Выемка угольных месторождений слабонаклонного залегания при веерной системе разработки

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2017, 10(8), 966-974

УДК 622.271.1

Development of Coal Deposits

of a Horizontal Position at the Fan System

Pavel V. Katyshev and Victor E. Kislyakov*

Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia

Received 02.03.2017, received in revised form 30.04.2017, accepted 17.09.2017

The technological solutions and parameters of coal mining horizontal and gently dipping, using a fan-movement works the front, as well as provides an assessment of activities to improve the efficiency of mining operations.

Keywords: fan front movement, excavator stope, performance, diagonal slaughter, coal pillars, bucket-wheel excavator.

Citation: Katyshev P.V., Kislyakov V.E. Development of coal deposits of a horizontal position at the fan system, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2017, 10(8), 966-974. DOI: 10.17516/1999-494X-2017-10-8-966-974.

Выемка угольных месторождений слабонаклонного залегания при веерной системе разработки

П.В. Катышев, В.Е. Кисляков

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Приведены технологические решения и параметры разработки угольных месторождений горизонтального и пологого залеганий при использовании веерного перемещения фронта работ, а также дана оценка мероприятий, позволяющих повысить эффективность горных работ.

Ключевые слова: веерное подвигание, экскаваторная заходка, клиновидная заходка, производительность, диагональный забой, угольный целик, роторный комплекс.

За последние 10 лет мировое потребление угля выросло почти на 50 % (потребление газа -примерно на 30 % нефти и атомной энергии - менее чем на 10 %). Уголь - это один из главных энергоресурсов, способный удовлетворить основные энергетические потребности растущего

© Siberian Federal University. All rights reserved

Corresponding author E-mail address: VKislyakov@sfu-kras.ru, BestPavel1989@mail.ru

*

населения и развивающейся мировой экономики, внести важнейший вклад в преодоление энергетической бедности и энергетического неравенства.

Конкурентные преимущества российской угольной отрасли в рамках отечественного ТЭК заключаются в следующем: наличие огромных (второе место в мире) запасов угля, которых при существующем уровне добычи хватит на долгосрочную перспективу; значительный опыт использования данного энергоресурса; повышение устойчивости энергоснабжения (в том числе в кризисных ситуациях); возможности выхода на мировой рынок; наличие существенных резервов повышения эффективности; многообразие различных видов угольной продукции; возможности адаптации к меняющимся условиям рынка; интеграция с приоритетными направлениями инновационного развития экономики; вклад в региональную энергетическую безопасность [1].

Вышеизложенное ставит перед угольной промышленностью вопросы по решению задач модернизации предприятий и развитию новых технологий добычи угля, обеспечивающих снижение издержек и повышение эффективности в производстве.

Основная стратегия определения оптимальных схем развития горных работ должна заключаться в установлении управляющих факторов, прямо влияющих на выбор системы разработки, определяющих прежде всего положение фронта работ и, следовательно, эффективность отработки месторождений. В отечественной и мировой практике известны четыре схемы: параллельного, веерного, радиального и комбинированного перемещения фронта работ в технологии поточной добычи угля. Наиболее распространенной и простой по конструкции является параллельная схема, однако её применение сопровождается постоянным наращиванием и перестройкой транспортных коммуникаций.

В связи с этим были проведены исследования технологических параметров поточной добычи угля при веерном подвигании фронта горных работ.

Основные технологические условия, определяющие возможность реализации веерного подвигания фронта горных работ:

• формирование единого поворотного пункта в месте перегрузки угля с забойных на магистральные транспортные коммуникации;

• параллельность осей транспортных коммуникаций осям фронта горных работ;

• клиновидная форма выемочных блоков.

Веерное перемещение фронта работ чаще применяют при работе многоковшевых экскаваторов и транспортно-отвальных мостов, когда на рабочих площадках имеется несколько конвейерных линий либо железнодорожных путей, перенос которых на криволинейных участках сложен и трудоемок. Наличие постоянного пункта примыкания путей при веерном способе позволяет удобно располагать промышленные сооружения: тяговую подстанцию, центральный водосборник, диспетчерские устройства, мастерские.

Для строящегося предприятия поворотный пункт фронта работ должен быть в составе промплощадки, место положения которой обеспечивает минимальное расстояние транспортирования полезного ископаемого, а для условий действующего предприятия - это место перегрузки с забойных на магистральные конвейеры, что обеспечивает постоянство расстояния транспортировки угля [2].

Для соблюдения принципа параллельности необходимо систематически производить корректировку линии фронта горных работ относительно транспортных коммуникаций, исходя

из условия, что линия фронта горных работ смещается по окружности, центром которой является поворотный пункт транспортных коммуникаций, с радиусом R, равным максимальной ширине экскаваторной заходки (рис. 1). Текущий угол между радиусом (от точки касания до поворотного пункта) и осью разрезнойтраншеиопределяе тся по зависимости

ат = 90 +

где а - угол поворотафронга горных работ, град; i - порядковый номер клиновидно эксплуатационного блока.

При такой системе тантарнтки выяиманмые яоастяиимеют клиновидную форму -клиновиднь-экспщноадионныу блок, елощадь донного бльеыопределяется из следующего уравнения:

т 2

S = , м2,

360

где L^ - длинатранспортных коммуникаций, м.

Общаяплощадь выемки полезного ископаемого

So6l4 = S • n, м2,

где n - количество клиновидно-эксплуатационных блоков, ед.

Рис. 1. Схемаведениядобычных работ при веернойсистемеразработки[6]: ИбКапиталинаитраншея; 2 - равраиная траншея; И - ось магистралниЫХ б - ось зебойных

транспортных коммуникации; 5 - стационарный поворотный пункт; 6 - роторный комплекс; 7 - клиновидно-эксплуатационный блок;8 -линияфронтагорныхработ; 9 - граница горного отвода

Fig. 1. Scheme of mining operations under fan-bHapbdmiiiino Ы6]: 1 и capital trench; 2 - horizontal trench; 3 - the axis of the mai n transport communications; 4 - axis of face-to-face transport communications; 5 - stationary turning point; 6 - rotor complex; 7 - extraction unit; 8 - line the front of mining operations; 9 - boundary of the mining site

Вбольшинстве случаев расположение запасов полезного ископаемого имеет неправильную форму,и, как следствие,происходит изменание площади клиновидно-эксплуатационного блока

Площадь вынимаемого клиновидно-эксплуатационного блока определяется по формуле

5 беке = - §вос , М2,

иде8Всс _ площадь клиновидно-эксплуатационного блока, не включаемого в отработку, м2.

о _ - я2 • гдд • • Г) 2

ЙББС - а • ^ , М . ^

2^2 — • ^а - 1д

Графики изменения площади вынимаемых блоков от угла поворота фронта горных работ приведены на рис. 3.

По результатам расчета видно, что с увеличением угла поворота транспортных коммуникаций площадь клиновидно-эксплуатационных блоков уменьшается, а при уменьшении расстояния (Д) от транспортных коммуникаций до забоя - принимает прямолинейный вид.

Для снижения затрат на отвалообразование и повышения производственной мощности предприятия предлагается следующее технологическое решение развития фронта горных работ [4]. Отработка месторождения осуществляется одновременно двумя фронтами, с раз-витиемкарьерногополясвышеугла методу разрезнойтраншеейи транспортными коммуникациями (Р) прсисходит от гру ека городесврыши драглайтавеи побестраненортной схеме без использования прт этсм площода рентральнпй раз^сиой вртишеи (рис. 4).

ß = 2 • arcsin

( Б, + е + А + B2+ B3 +B 4 Л

, град,

где В1 - безопасноерасстояниеот иижней бровки отваладотранспортных коммуникаций, м; е - расстояние от транспортных коммуникаций до нижней бровки добычной заходки, м;

Рис.2.Технологическаясхемадля определения площадиклиновидноэксплуатационногоблока Fig. 2. Technological scheme for determiningtHe егеаоЭЧВо oxcooKting block

- 969 -

90000

"g soooo

я

§ 70000

H

vo

* 60000 s

I 50000

0

1 40000

-Q

I 30000

о

с 20000 10000

О". ч ч N \ \

\ \'\

\ \\

\ г

- R, м 1 1

-50 -- -100

--150 --- -200

20

40

60

100

120

140

160

Угол поворота фронта горных работ, град. Рис. 3. Изменение площадивынимаемых запасов отугла поворота фронтагорных работ Fig. 3. Change in the area of extractable reserves from the angle of rotation of the mining front

Рис. 4. Схема ведения горных работ в плане с отгрузкой пород вскрыши во внутренние отвалы: 1 - карьерное поле; 2 - разрезная траншея; 3 - транспортные коммуникации; 4 - драглайн; 5 - роторный комплекс; 6 - внутренний отвал

Fig. 4. Scheme of mining operations in the plan with shipment of overburden rocks into internal dumps: 1 - career field; 2 - horizontal trench; 3 - transport communications;4 - dragline; 5-rotor complex; 6 - inner heap

А - ширина добычной экскаваторной заходки, м; В2 - ширина откоса, м; В3 - расстояние от верхней бровки добычной заходки до нижней бровки вскрышной заходки, м; В4 - ширина вскрышнойзаходки,м; Lф -длинафронта горных работ, м.

Данное решение позволит увеличить производительность добывающего предприятия и снизить затраты на отвалообразование при отработке пологопадающих месторождений округлой формы.

Отработка клиновидно-эксплуатационного блока подразумевает работу экскаватора в постоянно изменяющихся горно-технических условиях. Исследование производительности выемочного оборудования при веерной системе разработки производилось на примере ротор- 970-

ного комплекса ЭРШРД-5250 и предусматривало определение: объема одной стружки, объема одной заходки, времени на отработку одной стружки (заходки), времени установки стрелы на забот, времени на вспомогате ль ныеоперации,вре мениподъездаэкскаватора на новую заходку, количествазаходок содной точкиунтановки пнскаватора идрргие акяаметры, определяющие поспнаорвкельноеса экзнасаусрарвуизыннении ширины заворви. В связи с этим предлагается расчет производительности роторного комплекса по следующей формуле:

Озаб Отех Кпот Кз ,

едз(Ьтехуаеыкннтонъя пвавзсодвтeйевсcть выICмoчнo-IЮинyзсвыаеo комплекса, м3/ч; Кпот - ко-эффициенн, кчиоьIвзющцйнoтыpиэкскaуиpyeмoйгсpнинксpcвI;KK- коэффициент влияния ширины забоя:

Кт = 0,25- 1п

Изменение производительности выемочно-погрузочного комплекса представлено графиками на рис. 5.

Таким образом, по расс мотренн ым парамет рамтеелногоподвиганип фронтагорных работ установлено их зоучатонит пфи утеличенсиширанызаходаи, ста , с срноП етарочы, подтверждает преимущаства этой техчологич, в дрптай --фоктиаески непроемлмпюдля карьера и предприятия в целом из-за нестабильной производительности добычного поточного комплекса. В связи с этим в ход дальнейших исследований были разработаны и предложены технологические способыелебилизациипзюиовафитесьлости выемрчнт-погррзачномо проплеаса по всему фронту добымных работ -сЛ

Вместо трад ционной работы роторного комплекса во фронтальном забое разработана технология и определены конструктивныепараметры шеми угля диагональным забоем (рис. 6); это увеличило ширину клиновидной заходки [6].

5 S

6 Р

100

90 80 70 60 50 40 30 20 10 о

___ - - —

^__ —

Изменение производительнс роторного комплекса Коэффициент влияния забоя сти

—

10

20 30 40 50 Ширина экскаваторной заходки, м

1,14 0,99

60

0,85 я к

0.71 в S

0,57 I

0,43 1 È

0,28 g Et s

0,14 g

r> G

0,00 ^

Рис. 5. Изменение коэффициента влияния ширины забоя и производительности роторного комплекса от ширины экскаваторной заходки

Fig. 5. The change in the coefficient of influence of the width of the working face and the productivity of the rotor complex from the width ofthe excavatorstep

и

Рис. 6. Параметры рабочей площадки верхнего добычного подуступа с шириной клиновидной заходки 30 м при работе диагональной заходкой

Fig. 6. Parameters of the working platform of the upper mining ledge with the width of the excavator sash of 30 m when working with a diagonal stroke

Ширину диагонального забоя можно регулировать углом между верхней бровкой забоя и контуром соседней заходки, для чего разработаны расчетная схема клиновидной диагональной заходки и формула на её основе:

Q = arcsin

С tga • (Ьф - Д1) • cosa ^ А у

a, град,

где Л1 — шаг передвижкиэкскаватора, м.

Обеспечита синильную производьтплоность выомтчно-погрозочногикомплексапри веерном ртзвитиифронта горнозх рд(юивозможнои т^тер отработки блоков с фланга максимально й шириной экскаваторной заходки Бшах в направлении стационарного поворотного пункта на расстояние Lф1, позволяющее повернуть транспортные коммуникации к следующему КЭБ (рис. 7). Дальнейшие выемочпые блоки отрабатывают по вышеприведенной методике, при этом вовлекая в процесс неотработанные целики предыдущего хода.

Необходимое расстояние отработки выемочного блока устанавливают так, м:

¿фп = Ьф - Ьг,

где Lф2 - длина неотработанного участка КЭБ и определяется по нижеприведенной формуле, м:

Рис. 7. Технологическая схема отработка целиков: 1 - капитальная траншея; 2 - разрезная траншея; 3 - магистральные транспортные коммуникации; 4 - забойные транспортные коммуникации; 5 - стационарный поворотный пункт; 6 - роторный комплекс; 7 - перегружатель; 8 - линия прекращения работ на i-ом выемочномблоке

Fig. 7. Technological scheme of excavation of mineral deposits: 1 - capital trench; 2 - horizontal trench; 3 - the main transport communications; 4 - bottom-hole transport communications; 5 - stationary turning point; 6 - rotor complex;7 - an overloader; 8 - line of termination of work on the i-th block

R e

= R - -4

tgq sin ф

где e - безопасное расстояние от забоя до транспортных коммуникаций, м; ф - угол между транспортными коммуникациями и первоначальной линией фронта горных работ, град.

В данной работе представлены основные принципы развития карь ерного полявплане на пологопадающих угольных месторождениях и приведены технологические решения, позволяющие повысить эффективность выемки запасов полезного ископаемого при веерной системе разработки.

Список литературы

[1] Долгосрочная программа развития угольной промышленности России на период до 2030 года [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://minenergo.gov.ru/documents/fold13/ index.php?ELEMENT_ID=17442 - Заглавие с экрана. [Long-term program of development of the Russian coal industry for the period up to 2030 [Electronic resource] - Access http://minenergo.gov. ru/documents/fold13/index.php?ELEMENT_ID=17442

[2] Шорохов В.П., Кисляков В.Е. Веерное подвигание фронта работ при разработке мощных угольных пластов. LAP LAMBERT Academic Publishing, Saarbrucken, Germany, 2012. 77 с. [Shorokhov V.P., Kislyakov V.E. Fan shift of the work front during the development of powerful coal seams. LAP LAMBERT Academic Publishing, Saarbrucken, Germany, 2012. 77 p. (in Russian)]

[3] Кисляков В.Е., Катышев П.В. Исследование технологических параметров при веерном подвигании фронта горных работ. Журнал СФУ. Техника и технологии, 2015, 8(2), 192-197

[Kislyakov V.E., Katyshev P.V. Study of Technological Parameters Serrated Moving Front of Mining Operations, J. Sib. Fed. Univ. Eng. Technol, 2015, 8(2), 192-197 (in Russian)].

[4] Патент 2520619 РФ, МПК Е21С 41/26. Способ открытой разработки месторождений. В.Е. Кисляков, П.В. Катышев; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». - № 2013110262; заявл. 07.03.2013; опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18. - 6 с. [Kislyakov V.E., Katyshev P.V. Open field development method. Pat. Rus. Fed. № 2520619. IPC Е21С 41/26. Publ. 27.06.2014, Bul. No. 18. 6 p. (in Russian)]

[5] Кисляков В.Е., Никитин А.В., Катышев П.В. Исследование технологии и производительности роторного выемочно-погрузочного комплекса при веерном подвигании фронта добычных работ в угольном карьере. Горный журнал, 2013, № 5, 89-92 [Kislyakov V.E., Nikitin A.V., Katyshev P.V. Research of technology and productive capacity of rotor mining-loading complex during the fan advancing of the field of excavation operations in the coal pit. Mining journal, 2013, № 5, 89-92 (in Russian)].

[6] Патент 2485315 РФ, МПК Е21С 41/26. Способ открытой разработки месторождений полезных ископаемых. В.Е. Кисляков, П.В. Катышев, А.В. Никитин, Е.А. Тарасенко; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». - № 2012100391; заявл. 10.01.2012; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17. 5 с. [Kislyakov V.E., Katyshev P.V., Nikitin A.V., Tarasenko E.A. Method of open development of mineral deposits. Pat. Rus. Fed. № 2485315. IPC Е21С 41/26. Publ. 20.06.2013, Bul. No. 17. 5 p. (in Russian)]