СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОЙ ВЫЕМКИ ПОЛОГОГО УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
METHOD OF SELECTIVE EXTRACTION OF SHALLOW COAL BED

Изобретение относится к горному делу, в частности к выемке угля из пологих пластов средствами комплексной механизации с выпуском угля подкровельной толщи. Оно также связано с добычей сырья для извлечения ценных химических элементов, залегающих в промышленных концентрациях в породах кровли или в подкровельной толще пласта.
Геохимическими исследованиями вещественного состава угольных пластов установлено, что зачастую ценные химические элементы концентрируются в угле и вмещающих породах вблизи зон геологических нарушений (взброс, сброс, пережим и т.д.) [Нифантов Б.Ф. Геохимическое и геотехнологическое обоснование новых направлений освоения угольных месторождений Кузбасса / Б.Ф. Нифантов, В.Б. Артемьев, С.В. Ясюченя, Б.А. Анферов, Л.В. Кузнецова. - М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2014 - 536 с.]. Данное техническое решение связано с добычей сырья для извлечения ценных химических элементов, залегающих в промышленных концентрациях в породах кровли, прилегающих к пласту, или в прикровельной пачке угольного пласта, а также в той части пород кровли, которая составляет пережим угольного пласта - уменьшение мощности.
Известен способ селективной выемки угольного пласта, включающий выемку угля и пород прослоя очистным комбайном, разделение потоков отбитого угля и пород прослоя в очистном забое и раздельный транспорт этих потоков до поверхности [Пат. 2436954 на изобретение Российской Федерации, МПК Е21С 41/18, Е21С 27/22; Способ селективной выемки угольного пласта и комбайн для его осуществления; 2009142177, заявлено 16.11.2009, патентообладатель ИУУ СО РАН, опубл. 27.05.2011, бюл. №15 (аналог)]. Недостатками этого способа являются достаточно узкая область применения, ограниченная пластами с выдержанной мощностью, и невозможность вынимать прослой (партинг) с промышленным содержанием ценных химических элементов, залегающий выше максимальной высоты секции крепи, а также в массиве пород кровли пласта.
Наиболее близким аналогом по организации нескольких потоков горной массы и транспортировании их одним транспортным средством, принятым в качестве прототипа, является способ выемки пологого угольного пласта, включающий отбойку и погрузку отбитого угля на забойный конвейер очистным комбайном (один поток горной массы), разрушение массива подкровельной толщи динамическим воздействием со стороны секции крепи скалывателем и выпуск угля подкровельной толщи на забойный конвейер (второй поток горной массы), а также разделение потоков горной массы за счет организации паузы при их погрузке в транспортное средство - забойный конвейер, так как выпуск угля подкровельной толщи не совпадает во времени с работой по выемке угля очистным комбайном [Пат. 155577 на полезную модель Российской Федерации, МПК E21D 23/00; 2015117301, заявлено 06.05.2015, опубл. 10.10.2015, бюл. №28 (прототип)].
Недостатком прототипа является слабая информативность ведения очистных работ, не позволяющая своевременно устанавливать рациональный режим работы секций крепи по выпуску горной массы из подкровельной толщи и пород кровли и снижающая эффективность селективной выемки угольного пласта. Поскольку промышленная концентрация ценных химических элементов многократно повышает ценность сырья для их извлечения по сравнению с рядовым углем, то своевременное включение определенного количества секций крепи в работу по выпуску этого сырья повышает эффективность селективной выемки угольного пласта и наоборот, несвоевременное выключение ряда секций из работы по выпуску горной породы ведет к разубоживаю ценного сырья, т.е. к снижению эффективности селективной выемки угольного пласта.
Цель изобретения - повышение эффективности селективной выемки полого угольного пласта за счет повышения информативности ведения очистных работ и организации различных режимов работы секций крепи по выпуску горной массы.
Поставленная цель достигается тем, что в способе селективной выемки пологого угольного пласта, включающем подготовку выемочного столба проведением конвейерного и вентиляционного штреков и монтажной камеры, отбойку и погрузку отбитого угля на забойный конвейер очистным комбайном, разрушение массива подкровельной толщи динамическим воздействием со стороны секции крепи скалывателем и выпуск угля подкровельной толщи на забойный конвейер, а также разделение потоков горной массы за счет выдерживания паузы при их погрузке в транспортное средство - забойный конвейер, в соответствии с техническим решением при подготовке выемочного столба выявляют ценные химические элементы и зоны их концентрации не только по мощности пласта, но и в прилегающих породах кровли, путем бурения скважин в потолочину выработки и определения вещественного состава буровой мелочи устанавливают пространственную ориентацию каждой зоны концентрации ценных химических элементов в пределах выемочного столба измерением угла рассогласования между условной линией распространения зоны концентрации ценных химических элементов и линией очистного забоя, в зависимости от угла рассогласования определяют возможное количество секций крепи, одновременно находящихся в зоне концентрации химических элементов, и устанавливают режим их работы по выпуску горной массы на забойный конвейер, а по мере подвигания фронта очистных работ из рабочего пространства в зону концентрации ценных химических элементов бурят ряд вертикальных скважин с последующим экспресс-анализом вещественного состава их буровой мелочи и в зависимости от результата экспресс-анализа устанавливают режим работы ближайших секций крепи.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг. 1 показана схема подготовки выемочного столба (вид в плане); на фиг. 2 - профиль выемочного столба - разрез по конвейерному штреку; на фиг. 3 - выемка пород партинга; на фиг. 4 - бурение вертикальной скважины в партинг.
Способ селективной выемки пологого угольного пласта переменной мощности, в котором по результатам геологической разведки выявлено промышленное содержание ценных химических элементов, осуществляют следующим образом. Проведением конвейерного 1 и вентиляционного штрека 2 подготавливают выемочный столб, который у дальней границы ограничивают монтажной камерой 3.
При проведении штреков контролируют мощность пласта на предмет выявления геологических нарушений, таких, например, как пережим - уменьшение мощности пласта. Контроль осуществляют бурением вертикальных скважин 4 в массив пласта над выработкой, включая прилегающие к пласту породы кровли. Бурение ведут с взятием проб угля и пород кровли из буровой мелочи с последующим анализом их вещественного состава. При выявлении зоны с промышленным содержанием ценных химических элементов осуществляют более тщательную доразведку этой зоны путем кернового бурения с определением мощности и ширины партинга, содержащего ценные химические элементы.
Сопоставлением результатов доразведки по вентиляционному и конвейерному штрекам на плане (фиг. 1) выемочного столба наносят ось по линии простирания зоны с промышленным содержанием ценных химических элементов и измеряют угол β между этой осью и линией очистного забоя (монтажной камеры). По профилю выемочного столба (фиг. 2) определяют рациональную мощность подсечного слоя, мощность угля в подкровельной толще и мощность партинга пород с ценными химическими элементами.
В качестве примера на фиг. 2 показан профиль выемочного столба с пережимом, в породах которого, прилегающих непосредственно к угольному пласту, содержится ценный минеральный комплекс, например, с редкоземельными металлами, а в угле подкровельной толщи (выше нижнего края пережима) - металлы платиновой группы.
В монтажной камере монтируют секции механизированной крепи 5, забойный конвейер 6 и очистной комбайн 7, в конвейерном штреке - перегружатель 8 и ленточный конвейер 9. При этом секции крепи, раздвигают на высоту не более мощности пласта в зоне пережима (мощность подсечного слоя), выявленного при ведении эксплуатационной разведки.
Секция крепи 5 - поддерживающе-оградительного типа, в завальном ограждении имеет выпускное окно 10 с заслоном 11 и желоб 12, обеспечивающие возможность работы крепи без выпуска угля подкровельной толщи (заслон закрыт) и с выпуском угля подкровельной толщи на забойный конвейер (заслон открыт). Во внутреннем пространстве заслона 11 размещен скалыватель 13, посредством которого возможно осуществление динамического воздействия на массив подкровельной толщи или пород кровли пласта [Пат. 155577 на полезную модель Российской Федерации, МПК E21D 23/00; 2015117301, заявлено 06.05.2015, опубл. 10.10.2015, бюл. №28].
Работа по селективной выемке угля предусматривает разделение горной массы, образующейся в очистном забое, на три потока, в частности угля из подсечного слоя, угля с промышленными содержаниями металлов платиновой группы из подкровельной толщи и породы с ценным минеральным комплексом из партинга в кровле пласта в зоне пережима, и осуществляется в следующем порядке.
Очистным комбайном 7, при его движении от одного штрека до другого, осуществляют отбойку угля от массива на глубину захвата, на мощность подсечного слоя (не более мощности пласта в зоне пережима) и на всю длину очистного забоя, а также погрузку отбитого угля на забойный конвейер 6. Забойный конвейер транспортирует отбитый уголь к конвейерному штреку, где посредством перегружателя 8 перегружает его на штрековый конвейер 9. Конвейер 9 транспортирует уголь до магистральной выработки, где перегружает его в средство магистрального транспорта, например магистральный конвейер, которым этот поток выдается на дневную поверхность (на угольный склад). Это первый поток горной массы из очистного забоя.
По мере движения очистного комбайна за ним осуществляют волновую передвижку части става забойного конвейера и передвижку секций крепи. По окончании выемки стружки угля в подсечном слое выполняют концевые операции в забое - подготавливают оборудование к выемке следующей стружки угля обратным ходом комбайна. После этого комбайн останавливают и выдерживают паузу в течение времени, достаточного для освобождения става забойного конвейера от отбитого угля подсечного слоя.
По освобождении става конвейера от угля подсечного слоя уголь подкровельной толщи над каждой секцией динамическим воздействием скалывателя 13 при открытом заслоне 11 разрушают на транспортабельные куски и через выпускное окно 10 по желобу 12 выпускают также на забойный конвейер 6. Это может быть последовательный выпуск угля подкровельной толщи одиночными секциями, группами секций или всеми секциями сразу, в зависимости от приемной способности забойного конвейера и мощности подкровельной толщи. Забойный конвейер 6 доставляет отбитый уголь к конвейерному штреку 1, где посредством перегружателя 8 перегружает его на ленточный конвейер 9, которым он транспортируется до магистральной выработки. На сопряжении с магистральной выработкой уголь подкровельной толщи перегружают в вагонетки, которыми далее выдают на дневную поверхность, но уже на другой склад. Это второй поток горной массы из очистного забоя.
Так поочередно, то из подсечного слоя, то из подкровельной толщи осуществляется селективная выемка пласта до тех пор, когда очистной забой подойдет к зоне с промышленными содержаниями редкоземельных металлов, т.е. к пережиму.
При подходе секций крепи к пережиму - уменьшению мощности пласта (об этом будет свидетельствовать положение очистного забоя относительно выявленного доразведкой пережима на плане горных работ) - из рабочего пространства очистного забоя в потолочину через отверстия в перекрытии секции крепи бурят ряд наклонных шпуров 14. При этом угол наклона шпуров принимают примерно равным углу наклона заслона при открытом выпускном окне. После очистки забойного конвейера от транспортируемой горной массы скалывателем 13 динамически воздействуют на партинг по линии ряда наклонных шпуров, отбивая тем самым порцию породы партинга. Отбитая порция породы партинга под действием гравитации падает в выпускное окно секции крепи и следует далее по желобу на забойный конвейер, который доставляет ее к конвейерному штреку 1, где перегружатель 8 грузит ее в вагонетки 15, которыми этот третий поток горной массы выдается на дневную поверхность - на специальный склад.
На практике линия простирания зоны с промышленными концентрациями ценных химических элементов не параллельна линии очистного забоя. Поэтому в эту зону секции крепи будут входить не все сразу, а по очереди, в зависимости от угла рассогласования, по одной или группами. Это означает, что и выпуск пород партинга с ценными химическими элементами необходимо организовать по мере входа секций крепи в эту зону. Для этого используют известный угол рассогласования между линией простирания зоны с промышленными концентрациями ценных химических элементов и линией очистного забоя.
В зависимости от угла рассогласования и выявленной ширины интересующей нас зоны рассчитывают количество секций в зоне через каждый шаг передвижки с момента входа в эту зону первой секции и определяют порядковые номера этих секций. В соответствии с этим, по мере подвигания очистного забоя организуют селективную выемку пород партинга с промышленными содержаниями ценных химических элементов, как описано выше.
В рассматриваемом примере протяженность зоны с промышленными концентрациями ценных химических элементов более длины очистного забоя. В реальных условиях в пределах выделенной зоны могут находиться другие зоны, назовем их «субзоны», в которых концентрации ценных химических элементов ниже промышленных. Отбивать породу в субзонах, выдавать ее на поверхность, складировать на специальном складе и далее перерабатывать нецелесообразно. Кроме того, это резко снижает эффективность очистных работ.
По мере подвигания фронта очистных работ (отработки выемочного столба) рабочее пространство очистного забоя перемещается под пережимом. Затем с отставанием в один-два шага передвижки под пережимом проходит выпускное окно секции крепи. Из рабочего пространства очистного забоя на равном расстоянии друг от друга в пережим, бурят вертикальные скважины 16 со сбором буровой мелочи и последующим экспресс-анализом ее вещественного состава. При подтверждении промышленной концентрации ценных химических элементов ближайшие секции крепи работают с выпуском пород партинга, в противном случае - без выпуска.
Таким образом, за счет опережающего экспресс-анализа вещественного состава угля и пород партинга повышается информативность ведения очистных работ, позволяющая своевременно принимать решение по режиму работы секций крепи (с выпуском или без выпуска) и транспортных средств (каким средством магистрального транспорта выдавать горную массу на поверхность и далее на какой склад). Это повышает эффективность селективной выемки пологого угольного пласта, а это и есть цель изобретения.