Длиннокамерная технология добычи угля подземным способом

- © Е.Л. Варфоломеев, 2013

УДК 622.333

Е.Л. Варфоломеев

ДЛИННОКАМЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ УГЛЯ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ

Рассмотрена короткозабойная технология (КЗТ) добычи угля, направленная на полноту и эффективность извлечения полезных ископаемых подземным способом, сочетающая преимущества технологий добычи длинными и короткими забоями. Реализация КЗТ позволяет значительно повысить безопасность очистных работ и создать условия для применения высокопроизводительной техники в очистном забое.

Ключевые слова: добыча угля, пологие пласты угля, длиннокамерная технология, безразгрузочный комплект передвижных опор, управление кровлей, коэффициент извлечения.

Масштабная добыча полезных ископаемых на территории области приводит к уменьшению балансовых ресурсов, нераспределенного фонда недр и ресурсной обеспеченности добывающих предприятий, в первую очередь подготовленных к разработке запасов. К началу 2000-х годов сложилась ситуация, когда отрабатываемые и списываемые с баланса запасы не покрывались приростом запасов, что вело к снижению сырьевого потенциала металлургии и угольной промышленности региона. С 1983 года в Кемеровской области прекратился устойчивый рост количества разведанных запасов угля и начался процесс их активного сокращения. Средние темпы такого сокращения составляют около 750 млн. т угля в год. Основную роль в этом играют не столько объемы добычи и потерь угля, сколько постоянное переосмысление технологической значимости запасов с эксплуатационных позиций, сформированных «однобоким» развитием угледобывающих технологий. Отсюда следует, что ориентировка угольных предприятий на достаточно узкий спектр традиционных технологий (для угольных шахт это, например, применение «длинных столбов по простиранию» в сочетании с механизированными комплексами) уже начала вступать в противоречие с требованиями недросбережения. Главным фактором интенсивного развития сырьевой базы должно стать создание и представление на рын-

ке новых инновационных технологий извлечения запасов в нетрадиционных горно-геологических условиях, комплексно обеспеченных горной техникой и нормативно-методической базой [1, 2].

В настоящее время на шахтах преимущественно используется длинно-столбовая система разработки угольных пластов, причём в подавляющем большинстве горно-геологических условиях отработка пологих пластов подземным способом производится длинными очистными забоями с использованием средств комплексной механизации, невзирая на значительные геологические нарушения. Переход геологических нарушений механизированными комплексами связан с осложнением по управлению секциями крепи, необходимостью присечки боковых пород и выполнению дополнительных трудоемких работ по обеспечению безопасности, что нередко приводит к ухудшению технико-экономических показателей работы участка и в целом шахты, снижению нагрузки на очистной забой и повышению себестоимости добычи 1 т. Так же при раскройке шахтных полей длинными столбами остаются запасы, отработка которых механизированными комплексами не выгодна из-за ограниченности запасов и не предназначена для прямоугольной формы очистного забоя.

К нетехнологичным для отработки длинными очистными механизированными забоями относятся запасы, сосредоточенные в целиках различного назначения: межлавных, охранных у наклонных выработок, под поверхностными объектами. Например, в Кузбассе, в условиях шахты им. Ленина в целиках оставлено около 15 млн т угля, в условиях шахты "Томская" около 4 млн т угля. На действующих шахтных полях по данным ВНИМИ к нетехнологичным и низкотехнологичным запасам отнесено до 40 % балансовых запасов [3].

Известно, что короткозабойные технологии (КЗТ) наиболее эффективны для извлечения запасов такого рода. В Кузбассе КЗТ использовались в различные годы на шахтах им. 7 Ноября, Кузнецкая, им. Ленина, Распадская, Усинская и других, при этом преимущество по производительности труда в сравнении с разработкой длинными столбами достигало 50%. Опыт использования КЗТ в Австралии, США и других угледобывающих странах указывает на достижение высоких технико-

экономических показателей - производительность труда рабочих в месяц 950 т/чел [4].

Из короткозабойных технологий в зарубежной практике получила широкое применение камерно-столбовая система. В отечественной практике опыт применения камерно-столбовой системы незначительный. Однако, за последние годы в связи с возросшими требованиями по охране окружающей среды в части полноты извлечения полезных ископаемых из недр применение камерно-столбовой системы возрастает.

Традиционные технологии применяемые в ведущих угледобывающих странах мира трудно применимы в горногеологических условиях Кузбасса, а так же имеют ряд общих недостатков: проветривание забоев очистных и подготовительных выработок; потери угля достигающие 50 %; опасность эндогенных пожаров; многооперационность технологических процессов и т. д.

Полученное технологическое решение воплощено КЗТ, получившей название «Длиннокамерная технология добычи угля» (рис.1), позволяет устранить указанные недостатки и использовать достоинства длинно-столбовой системы разработки с комплексно-механизированной выемкой [5].

Известно, что при отработке угольных пластов длинными очистными забоями на сопряжениях со штреками наблюдается концентрация напряжений вмещающих пород кровли. Исследования показали, что при увеличении угла сопряжений горных выработок уменьшается напряженность пород кровли [6, 7]. Это означает, что при исключении пересечений подготовительных выработок под прямым и острым углами можно перенести зоны концентрации горного давления в область обрушения пород кровли и за счет этого использовать на сопряжениях анкерную крепь.

Помимо анкеров для крепления используются безразгрузочные комплекты передвижных опор (БКПО) (рис. 2), которые выступают искусственными целиками. Увеличение ширины поддерживаемого призабойного пространства с помощью установки искусственных целиков позволяет перераспределить нагрузку пород кровли с краевой части пласта на целики и при ширине призабойного пространства, равной длине зоны опорного давления, эти нагрузки воспринимаются целиками. В результате при первичных и периодических посадках пород

кровли максимум опорного давления формируется над гидро-фицированными целиками (БКПО), а интенсивность проявлений горного давления в очистном забое снижается [8]. Использование БКПО в сочетании с непрямолинейной формой забоя обеспечивают условия для широкозахватной выемки проходческими комбайнами.

БКПО включает взаимосвязанную систему механизированной крепи, состоящую из забойной и посадочной секций и роторного транспортного устройства, обеспечивающего перестановку гидроопор при передвижении.

Роторное транспортное устройство служит базой БКПО и для обеспечения устойчивости и управляемости снабжено отдельной передвижной опорной платформой, устанавливаемой на почве очистного забоя. БКПО располагается продольной осью в направлении подвигания очистного забоя. В очистном забое располагается ряд БКПО, устанавливаемых с необходимой частотой, в зависимости от тяжести проявлений горного давления. По мере выемки угля в забое передвигается и распирается забойная секция, к которой гидроцилиндром передвижения подтягивается роторное транспортное устройство, с помощью которого затем перемещают гидроопору в направлении от завальной части целика к забойной, а затем после распора к роторному устройству подтягивают посадочную секцию. БКПО обеспечивает надежное поддержание шириной 815 м полосы труднообрушаемой кровли в очистном забое, разгрузку краевой части пласта от опасной концентрации напряжений у забоя и снижает вероятность отжима и выброса угля и газа из забоя.

Технология отработки заключается в следующем (рис. 1). В работе постоянно находятся два комбайна и две самоходные вагонетки. Отработку столба ведут в обратном порядке двумя диагональными заходками проходческими комбайнами от вентиляционного и конвейерного штреков к промежуточному. Ширина выемочного столба 30 - 60 м, длинна 100 м и более. Отбитый уголь вагонетками доставляется к перегружателю, откуда поступает на ленточный конвейер. Во время транспортировке угля вагоном, с помощью анкероустановщиков, установленных на комбайне, осуществляют крепление кровли. После отхода комбайна от промежуточного штрека, осуществляется передвижка БКПО (рис. 3).

ЮУ12СШ0

ЛТУ120

Рис. 1. Схема проветривания и размещения оборудования при отработки запасов длиннокамерной технологией

Рн м>рг 1 ое грани юртнос

Забойная секция устройства

\ Пульт управления

Ги.'фаЦНЛИИ.ЦШ ыврачишесши

Рис. 2. Безразгрузочный комплект передвижных опор

Пйсадошм ссили

\

Гидроопоры

Рис. 3. Длиннокамерная технология: а) - в момент добычи угля; б) - в момент передвижки БКПО

При отработке предварительно оконтуренных запасов длиннокамерной технологией с непрямолинейной формой очистного забоя и управлении кровлей БКПО с оставлением целиков повышается эффективность проветривания, снижается вероятность возникновения эндогенных пожаров и количество маневров добычного и транспортного оборудования.

По результатам исследования влияния геомеханических процессов на длиннокамерную технологию были выявлены эффективные геомеханические параметры технологии и пути повышения коэффициента извлечения на примере конкретных горно-геологических условий шахты Томусинская 56 с отработкой пласта IV. Данный участок, расположенный вблизи горного отвода шахты им. Ленина с запасами около 500 тыс. тонн, не был предусмотрен для отработки длинно-столбовой системой разработки с комплексно-механизированным забоем из-за ограниченной формы участка и имеющего многочисленные геологические нарушения (рис. 4).

Участок пласта IV шахты «Томусинская 5-6» предполагается отрабатывать полосами (столбами) угля с оставлением межстолбовых (ленточных) и барьерных целиков. Барьерные целики служат для предотвращения влияния процессов сдвижения горных пород от одной группы столбов на следующую группу, а также для изоляции выработанного пространства в случае возникновения возможного пожара. Барьерные целики отрабатывают через 2-3 года - после завершения процессов сдвижения от частичной подработки.

При выборе параметров длиннокамерной технологии в качестве теоретической базы использовались результаты анализа и обобщения наиболее известных методов расчета ширины камер, межкамерных и барьерных целиков. Основными параметрами длиннокамерной технологии являются: ширина, длина и высота камеры; ширина вынимаемой полосы; ширина междукамерных и барьерных целиков. Ширину камеры выбирают в зависимости от геометрических параметров применяемого горношахтного оборудования, высоту - в зависимости от мощности разрабатываемого пласта.

Параметры ленточного междукамерного целика, ослабленного выработками, определяют в соответствии с Методическим руководством ВНИМИ [9], согласно которому для

Рис. 4. Выкопировка с плана горных работ шахты Томусинская 5-6 с отработкой пласта IV ллиннокамер-ной технологией

оценки долговечности и расчета ширины целика используется равенство вида

Пц (А + X )]Иа = к^Л X ( и + уХ ^

Равенство для оценки долговечности и расчёта ширины барьерного целика имеет:

г и '(-О

пц ] [ Иа (X + /0 + И аМ (и)) + (Я - И аа) (X + Б )] = к Л Хе ^й ^

где пц - коэффициент запаса; А - ширина вынимаемой полосы, м; X - ширина целика, м; ] - плотность пород кровли; И - мощность пласта, м; На - высота сдвижений при некоторой подработке; Кв - коэффициент ослабления межстолбового целика поперечными выработками; К - коэффициент снижения прочности от длительности действия нагрузки; К0 - условно мгновенная кубиковая прочность пласта, МПа; и, V - параметры, зависящие от свойств пород, слагающих целик; 10 - шаг посадки основной кровли, м; О - расстояние между барьерными целиками, м.

По результатам расчетов было построено ряд зависимостей (рис. 5) из которых видно, что оптимальное количество столбов в группе 2 (два), т.к. при увеличении количества столбов коэффициент извлечения уменьшается, а ширина целиков возрастает и при увеличении ширины вынимаемой полосы растет коэффициент извлечения, что приводит к более широкому межстолбовому целику. Так же при количестве столбов меньше 2-х посадки кровли не будет, а при 3-4 столбах шаг посадки кровли будет равен или меньше выработанного пространства.

Таким образом, принимается ширина вынимаемой полосы 30 м, ширина камеры 4,6 м, длина камеры 34 м, ширина межстолбового целика 6 м, ширина барьерного целика 66 м, коэффициент извлечения 0,77.

Оценочные технико-экономические показатели при отработке запасов длиннокамерной технологией с использованием горно-шахтного оборудования иностранного производства могут составить: месячная добыча угля 100000 т, производительность труда рабочего 900 т/чел/мес. при численности трудящихся 70 человек.

Рис. 5. Графики зависимости ширины целиков и коэффициента извлечения от количества столбов, коэффициента извлечения и ширины межстолбового целика от ширины вынимаемой полосы

Выводы

• Новое технологическое решение в данной технологии заключается в сочетании достоинств технологий отработки длинными и короткими забоями, что позволит продлить срок эксплуатации угольных шахт и максимально извлекать запасы, списываемые ранее.

• Снижается концентрация горного давления на сопряжениях подготовительных выработок и очистного забоя вследствие применения БКПО и непрямолинейного способа выемки.

• Осуществляется ведение очистных работ в более благоприятных условиях вне зоны максимума опорного давления за счет «искусственных целиков» - БКПО, воспринимающих нагрузку пород кровли. Это позволяет значительно улучшить безопасность ведения очистных работ, создать условия для использования высокопроизводительной техники в очистном забое.

• По сравнению с длинными комплексно-механизированными забоями металлоемкость и стоимость оборудования в длиннокамерной технологии снижается в 2-3 раза.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стратегия социально-экономического развития Кемеровской области на долгосрочную перспективу / Центр стратегических разработок «Северо-Запад» [фонд, независимый обществ. ин-т]. - С.-Пб., 2007.

2. Шаклеин С. В. Кузбасский технопарк и развитие минерально-сырьевой базы угольной отрасли / С. В. Шаклеин // ТЭК и ресурсы Кузбасса. 2008. - № 1.-С.35

3. Агудалин Б. П. Обоснование параметров технологических схем разработки мощных пологих пластов камерно-столбовой системой в сложных горно-геологических условиях / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Кемерово, 2003. - 20 с.

4. Ремезов А.В. Технология отработки пологих и наклонных угольных пластов по камерно-столбовой системе в сложных горно-геологических условиях: учебное пособие /, П.В. Егоров, С.И. Калинин и др. - Кемерово: Куз-бассвузиздат, 2005. - 223 с.

5. Варфоломеев Е.Л., Гречишкин П.В. Длиннокамерная технология отработки пологих угольных пластов // Горный информационно-аналитический бюллетень.- М.: МГГУ.- 2008. - №7.- С. 286-290.

6. Власенко Б. В. Разработка методов прогнозирования проявлений горного давления для геомеханического мониторинга на угольных шахтах /

/Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Кемерово, 1993 -39 с.

7. Патент РФ на изобретение №2273733. Способ разработки пологого угольного пласта. / Ялевский В.Д., Федорин В.А., Власенко Б.В., Анферов Б.А., Варфоломеев Е.Л., 2006.- 6 с.

8. Ялевский В.Д. Технология отработки пологих пластов с помощью безразгрузочного комплекта передвижных опор (БКПО) / Ялевский В.Д., Варфоломеев Е.Ё // Уголь. - 2005. - № 2. - С.52 - 53.

9. Методическое руководство по расчету геомеханических параметров технологии отработки угольных пластов короткими забоями. - Санкт-Петербург: ВНИМИ, 2001, 67 с. га

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Варфоломеев Евгений Леонидович - младший научный сотрудник лаборатории эффективных технологий разработки угольный месторождений, kku@icc.kemsc.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук, 650065, г. Кемерово, Россия