ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. На современном этапе реструктуризации угольной отрасли, характеризующемся возрастающими объёмами строительства новых и реконструкции действующих шахт, весьма важной задачей является техническое и технологическое обеспечение широкого применения погоризонтной подготовки запасов угольных пластов с отработкой их лавами по восстанию, при которой достигается значительное снижение первоначальных капитальных затрат и срока строительства, значительно удешевляются и упрощаются схемы транспорта, вентиляции и водоотлива, уменьшается объём охранных угольных целиков.
Область применения погоризонтной подготовки и отработки запасов угольных пластов выемочными столбами по восстанию ограничивается по углу их залегания, так как при этом имеет место ряд существенных отличий по сравнению с отработкой запасов выемочных столбов по простиранию, обусловленных, в частности, необходимостью обеспечения поперечной устойчивости выемочных машин, производительностью забойного конвейера, удержанием работающего комбайна в забое и смазкой редукторов.
В то же время отличительные особенности струговой технологии в сравнении с комбайновой и опыт эксплуатации струговых установок убедительно показали большие перспективы использования их при выемке лавами по восстанию. Недостаточная изученность вопроса обоснования возможности эффективной эксплуатации струговых механизированных комплексов в лавах, движущихся по восстанию, позволяет с должной объективностью квалифицировать исследования, направленные на решение этой важной задачи, как весьма актуальные.
Идея работы заключается в реализации системного подхода к разработке геотехнологических моделей взаимодействия функциональных элементов механизированных комплексов с углевмещающим массивом, адекватно отображающих специфику проявлений внешней среды и характеристик изменений
пространственной ориентации их при отработке запасов выемочных столбов по восстанию.
Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий научное обобщение и анализ производственного опыта, аналитические методы исследования с применением математической статистики и теории вероятности, а так же корреляционный и регрессионный анализ, натурные исследования с использованием апробированных и разработанных автором методик.
Основные научные положения:
-обеспечение высокопроизводительных и безопасных условий эксплуатации струговых комплексов в очистных забоях выемочных столбов по восстанию достигается за счёт направления потока угля на конвейерный став или в призабойное пространство между конвейером и лавою при любом варианте характера обрушения верхней пачки угольного пласта;
- негативное влияние поперечного наклона струговой установки на работу механизированного комплекса может компенсироваться регулированием высоты завального борта става конвейера без потери его производительности;
- предотвращение сползания нижних слоев непосредственной кровли в выработанное пространство лавы при выемке по восстанию обеспечивается за счёт превышения начальным распором крепи величины, определяемой в соответствии с геотехнологической моделью механизма взаимодействия механизированной крепи с кровлей пласта;
- выбор схем подготовки пластов и параметров технологии струговой выемки угля в лаве по критериям эффективности и безопасности работ следует производить с учётом приоритета технологии струговой выемки по восстанию пластов с углами падения до 18°.
Достоверность и обоснованность научных положений выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:
- представительным объёмом шахтных исследований технологии струговой выемки угля на шахтах Восточного Донбасса;
- удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований и стендовых испытаний с данными практики (расхождение не превышает 15%);
-положительными результатами промышленной апробации технологии струговой выемки угля лавами по восстанию.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- установлено, что при любом варианте характера обрушения верхней пачки угольного пласта возможно обеспечение высокопроизводительных и безопасных условий эксплуатации струговых комплексов в очистных забоях выемочных столбов по восстанию до 18°;
- доказано, что при поперечном наклоне конвейеров серийных струговых установок до 18° не происходит потери их расчётной производительности.
- обоснована возможность исключения разрушения кровли и образования породных блоков, склонных к сдвижению в выработанное пространство, при превышении уровня распора гидростоек в зависимости от типа крепи 0,65 -0,85 от величины сопротивления в конце цикла.
Практическое значение работы состоит:
1. Проведенными исследованиями доказана возможность эксплуатации струговых механизированных комплексов в лавах, отрабатывающих по восстанию угольные пласты с углами падения до 18° при местных увеличениях до угла падения 24°.
2. Разработаны и запатентованы 5 способов управления уровнем распора мехкрепи в зависимости от проявлений горного давления.
3. Разработано и запатентовано перекрытие крепи способное ликвидировать зависания верхней пачки угля.
4. Разработан и запатентован способ управления направленностью движения механизированной крепи.
5. Разработаны методики расчёта основных параметров струговых механизированных комплексов при отработке угольных пластов по восстанию.
Реализация работы в промышленности. Результаты исследований автора использованы при проектировании струговых механизированных комплексов 2МКС125 и 2МКС 216, что обеспечивает расширение области их применения для отработки запасов угольных пластов с углами падения до 18° лавами по восстанию.
1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Существующие решения и направления развития технологии отработки угольных пластов по восстанию
Системы разработки угольных пластов длинными столбами по восстанию применялась в Донецком бассейне уже в начале двадцатого века [1]. В 1911 году их удельный вес в добыче составлял — 7,8%; длинные столбы по простиранию — 38,4% [2]. В 20-30-е годы прошлого века Л.Д. Шевяковым были разработаны и описаны несколько вариантов систем разработки длинными столбами по падению и восстанию [3].
С шестидесятых годов в ДонУГИ совместно с ДЛИ совершенствуется технология отработки пластов по восстанию [4]. В семидесятые годы ДонУГИ была предпринята первая в СССР попытка создания специального комбайнового комплекса для пластов пологого (до 12°) падения вынимаемой мощностью от 1,0 до 2,0 м, отрабатываемых лавами по восстанию [5]. В восьмидесятые годы проводились испытания двух опытных образцов комплексов КМВ88, отрабатывающих по восстанию пласты мощностью 1,0-1,3 м с углом падения до 18° [6].
Расчёт технико-экономической эффективности внедрения комбайнового мехкомплекса, способного отрабатывать по восстанию угольные пласты мощностью 1,15-1,9 м с углом падения до 12°, выполненный ДонУГИ, показал существенное снижение себестоимости угля (12,7%). В целом возможный экономический эффект от внедрения комбайновых комплексов, отрабатывающих угольные пласты по восстанию на углах до 18° мог составить только по Украинской части Донбасса 38 млн. руб. в год (в ценах 1972 года) [7].
Погоризонтный способ подготовки имеет ряд существенных преимуществ перед панельным и этажным, поэтому нормативные документы Минуг-лепрома СССР [8, 9] предписывали отдавать ему предпочтение при подготовке
шахтных полей. В справочниках, в учебниках, в монографиях этот способ также признавался наиболее прогрессивным, и приводились многочисленные варианты схем погоризонтной подготовки [10, 11, 12, 13, 14, 15]. Очень большая работа проведена по изучению и определению оптимальных параметров при вскрытии и подготовке шахтных полей, отрабатываемых по восстанию (падению) [16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]. Постоянно велась работа по совершенствованию и модернизации технологических схем, например: для глубоких газовых шахт [25, 26], для участков со спаренными лавами [27, 28, 29, 30], для порядка отработки блоков [31], пластов в свите [32], горизонтов [33], выемочных участков [34, 35, 36], для диагонального расположения столбов [37], для системы разработки в целом [38, 39, 40, 41, 42].
Имелся большой опыт работы лав по восстанию (падению), как у нас в стране [43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52], так и за рубежом: в ПНР [53], во Франции и ФРГ [54]. Имеется много рекомендаций по расширению области применения данной технологии [55, 56, 57], однако даже на пластах с углом падения до 10° она не получила подавляющего распространения и остаётся как бы нетрадиционной. Как справедливо отмечалось в [58] не существует даже единой терминологии.
Поэтому необходимо более подробно остановиться на недостатках и отличительных особенностях данной технологии:
- увеличение объёма наклонных подготовительных горных выработок;
- изменение схем транспорта, вентиляции, водоотлива;
- работа забойного оборудования при поперечном угле наклона.
Погоризонтный способ подготовки угольных пластов отличается от других способов подготовки полным отсутствием наклонных горных выработок, незначительным увеличением относительной длины капитальных горизонтальных горных выработок и расположением участковых горных выработок вдоль линии падения пласта (участковые ходки).
Проходческое оборудование позволяет проходить наклонные выработки: комбайновыми комплексами "Кузбасс" (КН5Н) до 35°, "Союз 19" до 40°, ком-
10
байнами серии ГПКС - 20° по восстанию и до 25° по падению, погрузочными машинами 1ПНБ2У и ППН7 до 25° и ППН5У до 18° [59, 60, 61], а скреперными погрузчиками СКУ1, СКМ600 - выработки с углами падения до 35° [62].
Разработано технологическое обеспечение проведения наклонных выработок, оконтуривающих выемочные столбы. Проведены многочисленные научно-исследовательские работы: по определению наиболее рациональных форм и размеров сечения выработок [63], по совершенствованию технологии проведения [41, 64, 65, 66] и охраны горизонтальных и наклонных подготовительных выработок [67, 68, 69, 70, 71, 72].
При сравнении стоимостных параметров поддержания подготовительных ходков и штреков некоторые авторы считают, что они практически равны [73, 74], другие, что намного дешевле в эксплуатации ходки [4, 47, 67, 75, 76].В основном стоимость охраны и ремонта горных выработок зависит от горно-геологических и горнотехнических условий, например, от угла между направлением кливажа пород кровли и осью выработки [77].
Необходимый объём проведения выработок при погоризонтном способе подготовки, значительно ниже, чем при панельном. В Карагандинском бассейне удельная протяжённость проводимых подготовительных выработок на 1000 т угля при погоризонтном способе подготовки меньше, чем при панельном, в 1,41 раза, охраняемых в 1,73 раза, в Печорском бассейне соответственно в 1,69 и в 3,3 раза, в Донбассе в 1,2 ив 1,16 раз [15].
В пользу погоризонтного способа свидетельствует также тот факт, что при панельной подготовке у штреков, пройденных без нарушения кровли пласта, значительно искажается заданное поперечное сечение. Перепад высот у боков штрека шириной 4 м составит 0,85 м при угле падения пласта 12° и 1,3 м при 18°.
Выработки, предназначенные для размещения в них ленточных конвейеров должны быть прямолинейны в плоскости лент этих конвейеров. Для удобства погрузки горной массы в пункте лавный конвейер — конвейер подготовительной выработки - выработка должна быть пройдена с нижней или смешан-
11
ной подрывкой, желательно постоянной высоты. А для организации самотечного водоотлива выработка должна иметь постоянный уклон в одну сторону.
Подготовительный штрек одновременно может соответствовать только двум из трёх перечисленных выше условий, а подготовительные ходки обычно сочетают все три.
Как правило, при проведении штреков отдают предпочтение удобству конвейеризации и технологичности на концевых участках лавы, вследствие чего, на пластах с волнистой гипсометрией (а таких подавляющее большинство) штреки получаются с зонами седловидных перегибов, в нижних точках которых необходимо сооружать водосборники и устанавливать насосы.
Это увеличивает эксплуатационные расходы, кроме того, насыщается водой пласт и почву нижерасположенного выемочного столба, это приводит к увеличению водопритока в лаву, а при слабой почве и кровле - к потере их устойчивости. На газовых шахтах перегибы штреков ещё и осложняют проветривание, так как в верхних точках штреков может скапливаться газ метан.
Рассмотрим теперь возможность эксплуатации ленточных конвейеров в наклонных подготовительных выработках. Большинство конвейеров предназначено для выработок с углом падения до 18°. Конвейеры ЗЛН80 и 1ЛКН100 могут работать на углах до 25°, 2ЛКН2 до 32°, а конвейерами 2ЛКШ60А, 2ЛКН160Б и 2ЛКН160В могут оборудоваться выработки с углом падения от 20 до 35° [78].
В ДонУГИ были проведены испытания специальных ленточных конвейеров для участковых подготовительных выработок, способных работать на углах 18° [79], 35° [80], а также был спроектирован транспортный комплекс, позволяющий механизировать не только откатку угля, но и доставку людей и грузов к лавам, движущимся по восстанию [81].
Скребковыми конвейерами транспортирование горной массы возможно вверх под углом до 35° и вниз до 25°. Для транспортирования вниз на больших углах возможно применение самотечного способа по глухим рештакам, желобам, трубам или тюбинговым углеспускам [54].
12
Для доставки людей и вспомогательных грузов при работе лав по восстанию в наибольшей степени подходят монорельсовые дороги. Они могут использоваться на углах до 18° - 6ДМКУ, до 25° - ДМКУ и до 35° - ДМКМ при длине транспортирования до 2000 ми максимальной грузоподъёмности 6ДМКУ - 8000 кг, а ДМКУ и ДМКМ - 12000 кг. Канатные напочвенные дороги в выработках с углом наклона до 10° - ДКНЛ и до 20° - ДКНГ при длине транспортирования соответственно 1000 ми 2000 м и допустимой общей массой поезда 5000 кг и 9000 кг [82].
Поэтому если учесть, что при погоризонтной подготовке сокращается длина транспортной цепочки и уменьшается число пересыпов угля, упрощаются схемы транспорта, вентиляции и водоотлива, то можно считать, что эти технологические операции не могут создавать ограничений на применение погоризонтной подготовки.
В ряде работ [4, 15, 20, 23, 45, 46, 83, 84, 85, 86] производится сопоставление технико-экономических показателей участков и шахт при выемке по восстанию и простиранию в близких друг к другу горно-геологических и горнотехнических условиях или производится сравнение усреднённых данных. Но очень широкий спектр условий, изменяющихся в широких пределах, осложняет такое сравнение, и главное сильно искажает результат.
Поэтому многие авторы [4, 20, 87, 88, 89, 90] производят технико-экономический анализ на основе методов статистики и экономико-математических моделей.
Для общего качественного анализа это, безусловно, наиболее подходящие методы. Однако для конкретных условий выемочного поля шахты или её части эти методы не могут дать неоспоримого, верного результата для обоснования предпочтительности выемки по восстанию перед выемкой по простиранию. Поэтому более правильным будет проведение сравнительного анализа двух технологий после проведения качественной оценки сравниваемых вариантов, отработки критериев их оптимальности и принятия определённых технических решений.
13
Само сравнение следует производить только при выборе технологии для конкретных горно-геологических условий конкретных шахтных полей или их отдельных участков при учёте сложившихся технических и технологических решений [92, 93, 94], причём выводы из этих сравнений, по-видимому, не всегда можно распространять даже на похожие условия.
Но, не смотря на это из приведенных примеров технико-экономического анализа можно сделать некоторые выводы.
Исследованиями [20, 88] установлено, что в широком диапазоне условий затраты отдельно на подготовку пластов, на охрану выработок, на вентиляцию, водоотлив, транспорт, а также в целом значительно ниже при отработке по восстанию, чем при отработке по простиранию в диапазоне углов падения пласта от 0 до 35°. Но при этом отмечается, что комбайновая технология по восстанию эффективнее только на углах падения пласта до 6° [20, 40, 48, 85, 86, 96].
Кроме угла падения пласта, ни его мощность, ни газообильность, ни обводнённость, ни глубина разработки, ни размеры шахтного поля не являются факторами, исключающими применение технологии отработки по восстанию [20, 26, 88].
В табл. 1.1 - 1.3 приведены основные технико-экономические показатели работы очистных забоев при различных вариантах системы разработки длинными столбами по простиранию и восстанию (падению) за период максимального развития добычи угля в Донецком бассейне.
Анализ данных табл. 1.1 - 1.3 показал, что максимальное превышение показателей для технологии отработки угольных пластов по восстанию (падению) в сравнении с простиранием наблюдалось в ПО «Ростовуголь», в производственных объединениях Украинского Донбасса оно было меньше, а в ПО «Гуков-уголь» показатели были значительно ниже.
Главной причиной такого различия можно считать то, что в ПО «Ростовуголь» по восстанию в основном применялись только струговые комплексы, в производственных объединениях Украинского Донбасса, как струговые комплексы, так и комбайновые, а в ПО «Гуковуголь» только комбайновые. Причём
14
в ПО «Гуковуголь» по восстанию отрабатывались пласты с углами залегания до 12°.
Таблица 1.1. Основные технико-экономические показатели работы очистных забоев на шахтах Украинского Донбасса
Показатели Направление выемки угля В среднем за период
1970-1975 1976-1980 1980-1985
Среднедействующее число забоев простирание 513,9 537,7 581,1
восстание 162,5 234,8 270,4
отношение, % * 31,6 43,7 46,5
Среднегодовая добыча, млн. т. простирание 82,6 81,7 75,8
восстание 27,6 38,4 40,7
отношение, % * 33,4 47,0 53,7
Среднесуточная нагрузка, т/сут. простирание 507,3 450,0 370,2
восстание 516,7 505,4 428,5
отношение, % * 101,9 112,3 115,8
Производительность рабочего в лаве, т/вых. простирание 8,40 7,66 6,50
восстание 7,95 7,45 6,61
отношение, % * 94,6 97,3 101,7
Таблица 1.2. Основные технико-экономические показатели работы очистных забоев ПО «Ростовуголь»
Показатели Направление выемки угля В среднем за период
1970-1975 1976-1980 1980- 1985
Среднедействующее число забоев простирание 92,2 99,6 99,5
восстание 4,9 10,5 15,9
отношение, % * 5,3 10,5 16,0
Среднегодовая добыча, млн. т. простирание 12,25 13,64 12,34
восстание 1,16 1,76 2,84
отношение, % * 9,5 12,9 23,6
Среднесуточная нагрузка, т/сут. простирание 436,0 464,8 419,2
восстание 760 504,8 482,1
отношение, % * 174,3 108,8 115,0
Производительность рабочего в лаве, т/вых. простирание 9,04 9,33 8,74
восстание 12,33 9,37 9,05
отношение, % * 136,4 100,3 103,5
Поэтому представляют большой интерес данные по основным технико-экономическим показателям работы струговых комплексно-механизированных
* в этой строчке приведено отношение показателей при технологии по восстанию к технологии по простиранию в процентах
15
очистных забоев при различных вариантах системы разработки длинными столбами по простиранию и восстанию за 1986 год, приведенные в табл. 1.4.
Таблица 1.3. Основные технико-экономические показатели работы очистных забоев ПО «Гуковуголь»
Показатели Направление выемки угля В среднем за период
1970-1975 1976-1980 1980-1985
Среднедействующее число забоев простирание 26,95 30,2 31,2
восстание 3,9 6,0 5,7
отношение, % * 14,5 19,9 18,3
Среднегодовая добыча, млн. т. простирание 5,69 6,48 7,37
восстание 0,42 0,61 0,68
отношение, % * 7,4 9,4 9,2
Среднесуточная нагрузка, т/сут. простирание 678,3 638,9 669,9
восстание 347,7 306,2 340,2
отношение, % * 51,2 47,9 50,8
Производительность рабочего в лаве, т/вых. простирание 11,42 9,86 9,81
восстание 7,94 8,49 6,72
отношение, % * 69,6 86,0 68,5
Таблица 1.4. Основные технико-экономические показатели работы струговых комплексно-механизированных очистных забоев при различных вариантах системы разработки длинными столбами по простиранию и восстанию
Показатели Направление выемки угля Украинский Донбасс ПО «Ростовуголь»
Количество очистных забоев, шт. простирание 14 31
восстание 24 7
отношение, % * 171,4 22,6
Общая добыча, тыс. т. простирание 1029,4 3274,8
восстание 2690,0 1304,3
отношение, % * 261,3 39,8
Среднесуточная нагрузка, т/сут. простирание 388 567
восстание 529 964
отношение, % * 136,3 170,0
Производительность рабочего в лаве, т/вых. простирание 9,0 12,5
восстание 11,3 22,2
отношение, % * 125,6 177,6
*в этой строчке приведено отношение показателей при технологии по восстанию к технологии по простиранию в процентах
16
По данным табл. 1.4 видно, что основные технико-экономические показатели струговой технологии отработки угольных пластов по восстанию существенно превосходят показатели струговых забоев, работающих по простиранию. Основными причинами этого можно считать: повышенный отжим угля при работе по восстанию и отсутствие сползания струговой установки и крепи.
Возможная область применения струговой технологии отработки угольных пластов, определённая исследованиями, проведенными ОАО «ШахтНИ-УИ», представлена в табл. 1.5 — 1.8.
Таблица 1.5. Область применения струговой технологии выемки угольных пластов в Кузнецком бассейне
Угол падения пласта Промышленные запасы, млн. т
До 0,9 м 0,91 -1,4 м Более 1,41 м
Менее 8° 5,93 21,87 1,92
9-18° 124,55 392,83 44,84
Более 18° 73,65 244,45 13,02
Таблица 1.6. Область применения струговой технологии выемки угольных пластов в Печорском бассейне
Угол падения пласта Промышленные запасы, млн. т
До 0,9 м 0,91-1,4 м Более 1,41 м
Менее 8° 0,69 1,93 0,39
9-18° 35,58 206,86 20,42
Более 18° 7,62 26,36 0
Таблица 1.7. Область применения струговой технологии выемки угольных пластов в границах Российского Донбасса
Угол падения пласта Промышленные запасы, млн. т
До 0,9 м 0,91 - 1,4 м Более 1,41 м
Менее 8° 0 0 0
9-18° 1,49 17,03 1,44
Более 18° 0 7,05 0
Анализируя данные таблиц легко сделать вывод, что по всем бассейнам в отдельности и в целом по России наибольшая часть запасов, пригодных для струговой добычи, находится в диапазоне углов от 9 до 18°, при мощности от
17
0,9 до 1,4 м. Расширив область применения струговой выемки по восстанию до 18° можно очень существенно увеличить возможность применения погори-зонтной подготовки.
Таблица 1.8. Область применения струговой технологии выемки угольных пластов по Российской Федерации
Угол падения пласта Промышленные запасы, млн. т
До 0,9 м 0,91-1,4м Более 1,41 м
Менее 8° 6,62 23,80 2,31
9-18° 161,62 616,72 66,70
Более 18° 81,27 277,86 13,02
Поэтому возникает необходимость рассмотреть особенности эксплуатации выемочного оборудования в лавах, имеющих поперечный угол наклона, то есть движущихся по восстанию.
Наличие поперечного угла наклона в очистном забое сказывается не только на условиях работы и взаимодействия лавного оборудования, но и на поведении угольного забоя и боковых пород.
В ряде работ [20, 84, 85, 95, 98, 99, 100, 101, 102, 103] отмечается, что в лавах, движущихся по восстанию, возрастают проявления отжима угля, а в лавах, движущихся по падению, устойчивость угольного забоя значительно повышается [20, 100, 104, 105]. Поэтому крепи, работающие по восстанию на пластах выше средней мощности, оснащают устройствами по удержанию груди забоя [20, 54, 102]; а для снижения последствий увеличения обнажения кровли, вследствие обрушения угольного забоя в зоне отжима, рекомендуется удлинять передние консоли или применять выдвижные верхняки [20, 54, 84, 100, 101].
Для повышения безопасности работ в комбайновых очистных забоях, движущихся по восстанию, применялась опережающая выемка угля верхней пачки пласта [20, 54], а в струговых лавах на пластах 2,5-3,0 м наклон верхней части исполнительного органа на забой [106].
Попытка наклона комбайна на забой привела к оставлению треугольных ступеней в почве и кровле пласта [86]. |
