Технология нарезки нового горизонта и отработки наклонных пластов угля на разрезах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.271.324

А.С. Ненашев, В.Ф. Воронков

ТЕХНОЛОГИЯ НАРЕЗКИ НОВОГО ГОРИЗОНТА И ОТРАБОТКИ НАКЛОННЫХ ПЛАСТОВ УГЛЯ НА РАЗРЕЗАХ

Все месторождения Кузбасса, разрабатываемые открытым способом, представлены свитой пластов с различной мощностью, часто изменяющимися углами падения (даже в пределах отдельных локальных участков) и разнообразием марочного состава углей.

В границах каждого место -рождения всю угольно-

породную толщу условно можно разделить на две зоны. Зону, так называемой, чистой вскрыши, расположенную выше

кровли верхнего разрабатываемого пласта свиты и угленесу-щую зону, т.е. зону пластов угля и междупластьев породы.

Специфика залегания

угольных пластов и значительная протяженность месторож-

дений предопределили применение на разрезах продольной углубочной (реже углубочно-сплошной) одно- или двухбортовой, преимущественно с

внешними отвалами породы системы разработки и, в основном, транспортной технологии ведения горных работ. Причем, во вскрышной зоне применяется транспортная технология с использованием как железнодорожного, так и автомобильного транспорта. В угленасыщенной зоне, где наблюдается более высокий динамизм работы оборудования, ведется раздельная обработка угля и породы экскаваторами типа прямая механическая лопата с вывозкой горной массы автосамосвалами. На пологих (8-150) месторождениях

нижние междупластья разрабатываются драглайнами с укладкой вскрышных пород в выработанное пространство, т. е. по бестранспортной технологии.

При разработке месторождений с наклонным (20-40°) залеганием угольных пластов, подготовка нового горизонта начинается с проходки разрезной траншеи по породе в кровле верхнего пласта свиты. Затем последовательно в нисходящем порядке разрабатываются

угольные пласты и породные междупластья. Разнос бортов со стороны лежачего бока нижнего из разрабатываемых пластов угля не производится.

Однако, в указанных выше условиях проходка разрезной траншеи сразу на полную глу-

а)

б)

Рис.1. Схема к обоснованию высоты уступа (глубины траншеи) - по условию полного прочерпывания контакта «уголь-порода»: 1 - потери угля в «треугольнике прочерпывания»; а) экскаватор ЭКГ-12,5;

б) экскаватор «Суперфронт» 204М; в) гидравлическая прямая лопата ЭГ-12.

Таблица 1

Значения высоты уступа (глубины траншеи) - ^ для различных экскаваторов по условию минимальных потерь угля

Тип экскаватора Вид рабочего оборудования экскаватора Марка экскаватора Высота уступа (м) экскаватора (по условию полного прочерпывания угольно-породного контакта) при обработке пластов с углами падения, °

20 30 40

Прямая механическая лопата в обычном исполнении ЭКГ - 8и 2 3 5

ЭКГ - 12,5 3 5 6

удлиненное ЭКГ - 6,3у 4 6 8

Прямая гидравлическая лопата в обычном исполнении ЭГ - 12 3,5 5,5 7

бину (15-16 м) экономически нецелесообразна по причине больших потерь угля из-за не-прочерпывания экскаватором типа прямая механическая лопата угольно-породного контакта. Эти потери представляют собой так называемые «треугольники непрочерпывания» и образуются на почве пласта в верхней части уступа (рис. 1).

Возможности по высоте прочерпывания угольно-

породного контакта у разных типов и марок прямых мехлопат различные и зависят от угла падения пласта, конструктивных особенностей экскаваторов и траектории движения ковша (рис. 1).

Значения высоты уступа (глубины траншеи) - кф экскаваторов, при которой обеспечивается полное прочерпывание контакта «уголь-порода» и не образуется дополнительных потерь угля, представлены в табл.1.

Из представленных в табл. 1 данных следует, что для экска-ваторов-мехлопат с обычным рабочим оборудованием при работе в угленасыщенной зоне с углом падения пластов 30-40° высота уступа, равная 5-6 м, соответствует минимальным потерям угля.

На разрезах бассейна, разрабатывающих наклонные месторождения, из-за оснащения их указанной выше выемочнопогрузочной техникой, нарезка нового горизонта осуществляется слоями мощностью именно 5-6 м.

Для определения величины дополнительных потерь угля, образуемых при увеличении высоты уступа сверх рекомендуемой по прочерпыванию контакта «уголь-порода», можно воспользоваться формулой [I]

Пд = кд• *ш(а' ~ф) .100,0/

2зта'-тн - к

где кф и кд соответственно допустимая по условию полного прочерпывания угольно-

породного контакта высота уступа и дополнительная приращиваемая к ней высота уступа, м; ф - угол падения пласта, рад; а' - угол откоса верхней части уступа, образованный траекторией движения ковша экскаватора, град; тн - нормальная мощность пласта, м.

Результаты расчетов по данной формуле для экскаватора ЭКГ-12,5 см. на рис.2.

Из графиков (рис. 2) видно, что с уменьшением мощности пласта (тн) и увеличением высоты уступа сверх рекомендуемой по прочерпыванию (кф + кд) дополнительные потери угля резко возрастают. Так, , если увеличить высоту уступа, рекомендуемую по прочерпыванию контакта «уголь-порода» для экскаватора ЭКГ -12,5 (табл. 1 и

рис. 2), с 5 до 9 м (кф + кд = 5+4=9 м) при отработке пласта с углом падения 30° и мощностью 6 м, то дополнительные потери угля составят 15,3%. При этом общие потери угля (с учетом нормативных потерь) будут равны 25,0%, т.е. возрастут в 2,5

раза.

Пд,'

25

20

15

10

5

1?0- 6м \ \ \ _ V 6м

\ И0- 4м \ \ ч \

\ \ \ к

\ Ч \ к. ^ \

ч

4 6 8 10 т,„ м

Рис.2 Изменение величины потерь угля в призме непрочерпывания (Пд) для экскаватора ЭКГ-12,5 в зависимости от мощности пласта (тн), угла его падения (ф) и приращения высоты уступа (кд)

_______________ ф=300

_______________ ф=400

Таким образом, осуществляя нарезку нового горизонта слоями мощностью, равной кф, удается работать без потерь угля в «треугольниках непрочер-пывания»..

Однако, при проходке разрезной траншеи в несколько слоев появляются потери угля от зачистки рабочей площадки уступа (дна траншеи). Эти потери являются одними из составляющих нормативные потери угля. Величина их зависит от высоты отрабатываемого слоя-уступа (кф) [1]

П -к3 П пл

И

<р

I. Проходка траншеи в три слоя (11ф= 12ф= !3ф=5м)

Н h1(p+ h2(p+ іізф 15м

III. Проходка траншеи в один слой, сразу на полную глубину

Н= И1ф =15м.

Рис. 3. Схемы к определению величины нормативных потерь угля; Н - полная высота нарезаемого горизонта (уступа);

В - ширина траншеи по дну.

где Нз — толщина слоя угля, теряемого при зачистке рабочей площадки от пород вскрыши и балластировочного материала, м.

Кроме указанных, в нормативных потерях угля учитываются и другие составляющие потерь (рис. З):

• потери угля, получаемые при зачистке кровли пласта

Пкр - — ■ 100, %

т н

где Н] - толщина слоя угля, теряемого в кровле пласта, м;

• потери угля от недобора в почве пласта

Ппч - — ■ ]00, %

т н

где Н2 - толщина слоя угля, оставляемого в почве пласта, м.

Результаты расчетов по определению нормативных потерь угля, выполненные по указанным выше формулам, а также с учетом того, что Н]=0,20 м, Н2=0,25 м, Нз=0,20 м [1], представлены в табл. 2.

Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что при нарезке нового горизонта в несколько слоев и, следовательно, с последующей отработкой пласта слоями такой же мощности нормативные потери угля больше, чем при нарезке горизонта одним слоем, т.е. сразу за полную высоту уступа. Так, например, при отработке наклонного пласта мощностью 6 м экскаватором ЭКГ-12,5 в три

слоя (Н] (р~~ Н2ф=Нзф =5 м) нормативные потери угля составляют 19,4%, то время как при

отработке этого же пласта одним слоем (Н=Нр=15 м) они равны 8,7%.

Таким образом, с уменьшением высоты уступа (глубины разрезной траншеи) при нарезке нового горизонта и последующей отработке наклонного (2040°) пласта экскаваторами типа прямая механическая лопата не удается избежать дополнительных потерь угля, т.к. вместо потерь в «треугольниках непро-черпы-вания» появляются потери от зачистки рабочей площад-

ки.

В то же время затраты на теряемый уголь уже были произведены ранее на стадиях гео-лого-разведочных работ, вскрытии месторождения и подготовки пласта к выемке. Величина этих затрат соотносится с затратами на переработку 1 м3 вскрыши. Кроме того, дополнительные потери угля — это уменьшение реальной прибыли предприятия.

Нарезка нового горизонта слоями оказывает негативное

Таблица 2

Величина нормативных потерь угля

Способы проходки разрезной траншеи, высота слоя Величина нормативных потерь угля (в %) при различной мощности пласта

зн=2м зн=4м зн=бм зн=8м з^Юм зн=12м

В три слоя Иіф Ь-2ф к3ф 5 м 34,5 23,2 19,4 17,б 1б,5 15,8

В два слоя Ь_іф h2ф 7,5 м 27,9 1б,б 12,8 11,0 9,9 9,2

В один слой Нф= 15 м 23,8 12,5 8,7 б,9 5,8 5,1

Таблица 3

Сменная производительность экскаваторов на проходке разрезной траншеи

Способ проходки траншеи Мощность разрабатываемого слоя, м Коэффициент увеличения времени погрузки Продолжительность погрузки автосамосвала, мин. Сменная производительность экска- 3 ватора, м

ЭКГ-8и ЭКГ-12,5 ЭКГ-8и ЭКГ-12,5 ЭКГ -8и ЭКГ-12,5 ЭКГ-8и ЭКГ-12,5

В три слоя Н]р Н2р Н3р 4,5 5 1,16 1,2 4,4 3,4 2331 2745

В два слоя Н]р Н2р 6,75 7,5 1,1 1,14 4,2 3,2 2401 2822

В один слой Нр=Н 13,5 15 - - 3,8 2,8 2554 3035

влияние также и на производительность экскаваторов из-за уменьшения площади сечения забоя и создания сложных условий разработки [2]. В результате увеличивается доля времени экскаватора на передвижения по фронту работ и на выполнение вспомогательных операций и, следовательно, возрастает время загрузки автосамосвала. Изменения производительности экскаваторов в зависимости от мощности разрабатываемого слоя показано в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что на наклонных месторождениях при проходке разрезных траншей в несколько слоев (например, в три слоя) экскаваторами-мехлопатами ЭКГ-8и и ЭКГ -12,5, отмечается снижение на 10-11% их сменной производительности. Из-за перепростоя под погрузкой снижается также производительность автосамосвалов.

Таким образом, использование на нарезке нового горизонта и отработке наклонных (25-40°) пластов угля экскаваторов типа прямая лопата мало эффективно.

Избежать дополнительных потерь угля и снижения производительности горного и транспортного оборудования в данных условиях возможно только при применении таких выемочно-погрузочных машин, как кранлайны и гидравлические обратные лопаты. Эти экскаваторы могут осуществлять нарезку нового горизонта сразу на

полную высоту, т.е. 15-16 м.

Кранлайн [3, 4] представляет собой драглайн шагающий погрузочный (ДШП). Этот экскаватор сочетает в себе преимущества мехлопаты (мягкая безударная и прицельная выгрузка горной массы из ковша в

кузов автосамосвала) и драглайна (способность отрабатывать высокие уступы и прохо-

дить глубокие траншеи с нижним черпанием). От обычного драглайна кранлайн отличается наличием дополнительной лебедки для подъема и фиксации ковша перед разгрузкой. Предусмотрено также наличие двух типов ковшей. Один из них -

ковш драглайна с разгрузкой опрокидыванием через режущую кромку и коробчатый ковш

а)

Рис.4. Схемы к обоснованию высоты уступа (глубины траншеи) - Нр по условию полного прочерпывания контакта «уголь-порода»: а -кранлайн; б - гидравлическая обратная лопата

Таблица 4

Техническая характеристика базовых моделей кранлайнов, зарубежных и отечественных марок гидравлических обратных лопат

Наименование Показатели по моделям и маркам

Кранлайны (ДШП) Обратные лопаты

ДШП б,5.34 ДШП 10.38 ДШП 15.43 «Demag» H-241 «Caterpillar -375» ЭГО-8*

Вместимость ковша (Е), м3 б,5 10 15 б,5-10 4 8

Глубина копания (Ннч тах), м 20 24 29 8-14,5 б,9-7,4 10

Высота копания (Нвч тах), м - - - 13-17,2 12,5 11

Максимальный радиус черпания на горизонте установки (Ячу тах), м 30,5 3б,4 41,9 18-23 12,4 21

Радиус разгрузки (Яр), м 15,5 21 21 п.д. п.д. 17

Высота выгрузки ковша (Нр),м 7,9 8 9 12-13 8,3 10

Радиус вращения хвостовой части кузова, м 9,7 15 15 п.д. 4,2 7,2

Диаметр базы, ширина гусеничного хода экскаватора, м 7,7 9,7 9,7 п.д. 3,5 б,5

Расчетное время рабочего цикла в породах Ш-1У категории при угле поворота на разгрузку 900, с 38 40 42 п.д. 28 28-30

*) Параметрический ряд отечественных гидравлических обратных лопат (ЭГО) приведены в альбоме «Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах», 1991 г. и в «Концепции развития открытого способа добычи угля в РФ до 2010 г.», 1995 [8].

с открывающейся задней стенкой. Кранлайны могут успешно применяться для производства как вскрышных, так и добычных работ.

Имея большие линейные параметры, этот экскаватор, располагаясь на верхней площадке траншеи и работая только с нижним черпанием, может проходить ее сразу на полную глубину, осуществляя при этом погрузку породы в автосамосвалы на уровне своего стояния (рис. 4).

В 70-х годах прошлого столетия широкое распространение на зарубежных карьерах получили гидравлические экскаваторы - прямая и обратная лопаты. Одноковшовые гидравлические экскаваторы имеют более высокие (по сравнению с мехлопа-тами) усилия копания, обладают большими возможностями для производства селективной выемки и могут производить зачистку подошвы забоя, заменяя бульдозер. В отличие от обычных экскаваторов - механических лопат, процесс черпания

которых начинается у подошвы уступа, гидравлические экскаваторы, благодаря особой конструкции рабочего оборудования, обеспечивают копание с максимальным усилием на любой высоте внедрения ковша в породный забой. Гидравлические экскаваторы более компактны и имеют лучшие показатели производительности на единицу массы, чем мехлопаты.

Особый интерес для разработки сложно-структурных месторождений в целом и, в частности, для проходки разрезных траншей и отработки наклонных пластов угля представляет гидравлическая обратная лопата [2, 5-7].

Конструктивные особенности гидравлических обратных лопат позволяют им, размещаясь на промежуточном горизонте, проходить траншею (с использованием одновременно верхнего и нижнего черпания) сразу на полную глубину, а породу грузить в автосамосвалы на уровне, выше и ниже уровня стояния (рис.4.)

На открытых разработках за рубежом работают различные по мощности (с ковшами вместимостью от 2,2 до 16 м3) гидравлические обратные лопаты фирм: «Demag», «Liebherr» и «Orenstein and Koppel» (Германия), «Koehring» и «Caterpillar» (США), «Hitachi» (Япония), «Poclain» (Франция) и др. Обратные лопаты «Caterpillar-375» появились в последние годы и на разрезах Кузбасса.

Техническая характеристика базовых моделей кранлайна и некоторых марок гидравлических обратных лопат приведена в табл. 4.

Эти экскаваторы (по сравнению с мехлопатами) благодаря своим конструктивным особенностям (наличию верхнего (hE) и нижнего (h^ черпания, больших линейных параметров

- у кранлайнов и нижней погрузки - у обратных лопат) более соответствуют условиям разработки наклонных месторождений.

Однако их возможности по прочерпыванию и угольно-

Рис. 5. Графики для определения параметров траншеи по глубине (hp) при проходке ее различными типами и марками экскаваторов (по условию полного прочерпывания угольнопородного контакта):! - «Demag» Н - 241; 2 - ЭГО-8; 3 -«Caterpillar-375» ; 4 - кранлайн - ДШП 10.38; р- угол падения пластов, град.

породного контакта также различны и графически представлены на рис.5.

Из графиков рис.5 видно, что при проведении разрезных траншей на наклонных месторождениях кранлайны могут быть целесообразно использованы во всем диапазоне углов падения и особенно менее 30350, а область эффективного применения обратных лопат -это месторождения с углами падения более 350.

Рассмотрим технологию и последовательность проведения работ при нарезке нового горизонта обратной лопатой ЭГО-8.

Проходку разрезной траншеи и обработку пласта угля экскаватор осуществляет за три прохода (рис.6).

Первоначально, располагаясь на верхней площадке, экскаватор ЭГО-8 с использованием нижнего черпания проходит траншею по породе на глубину

hi=8M. Погрузка породы в автосамосвалы БелАЗ-75491 (грузоподъемностью 75т) производится на горизонте установки экскаватора. При втором проходе экскаватор также с нижним черпанием на указанную выше глубину последовательно отрабатывает оставшуюся в кровле пласта часть вскрышных пород и непосредственно угольный пласт.

Автомобильная трасса при втором проходе экскаватора прокладывается у противоположного борта траншеи, т.е. со стороны почвы пласта. Загрузка автосамосвалов горной массой производится также на уровне стояния экскаватора. Третий проход экскаватор совершает, находясь на промежуточном горизонте. Обратная лопата с использованием нижнего черпания проходит траншею на глубину ^=7м (недостающую до полной высоты нарезаемого горизонта, равной 15м). Вскрышные породы и уголь вынимаются раздельно и грузятся в автосамосвалы, которые устанавливаются ниже уровня стояния экскаватора, т.е. на дне разрезной траншеи (В=23м). При последнем - третьем проходе экскаватор ЭГО-8 работает с нижней погрузкой.

Параметры проходки разрезной траншеи определялись следующим образом:

hi = {0,8 - 0,9)• Hнmax, м; h2 = (0,7 - 0,8 УН н max,м;

B =(i,i ~ 1,3)‘ R чу max, м.

Несмотря на то, что при применении обратной лопаты ЭГО-8 проходка разрезной траншеи и отработка пласта ведется в два слоя (^=8м, ^=7м), дополнительных потерь угля от зачистки рабочей площадки не образуется, т.к. на промежуточном горизонте нет транспортной полосы по вывозке угля и породы. Автомобильные трассы размещаются только на верхней площадке и на дне траншеи.

За счет лучшего использования во времени на основной

работе - выемке и погрузке горной массы и меньшего цикла экскавации (например, при

нижнем черпании и погрузке ниже уровня стояния) обратная лопата ЭГО-8 при проходке разрезной траншеи в два слоя имеет сменную производительность, равную 2847м3, которая на 15-20% выше, чем мехлопа-ты с такой же вместимостью ковша ЭКГ-8и (табл. 3).

Кроме рассмотренного,

возможны и другие варианты технологических схем нарезки нового горизонта с применением гидравлической обратной лопатой. В частности, обратная лопата, установленная сразу на промежуточном горизонте, может отрабатывать верхний слой траншеи с верхним черпанием и верхней погрузкой, а нижний - с нижним черпанием и погрузкой ниже уровня своего стояния. При этом для нарезки нового горизонта потребуется всего два прохода экскаватора.

Таким образом, для нарезки нового горизонта высотой

Н=15м и отработки наклонного пласта угля (в данном примере Ф=35°) мехлопата ЭКГ-12,5 необходимо сделать 6 проходов, а обратной лопате ЭГО-8 - наполовину меньше. Кранлайну

ДШП 10.38 вообще достаточно одного прохода (рис. 6). Это свидетельствует о том, что выемочно-погрузочные машины, обладающие верхним и нижним черпанием и погрузкой на уровне, выше и ниже уровня установки экскаватора более технологичны при проведении разрезных траншей и отработке наклонны пластов угля, лучше используются во времени на основной работе и позволяют нарезать новый горизонт сразу на полную высоту без дополнительных потерь угля.

Необходимо также отметить, что за счет работы с нижним черпанием и погрузки горной массы в автосамосвалы на уровне установки экскаватора сокращается расстояние транспортирования угля и породы, а проходка разрезной траншеи сразу на полную глубину спо-

Рис. 6. Технология проходки разрезной траншеи и отработки наклонного пласта угля экскаваторами:

а) гидравлической обратной лопатой ЭГО-8;б) кранлайном ДШП 10.38.

собствует уменьшению протя- довательно, затрат на строи- рог.

женности, объему работ и, сле- тельство и содержание автодо-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ненашев А. С., Ермолаев В.АА., Рыбаков Б.Н. Снижение потерь угля на разрезах Кузбасса. ЦНИЭИ уголь. Обзор. Выпуск 5. М., 1981. 41с.

2. КузнецовВ.И., Ермолаев В.А., Ташкинов А.С., Ненашев А.С. Новые решения в технологии ведения горных работ на разрезах Кузбасса. Кемеровское книжное изд-во. Кемерово, 1994. 152с.

3. Трубецкой К.Н., Киселев Н.Н., Домбровский А.Н. и др. Кранлайн - новый вид шагающего драглайна. Горная промышленность № 3, 1999. С. 32-35.

4. Домбровский А.Н., Сидоренко И.А., Сеинов Н.П., Котровский М.Н. Технико-экономические преимущества применения кранлайнов для технического перевооружения карьеров. Горная промышленность № 2, 2000.С. 52-55.

5. Типовые технологические схемы ведения горных работ на угольных разрезах. -М.: Недра, 1982. 405с.

6. Томаков П.И., Ненашев А.С., Рыбаков Б.Н. Гидравлические обратные лопаты для разработки сложноструктурных месторождений Кузбасса. ЦНИЭИ уголь. Обзор. Выпуск 2. М., 1984. 50с.

7. Степка Р. Карьерные и строительные гидравлические экскаваторы серии BRAWAL. Горная промышленность № 3, 2001. С. 49-50.

8. Концепция развития открытого способа добычи угля в Российской Федерации до 2010 г. (аспекты научнотехнического прогресса). - М.: ЦНИЭИ уголь, 1995. 135 с.

□ Авторы статьи:

Ненашев Воронков

Анатолий Сергеевич Владимир Федорович

- канд. техн. наук, доц. каф. - канд. техн. наук. доц. каф.

разработки месторождений разработки месторождений

полезных ископаемых полезных ископаемых

открытым способом открытым способом