О совершенствовании технологии ведения очистных работ на мощных крутонаклонных пластах Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса

УДК 622.232.526.4

Ю.М. Филатов

О совершенствовании технологии ведения очистных работ на мощных крутонаклонных пластах Прокопьевско-Киселевского

района Кузбасса

Приводятся результаты применения одной из безопасных и эффективных технологий разработки мощных крутонаклонных пластов с помощью очистных механизированных агрегатов ЩРПМ (щитовой агрегат безраспорного типа).

Ключевые слова: ЩИТОВОЙ АГРЕГАТ, МОЩНОСТЬ ПЛАСТА, МОНТАЖ, ДЕМОНТАЖ, АВАРИЙНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ТРАВМАТИЗМ, ПОЖАРООПАСНОСТЬ, РАСПОРНЫЙ ТИП МЕХАНИЗАЦИИ, ЩИТОВОЙ АГРЕГАТ БЕЗРАСПОРНОГО ТИПА

В ближайшие 10-15 лет структура промышленных запасов, эффективная разработка которых на сегодняшний день возможна только щитовой системой, сохранится, о чем можно судить по объему добычи угля на шахтах за последние годы с использованием щитовой системы.

В основу совершенствования технологии щитовой выемки угля на шахтах должны быть положены направления по обеспечению механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя, а также технические направления, которые могли бы устранить негативные последствия проявления повышенного горного давления, т.е. обеспечить разгрузку пластов от горного давления и устранить перепуск обрушенных пород с верхних горизонтов.

С целью совершенствования технологии ведения очистных работ при щитовой системе разработки ученые ИГД СО РАН и КузНИУИ проводили работы по созданию очистных агрегатов ЩРПМ для мощных крутонаклонных пластов угля на базе щитовой крепи ЩРП, которая не имеет аналогов в отечественной и зарубежной практике, отличается простотой, высокой приспособляемостью к сложным горно-геологическим условиям, а также низкой стоимостью. Это подтверждается продолжительным (пятилетним) опытом внедрения щитовых крепей ЩРП, который показал ряд преимуществ, а именно:

- возможность выемки пластов угля мощностью, превышающей максимальные габариты типоразмера крепи до 2 м, благодаря выпуску подкровельной пачки непосредственно из-за передней части щитовых перекрытий;

- крепь ЩРП не распирается между боковыми породами, а удерживается от «сползания» по падению пласта за счет попеременной опоры на угольный целик у кровли или почвы пласта, что позволяет отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями и сползающими почвами;

- демонтаж секций крепи ведется под защитой собственных деревянно-металлических перекрытий одноразового использования. При этом очередной монтаж крепи в новом щитовом столбе производится с новым комплектом щитовых перекрытий. Производимые дополнительные затраты на новый комплект перекрытия окупаются сокращением времени демонтажа, снижением трудозатрат на демонтаж, а также повышением безопасности при демонтаже;

- угол наклона поверхности крепи к горизонту принят близким к углу естественного откоса, что обеспечивает устранение влияния призабойной части угольного массива на надежность крепи.

В процессе анализа работы агрегатов ЩРПМ установлено:

1 Применение механизированной выемки угля обеспечило более высокую культуру и безопасность работ.

2 Раздельная передвижка крепи агрегата по почве и кровле пласта позволяет осуществлять постоянную опору на целик, что исключает произвольную самопередвижку крепи по падению пласта и уменьшает вероятность прорыва породы в призабойное пространство.

3 Выявлена высокая приспособляемость крепи агрегата к почве пласта и к линии очистного забоя.

4 Возможность проведения буровзрывных работ в подкровельной пачке расширяет диапазон применения типоразмера агрегата по мощности пласта, позволяет проходить сбросы и другие нарушения.

5 Высокий процент унификации (85%) снижает затраты на изготовление и разработку, позволяет в сжатые сроки наладить серийное производство.

6 Демонтаж секции крепи агрегата ведется под защитой собственных деревянно-металлических перекрытий одноразового использования.

7 Низкая металлоемкость (0,6 т/м2 отрабатываемой площади очистного забоя) в сравнении с существующими агрегатами (2АНЩ -1,65 т/м ).

Таким образом, испытания агрегатов ЩРПМ доказали их высокую работоспособность и приспособляемость к сложным горно-геологическим условиям, высокую надежность и полноту выемки угля по мощности пласта, удобство обслуживания их в эксплуатации, более высокую культуру и безопасность ведения очистных работ.

Результаты эксплуатации опытных образцов агрегата показывают правильность выбранных конструктивных и принципиальных решений не только для пластов крутонаклонного, но и крутого падения. Это подтверждается тем, что изучение механизма сдвижения подработанного массива показывает, что при обломах основной кровли блоки обломившихся слоев сохраняют шарнирную связь с массивом пород, а смещение блоков происходит путем их поворота относительно шарниров. То есть как при интенсивных осадках кровли с изгибом слоев, так и при обломах основной кровли блоками сдвига слоев вкрест простирания на уровне очистного забоя не происходит. Отсюда следует, что для отработки мощных крутых пластов на глубоких горизонтах могут быть использованы передвижные крепи оградительного типа. Для данной крепи необходимо обеспечить устойчивое состояние призабойной части угольного массива, возможность работы перекрытия в постоянном контакте с угольным массивом, а также создание податливой подушки со стороны

кровли пласта. Всеми этими особенностями обладает крепь ЩРП, под которой возможно разместить средства комплексной механизации очистных работ.

В настоящее время решена задача расширения области применения механизированной выемки угля на пластах мощностью более 6,5 м с углами падения 35-80°.

Изготовлен агрегат ЩРПМ-4, который может отрабатывать пласты мощностью до 9 м с углом падения 80°, а более мощные - послойными агрегатами.

На современном этапе развития техники и технологии добычи угля подземным способом основной задачей на шахтах является повышение темпов роста производительности труда в очистных забоях с одновременным снижением трудоемкости ведения очистных работ.

Решение поставленной задачи возможно только за счет технического перевооружения шахт на основе комплексной механизации производственных процессов с применением высокопроизводительных добычных комплексов, агрегатов и механизированных крепей.

Технология очистных работ на мощных крутых и крутонаклонных пластах характеризуется почти полным отсутствием механизации, большим объемом ручного труда, повышенным расходом лесоматериалов, низким уровнем безопасности и значительными потерями угля в недрах. С переходом на отработку запасов нижележащих горизонтов горно-геологические условия осложняются, возрастает опорное давление, ухудшаются физико-механические свойства углей, повышаются на-рушенность и газообильность пластов. Вследствие этого применение традиционных систем разработки (ДСО, ПШО, щитовой) становится более затруднительным из-за аварийного состояния забоев, увеличения травматизма, повышения пожароопасности и увеличения расхода дефицитных и дорогостоящих лесоматериалов.

Анализ горно-геологических условий, количественная и качественная оценка применяемых систем разработки в целом за истекший период и на перспективу, а также научное обобщение опыта конструирования и промышленной проверки экспериментальных образцов новых технологий и очистной техники на шахте позволяют сделать следующие выводы:

1 Наличие коротких выемочных полей и значительных нарушений угольных пластов предопределяет использование здесь систем разработки и очистного оборудования с ведением очистных работ короткими забоями по падению.

2 Преобладание пластов с неустойчивыми породами кровли и почвы и значительными колебаниями мощности вынуждает к применению средств механизации крепления безраспорного типа.

3 В основу совершенствования технологии выемки должны быть положены следующие направления:

- увеличение нагрузки на забой за счет совмещения процессов фронтальной механизированной выемки угля и его доставки вдоль очистного забоя;

- снижение потерь за счет полноты выемки;

- снижение аварийности очистных забоев и травматизма за счет применения простых в обслуживании и надежных в работе средств механизации крепления и выемки.

В результате проведения большого объема научно-исследовательских, проектно-конструкторских и внедренческих работ, основной целью которых было решение вопроса комплексной механизации очистных работ при щитовой системе разработки, был создан и внедрен в

промышленное производство принципиально новый тип очистного оборудования - щитовой агрегат безраспорного типа ЩРПМ.

Анализ отечественных и зарубежных разработок в области выемки механизированными крепями и агрегатами, работающими по падению, показывает, что все они имеют один существенный недостаток, нередко приводящий к аварийным ситуациям, - фиксация секций крепи от сползания по падению пласта, как правило, осуществляется за счет распора между боковыми породами, что затрудняет или делает невозможным их применение на пластах с неустойчивыми кровлями и слабыми сползающими почвами.

Отличительной конструктивной особенностью агрегатов ЩРПМ является то, что крепь этих агрегатов не распирается между боковыми породами, а удерживается от сползания по падению за счет попеременной опоры на угольный целик у кровли или почвы пласта. Это в значительной мере снижает возникновение аварийных ситуаций в очистном забое и позволяет отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями и почвами. Наличие же в конструкции агрегата независимой, раздельной от основания, без предварительного снятия с распора передвижки щитового перекрытия снижает вероятность проникновения пород в призабойное пространство.

При щитовой системе разработки большой удельный вес в общей участковой себестоимости угля занимают затраты на проходку и крепление углеспускных и ходовых печей, особенно при креплении печей срубом всплошную. С переходом на отработку нижележащих горизонтов трудоемкость и стоимость проведения и поддержания углеспускных печей возрастает в 1,5-2,0 раза. Технология отработки мощных пластов длинными столбами по падению с применением агрегатов ЩРПМ позволяет значительно сократить количество углеспускных печей, а следовательно, снизить трудозатраты на их проведение и крепление. Кроме этого, регулируемый и постоянный по своему объему поток угля из очистного забоя при конвейероструговой выемке снижает вероятность забучивания углеспускных печей, увеличивает срок их службы без дополнительного ремонта.

Коэффициент пожароопасности системы в большей мере зависит от скорости подвигания очистного забоя и полноты выемки. Подвигание очистного забоя при применении очистных агрегатов ЩРПМ составляет 3,0-3,5 м/сут, что в сочетании с достаточно высоким коэффициентом извлечения угля значительно снижает пожароопасность щитовой системы.

Таким образом, основные преимущества технологии отработки мощных крутых и крутонаклонных пластов длинными столбами по падению с применением агрегатов ЩРПМ следующие:

- механизированная выемка угля позволяет увеличить в 2 раза нагрузку на забой по сравнению со щитовой системой с применением традиционных щитовых перекрытий, увеличить безопасность ведения очистных работ, снизить трудоемкость, уменьшить потери угля;

- высокая скорость подвигания очистного забоя, сокращение времени отработки выемочного столба, сравнительно небольшие потери снижают пожароопасность системы и влияние горного давления на очистное оборудование;

- конструктивные особенности крепи агрегата (отсутствие распора и возможность раздельной принудительной передвижки секций) позволяют отрабатывать пласты с неустойчивыми кровлями и слабыми сползающими почвами, расширяют диапазон применения системы по углу падения пласта по сравнению с традиционной щитовой;

- механизированная транспортировка угля из очистного забоя в одну фланговую углеспуск-ную печь сокращает количество подготовительных выработок (углеспускных печей) и снижает трудоемкость работ по их креплению и поддержанию;

- простота конструкции и надежность составляющих элементов забойного оборудования обеспечивают безаварийную работу очистного забоя и не требуют специальной длительной подготовки обслуживающего персонала;

- возможность проведения под агрегатом буровзрывных работ в сочетании с механизированной выемкой без нарушения целостности механизмов агрегата позволяет обеспечить гибкую технологию ведения очистных работ, варьировать способами отработки забоя и передвижки крепи, проходить сбросы и сужения пласта.

Накопленный положительный опыт промышленной эксплуатации агрегатов на шахтах позволяет с уверенностью говорить о правильности выбранного направления по механизированной отработке мощных крутых и крутонаклонных пластов.

Горно-геологические условия применения технологии отработки мощных пластов длинными столбами по падению со щитовыми агрегатами ЩРПМ представлены в таблице 1.

При составлении проекта выемочного участка и выборе нужного типоразмера агрегата следует учитывать, что минимальная мощность пласта должна превышать минимальную конструктивную высоту крепи выбранного типоразмера агрегата не менее чем на 0,4-0,5 м.

Таблица 1 - Горно-геологические условия применения агрегата ЩРПМ

Наименование показателя Значение или характеристика показателя

Мощность пласта, м 3,5-12,0

Угол падения пласта, град 35-80

Сопротивляемость угля резанию, кН/м До 200

Кровля пласта До неустойчивой включительно

Почва, допускающая удельное давление, мПа, 0,4

не менее

Наличие породных прослойков в пласте, не более 10% мощности

Газообильность пластов До сверхкатегорных включительно

Нарушенность пластов Сбросы с амплитудой не более 1 м

Подготовка выемочного участка при данной системе разработки заключается в предварительном проведении двух углеспускных печей (входной и вентиляционной) на флангах выемочного столба и ходовой печи (рисунок 1). Последняя соединяется с входной углеспускной печью сбойками через 6-8 м по падению пласта. Расстояние между углеспускными печами принимается в зависимости от планируемого количества монтируемых секций агрегата. При невозможности выбуривания углеспускных печей сразу на всю высоту выемочный столб разделяется на подэтажи промежуточными штреками. Сечение промежуточных штреков должно быть минимально допустимым, а их крепление должно производиться деревянной крепью без применения металлических анкеров, сетки, решетчатой металлической затяжки. Углеспускные печи закрепляются деревянной венцовой крепью или тюбинговой крепью из углепласта. На пластах с углом падения более 70° и крепкими углями допускается эксплуатация незакрепленных углеспускных печей (скважин) диаметром не менее 1000 мм. Проветривание очистного забоя осуществляется по общепринятым схе-

мам, регламентированным «Дополнениями к «Инструкции по безопасному применению щитовой системы разработки».

Транспортировка угля из очистного забоя осуществляется конвейеростругом во входную печь, по ней самотеком на конвейер промежуточного или конвейерного штрека и по нему - в грузовое отделение передового ската и бункер откаточного штрека, из которого грузится непосредственно в вагонетки на откаточном штреке.

Рисунок 1 - Схема отработки мощных крутонаклонных пластов с применением

агрегатов ЩРПМ

Комплекс оборудования агрегата ЩРПМ включает в себя гидрофицированную щитовую оградительную крепь, конвейероструг, навешиваемый на крепь агрегата посредством навесного оборудования, гидрооборудование, электрооборудование, пусковую аппаратуру, систему пылепо-давления. Между собой секции крепи агрегата по простиранию связаны по перекрытиям и лыжам оснований цепными удерживающими связями, препятствующими «расползанию» секций крепи по простиранию. На двух секциях - входной и тупиковой, на щитовых перекрытиях установлены торцовые защитные фартуки, предохраняющие рабочее пространство под агрегатом от просыпания обрушенных пород в зазор между щитовым перекрытием и торцом забоя.

Агрегат выпускается трех типоразмеров:

ЩРПМ-1 - для отработки пластов мощностью 4,5-5,5 м;

ЩРПМ-2 - для отработки пластов мощностью 3,5-4,5 м;

ЩРПМ-4 - для отработки пластов мощностью 7,0-10,0 м.

Техническая характеристика агрегатов

Наименование ЩРПМ-1 ЩРПМ-2 ЩРПМ-4

показателя

Производительность 2,4 2,4 2,4

техническая,т/мин

Применяемость по вы- 4,5-5,5 3,5-4,5 6,5-10,0

нимаемой мощности, м

Применяемость по углу 35-80 35-80 35-80

падения, град

Шаг установки секций 2,4 2,4 3,0

крепи,м

Минимальная конструк- 3900 3200 5100

тивная высота секции

крепи, мм

Удельное сопротивле- 250 270 200

ние крепи на 1 м2 огра-

ждающей площадки, кН

Суммарная установ- 1 98 198 1 98

ленная мощность элек-

тродвигателей, кВт

Шаг выемки, м 0,65 0,65 0,7

Выемочная машина, тип 1АЩМ 1АЩМ 1АЩМ

Средний ресурс до ка- 1 60 160 1 60

питального ремонта

выемочной машины,

тыс. т

Насосная станция, тип СНТ-32 СНТ-32 СНТ-32

Рабочее давление, МПа 20 20 20

Масса секции без 6,1 5,7 9,4

деревянного настила, т

Длина агрегата, м: минимальная 19 19 30

максимальная 35 35 43

В настоящее время отработка особо мощных (более 8 м) крутых пластов послойными щитовыми крепями Чинакала прекращена, так как практически ни один щитовой столб в пределах выемочного поля не отрабатывался полностью, что приводило к значительным потерям угля в недрах и, как следствие, к подземным пожарам. Высокая аварийность под щитовыми крепями вызывалась сложностью выбуривания скважин по направленности в створе каждого послойного щита, трудностью ведения очистных работ по выемке угля под послойными щитами с буровзрывной технологией добычи угля.

Поэтому, когда решена проблема механизированной выемки угля с применением агрегата ЩРПМ-4, рекомендуется отработка особо мощных пластов механизированным способом сдвоенными агрегатами очистными ЩРПМ.

Отработка запасов угля на особо мощных пластах заключается в том, что пласт как бы разделяется на два слоя и работы по выемке угля ведутся так же, как на двух обособленных пластах с опережением одного из забоев в створе выемочного столба на 4-6 м по кровле или почве пласта (рисунок 2).

Рисунок 2 - Технологическая схема отработки мощных (12-16 м) крутых и крутонаклонных пластов столбами агрегатом ЩРПМ с гибким металлическим перекрытием

При наличии перемятой структуры угольного пласта мощностью 12-16 м рекомендуется отработка таких пластов сдвоенными по мощности агрегатами с гибким металлическим перекрытием. Технология предусматривает отработку верхнего слоя пласта механизированным агрегатом с видоизмененными секторными опорами, внутри которых расположены бобины металлических лент гибкого перекрытия. По мере опускания верхнего агрегата происходит разматывание лент по падению без переплетения и вкрест простирания - без настила сетки. Нижний слой отрабатывается агрегатом (комбинированным способом) с выемкой подкровельной пачки буровзрывным способом, посадкой агрегата «броском» с последующим выпуском межслоевой толщи через передние лобовые козырьки, что многократно проверено при работе агрегатов на шахте «Киселевская».

На основании обобщения опыта отработки крутых тонких и средней мощности пластов в Донбассе и крутонаклонных пластов АО УК «Прокопьевскуголь» полосами по падению спаренными агрегатами А11Щ и 1АП1Д можно сделать вывод о том, что отработка пластов мощностью 2,56,0 м может быть успешно реализована и спаренными агрегатами ЩРПМ. Приведенная технологическая схема (рисунок 3) предусматривает отработку пласта двумя спаренными по простиранию агрегатами, увязанными на месте их стыка специальными цепными матами по перекрытиям крайних секций.

1Mb

Рисунок 3 - Технологическая схема отработки крутых и крутонаклонных пластов спаренными по

простиранию агрегатами ЩРПМ

Транспортировка отбитого угля ведется в центральную углеспускную печь. Данная технологическая схема позволяет повысить нагрузку на выемочное поле в 1,5-1,8 раза и обеспечить более стабильную работу очистного забоя, поскольку аварии или отказы механизмов одного из агрегатов не влияют на работоспособность другого.

ABOUT COAL EXTRACTION WORK METHODS IMPROVEMENT AT THICK STEEP SEAMS OF PROKOPIEVSK-KISELEVSK DISTRICT OF KUZBASS

Yu.M. Filatov

Results of one of safe and efficient methods of thick steep seams development with the help of extraction mechanized aggregates ShRPM (shield aggregate of strutless type) are given.

Key words: SHIELD AGGREGATE, SEAM THICKNESS, ASSEMBLY, DISASSEMBLY, ACCIDENT RATE, SAFETY, INJURY RATE, FIRE HAZARD, MECHANIZATION OF STRUT TYPE, SHIELD AGGREGATE OF STRUTLESS TYPE

Филатов Юрий Михайлович Tел. 89069877448