забучивания забоя расположены на сопряжении очистной заходки с выемочной выработкой перед препятствиями в виде забойного оборудования, установленного на почве выработки (табл. 1).

Оси зон забучивания №1 и №2 расположены относительно друг друга на не значительном расстоянии Rex = 600 - 1000 мм и при накоплении негабаритов образуют общую зону забучивания в виде завала (рис. 1).

4. Разбучивание забоя обеспечивает в зоне №1 - продолжение процесса выемки угля и в зоне №2 - восстановление работы безнапорного гидротранспорта. Для повышения оперативности процесс разбучивания зон осуществляется без отключения воды из забоя и включает две операции (табл. 2).

При извлечении негабарита ручным способом используется удлиненная металлическая клюка. Механический способ в зоне № 1 реализуется вращением ствола (не струей) с пульта дистанционного управления и смещением негабаритов к пульпоприемному желобу в зону №2 для последующего извлечения из желоба и ручной разбивки. Это означает, что забучивание ствола гидромонитора в зоне №1 как правило переходит в забучивание пульпоприемного желоба в зоне №2.

Учитывая повышенную опасность выполнения ручных операций по удалению негабаритов, связанную с гидромонитором находящимся под давлением воды и близостью отработанного пространства, первая попытка производится с применением механического способа, но она не всегда эффективна из-за не приспособленности гидромонитора к этой операции. На практике сложилось неравенство, при котором механический способ менее эффективен, чем ручной

Пунм < ПуНр, (1)

где Пунм - производительность механического удаления негабаритов; Пунр - производительность ручного удаления негабаритов.

Если применение механического способа не привело к разбу-чиванию, то операция реализуется с применением ручного способа. Если с применением ручного способа разбучивание не реализовано по различным технологическим причинам, то возникает неуправ-

ляемая аварийная ситуация (табл. 4). Избежать аварии можно только за счет оперативного отключения

Условные обозначения:

- Зона забучивания № 1 перед

гидромонитором - под его стволом;

- Зона забучивания №2 перед пульпоприемным желобом.

Рис. 1. Схемы расположения технологических узлов очистного забоя по степени аварийности (табл. 3): - естественного откоса отбитого угля относительно гидромонитора и желоба (/.„); - резервной зоны для безопасного приема и накопления негабаритов в полости заходки (/р); - зон забучивания гидромонитора (№1) и пульпоприемного желоба (№2) негабаритами максимальным размером 6нт

340

Таблица 1

Характеристика опасных зон забучивания в забое

№ Наименование препятствий Место расположения зон Форма и размеры зон забучивания1

зоны для пульпы забучивания

1 Переносной гидромонитор (кана- На почве, под стволом гидро- Площадь под вращающимся стволом ра-

лы и узлы) монитора диусом Rс = 1350 мм

2 Пульпоприемный желоб (торцевые кромки) На почве, перед пульпоприемным желобом Площадь, образуемая шириной пульпоприемного желоба

1 Параметры зоны №1 приведены для серийно выпускаемого гидромонитора 12ГД 2.

Таблица 2

Характеристика операций по разбучиванию зон №1 и №2

Перечень операций с негабаритами Способы выполнения операций

не раздробленными струей В зоне №1 В зоне №2

1. Удаление негабаритов из опасных зон Ручной Механический и ручной

2. Разбивка извлеченных негабаритов Ручной Ручной

Таблица 3

Характеристика схем забучивания забойного оборудования в зонах №1 и №2

Характеристика схем Характеристика резервной Источник поступления нега- Доставка негабаритов в зоны №1 и

№ Аварийность зоны 1р баритов №2

I Не опасная - легко Достаточная, Из накопленного естест- Безнапорный гидротранспорт по

устраняемая шириной 1р > 8нт венного откоса почве заходки

II Опасная - трудно уст- Не достаточная, Из накопленного естест- Гидротранспорт по почве и ска-

раняемая шириной 0 < 1р < 8нт венного откоса тывание по откосу

III Аварийная - не устра- Полностью Из естественного откоса и Скатывание по откосу непосред-

отсутствует lp < 0 из забоя ственно в зопы

высоконапорной воды в забое, продолжительность которого зависит от характеристики схемы связи с диспетчером и схемы водоснабжения. Все случаи возникновения аварий объединяет одно общее условие - не соответствие производительности удаления негабаритов из зон забучивания и производительности их поступления в эти зоны.

5. Прорыв накопившегося угля и воды в виде селевидного потока происходит с резким переходом от неподвижного состояния угля осевшего в полости заходки к подвижному состоянию. При выходе из заходки в выработку, поток обходит гидромонитор, сдвигает и уносит не закрепленное оборудование: крепь сопряжения, маслостанцию, систему управления, щит гидромониторщика, кабели, датчики, вентиляционные трубы, склады леса, уголь и т.д.

Поток на переднем фронте представляет собой вращающийся вал пульпы, который опрокидывает, подминает, прижимает предметы к почве выработки и перекатывает в направлении движения (табл. 5). Поток останавливается в тупиках, а также в выработках перекрытых специальными ограждениями. После отключения воды осевший уголь удаляется гидросмывом. Аварии, связанные с забу-чиванием забоя, могут иметь самые различные последствия, и обобщены по случаям, наблюдаемым в очистных забоях при отработке пластов III и IV Внутренних.

3. Требованиями к безопасности очистных работ при гидротехнологии, предписывается «не допускать большого скопления угля в заходках». Для рабочего очистного забоя, при отработке пластов различной мощностью и различным объемом отработанных полостей, термин «большое скопление» не определяет физического смысла, поэтому в действительности не допускается приближения основания естественного откоса угля к гидромонитору и желобу (рис. 1 - схема I).

Основной причиной накопления угля и приближения откоса к гидромонитору является необходимость увеличения производительности принудительной выгрузки Ппв (рис. 2). При уменьшении расстояния L0 между откосом и гидромонитором производительность принудительной выгрузки резко увеличивается. На производительность Ппв влияет осаждение угля в выходящем потоке на почве за-ходки в момент выпуска перемешанной пульпы поле подтопления откоса.

342

Таблица 4

Причины и условия возникновения аварийных ситуаций

Перечень причин аварийности Условия (2)

1. Основание откоса располагается под стволом, он забучен и не опускается, отбитый уголь скатывается по откосу в зоны №1 и №2 2. Большие размеры негабаритов, исключающие оперативную разборку завала и удаление негабаритов 3. Наличие в завале элементов крепи выемочной выработки затрудняющих разборку завала и удаление негабаритов 4. Отжим или обрушение угля в забое, что соответствует высокой производительности разрушения Пр и поступления негабаритов Пунм < Пунр < Ппн Пунм Пунр 0, Пунм < Пунр < Ппн. Пунм Пунр 0, Пунм < Пунр < Ппн. Пр ~ Ппн ^ Пунм < Пунр < Ппн.

1 Ппн - производительность поступления негабаритов в зону забучивания.

Таблица 5

Характеристика селевых потоков и условий их возникновения

№ Наименование параметров Величина параметров

1. Условия Сечение выработки в свету Sс, м2 т, т" 1 о,

3,0 - 4,0

Угол наклона почвы для выработки i, градус

движения потока

Плотность транспортируемого угля ру, т/м 1,3 и 2,5

Общая длина потока Ln, м 65 - 90

2. Параметры селевых потоков Высота переднего фронта Нп, м 1,0 - 1,3

Масса переносимого угля Му, т Объем накопленной воды V,,, м3 25 - 45

2 3 - 00

Скорость движения переднего фронта ип, м/с 7 - 12

Расстояние между вертикальной осью гидромонитора и откосом составляет

где Lo - расстояние между вертикальной осью гидромонитора и откосом; /г - расстояние между вертикальной осью и внешними габаритами шарнира; 1ст - проекция на ось Х выступающей части ствола в нижнем положении; 1р - ширина резервной зоны для приема угля, отбитого в забое.

Для исключения аварийного забучивания ствола гидромонитора в зоне № 1 необходимо соблюдать условие по расположению откоса, при котором ширина резервной зоны 1р между насадком и откосом сохраняется за счет периодической принудительной выгрузки отбитого мелкого угля и негабаритов

где 6нт - максимальный приведенный диаметр негабарита.

Расположение рабочей зоны откоса при выемке угля существующим гидромонитором определится из выражений (3) и (4)

Для снижения аварийности очистных работ и увеличения производительности выгрузки угля предъявляется общее технологическое требование - «механизировать забойные операции по удалению и разбивки негабаритов выполняемые с применением ручного труда». Технологическое требование разбивается в соответствии с количеством зон забучивания №1 и №2 и реализуется при направленном воздействии струи на негабариты расположенные в этих зонах забучивания.

1. Для реализации технологического требования I в зоне №1, на примере серийно выпускаемого гидромонитора 12ГД 2, необходимо направит струю на почву забоя под ствол гидромонитора общей площадью

где £^,1 - площадью забучивания зоны №1; ал и агп - горизонтальные углы поворота ствола в левую и правую стороны.

(3)

(4) (5)

(6)

(7)

Реализация требования по исключению забучивания ствола гидромонитора в зоне № 1 возможна, в случае если в выражении (7) длина 1ст будет равняться нулю

П |— Хп4 ---------------------------------------------------------1-1— Рис. 2. Зависимость про-

пв - -- о..._с изводительности прину-

дительной выгрузки угля из забоя Ппв от расстояния между основанием естественного откоса и гидромонитором Lо, а также от продолжительности его подтопления струей п = 4 с, п = 8 с, п = 12 с, ... при отработке пласта IV Внутренний гидромонитором 12ГД 2, Р = 9,2 МПа, dн = 20 мм и i = 40

и

1

2

3

L

о

1ст = 0, тогда Sш = 0, (8)

Для выполнения условия (8) необходимо изменить конструкцию гидромонитора - перенести поворотный канал 7 и часть ствола 2 в закрепленную выработку и установить радиальный ограничитель негабаритов 12 предотвращающий их передвижение под ствол 2 гидромонитора (рис. 3).

При 1ст = 0 необходимая ширина зоны ограничения негабаритов составит

¡и = ¡и - и = Rc[- и (9)

где ¡ог - ширина части ограничителя негабаритов выступающая за шарнирный узел; ¡г - расстояние от вертикальной оси вращения ствола до внешнего габарита ограничителя; ¡ш - расстояние от вертикальной оси до внешнего габарита шарнира 4; Rсх - проекция на плоскость основания заходки части ствола выступающего за шарнир.

Подставляя условие (8) в условие (6) получаем выражение, определяющее требуемое расположение рабочей зоны откоса с макси-

мальной производительностью выгрузки угля из забоя при отсутствии забучивания ствола

(¡г + ¿нт) < Lo < (¡г + 26нт). (10)

2. Для реализации технологического требования II в зоне №2 по разбучиванию пульпоприемного желоба необходимо

Рис. 3. Общий вид экспериментального гидромонитора ГПДМ 12-10 при устранении забучивания зон очистного забоя разработанного в институте ВНИИгидроуголь: 1 - подводящий канал; 2 - ствол; 3 - переходник с насадком; 4 - вертикальный шарнир; 5 - восходящий канал; 6 - горизонтальный шарнир; 7 - поворотный канал; 8 - горизонтальный цилиндр; 9 - вертикальный гидроцилиндр; 10 - механизм смены положения; 11 - опорное основание - сани; 12 - ограничитель негабаритов

направить струю и расположить точку её контакта с плоскостью основания заходки в зоне №2 т.е. выполнить условие Rccx < R^; (11)

в

Rccx Rcx + lcx + ^вж Rce cos aen xc + Ув ctg авн i —Ж ; (12)

4

Rcx Rce cos авн XC; (13)

lcx = Ув ctg авн; (14)

^вж =+%, (15)

4

где Rccx - проекция на плоскость основания заходки части струи и ствола опущенного в нижнее положение; Rbx; - технологическое расстояние между осями желоба и гидромонитора; lcx - проекция на плоскость основания заходки участка струи; Авж - допустимое отклонение струи от оси желоба; Rcb - радиус вращения ствола гидромонитора в вертикальной плоскости; ув - расстояние между насадком и почвой забоя в нижнем положении ствола; авн - угол наклона ствола в нижнем положении; вж - ширина сечения пульпоприемного желоба; xc - смещение горизонтальной оси вращения ствола относительно вертикальной.

Реализация технологических требований I и II к любым средствам выемки угля используемым в очистных забоях (к установкам, агрегатам и т.д.), на которых устанавливается гидромонитор, позволяет:

1. Механизировать операции по удалению и разбивке негабаритов в очистном забое и повысить безопасность работ за счет исключения ручного труда в опасных зонах у выемочной техники находящейся под высоким давлением и в не закрепленном отработанном пространстве;

2. Повысить производительность гидравлической выгрузки угля за счет сокращения расстояния гидротранспортирования пульпы по неровной почве очистных заходок между пульпоприемным желобом и основанием откоса отбитого угля накопленного в полости.

II'

— Коротко об авторах ---------------------------------------------

Фомичев Сергей Григорьевич - Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г. Новокузнецк, кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные системы и управление».