СПОСОБ СЛОЕВОЙ РАЗРАБОТКИ МОЩНОГО КРУТОНАКЛОННОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
LAYER DEVELOPMENT METHOD OF THICK STEEPLY INCLINED COAL FORMATION

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, в частности к механизированной разработке мощных крутонаклонных угольных пластов в наклонных слоях по щитовой системе разработки.
Известен способ механизированной разработки крутонаклонных мощных угольных пластов с разделением пласта по мощности на два наклонных слоя, возведением секций жесткого перекрытия на почве слоя у кровли пласта, включающий отбойку угля и транспортирование отбитого угля вдоль очистного забоя в слоях выше и ниже перекрытия [1]. Недостатками данного способа являются повышенная металлоемкость и громоздкость очистного оборудования, обусловливающие повышенные трудовые и временные затраты на ведение монтажно-демонтажных работ.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу, принятым в качестве прототипа, является способ разработки мощного крутонаклонного угольного пласта наклонными слоями, включающий подготовку выемочного столба проведением конвейерного и вентиляционного штреков, подготовку выемочной полосы проведением углеспускных и вентиляционных выработок от конвейерного до вентиляционного штрека у почвы пласта и слоя у кровли пласта, выемку монтажной камеры на сопряжении выемочной полосы с вентиляционным штреком с разделением пласта по мощности на два наклонных слоя с оставлением межслоевой пачки, монтаж в рабочем пространстве каждого слоя очистного оборудования и на почве слоя у кровли пласта межслоевого гибкого перекрытия, покрывающего межслоевую пачку, очистное оборудование слоя у почвы пласта и прилегающее внахлест к почве пласта, выемку угля в каждом слое, транспорт отбитого угля вдоль линии очистного забоя в каждом слое и разрушение межслоевой пачки угля под гибким перекрытием [2].
Недостатки прототипа связаны, в основном, с использованием в качестве очистного оборудования конвейероструга, требующего строгого соблюдения прямолинейности линии очистного забоя, обладающего низкими производительностью и надежностью, имеющего фиксированную длину, а также допускающего повышенную запыленность воздуха по всей длине рабочего пространства слоя. Кроме того, выпуск угля межслоевой пачки в рабочее пространство слоя у почвы пласта осуществляется перед секцией крепи и до ее передвижки, результатом которого может стать провисание гибкого перекрытия перед секцией крепи, что ведет к возникновению аварийной ситуации; в рабочем пространстве очистного забоя отсутствует безопасное и комфортное место размещения обслуживающего персонала.
Перечисленные недостатки снижают эффективность и безопасность ведения очистных работ при разработке мощного крутонаклонного угольного пласта наклонными слоями.
Целью изобретения является повышение эффективности и безопасности разработки мощных крутонаклонных угольных пластов за счет использования мобильных средств механизации ведения очистных работ и создания условий их эффективного применения.
Поставленная цель достигается тем, что в способе слоевой разработки мощного крутонаклонного угольного пласта, включающем подготовку выемочного столба проведением конвейерного и вентиляционного штреков, подготовку выемочной полосы проведением углеспускных и вентиляционных выработок от конвейерного до вентиляционного штрека у почвы пласта и слоя у кровли пласта, выемку монтажной камеры на сопряжении выемочной полосы с вентиляционным штреком с разделением пласта по мощности на два наклонных слоя с оставлением межслоевой пачки, монтаж в рабочем пространстве каждого слоя очистного оборудования и на почве слоя у кровли пласта межслоевого гибкого перекрытия, покрывающего межслоевую пачку, очистное оборудование слоя у почвы пласта и прилегающее внахлест к почве пласта, выемку угля в каждом слое, транспорт отбитого угля вдоль линии очистного забоя в каждом слое, разрушение межслоевой пачки угля под гибким перекрытием и выпуск угля межслоевой пачки в рабочее пространство слоя у почвы пласта, в качестве гибкого перекрытия используют полимерную сетку; в качестве очистного оборудования используют секции агрегатированной крепи, снабженные режущим исполнительным органом избирательного действия и скребком, комбайн фронтального действия с исполнительным органом, выполненным в виде горизонтально ориентированного барабана с зубками, и самоходный вагон; выемку угля осуществляют в наклонных слоях у кровли и почвы пласта комбайном слабонаклонными слоями с транспортом отбитого угля на фланговый скат при уклоне слоя в сторону ближнего ската и на ближний скат при уклоне слоя в сторону флангового ската; выемку остающихся целиков угля осуществляют исполнительными органами агрегатированных крепей, межслоевой пачки - давлением обрушенных пород за гибким перекрытием; уклон слою в сторону ближнего или флангового ската придают комбайном, разворот которого осуществляют в камере за пределами выемочной полосы; выпуск отбитого угля приштрекового целика производят на конвейерный штрек по скважинам, а межслоевую пачку делят на порции по мере подвигания очистного забоя слоя у кровли пласта, разрушают давлением обрушенных пород за гибким перекрытием и выпускают в рабочее пространство слоя у почвы пласта через козырьки агрегатированных секций крепи, установленных в слое у почвы пласта.
Предлагаемое изобретение поясняется схемами. На фиг.1 показана схема подготовки и отработки выемочного столба полосами по падению; на фиг.2 - схема размещения оборудования в очистном забое (поперечный разрез); на фиг.3 - схема сооружения камеры разворота за пределами выемочной полосы (вид в плане); на фиг.4 - схема отработки выемочной полосы на заключительном этапе.
Способ может быть реализован следующим образом. Выемочный столб подготавливают проведением конвейерного 1 и вентиляционного 2 штреков. Угольный пласт по мощности делят на два наклонных слоя, один из которых примыкает к почве пласта, другой - к его кровле, оставляя между ними межслоевую пачку. При этом мощность наклонных слоев принимают в зависимости от технических характеристик применяемых средств механизации, например секций крепи, а мощность межслоевой пачки - в зависимости от физико-механических свойств угля. Выемочную полосу оконтуривают проведением у дальней границы столба (на фланге) углеспускных скатов 3 - у почвы пласта и 4 - у почвы слоя, примыкающего к кровле пласта, и у ближней границы - углеспускных скатов 5 и 6 аналогичным образом. У вентиляционного штрека 2 в пространстве между скатами 3 (4) и 5 (6) сооружают монтажную камеру 7, в которой монтируют секции щитовой агрегатированной крепи 8 [3].
Секция агрегатированной крепи 8 содержит основание 9, жестко связанное с нормально ориентированным к нему с завальной стороны ограждением 10; ось 11; поворотное ограждение 12. Во внутренней полости поворотного ограждения 12 секции, установленной в рабочем пространстве слоя у почвы пласта, размещен выдвижной козырек 13, выполненный в виде решетки. Во внутренней полости поворотного ограждения 12 секции, установленной в рабочем пространстве слоя у кровли пласта, выполнен щелевидный канал 14, сопряженный с завальной стороны с аналогичным каналом 15, выполненным в ограждении 10, а со стороны забоя - с лотком 16, сформированным загнутым металлическим листом перекрытия поворотного ограждения 12 и боковыми ограждениями 17 секции крепи. В пространстве между укосинами 18 с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости установлена телескопическая каретка 19, на которой также с возможностью углового перемещения установлен режущий исполнительный орган 20, выполненный в виде телескопической стрелы со сферической режущей головкой, снабженной резцами. К боковым сторонам основания прикреплены гидравлические домкраты передвижки 21, обладающие двойной раздвижностью, а во внутреннем пространстве основания размещен гидравлический привод эмалированного скребка 22, который установлен перед основанием с возможностью поворота в плоскости своего поперечного сечения. В основании 9 с завальной стороны в пространстве между лестницей 23 и неподвижным ограждением 10 установлен электропривод стопорного бура 24, ориентированного по нормали к основанию в сторону почвы.
Секции крепи в каждом слое устанавливают бок о бок в линию и связывают домкратами передвижки 21. В лоток 16 укладывают рулон сетки 25, которую, разматывая, пропускают через щелевидные каналы 14 и 15. Затем сеткой накрывают межслоевую пачку 26, решетчатый козырек 13 и всю секцию крепи в слое у почвы пласта с нахлестом на почву. Пространство над сеткой заполняют закладочными породами, образуя подушку, защищающую секции крепи от динамических воздействий обрушенных пород кровли.
В рабочем пространстве очистного забоя каждого из слоев оформляют почву горизонтального слоя и монтируют очистной комбайн 27 фронтального действия с режущим исполнительным органом, выполненным в виде горизонтально ориентированного барабана, например типа JOY 17CM, и самоходный вагон 28, например В15К.
Проветривание очистного забоя в каждом слое осуществляют за счет общешахтной депрессии по возвратноточной схеме: штрек 1, скат 3, пространство очистного забоя слоя у почвы пласта, скат 5, вентиляционный штрек 2; штрек 1, скат 4, очистной забой слоя у кровли пласта, скат 6, вентиляционный штрек 2.
c
c
В исходном положении секции 8 установлены в линию, выдвижные козырьки 13 выдвинуты до соприкосновения с межслоевой пачкой (в слое у почвы пласта), а в слое у кровли пласта секции лотками 16 касаются кровли пласта. Выемка угля в наклонных слоях осуществляется слабонаклоненными слоями, начиная с ближней границы выемочной полосы. При этом машинисты комбайна и самоходного вагона должны всегда располагаться со стороны секций крепи. Очистной комбайн 27, не доходя до ближней границы выемочной полосы, начинает зарубаться в почву горизонтального слоя и грузить отбитый уголь в самоходный вагон 28. При этом комбайн придает почве вынимаемого слоя I уклон под углом β в сторону ближнего углеспускного ската 5 (6), но не более допустимого для применяемых средств механизации - комбайна и самоходного вагона. Самоходный вагон 28, в свою очередь, транспортирует уголь до флангового углеспускного ската 3 (4). При этом расстояние L, с которого комбайн 27 начинают зарубать в почву монтажной камеры, принимают m·ctgβ, где m - мощность вынимаемого слоя, принимаемая в зависимости от шага передвижки секций крепи и из условия недопущения прорыва обрушенных пород в рабочее пространство. После отхода груженого вагона 28 от комбайна 27, последний задним ходом возвращают к началу зарубки в почву горизонтального слоя; исполнительными органами 20 секций агрегатированной крепи 8, установленных в зоне вынутого слабонаклоненного слоя, осуществляют оконтуривание образовавшейся очистной выработки - подрубают угловой целик 29 у почвы слоя и целик 30 у межслоевой пачки и кровли пласта. Отбитый уголь при этом просыпается на почву слоя, с которой комбайн 27 грузит его в подошедший разгруженный самоходный вагон 28. После зачистки почвы слабонаклоненного слоя комбайн 27 и самоходный вагон 28 опять возвращают на почву горизонтального слоя, а в рабочем пространстве слабонаклоненного слоя I передвигают секции крепи 8.
В слое у почвы пласта передвижка секций крепи 8 осуществляется под межслоевую пачку угля 26, которая, испытывая давление разрушенных пород за гибким перекрытием - сеткой 25, обламывается порциями примерно по линии, образованной стопорными бурами 24 секций, установленных в слое у кровли пласта. Отломившаяся порция пачки падает на решетчатый козырек 13 секции крепи, раздавливается и просыпается в рабочее пространство слоя у почвы пласта, где ее комбайном 27 грузят в самоходный вагон и транспортируют к углеспускному скату.
c
После передвижки секций крепи в первом слабонаклоненном слое (I) аналогичным образом вынимают уголь во втором слабонаклоненном слое (II), который будет длиннее первого на величину L=m·ctgβ, затем в третьем (III), четвертом (IV) и так далее. Когда в горизонтальном слое монтажной камеры останется ограниченное пространство, в котором смогут разместиться только комбайн 27 и самоходный вагон 28, комбайн 27 производит зачистку почвы текущего слабонаклоненного слоя до ближнего углеспускного ската 5 (6) и далее осуществляет выемку и оформление камеры разворота 31 за пределами выемочной полосы. Для этого крепление устья углеспускного ската 6 усиливают дополнительными рамами. После этого комбайн 27 в слое у кровли пласта вынимает уголь на высоту чуть больше высоты своего корпуса, смещаясь до кровли пласта, выходит за пределы выемочной полосы над ближним углеспускным скатом 6 и, совершая возвратно-поступательные движения веером, прорубает в угольном массиве горизонтальную Т-образную камеру 31. Обнажения угольного массива в Т-образной камере крепят рамной крепью 32, при возведении которой предусматривают возможность движения по камере комбайна и самоходного вагона по определенной траектории.
После сооружения камеры разворота 31 комбайн 27 и самоходный вагон 28 разворачивают в ней и меняют местами. Затем комбайн 27 и вагон 28 холостым ходом перегоняют по почве отработанного слабонаклоненного слоя, который с этого момента будет являться транспортным, к фланговому скату 4, где начинают выемку следующего слоя, наклоняя его в сторону флангового ската 4, т.е. в противоположную сторону. При этом транспорт отбитого угля осуществляют самоходным вагоном 28 по почве транспортного слоя к ближнему углеспускному скату 6.
Во время формирования камеры разворота 31 очистные работы в слое у почвы пласта подходят на уровень камеры разворота 31. Комбайн в слое у почвы пласта, смещаясь в сторону почвы, подрубает уголь и породы почвы, создавая тем самым площадку 33, на которой укладывают металлические трапы 34, спускаемые по скату 5 с вентиляционного штрека; ниже трапов 34 крепление углеспускного ската 5 усиливают дополнительными рамами. Комбайн в слое у почвы пласта, двигаясь по трапам 34, выходит за пределы выемочной полосы и прорубает в угольном массиве орт 35, соединяющий пространство слоя у почвы пласта с камерой разворота 31. По выходе комбайна из слоя у почвы пласта в камеру разворота 31 его там разворачивают, меняют местами с самоходным вагоном и холостым ходом возвращают в рабочее пространство слоя у почвы пласта для ведения очистных работ.
Далее вынимают слои аналогичным образом до тех пор, когда в транспортном слое останется пространство, в котором смогут разместиться только комбайн 27 и самоходный вагон 28. Тогда вагон и комбайн задним ходом возвращают в камеру разворота 31, где их опять разворачивают и меняют местами. Затем самоходный вагон и комбайн уже по следующей транспортной выработке возвращают в пределы выемочной полосы и начинают следующий цикл выемки слоев аналогичным образом, но уже с транспортировкой отбитого угля к фланговому скату 3 (4).
Когда сократится до минимального размера следующая транспортная выработка, осуществляют формирование камеры разворота 36 за пределами выемочной полосы и т.д.
На заключительном этапе работ по выемке полосы между секциями крепи 8 и транспортным штреком 1 оставляют приштрековый целик или целик безопасности 37, комбайн 27 и самоходный вагон 28 по одному из углеспускных скатов выводят на конвейерный штрек. Оставшийся целик безопасности 37 вынимают исполнительными органами 20 агрегатированных секций крепи 8, с выпуском отбитого угля на конвейерный штрек 1 по скважинам 38, которые специально для этого пробуривают с конвейерного штрека в створе с каждой секцией крепи 8 (если угол падения пласта допускает самотечный транспорт отбитого угля) или скребками 22 агрегатированных крепей (при угле залегания пласта, не допускающем самотечный транспорт); после чего секции по очереди переводят в транспортное положение и выводят на конвейерный штрек 1. Так как в слое у почвы пласта объем добычи больше за счет угля из межслоевой пачки, то подвигание очистного фронта по линии падения пласта в этом слое несколько отстает от фронта в слое у кровли пласта. В связи с этим, а также из условий безопасности, вывод секций на конвейерный штрек начинают с секций, установленных в слое у кровли пласта.
Пространство отработанной полосы изолируют перемычками, оставляя возможность использования всех камер разворота для тех же целей при выемке соседней выемочной полосы, в которой направления отработки слоев и их наклона принимают симметрично относительно отработанной выемочной полосы.
Особенностями способа, выгодно отличающими его от прототипа и аналогов, являются:
- за счет организации выемки слоев с наклоном в разные стороны не только значительно упрощается и облегчается операция зарубки комбайна в следующий слой, но и появляется возможность формирования многократно используемой камеры разворота за пределами выемочной полосы, что значительно упрощает организацию работ по выемке слоев;
- за счет использования исполнительных режущих органов агрегатированных крепей только для оформления очистного забоя и организации собственно выемки угля высокопроизводительным комбайном фронтального действия появилась возможность кратного увеличения производительности забоя;
- индивидуальное агрегатирование секций позволяет набирать комплект оборудования любой длины в зависимости от горно-геологических условий, например, нарушенности пласта, т.е. позволяет вынимать запасы между нарушениями;
- выпуск разрушенного давлением обрушенных пород за гибким перекрытием угля межслоевой пачки в рабочее пространство слоя у почвы пласта через козырьки агрегатированных секций, установленных в этом слое, исключает провисание гибкого перекрытия в это рабочее пространство и снижает вероятность возникновения аварийной ситуации;
- исключение буровзрывных работ в рабочем пространстве слоя у почвы пласта для разрушения межслоевой пачки угля повышает безопасность ведения очистных работ в целом.
В настоящее время при разработке мощных крутонаклонных угольных пластов нагрузка на очистной забой составляет не более 350 т/сут с применением небезопасной взрывной технологии. Предлагаемый способ позволяет механизировать основные операции технологического цикла, что само по себе повышает безопасность ведения горных работ и многократно увеличивает нагрузку на очистной забой, обеспечивает более полное извлечение полезного ископаемого из недр, т.е. повышает эффективность и безопасность разработки мощных крутонаклонных угольных пластов. Это свидетельствует о достижении цели изобретения.
Источники информации
1. Способ разработки мощных крутонаклонных угольных пластов и щитовое перекрытие для его осуществления. Патент РФ №2069267, 6 Е21С 41/18, опубл. 20.11.96, бюл. №32 (аналог).
2. Филатов Ю.М. О совершенствовании технологии ведения очистных работ на мощных крутонаклонных пластах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса / Вестник Научного центра по безопасности в угольной промышленности, №2, 2010, с.193, рис.2 (прототип).
3. Секция агрегатированной крепи очистного забоя крутонаклонного угольного пласта. Патент РФ №2415271, опубл. 27.03.2011, бюл. №9.