Способ открыто-подземной разработки пологого угольного пласта и шагающая крепь для его осуществления
METHOD OF OPEN-UNDERGROUND DEVELOPMENT OF A FLAT COAL BED AND WALKING SUPPORT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горному делу, в частности к доработке приконтурных запасов угольного разреза комплексом глубокой разработки пластов (КГРП), и может быть использовано для механизации работ, производимых при извлечении оборудования КГРП после аварии, вызванной обрушением пород кровли в проведенную выработку.
Известен способ открыто-подземной разработки пологого угольного пласта, включающий предварительную подготовку фронта очистных работ планированием рабочей площадки на уступе борта разреза, монтаж на ней КГРП, выемку угля указанным комплексом с одной стороны от рабочей площадки проведением выработки прямоугольного сечения, выдачу отбитого угля из выработки и погрузку его на рабочей площадке в транспортное средство или складирование в штабель, а также извлечение оборудования КГРП по той же самой выработке на рабочую площадку. [Нецветаев А.Г. Технология добычи угля с применением комплекса глубокой разработки пластов / А.Г. Нецветаев, Л.Н. Репин, А.В. Соколовский // Уголь. - 2004, №11. - С. 41-43] (аналог способа).
Недостатком способа является то, что обрушение пород кровли в проведенную выработку до извлечения оборудования КГРП делает процесс извлечения оборудования на рабочую площадку весьма опасным и требующим больших затрат труда и времени, так как дробление крупногабаритных кусков породы и погрузку породы в транспортное средство осуществляют вручную. При этом обслуживающий персонал располагается в опасной зоне. Этот недостаток не только сокращает область применения КГРП, ограничивая ее пластами с устойчивой кровлей, но и снижает эффективность и безопасность добычи угля с использованием указанного комплекса.
В качестве прототипа принят способ открыто-подземной разработки пологого угольного пласта, включающий предварительную подготовку фронта очистных работ путем вскрытия пласта и планирования рабочей площадки по линии простирания на уровне почвы разрабатываемого пласта, монтаж на рабочей площадке комплекса оборудования типа КГРП, выемку угля в стороне от рабочей площадки путем проведения параллельных выработок прямоугольного сечения, выдачу отбитого угля по выработке на рабочую площадку и погрузку его в транспортное средство или складирование в штабель, одновременно с проведением каждой выработки вслед за подвиганием забоя перемещают шагающую крепь, оснащенную средствами технического зрения - видеокамерами, посредством которых ведут дистанционное наблюдение за состоянием потолочины вблизи забоя выработки, по достижении забоем места, угрожающего вывалом пород кровли, потолочину выработки вблизи режущего органа КГРП поддерживают опорными балками шагающей крепи с установкой решетчатой затяжки, а потолочину за шагающей крепью поддерживают возведением анкерной крепи с той же решетчатой затяжкой [Пат. RU 2760269 C1, 23.11.2021, бюл. № 33] (прототип способа).
Недостатками прототипа способа являются:
- возведение анкерной крепи требует присутствия людей в зоне крепления, т.е. люди должны пройти по незакрепленной части выработки, что запрещено Правилами безопасности;
- в случае если обрушение пород кровли в пространстве между режущим органом КГРП и шагающей крепью все же произошло, работы по восстановлению выработки для извлечения оборудования КГРП придется вести вручную, что не эффективно и весьма опасно;
- перед вытягиванием оборудования КГРП необходимо извлечь саму шагающую крепь, что может спровоцировать повторное обрушение пород кровли, так как шагающая крепь поддерживает кровлю на достаточно большой площади.
Известна крепь, состоящая из секций, включающих телескопические стойки, траверсы с опорными балками, соединенные между собой направляющими и гидродомкратами передвижения, причем телескопическая стойка снабжена опорным гидродомкратом, шарнирно соединенным со стойкой и траверсой, а траверса - распорным гидродомкратом, цилиндр которого соединен посредством цапфы со стойкой [а.с. СССР SU 237777 A1, 20.11.1969, бюл. № 9] (аналог крепи). Недостатком данной крепи является то, что работа телескопических стоек носит пассивный, зависимый характер, так как усилие, необходимое для поддержания кровли выработки, осуществляется опорными гидродомкратами, шарнирно соединенными с телескопическими стойками и траверсами. Поскольку опорные домкраты установлены под углом к оси телескопических стоек, то под воздействием их усилий телескопические стойки, прежде всего, будут поворачиваться в шарнирных соединениях в траверсах и прижиматься своими направляющими к бортам выработки. При этом усилие, необходимое для поддержания кровли выработки уменьшается вследствие потерь на преодоление сил трения между бортами выработки и прижатыми к ним перемещающимися в сторону почвы направляющими, что не обеспечивает надежность поддержания кровли выработки.
Наиболее близкой к заявляемой крепи по технической сущности и совокупности существенных признаков является шагающая крепь, состоящая из двух секций, передовой и отстающей, соединенных между собой гидродомкратами передвижки, каждая из которых содержит траверсы с опорными балками и распорные гидростойки, причем поршневые полости распорных гидростоек снабжены гидрозамками, каждая опорная балка связана с траверсой сверху через проставку, а ширину промежутка между соседними опорными балками принимают не менее диаметра прижимной шайбы используемой при анкерном креплении выработки [Пат. RU 2760269 C1, 23.11.2021, бюл. № 33] (прототип крепи).
Недостатками прототипа шагающей крепи являются:
- наличие жесткой связи каждой гидростойки с соответствующей траверсой, не позволяющее изменить расстояние между гидростойками для обеспечения необходимой ширины пространства для эффективного и безопасного извлечения оборудование очистного комплекса;
- передвижка передовой секции возможна только при надежной фиксации за счет распорного усилия отстающей секции и наоборот; при протяженных вывалах пород кровли возможен вариант, когда ни одна из секций не сможет распереться между почвой выработки и ее кровлей, а куски породы, лежащие на почве выработки, станут препятствием, не позволяющим осуществить передвижку.
Эти недостатки снижают эффективность и безопасность открыто-подземной добычи угля комплексом глубокой разработки пласта.
Целью изобретения является повышение эффективности и безопасности ведения горных работ при открыто-подземной добыче угля комплексом глубокой разработки пласта путем временного поддержания рабочего пространства аварийной выработки шагающей крепью, допускающей изменение поперечного сечения, и разборки завала в случае обрушения пород кровли в проведенную выработку, препятствующего извлечению оборудования комплекса, средствами механизации, конструктивно и кинематически связанными с шагающей крепью.
Поставленная цель достигается тем, что в способе открыто-подземной разработки пологого угольного пласта, включающем монтаж на рабочей площадке уступа борта разреза комплекса глубокой разработки пласта, выемку угля указанным комплексом с одной стороны от рабочей площадки проведением выработки прямоугольного сечения, выдачу отбитого угля из выработки шнековым транспортером и погрузку его на рабочей площадке в транспортное средство или складирование в штабель, извлечение оборудования комплекса по той же самой выработке на рабочую площадку вытягиванием шнекового транспортера, а в случае обрушения пород кровли в проведенную выработку и образования вывала, препятствующего извлечению оборудования комплекса, восстановление и расширение выработки с возведением в ней постоянной крепи подготовительной горной выработки, монтаж в восстанавливаемой выработке дополнительного транспортного средства - скребкового конвейера, дробление крупногабаритных кусков породы, погрузку породы в скребковый конвейер и транспорт породы на рабочую площадку, в соответствии с техническим решением в случае образования вывала обрушенных пород кровли, препятствующего извлечению оборудования комплекса, на рабочей площадке перед устьем выработки монтируют временную шагающую крепь прямоугольного поперечного сечения, оснащенную средствами механизации - гидромолотом для дробления крупногабаритных кусков породы и ковшами для погрузки породы в скребковый конвейер; шагающую крепь вводят в выработку и при каждом ее шаге в угольном массиве по обоим бортам выработки вырубают нишу шириной не менее ширины стойки постоянной крепи; возведение постоянной крепи осуществляют после прохода временной шагающей крепи и при этом каждую стойку располагают в соответствующей нише; по мере продвижения шагающей крепи наращивают скребковый конвейер; породу вывала гидромолотом, при необходимости, дробят до размеров транспортабельного куска и грузят ковшами в скребковый конвейер под шагающей крепью; в конце восстановленной части выработки гидромолот и ковши демонтируют, поперечное сечение временной шагающей крепи с прямоугольного меняют на трапециевидное с размещением нижней части каждой стойки в соответствующей нише; после извлечения оборудования комплекса поперечное сечение временной шагающей крепи с трапециевидного меняют на прямоугольное и затем шагающую крепь выводят на рабочую площадку и при этом демонтируют элементы постоянной крепи.
Поставленная цель достигается также тем, что в шагающей крепи для осуществления способа открыто-подземной разработки пологого угольного пласта, состоящей из двух секций, передовой и отстающей, соединенных между собой гидродомкратами передвижки, каждая из которых содержит траверсы с опорными балками и распорные гидростойки, каждая опорная балка передовой секции жестко связана с траверсами передовой секции через проставки, а каждая опорная балка отстающей секции аналогичным образом связана с траверсами отстающей секции, причем каждая опорная балка ориентирована перпендикулярно траверсе и установлена поверх траверс, в соответствии с техническим решением каждая гидростойка связана с траверсой с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения вдоль траверсы и углового перемещения в плоскости поперечного сечения крепи, каждая траверса передовой секции снабжена несколькими роликовыми опорами, ориентированными вдоль траверсы, каждая из которых установлена в створе с соответствующей опорной балкой отстающей секции, каждая траверса отстающей секции снабжена несколькими роликовыми опорами, ориентированными вдоль траверсы, каждая из которых установлена в створе с соответствующей опорной балкой передовой секции, к траверсам передовой секции в пространстве посередине между гидростойками снизу через неподвижную опору прикреплены прямолинейные направляющие, ориентированные параллельно опорным балкам и снизу кинематически связанные с гидромолотом, к траверсам отстающей секции, в пространстве между гидростойкой и краем траверсы, снизу через подвижные опоры прикреплены прямолинейные направляющие, ориентированные в плане параллельно опорным балкам, каждая из которых снизу кинематически связана с ковшом.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг 1 показана расстановка оборудования в устье аварийной выработки; на фиг. 2 - крепление выработки; на фиг 3 - шагающая крепь (аксонометрия); на фиг 4 - передовая секция; на фиг. 5 - траверса передовой секции; на фиг. 6 - отстающая секция; на фиг. 7 - траверса отстающей секции; на фиг. 8 - роликоопора; на фиг. 9 - поперечное сечение аварийной выработки (вид со стороны выработанного пространства разреза); на фиг. 10 - поперечное сечение выработки перед извлечением оборудования КГРП.
Способ осуществляют следующим образом. С рабочей площадки 1 на уступе рабочего борта разреза комплексом глубокой разработки пласта (КГРП) в составе, в том числе, выемочная машина 2 и шнековый транспортер 3 ведут очистные работы проведением тупиковой выработки 4 прямоугольного сечения. При этом отбитый уголь шнековым транспортером 3 выдается на рабочую площадку для вывоза или складирования на временном складе.
После проведения выработки 4 на заданную длину выемку угля останавливают, а выемочную машину 2 извлекают вытягиванием из выработки 4 ставом 3 шнекового транспортера. Затем передвигают оборудование КГРП на рабочей площадке уступа и начинают проведение следующей очистной выработки, параллельной предыдущей и т.д.
В случае обрушения пород кровли в проведенную часть выработки 4 и формирования вывала 5, препятствующего извлечению оборудования комплекса, на рабочей площадке 1 перед устьем выработки 4 монтируют временную шагающую крепь 6 прямоугольного поперечного сечения.
Шагающая крепь 6 - временная крепь, обеспечивающая поддержание рабочего пространства выработки, состоит из двух секций: передовой 7 и отстающей 8.
Передовая секция 7 включает две траверсы 9 и 10, опорные балки 11 и 12, жестко связанные с траверсами 9 и 10 через равновысокие проставки 13, и гидравлические стойки 14, 15 и 16, 17, шарнирно связанные с траверсами 9 и 10, соответственно.
Траверса 9(10) выполнена из двух отрезков двутавра длиной не более ширины проводимой выработки 4, установленных параллельно и вплотную друг к другу и жестко связанных друг с другом, например, сваркой соседних полочек. В центральной части снизу к траверсе прикреплена неподвижная опора-проставка 18(19), снабженная посадочными местами 20(21) и 22(23) для установки направляющих. По обеим сторонам от неподвижной опоры-проставки 18(19) также снизу установлены две подвижные опоры 24(25) и 26(27) для шарнирного крепления гидравлических стоек 14, 15 (16, 17) посредством оси 28. Каждая подвижная опора 24(25) и 26(27) дополнительно снабжена кронштейном 29(30) и 31(32). Сверху в траверсе 9 (10) выполнены проемы 33, 34, 35, 36, 37 и 38, равномерно распределенные по длине траверсы и обеспечивающие доступ в пространство между отрезками двутавра. На одной из боковых сторон траверсы 9(10) закреплены поршневые полости гидравлических домкратов раздвижки 39(40) и 41(42), штоки которых связаны с подвижными опорами 24(25) и 26(27).
Отстающая секция 8 включает две траверсы 43 и 44, опорные балки 45, 46, 47 и 48, жестко связанные с траверсами 43 и 44 через равновысокие проставки 13, и гидравлические стойки 49, 50 и 51, 52 шарнирно связанные с траверсами 43 и 44.
Траверса 43(44) выполнена из двух отрезков двутавра длиной не более ширины проводимой выработки 4, установленных параллельно и вплотную друг к другу и жестко связанных друг с другом сваркой соседних полочек. Каждая краевая часть траверсы снизу связана с подвижной опорой 53(54) и 55(56), каждая из которых, в свою очередь, снабжена одним или двумя посадочными местами 57(58), 59(60), 61(62) и 63(64) для установки направляющих. В пространстве между центральной частью и краевой зоной траверсы 43(44) также снизу связаны с подвижными опорами 65(66), 67(68) для шарнирного крепления гидравлических стоек 49,50 (51,52) посредством оси 28. Каждая подвижная опора 65(66), 67(68) дополнительно снабжена кронштейном 69(70) и 71(72). Сверху в траверсе 43(44) выполнены проемы 73, 74, 75, 76, 77 и 78, равномерно распределенные по длине траверсы и обеспечивающие доступ в пространство между отрезками двутавра. На одной из боковых сторон траверсы 43(44) закреплены поршневые полости гидравлических домкратов раздвижки 79(80) и 81(82), штоки которых связаны с подвижными опорами 65(66), 67(68).
Секции 7 и 8 доставляют к месту установки - устью выработки 4 - в разобранном виде. На месте монтажа траверсы 9, 10 и 43, 44 ориентируют поперек става 3 шнекового транспортера КГРП и располагают в рассечку, т.е. в пространстве между траверсами 9 и 10 устанавливают траверсу 43, а в пространстве между траверсами 43 и 44 - траверсу 10. При этом, траверсы 9 и 10 передовой секции 7 ориентируют таким образом, чтобы их боковые стороны, на которых размещены гидродомкраты раздвижки 39, 40, 41 и 42, были со стороны выработанного пространства разреза, а траверсы 43 и 44 отстающей секции 8, наоборот, чтобы гидродомкраты раздвижки 79, 80, 81 и 82 размещались на боковой стороне со стороны вывала 5. Кроме того, проемы 34 и 37 траверсы передовой секции 7 и проемы 73, 75, 76 и 78 отстающей секции 8 закрывают проставками 13, жестко закрепляемыми на соответствующей траверсе, а в проемы 33, 35, 36 и 38 передовой секции 7 и в проемы 74 и 77 отстающей секции 8 вставляют по роликовой опоре 83 таким образом, чтобы верхний край ролика выступал над верхней поверхностью траверсы.
Траверсы 9, 10 поднимают над ставом шнекового транспортера 3 и устанавливают на гидростойках 14, 15 и 16, 17, соответственно, шарнирно связывая их посредством оси 28. При этом гидростойки 14(16) и 15(17) устанавливают вплотную к ставу шнекового транспортера 3 по обеим его сторонам и перпендикулярно к соответствующей траверсе с использованием гидравлических укосин 84, шарнирно связанных с подвижными опорами 24(25) и 26(27).
Аналогичным образом поднимают над ставом шнекового транспортера 3 траверсы 43, 44 и устанавливают на гидростойках 49, 50 и 51, 52 с использованием гидравлических укосин 84, шарнирно связанных с подвижными опорами 65(66), 67(68).
Траверсу 10 передовой секции 7 связывают с траверсой 43 отстающей секции 43 гидродомкратами передвижки 85 (не менее двух).
Поверх траверс 9, 10 и 43, 44 укладывают опорные балки 11, 12 передовой секции и 45, 46, 47 и 48 отстающей секции. Опорные балки 11 и 12 жестко связывают через проставки 13 с траверсами 9 и 10, а опорные балки 45, 46, 47 и 48 аналогичным образом с траверсами 43 и 44. При этом опорные балки 11 и 12 будут располагаться точно над проемами 74 и 77, выполненными в траверсах 43 и 44, а опорные балки 45, 46, 47 и 48 - над проемами 73, 75, 76 и 78, выполненными в траверсах 9 и 10.
Снизу к траверсе 9(10) через опору-проставку 18(19) прикрепляют направляющие 86 и 87, ориентируя их параллельно опорным балкам и фиксируя в посадочных местах 20(21) и 22(23). На направляющих 86 и 87 располагают передвижной гидромолот 88.
К траверсам 43 и 44 через подвижные опоры 53 (54) прикрепляют направляющие 89 и 90, ориентируя их параллельно опорным балкам и фиксируя в посадочных местах 57 (58), 59 (60). На направляющих 89 и 90 располагают передвижной гидравлический ковш 91. К этим же траверсам через подвижные опоры 55 (56) прикрепляют направляющие 92 и 93 аналогичным образом, но фиксируя их в посадочных местах 61 (62), 63 (64). На направляющих 92 и 93 располагают передвижной гидравлический ковш 94.
Снизу на стойки 14 и 15 передовой секции 7 надевают «башмаки-лемехи» 95 и 96, соответственно, с возможностью совершения поступательного перемещения штоковой части гидравлической стойки вдоль оси, относительно «башмака-лемеха».
За счет подачи рабочей жидкости в поршневые полости гидравлических стоек 20, 21, 22, 23, 44, 45, 46 и 47 опорные балки шагающей крепи 6 поднимают на высоту не более высоты выработки 4. Крепь готова к работе.
Для передвижения шагающей крепи поршневые полости гидростоек передовой секции 7 ставят на гидрозамок (не показаны), а с гидростоек отстающей секции 8 снимают давление - траверсы 43 и 44 опускаются. В результате опорные балки отстающей секции ложатся на роликоопоры, установленные в траверсах 9 и 10 передовой секции 7. После включения в работу гидравлических домкратов передвижки 85 траверсы 10 передовой секции и 43 отстающей секции начинают удаляться друг от друга. При этом за счет того, что опорные балки отстающей секции перекатываются по роликоопорам (трение качения), а гидростойки передовой секции 7 стоят на почве выработки (трение скольжения), передвигается отстающая секция. Затем ее гидростойки переводят в рабочее положение и ставят на гидрозамки (не показаны), а с гидростоек передовой секции 7 давление жидкости снимают, включают гидродомкраты передвижки 85 - передвигают передовую секцию. Так продолжают до тех пор, когда шагающая крепь полностью войдет в выработку 4.
В выработке 4 шагающую крепь 6 распирают между кровлей и почвой, а в ее бортах, левом и правом, вырубают косоугольные ниши 97 и 98, соответственно. Затем передвигают крепь 6 на один шаг передвижки и опять вырубают косоугольные ниши в бортах выработки 4. После прохода шагающей крепи на несколько шагов первая пара косоугольных ниш 97 и 98 оказываются в незакрепленной части выработки 4; для возведения постоянной крепи поднимают к кровле верхняк 99 и подпирают его к кровле через полимерную сетку 100 стойками 101 и 102, которые, в свою очередь, через полимерную сетку 103 (по левому борту) и 104 (по правому борту) устанавливают в косоугольных нишах 97 и 98, соответственно. В пространствах между шнековым транспортером 3 и бортами выработки 4 (левом и правом) устанавливают ставы скребковых конвейеров 105 (слева) и 106 (справа). Далее продолжают в том же порядке, пока крепь 6 не дойдет до вывала 5 и по мере удаления шагающей крепи 6 наращивают ставы скребковых конвейеров 105 и 106.
В зоне вывала 5 включают в работу ковши 91 и 94, которые у почвы выработки 4 внедряют в вывал 5. Наполненные ковши 91 и 94 по направляющим 89, 90 и 92, 93 переводят к скребковым конвейерам 105 и 106 и разгружают. После нескольких циклов или десятков циклов работы ковшей 91 и 94 у левого и правого бортов на почве выработки 4 появится свободное пространство для передвижки крепи 6. Сначала передвигают отстающую секцию 8, затем передовую 7. При этом гидростойки 14, 15 передовой секции 7 будут толкать перед собой «башмаки-лемехи» 95 и 96, которые, в свою очередь, будут зачищать почву выработки от кусков обрушенной породы.
В случае обнаружения крупногабаритных кусков породы работы по погрузке останавливают, ковши 91 и 94 переводят подальше от вывала, а гидромолот 88, наоборот, передвигают ближе к вывалу и включают в работу по дроблению.
Далее работы по зачистке выработки 4 от обрушенной породы продолжают в том же порядке. В случае если протяженность вывала более длины шагающей крепи 6, передвижку осуществляют без распора секций 7 и 8 между кровлей и почвой выработки, а в постоянной крепи используют распорки и затяжку.
После того как шагающая крепь 6 дойдет до выемочной машины 2 в левом и правом бортах выработки 4 вырубают косоугольные ниши 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113 и 114 (нечетные номера по левому борту, четные по правому). Скребковые конвейеры 105 и 106, гидромолот 88, ковши 91 и 94 и подвижные опоры 53, 54, 55, 56 вместе с направляющими 89, 90, 92, 93 демонтируют; башмаки-лемехи 95 и 96 удаляют; гидростойки передовой и отстающей секций по очереди, посредством подвижных опор и гидродомкратов раздвижки переводят в крайнее по ширине траверс положение, а гидравлическими укосинами 84 устанавливают под углом, располагая штоки в соответствующей косоугольной нише, т. е. трансформируют поперечное сечение крепи с прямоугольного на трапециевидное.
Далее вытягивают став шнекового транспортера 3, тем самым извлекая и выемочную машину 2. После извлечения из выработки 4 оборудования КГРП шагающую крепь опять трансформируют, т.е. придают ей прямоугольное поперечное сечение, и выводят из выработки 4. Начинают движение в обратном направлении с передвижки передовой секции 7. При этом опорные балки 11 и 12 опускают ниже нижнего края верхняка 99 постоянной крепи, а при распоре передовой секции 7 указанные опорные балки прижимают верхняк 99 к кровле выработки, обеспечивая тем самым возможность извлечения стоек постоянной крепи 101 и 102. После извлечения стоек вслед за передовой 7 аналогичным образом передвигают отстающую 8 секцию. Так продолжают до тех пор, когда верхняк 99 будет прижат к кровле только опорными балками 45, 46, 47 и 48 отстающей секции 8. В этот момент верхняк 99 цепляют тросом к лебедке (не показаны), после чего передвигают отстающую секцию - верхняк 99 падает на почву выработки 4, по которой его тросом вытягивают из выработки.
Все работы по высвобождению оборудования КГРП осуществляются обслуживающим персоналом, находящимся под защитой временной шагающей крепи или постоянной крепи горной выработки; это обеспечивает повышение безопасности ведения работ. Наиболее трудоемкие операции (дробление крупногабаритных кусков породы, погрузка породы в скребковый конвейер, зачистка почвы выработки) выполняют средствами механизации, связанными с шагающей крепью; это обеспечивает повышение эффективности не только работ по высвобождению оборудования КГРП из аварийной выработки, но и открыто-подземной разработки пологого угольного пласта.