CC BY
42
© Б.А. Анферов, Л.В. Кузнецова, 2013
УДК 622.063.44
Б.А. Анферов, Л.В. Кузнецова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКТИВНОЙ ВЫЕМКИ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Предложен ряд новых технологий, направленных на извлечение химических элементов-примесей. Повышение качества товарных углей возможно за счет раздельной (селективной) выемки непосредственно в шахте и выдачи на поверхность различной по составу горной массы. Технологии, исключающие валовую разработку угольных пластов, должны обеспечивать сохранение природного качества угля в различных слоях; раздельное формирование и выдачу на поверхность однородных по качеству нескольких потоков горной массы; раздельную переработку углей различного качества; одновременную работу нескольких технологических линий «добыча-переработка»; встроенность дополнительных технологических операций в основной процесс.
Ключевые слова: угольные пласты, селективная выемка, химические элементы-примеси, комбайн для селективной выемки.
Угольные пласты могут содержать в себе ценные химические элементы-примеси (ЭП), которые зачастую располагаются в определенных участках пласта (в прослое, в подкровельной или припочвенной пачке и т. д.) и могут представлять промышленный интерес для их извлечения. Существующая в настоящее время валовая разработка таких угольных пластов ведет к безвозвратной потере ценных полезных ископаемых. Селективная выемка угольных пластов позволит выдавать на дневную поверхность различные по вещественному составу потоки горной массы, в том числе с высокими содержаниями ценных ЭП, для последующей их раздельной переработки и попутного извлечения ценного минерального содержимого из послойно залегающих частей отрабатываемого пласта.
В отличие от традиционных способов разработки, при создании технологии, направленной на добычу не только угля, но и сопутствующих ценных ЭП, необходимо учитывать дополнительные принципы функционирования горнотехнических систем, которые обеспечат раздельную (селективную) выемку пластов углей и содержащихся в них прослоев, исключат валовую
разработку таких угольных пластов. Технология должна обеспечивать [1]:
- сохранение природного качества угля в различных слоях (выемка без предварительного рыхления угольного пласта и разубоживания его породой);
- раздельное формирование и выдачу на поверхность (от забоя до склада) однородных по качеству нескольких потоков угля;
- раздельную переработку углей различного вещественного состава;
- одновременную работу нескольких технологических линий «добыча-переработка»;
- встроенность в основной технологический процесс.
Селективная выемка угля может быть осуществлена существующими, например, двухшнековыми очистными комбайнами, но для этого необходимо, чтобы мощность селективно вынимаемого слоя угольного пласта была не меньше диаметра шнека комбайна [2]. Угольный комбайн (рис. 1) осуществляет раздельную выемку угля и прослоя, содержащего ценные ЭП, например, прямым ходом, от конвейерного штрека к вентиляционному, комбайн вынимает прослой и грузит отбитую горную массу на забойный конвейер, а обратным - осуществляет отбойку угля и его погрузку на тот же конвейер. Горная масса доставляется на сопряжение очистного забоя с конвейерным штреком, где через приемное устройство перегружается на штрековый конвейер. Далее грузопоток следует к магистральной горной выработке (уклон, бремсберг, квершлаг и т. д.), где осуществляется перегрузка угля на магистральный конвейер, а более ценной горной массы - в вагонетки. Разделение грузопотоков осуществляется плужковым сбрасывателем, который включается в работу по сигналу, поступающему из очистного забоя.
Эта технология может быть уже сегодня реализована на действующих угольных шахтах. В конвейерных уклонах (бремсбергах) обязательно укладываются рельсовые пути для транспорта вспомогательных материалов; пересып сыпучего материала с ленты конвейера в емкости различного назначения, в том числе и вагонетки, отработан многолетним опытом его использования на отечественных предприятиях, в том числе и шахтах. В связи с этим организация раздельной выемки не потребует дополнительных капитальных вложений.
Рис. 1. Схема разаеления транспортных потоков: 1 - очистной комбайн; 2 - конвейерный штрек; 3 - вентиляционный штрек; 4 - забойный конвейер; 5 - приемное устройство; 6 - штрековый конвейер; 7 - магистральная горная выработка; 8 - магистральный конвейер; 9 - вагонетки; 10 - плужко-вый сбрасыватель
Особое место при селективной выемке занимают угольные пласты сложного строения, когда явно различимы границы между породными и угольными слоями, а мощность прослоев, содержащих ценные ЭП, меньше диаметра режущего исполнительного органа очистного комбайна - шнека. При разработке таких пластов типовым очистным двухшнековым комбайном неизбежно разубоживание горной массы прослоя, содержащего ценные ЭП, углем или породой. Лучшим для разработки этих пластов мог бы стать комбайн с режущим исполнительным органом избирательного действия (типа ГПК), однако он не совместим с механизированными крепями, поддерживающими длинный очистной забой.
Авторами разработана новая компоновочная схема очистного комбайна для выемки угольных пластов сложного строения в длинном очистном забое. Она позволит организовать селективную выемку пласта за один проход комбайна вдоль очистного забоя с разделением потоков горной массы, с различным вещественным составом, для последующей выдачи на дневную поверхность [3].
Отличительной конструктивной особенностью комбайна для селективной выемки угольных пластов сложного строения является наличие двух симметрично направленных стреловидных исполнительных органов, аналогичных режущему исполнительному органу комбайнов для проведения подготовительных выработок, например, ГПК, шарнирно прикрепленных к боковой стороне корпуса комбайна со стороны забоя разрабатываемого пласта (рис. 2).
Рис. 2. Очистной комбайн в длинном очистном забое: а - поперечное сечение очистного забоя; б - вид в плане; 1 - корпус; 2 - лапа; 3, 4 - режущий исполнительный орган избирательного действия; 5, 6 - площадка; 7 -ленточный перегружатель; 8, 9 - нагребающая лапа; 10 - плужковый сбрасыватель
С противоположной боковой стороны к его корпусу приварены две площадки для размещения на них машиниста и помощника машиниста. Ниже режущих исполнительных органов перпендикулярно продольной оси комбайна к корпусу прикреплен двусторонний погрузочный лоток с нагребающими лапами, снабженный ленточным перегружателем, рабочая ветвь ленты которого движется от угольного массива в сторону выработанного пространства (завала). Под корпусом комбайна и над рабочей ветвью ленты перегружателя с возможностью перемещения в вертикальной плоскости прикреплен плужковый сбрасыватель, ориентированный под углом к продольной оси ленты перегружателя.
Технологической особенностью компоновки оборудования очистного забоя является базирование комбайна на раме забойной части консольного конвейера, имеющего две рабочие ветви, транспортирующие сыпучий материал в противоположные стороны.
Селективная выемка угольного пласта, содержащего два и более прослоев с ценными ЭП, может быть встроена в технологический процесс разработки угольного пласта по системе «Длинные столбы по простиранию» и осуществлена следующим образом (рис. 3).
В исходном положении погрузочный лоток находится в нише. Секции крепи задвинуты, перекрывая кровлю очистного забоя. Очистной комбайн, двигаясь от конвейерного штрека к вентиляционному, раздельно вынимает полосу угля и прослоев. Сначала вынимают нижнюю пачку угля у почвы пласта на глубину, равную ширине погрузочного лотка, и вдоль очистного забоя - на величину телескопичности стрелы режущего исполнительного органа. Отбитый уголь нижней пачки нагребающей лапой направляется на ленту перегружателя. Поскольку это уголь, то помощник машиниста опускает плужковый сбрасыватель до соприкосновения с лентой перегружателя - отбитый уголь нижней пачки сбрасывается с ленты перегружателя в забойный лоток консольного скребкового конвейера. Затем отбитый уголь нижней пачки консольным конвейером транспортируется до конвейерного штрека, где его перегружают на рабочую ветвь телескопического ленточного конвейера и далее средствами магистрального транспорта он выдается на поверхность.
Рис. 3. Схема подготовки выемочного столба: 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - секции механизированной крепи; 4 - консольный скребковый конвейер; 5 - очистной комбайн; 6 - ленточный конвейер; 7 - рельсовый путь; 8 - рельсовый путь; 9 - перегружатель
После выемки нижней пачки угля приступают к выемке вышележащего прослоя. При этом плужковый сбрасыватель переводят в верхнее положение - отбитая порода прослоя перегружателем направляется в завальный лоток консольного скребкового конвейера. В завальном лотке отбитая порода транспортируется скребками к вентиляционному штреку, где перегружателем направляется, например, в вагонетки, которыми и выдается на поверхность.
При выемке средней угольной пачки опускают плужковый сбрасыватель - отбитый уголь транспортируется к конвейерному штреку, а при выемке следующего прослоя плужковый
сбрасыватель поднимают - отбитая горная масса транспортируется к вентиляционному штреку и там, в зависимости от содержания ценных ЭП, может быть погружена в ту же вагонетку или в другую.
После выемки всех слоев комбайн передвигают вдоль очистного забоя и повторяют выемку пласта в том же порядке до тех пор, пока комбайн не выйдет на вентиляционный штрек. По мере продвижения комбайна вдоль очистного забоя вслед за ним осуществляют передвижку секций крепи. На сопряжении очистного забоя с вентиляционным штреком комбайн выполняет работы по формированию верхней ниши (в том же порядке выемки угольных пачек и породных прослоев), а после передвижки консольного конвейера и задвижки последних секций крепи приступают к выемке полосы в том же порядке.
Областью применения предложенного комбайна оригинальной конструкции и консольного конвейера являются именно угольные пласты сложного строения - когда прослои угля с включениями ценных ЭП различимы визуально или граница между ними может быть установлена инструментально. Снижение производительности очистного забоя, связанное с использованием в конструкции комбайна режущего органа избирательного действия, может быть полностью компенсировано повышением ценности выдаваемых из забоя потоков горной массы.
Отбойка, погрузка, транспорт до дневной поверхности и складирование там пустой породы - издержки традиционной технологической схемы добычи угля средствами комплексной механизации. Организация селективной выемки позволит минимизировать отрицательные последствия, связанные с транспортировкой и хранением пустой породы.
Например, в описанной технологической схеме (см. рис. 3) один из прослоев может оказаться «пустым», т.е. не содержащим ценные ЭП. Такая порода не подлежит дальнейшей переработке и выдаче на дневную поверхность.
В этом случае (рис. 4) отбитую породу транспортируют к конвейерному штреку, где пересыпают в породный перегружатель, который, располагаясь в пространстве между двумя комплектами крепи механизированного целика [4], сгружает породу в выработанное пространство на почву транспортного штрека, формируя на почве штрека породный конус, растущий по мере поступления породы снизу вверх.
Рис. 4. Технологическая схема селективной выемки угольного пласта с выведением в завал потока пустой породы: 1 - транспортный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - секция крепи; 4 - консольный конвейер; 5 - очистной комбайн для селективной выемки; 6 - ленточный конвейер; 7, 12 - рельсовый путь; 8, 13 - перегружатель; 9 - комплект крепи механизированного целика; 10 - органный ряд; 11 - перегружатель пустой породы
Для случая разработки мощного пологого пласта [5], когда прослой с ценными ЭП расположен примерно посередине мощности пласта, организуют слоевую выемку. Вначале вынимают уголь выше прослоя комбайном, работающим в слое у кровли пласта, затем - уголь ниже прослоя комбайном, работающим в слое у почвы пласта, а сам прослой в последнюю очередь будет разрушаться под действием собственного веса (рис. 5). При этом отбитый уголь, расположенный выше про-
слоя, грузится на забойный конвейер, а ниже прослоя - на забойную ветвь конвейера консольного типа, по которым затем транспортируется до конвейерного штрека и далее по существующей транспортной цепочке выдается на дневную поверхность. Сам прослой грузится на тот же консольный конвейер, но на завальную ветвь, и транспортируется на вентиляционный штрек и далее на поверхность средствами вспомогательного транспорта.
Оградительный щит секции крепи перекрывает рабочее пространство нижнего слоя, защищая его от проникновения пород прослоя, которые под действием веса могут разрушаться в пространстве между скважинами, а буровую мелочь, образующуюся при бурении скважин, направляют в завальную ветвь консольного конвейера.
После выемки первых полос угля в верхнем и нижнем слоях приступают к выемке следующих полос до тех пор, пока ширина межскважинного целика прослоя не превысит ширину оградительного щита. Тогда, после очередного перемещения оградительного щита на ширину захвата исполнительного органа комбайна, целик зависнет с завальной стороны, под действием собственного веса разрушится и упадет на завальную ветвь конвейера. Для повышения надежности обрушения пород прослоя на завальную ветвь консольного конвейера между ним и секцией крепи устанавливается отбойный щит.
В случае, когда прослой с содержанием ценного компонента, например железа и в частности сидерита, расположен у почвы пласта, в его нижней пачке, селективная выемка может быть организована по описанной схеме (см. рис. 1) [6]. Для этого используют серийный очистной комбайн с двумя шнеками. При этом используют шнеки, соразмерные мощности прослоя. Горную массу, отбитую из прослоя с содержанием сидерита, выделяют из общего потока и транспортируют по магистральным выработкам, например, в вагонетках.
Последующая переработка полученной горной массы может быть проведена в подземных условиях или на дневной поверхности, в зависимости от наличия свободных площадей или горных выработок. Горную массу ленточным питателем подают на грохот (рис. 6). Подрешетный продукт самотеком поступает в спиральный желоб, а надрешетный - на дробилку. В дробилке крупные куски горной массы дробят до размеров кусков подре-шетного продукта и затем направляют в спиральный желоб.
а) ^ б)
Рис. 5. Технологическая схема селективной выемки мощного пологого пласта: а - очистной забой (вид в плане); б - очистной забой (поперечное сечение); 1 - прослой угля с более ценным компонентом; 2 - секции механизированной крепи; 3 - опорные балки с буровым снарядом; 4 - рабочее пространство верхнего слоя; 5 - забойный конвейер; б - очистной комбайн в слое у кровли пласта; 7 - рабочее пространство нижнего слоя; 8 - забойный конвейер консольного типа; 9 - очистной комбайн в слое у почвы пласта; 10 - полозья секции крепи; 11 - оградительный щит; 12 -отбойный щит; 13 - конвейерный штрек; 14 - вентиляционный штрек
Рис. 5. Схема магнитной сепарации горной массы: 1 - бункер; 2 -ленточный питатель; 3 - грохот; 4 - дробилка; 5 - вертикальная выработка; 6, 7 - труба; 8 - спиральный желоб; 9 - сопло; 10 - воронка; 11 - конденса-тоотводчик; 12 - воронка; 13 - сопло; 14 - шнековый питатель; 15 - ленточный конвейер; 16 - электромагнит
Через сопла, под углом в сторону наклона спирального желоба, подают перегретый водяной пар. Водяной пар внедряется в слой дробленой горной массы, лежащей на дне желоба, ворошит его и провоцирует движение вниз. Медленно двигаясь вниз по спиральному желобу, горная масса все время получает свежие порции перегретого водяного пара. При этом в силу того, что температура горной массы значительно ниже
температуры пара, сначала горная масса увлажняется из-за конденсации пара, а затем, по мере спуска вниз и нагрева, горная масса становится сухой, более сыпучей. После спуска вниз сухая сыпучая горная масса накапливается в приемном бункере-воронке, где ее постоянно обрабатывают перегретым водяным паром, поступающим из сопл.
При обработке сидерита (РвСО3) водяным паром в течение определенного времени происходит химическая реакция с образованием магнетита (Ев3О4), лимонита (НЕвО2) и выделением углекислого газа и кислорода по формуле:
5^СО3 + И 2 О = Ев3О4 + 2 ИЕвО2 + 5СО2 + О2.
Образовавшийся лимонит в условиях постоянного подвода теплоты распадается на магнетит, воду и кислород:
12ШвО2 ^ 4¥в3О4 + 6И2О + О2.
После выдержки в бункере-воронке определенное время горную массу шнековым питателем направляют на ленточный конвейер, барабан которого снабжен внутрибарабанным электромагнитом. Поскольку магнетит обладает магнитными свойствами во много раз больше, чем сидерит, то, попав в зону действия электромагнита, горная масса с содержанием магнетита притягивается к барабану, а горная масса с низким содержанием магнетита сбрасывается в ближайшую течку, т.е. происходит сепарация потоков горной массы. Далее поток с низким содержанием магнетита направляют на угольный склад, а поток с кондиционным содержанием магнетита транспортируют отдельно как руду для производства железорудного концентрата.
Водяной пар, вышедший из контакта с горной массой, и углекислый газ, образовавшийся в результате химической реакции преобразования сидерита в магнетит, скапливаются в верхней части внутреннего пространства трубы. От контакта с трубой водяной пар конденсируется и конденсатоотводчиком выводится из вертикальной выработки для повторного использования, а углекислый газ вакуумным насосом также выводится из межтрубного пространства и направляется для утилизации.
В данной технологии обеспечивается двойная селективность: на первом этапе, выполняемом в очистном забое, осуществляют раздельную выемку прослоя с содержанием железа
(по мощности немного большей, чем мощность слоя) и оставшуюся пачку без такового; на втором - поток горной массы из прослоя с содержанием железа проходит через магнитное поле, в котором кусочки угля с низким содержанием железа отделяются и направляются в транспортный поток горной массы из верхней пачки.
Существующие типоразмеры стандартных шнековых исполнительных органов комбайнов достаточно разнообразны по диаметру, но геология залегания ценных компонентов в углях еще более разнообразна. Далеко не всегда можно подобрать диаметр шнека, пригодный для выемки слоя или пачки угля с повышенными содержаниями ценных ЭП, не допуская при этом разубоживания ценного минерального сырья. В зависимости от ценности выявленных ЭП, концентрации в пласте, горно-геологических условий их залегания, способов идентификации может быть разработана та или иная технология селективной выемки, создано новое или адаптировано существующее горношахтное оборудование.
Эффективность селективной выемки будет зависеть от количества добытых углей с наличием высоких содержаний ценных ЭП, производительности добычи, уровня цен на востребованную продукцию и экономического эффекта от продажи полученного угольного концентрата на внутреннем и мировом рынках.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алферов Б. А., Кузнецова Л. В. Проблемы и перспективы комплексного освоения угольных месторождений Кузбасса. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2009. - 242 с.
2. Пат. 2291300 Российской Федерации, МПК Е21С 41/16. Способ селективной выемки пластовых месторождений / Анферов Б. А., Станкус В. М., Нифантов Б. Ф., Кузнецова Ё.В.; заявитель патентообладатель ИУУ СО РАН. № 2005115366; заявл. 20.05.2005; опубл. 10.01.2007, бюл. № 1, 5 с.
3. Пат. 2436954 Российской Федерации, МПК Е21С 41/18, Е21С 27/22. Способ селективной выемки угольного пласта и комбайн для его осуществления / Анферов Б. А., Кузнецова Ё. В.; заявитель патентообладатель ИУУ СО РАН. № 2009142177; заявл. 16.11.2009; опубл. 27.05.2011, бюл. № 15, 8 с.
4. Федорин В. А. и др. Технологические аспекты отработки верхнего слоя на мощных угольных пластах // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: тр. Междунар. науч.-
практич. конф. - Кемерово: СО РАН, КемНЦ СО РАН, ИУ СО РАН, ИУХМ СО РАН, ООО КВК «Экспо-Сибирь», 2011. - С. 127-130.
5. Пат. 2312988 Российской Федерации, МПК Е21С 41/18. Способ селективной выемки пологого угольного пласта / Анферов Б. А., Нифантов Б.Ф., Кузнецова Л.В.; заявитель патентообладатель ИУУ СО РАН. № 2006110469; заявл. 31.03.2006; опубл. 20.12.2007, бюл. № 35, 6 с.
6. Пат. 2429347 Российской Федерации, МПК Е21С 41/18. Способ селективной выемки угольного пласта / Анферов Б. А., Нифантов Б. Ф., Кузнецова Л. В.; заявитель патентообладатель ИУУ СО РАН. № 2010103077; заявл. 29.01.2010; опубл. 20.09.2011, бюл. № 26, 7 с. ИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Анферов Борис Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Лаборатории эффективных технологий разработки угольных месторождений, b.anferov@icc.kemsc.ru
Кузнецова Людмила Васильевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории эффективных технологий разработки угольных месторождений,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук:
