К проблеме разработки мощных угольных пластов

Размещено на http://www.allbest.ru/

К проблеме разработки мощных угольных пластов

А.М. Ермолаев (д-р техн. наук, профессор кафедры ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»)

Ли Хи Ун (д-р техн. наук, проф., ученый секретарь ОАО «НЦ ВостНИИ»)

Ю.М. Филатов (канд. техн. наук, советник генерального директора ОАО «НЦ ВостНИИ»)

Рассматриваются наиболее эффективные и безопасные системы разработки мощных угольных пластов, применяемые в Кузбассе и в других бассейнах, их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: СИСТЕМА, РАЗРАБОТКА, КРЕПЛЕНИЕ, КРОВЛЯ, ГОРНОЕ, ДАВЛЕНИЕ, ОБРУШЕНИЕ, ЗАКЛАДКА, ВЫРАБОТАННОЕ, ПРОСТРАНСТВО

Известно, что в основных угледобывающих странах значительные запасы угля сосредоточены в мощных пологих и наклонных пластах 1, 2. Несмотря на весьма различные горно-геологические условия их залегания, применяющаяся технология их разработки не отличается разнообразием. Наиболее широко распространены столбовые системы разработки с длинными очистными забоями, на которые приходится в России - 96 %, Польше - 87,5 %, СФРЮ и Франции - 81 %, Японии - 93 % всей подземной добычи из мощных пластов. Системы разработки короткими очистными забоями широко применяются при отработке пластов бурого угля в Румынии и Чехии. Здесь на их долю приходится соответственно 48 и 74 % всей добычи из мощных пластов. На шахтах России из мощных пластов ежегодно добывается до 30 % угля.

Бассейны с залеганием мощных пластов угля - это Печорский, Челябинский, Кузнецкий. Имеются такие пласты в Хакасии, Приморье и на о. Сахалин.

Наибольшая добыча из мощных пластов велась в Кузнецком бассейне на 30 шахтах из 60.

Подземный способ отработки мощных угольных пластов используется в Ерунаковском, Ленинском, Прокопьевско-Киселевском, Кондомском, Мрасском и Томь-Усинском месторождениях.

За последние 15 лет добыча угля в России на мощных пологих и наклонных пластах возросла более чем на 20%, уровень комплексной механизации очистных работ с 5 до 90 %, снизились эксплуатационные потери угля за счет применения бесцеликовой выемки и внедрения механизированных крепей увеличенной высоты.

В связи с наблюдающимся увеличением объема добычи угля из мощных пластов, особенно в восточных районах, важное значение для дальнейшего развития угольной промышленности России приобретает их рациональная разработка 3,4.

Процессы крепления кровли в очистном забое на мощных пластах. Преимущества и недостатки крепей оградительно-поддерживающего и поддерживающе-оградительного типов. Индивидуальные крепи

Пласты, имеющие мощность свыше 3,5 м, относятся к мощным пластам и имеют широкое распространение. Применение индивидуальных крепей на пласте мощностью более 3,5 м затруднительно, опасно и фактически невозможно. В последние годы заводы угольного машиностроения стали выпускать механизированные крепи для отработки пластов мощностью от 3,5 до 6 м.

При мощности пласта 6 м только поддерживающие крепи не могут применяться, поэтому к поддерживающим элементам необходимо присоединять ограждающий элемент крепи. Мощные пласты являются весьма газонасыщенными, в них сосредоточены огромные объемы метана, который интенсивно выделяется в рабочее пространство очистного забоя при отбойке угля от массива, размельчении его и погрузке на забойный конвейер. Обильное массовое выделение метана в рабочее пространство очистного забоя и требование безопасности в части ограничения скорости воздуха 4 м/с вынуждает констукторов увеличивать сечение рабочего пространства, а это возможно за счет увеличения ширины рабочего пространства, т.е. за счет увеличения длины поддерживающего элемента. Таким образом, чем больше мощность пласта, тем острее потребность в применении крепи поддерживающе-оградительного типа 5,6.

пласт угольный кузбасс

Управление горным давлением полной закладкой выработанного пространства. Условия применения. Основные типы закладочных материалов. Состав и свойства закладочных материалов

Управление горным давлением полной закладкой выработанного пространства применяется в ограниченном количестве очистных забоев при неустойчивых боковых породах и разработке пластов, опасных по самовозгоранию угля, а также в тех случаях, когда требуется сохранить поверхность (разработка под водоемами, под застройками и т.п.) 7.

Под закладкой понимают заполнение выработанного пространства, образующегося в результате выемки полезного ископаемого, закладочным материалом с целью управления горным давлением, уменьшения потерь угля в недрах, предотвращения возникновения эндогенных пожаров, недопущения больших и резких осадок земной поверхности, создания более безопасных условий ведения горных работ и улучшения проветривания.

Закладочный материал, уложенный в выработанное пространство, образует закладочный массив. Процесс укладки в выработанном пространстве закладочного материала называют возведением закладочного массива.

По способу возведения различают ручную, самотечную, гидравлическую, пневматическую и механическую закладки.

Закладочный материал должен удовлетворять следующим требованиям: быть дешевым; иметь способность к образованию в выработанном пространстве прочного и плотного устойчивого массива с малой воздухопроницаемостью; давать минимальную усадку под действием собственной массы и горного давления; быть не склонным к самовозгоранию (допустимое содержание горючих веществ не более 20 %, серы не более 5-8 %); обладать малой абразивностью; быть устойчивым против быстрого слеживания или смерзания при хранении на складах.

Материалы, применяемые для закладки выработанного пространства, разделяют на две группы:

1) горные породы, добываемые в специальных закладочных карьерах: песок, гравий, галька, дробленые коренные породы (глинистые и песчанистые сланцы, песчаники, известняки, горельники) и др.;

2) материалы, представляющие собой отходы производства: пустая порода, материалы шахтных отвалов, порода, извлекаемая при обогащении угля, котельные шлаки и шлаки металлургических заводов. Глины, суглинки и суспеси применяют в качестве добавок к другим материалам.

Песок - наилучший закладочный материал для гидравлической закладки.

Классификация систем разработки мощных пластов. Основные горно-геологические факторы, влияющие на выбор систем разработки мощных пластов. Основные требования к технологии и механизированным крепям

Системой разработки угольных месторождений называют определенный порядок ведения подготовительных и очистных работ, увязанный в пространстве и времени.

Как известно, рациональной системой разработки следует считать такую, которая в данных конкретных условиях обеспечивает безопасность работ, максимальную производительность труда, минимальные потери полезного ископаемого, минимальную себестоимость 1 т добытого полезного ископаемого.

Кроме того, система разработки должна обеспечивать возможность комплексной механизации основных процессов добычи полезного ископаемого и такое распределение работ на отдельных участках, при котором облегчается их проветривание и сокращаются расходы на поддержание подготовительных выработок 3.

На выбор системы разработки и способы очистной выемки влияют многочисленные и разнообразные факторы, главнейшими из которых являются:

- мощность пласта, определяющая способ выемки;

- угол падения пласта, определяющий способ доставки полезного ископаемого (при пологом падении отбитый уголь остается лежать на месте, при крутом падении он под влиянием собственной массы скатывается вниз по падению пласта);

- строение и свойства пласта - наличие прослойков, кливаж, крепость угля, способность его самовозгораться;

- свойства боковых пород - устойчивость, их способность к обрушению при выемке угля и т.п.;

- наличие рудничного газа, вызывающего необходимость применять системы разработки с минимальным количеством подготовительных выработок (особенно восстающих), где обычно скапливается метан;

- характер механизации работ по добыче угля;

- требования, предъявляемые потребителем в отношении крупности кусков и качества добытого угля;

- геологические нарушения усложняют разработку месторождения и должны приниматься во внимание;

- взаимное расположение пластов в свите, которое влияет на очередность их выемки;

- наличие притока воды в очистном забое, которое снижает производительность труда, повышает опасность работ и требует определенной ориентации линии очистного забоя в пространстве.

Многообразие систем разработки мощных угольных пластов можно представить в виде следующей классификации:

1 Системы разработки с выемкой пласта на полную мощность.

1.1 С длинными очистными забоями (столбовые, комбинированные).

1.2 С короткими очистными забоями (столбовые, камерные, камерно-столбовые, подэтажные штреки, полосы и заходки).

2 С разделением пласта на слои (наклонные, горизонтальные и поперечно-наклонные).

Системы разработки с выемкой пласта на полную мощность характеризуются относительной простотой, так как все подготовительные выработки располагаются в плоскости пласта. Системы разработки с разделением пласта на слои конструктивно более сложны и многообразны.

Системы разработки длинными столбами по простиранию в уклонном поле с проведением выемочных штреков вприсечку

Данная система разработки применяется при двухсторонней панельной подготовке с последовательной отработкой крыльев, на пластах мощностью от 1,8 до 6,0 м, с углами падения до 18°, со средней устойчивостью кровли. Система мало пригодна для отработки бремсберговых полей в связи с тем, что на глубинах под наносами породы кровли весьма неустойчивы, поэтому находит распространение в уклонных полях с более устойчивой кровлей.

Система не имеет целиков, поэтому может успешно применяться на пластах, опасных по горным ударам, а также с углями, склонными и весьма склонными к самовозгоранию. Газоносность пласта не является ограничивающим фактором, особенно при комбинированных схемах проветривания, когда часть вентиляционной струи отводится через завал лавы на фланговые печи с использованием газоотсасывающих вентиляторов.

Верхние выемочные столбы подготавливаются как обычно при столбовых системах разработки с проведением вентиляционного и конвейерного штреков.

Последующие выемочные поля подготавливаются одиночным конвейерным штреком, а вентиляционный штрек присекается к бывшему конвейерному штреку на глубину 2-4 м по нижнему борту.

Конвейерный штрек при отработке очистного забоя сохраняется с помощью специальной одно- или двухрядной органной крепи, пробиваемой посередине штрека или отстоящей на 2/3 ширины штрека от его нижнего борта.

В отдельных сдучаях вентиляционный штрек проходится в массиве угля нижнего выемочного поля на расстоянии от нижнего борта конвейерного штрека, чтобы оставался целик угля шириной 3-4 м.

В одном крыле двухсторонней панели ведутся очистные работы, в другом - подготовительные: присечка, монтажные, профилактические работы по предупреждению самовозгорания угля.

Проветривание очистного забоя производится восходящей струей по возвратноточной схеме.

Присечная выработка проводится после прекращения сдвижения пород над выработанным пространством разрабатываемого выемочного поля. Разрыв во времени между окончанием очистных работ верхнего очистного забоя и началом проведения присечной выработки составляет от 3 до 7 месяцев.

Очистные забои укомплектовываются современными механизированными комплексами. Присечные выработки на внешней границе выемочной панели служат для доставки оборудования и проветривания выработок при проходке.

Параметры системы разработки: длина выемочного поля по простиранию 800 м и более, длина лавы принимается стандартная по типу применяемого механизированного комплекса, выпускаемого заводом-изготовителем.

Системы разработки длинными столбами по простиранию с выпуском угля подкровельной толщи

В 2011 году ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева» была издана монография «Отработка мощного угольного пласта механизированным комплексом с выпуском подкровельной пачки». В 16 разделах монографии подробно изложены горно-геологические условия отработки мощных угольных пластов, характеристика механизированного комплекса, результаты исследования проявления горного давления в очистном забое, оценка эндогенной пожароопасности и мероприятия по предупреждению самовозгорания угля; оценены потери угля, которые достигают от 0,9 до 4,2 т/м2 в зависимости от мощности подкровельной пачки.

Сущность системы разработки заключается в следующем: пласт мощностью от 9 до 12 м подготавливается по столбовой системе, т.е. проводятся конвейерный и вентиляционный штреки, разрезная печь у почвы пласта. Разрезная печь расширяется до монтажной камеры, где монтируется механизированный комплекс, имеющий забойный и завальный конвейеры, комбайн и крепь, перекрывающую завальный конвейер [8].

Технология очистной выемки заключается в следующем: комбайн извлекает нижнюю пачку угля мощностью до 5 м, остающаяся верхняя пачка угля под действием собственной массы и горного давления обламывается и грузится на забойный конвейер. Завальный элемент крепи позволяет разбивать крупные куски обрушившейся пачки угля.

Из опыта отработки выемочного столба 21-1-5 на шахте «Ольжерасская-Новая» [8] при системе разработки длинными столбами по простиранию с оставлением межлавных целиков следует, что система имела следующие параметры: длина выемочного столба составила 1320 м; длина лавы - 149 м.

Выработки имели различное расположение в пределах пласта: часть выработок была проведена у кровли, а часть - у почвы. Помимо стандартных оконтуривающих выработок (конвейерного, вентиляционного штреков и монтажной камеры), дополнительно для обеспечения безопасности и эффективности очистных работ были пройдены следующие выработки: газодренажный штрек, промежуточный штрек, дренажный водоотводящий штрек и вентиляционная печь. Промежуточный и газодренажный штреки сечением в свету 3,5 м2 были пройдены у кровли пласта, а конвейерный и вентиляционный штреки сечением в свету 5,5 м2 - у почвы в нижней пачке угля.

Монтажная камера имела сечение от 8,3 до 9,3 м2 и была пройдена у почвы пласта.

За 20 месяцев работы подвигание забоя достигло 1402,8 м, комбайном извлечено 1045,3 тыс. т угля, выпуск из подкровельной пачки составил 1191,9 тыс. т, общая добыча составила 2237,2 тыс. т.

Авторы отмечают [8], что суточная и месячная добыча угля при переходе диагональных выработок меньше, чем до перехода и после перехода соответственно в 1,84 и 2,46 раза.

Принципы деления мощных пластов на слои. Восходящий и нисходящий порядок отработки слоев

В тех случаях, когда выемка мощных пластов на всю мощность технически трудно осуществима или экономически не выгодна, их разрабатывают с разделением на слои.

Сущность деления мощного пласта на слои заключается в том, что подготовительные выработки в пласте располагают во взаимно параллельных плоскостях, ориентированных в пространстве соответственно расположению отдельных слоев. Пласты могут разделяться на наклонные, горизонтальные и поперечно-наклонные слои. При разделении на наклонные слои пласт по мощности сечется плоскостями, параллельными кровле и почве. Границами этих плоскостей по мощности являются подготовительные выработки, проводимые как по простиранию, так и по падению пласта.

На горизонтальные слои пласт разделяется параллельными горизонтальными плоскостями, расположенными на определенном расстоянии друг от друга. Оконтуривание горизонтального слоя в пласте осуществляется подготовительными выработками, проводимыми по простиранию.

Поперечно-наклонные слои в отличие от горизонтальных располагаются с наклоном к лежачему боку пласта под углом 30-40°.

Мощность слоя определяется безопасностью работ и горношахтными и технико-экономическими показателями. Исходя из этих факторов, мощность слоя при применении индивидуальной крепи не должна быть более 3,5 м. При разработке пологих пластов с применением гибких металлических перекрытий, а также механизированных крепей типа 2 УКП, КМ-130 мощность слоя может быть значительно увеличена.

Различают нисходящий и восходящий порядок выемки слоев.

При нисходящем порядке выемку слоев ведут последовательно от кровли пласта к его почве или сверху вниз по падению. Восходящий порядок разработки предусматривает выемку слоев в обратном порядке и возможен только с полной закладкой выработанного пространства.

Нисходящий порядок слоевой разработки применяется как с закладкой, так и с обрушением вмещающих пород. При разработке с обрушением эффективность выемки нижних слоев во многом зависит от устойчивости кровли в очистном забое, так как нижележащий слой необходимо отделять от обрушенных пород вышележащего слоя. В России и за рубежом нередко в качестве кровли для нижележащих слоев используется оставление межслоевых пачек угля мощностью от 0,3 до 1 м. Это обеспечивает наиболее эффективную работу механизированных комплексов в нижних слоях, но приводит к увеличению безвозвратных потерь угля, повышению пожарной опасности и определенному экономическому ущербу из-за сокращения срока службы шахты.

В мировой практике получили распространение три способа создания искусственной кровли, позволяющие исключить оставление межслоевых пачек угля.

Первый способ - это возведение межслоевых перекрытий из металлических полос и металлической сетки, разработанных в России. Монтаж этих перекрытий довольно хорошо освоен в очистных забоях с индивидуальной крепью, и проводятся широкие эксперименты по внедрению его в забоях с механизированной крепью. Однако опыт показывает, что процесс возведения гибкого перекрытия является очень трудоемким: погрузка, доставка, размещение, укладка, соединение отдельных элементов перекрытия производятся вручную. Это и является фактором, который сдерживает его распространение.

Второй способ создания искусственной кровли для нижележащих слоев заключается в упрочнении вяжущими растворами обрушенных пород в верхнем слое. В качестве вяжущих могут быть использованы карбамидные смолы или цементный раствор, которые нагнетаются в выработанное пространство через скважины и шпуры, пробуренные из вентиляционного штрека, или через форсунки из-под механизированной крепи.

Третий способ применяется при породах кровли пласта, склонных к уплотнению и слеживанию. При наличии таких пород в кровле пласта наклонные слои разрабатываются раздельно с разрывом в пространстве и времени, необходимом для формирования под воздействием горного давления устойчивой кровли из обрушенных пород для нижележащего слоя. При недостаточной естественной влажности обрушенные породы увлажняются и обрабатываются слабым раствором глинистой пульпы. Этот способ довольно широко применяется в Челябинском, Карагандинском бассейнах и на месторождениях Средней Азии.

При восходящем порядке условия выемки нижнего (первого) слоя как по применяемым системам разработки, так и средствам механизации аналогичны условиям разработки пластов средней мощности. Разработка последующих слоев резко отличается от первого. В результате усадки закладочного массива, являющегося почвой верхнего слоя, под воздействием горного давления угольный массив растрескивается на отдельные блоки. В связи с этим увеличиваются эксплуатационные потери, возрастает опасность возникновения эндогенных пожаров и газодинамических явлений, особенно при работе по восстанию пласта, а также повышается трудоемкость работ по креплению призабойного пространства под деформированным угольным массивом.

Восходящий порядок выемки слоев наиболее целесообразно применять при гидравлической закладке, так как она обеспечивает минимальную усадку закладочного массива, большую скорость слеживания и меньшую вероятность прорыва в вышележащие слои.

Выемка слоев может быть как одновременная с небольшим (20-30 м) опережением между очистными забоями смежных слоев, так и последовательная, как правило, при разработке с обрушением при плохо уплотняющихся и неслеживающихся обрушенных породах.

Системы разработки мощных крутых пластов горизонтальными слоями с выемкой их в нисходящем порядке с твердеющей закладкой

Область применения: мощность пластов более 7 м, угол падения 55-90°, кровля по управляемости может быть от легкой до тяжелой, пласт может быть опасным по внезапным выбросам угля и газа и горным ударам. Угли могут быть склонными к самовозгоранию. Размер выемочного поля по простиранию в пределах этажа - от 300 до 500 м. Подготовка полевая, вскрытие промежуточными квершлагами, проводимыми как на откаточном, так и на вентиляционном горизонтах. Мощный пласт в пределах выемочного поля скатами делится на 3-5 блоков. Скаты проводятся на всю высоту этажа у лежачего бока пласта, крепятся деревянной срубовой крепью, с разделением на два отделения: ходовое и углеспускное. По скатам спускают уголь, доставляют закладку, подается вентиляционная струя и передвигаются люди.

Углеспускные отделения скатов оборудуются углеспускными трубами, по которым уголь спускается до промежуточного квершлага, где установлен ленточный конвейер.

Расстояние между скатами выбирается из возможной длины растекания твердеющей смеси без расслоения (80-100 м).

Требования к закладочному материалу:

- состав закладочной смеси должен обеспечивать растекание без расслоения смеси по горизонтали на расстояние до 100 м;

- прочность на сжатие закладочного массива в возрасте 28 сут должна быть не менее 3 МПа;

- усадка закладочного массива должна быть не более 5 % от вынимаемой мощности пласта.

Разработка мощного пласта ведется в нисходящем порядке. Первый слой отрабатывается на уровне вентиляционного горизонта. Выемка каждого слоя производится полосами, расположенными у висячего бока пласта (ширина полосы равна половине горизонтальной мощности пласта). Отработка полос осуществляется по кольцевой схеме проходческими комбайнами с применением самоходных вагонов. Процесс начинается с полосы висячего бока, далее комбайн зарубается вниз на 3-3,5 м (толщина слоя). Зарубка производится под углом 10-12° на длине по простиранию до 20 м. После отработки полосы в границах блока можно закладывать полосу и для увеличения производительности можно вести выемку угля в следующем блоке, т.е. совмещать выемку с закладкой. Крепление не производится, борта полосы анкеруются.

Достигнутые технико-экономические показатели

Производительность выемочного поля 800-1200 т / сут.

Производительность труда рабочего 35 т/ выход.

Расход леса 2-3 м3 /1000 т добычи;

Эксплуатационные потери угля 0,5 %.

Система разработки мощных крутых пластов с подэтажной гидроотбойкой и обрушением кровли

При разработке мощных крутых пластов гидроспособом применяется система разработки подэтажной гидроотбойки 7.

Высота этажа равна 80-100 м. Отработка в этаже проводится отдельными выемочными блоками длиной 80-100 м по простиранию. Подготовительные работы заключаются в проведении в каждом блоке трех скатов (печей): ходового, вентиляционного и пульпоспускного. Подэтажные штреки при мощности пласта более 12 м проводят на каждом подэтаже у висячего и лежачего боков пласта с уклоном 0,05. Штреки, служащие для вентиляции, сбивают ортами через 30-40 м. Высота подэтажа принимается равной от 7 до 10 м. Выемку в подэтажах проводят обратным ходом камерами-заходками шириной по простиранию 6 м. Сначала вынимают заходку на 6 м у лежачего бока пласта, а затем производят выемку такой же камеры у висячего бока пласта. В дальнейшем очистные работы в камерах-заходках ведут попеременно.

При подэтажной гидроотбойке отработку подэтажей можно вести двумя способами - открытой и закрытой заходками. При открытой заходке отбойка угля ведется от выработанного (обрушенного) пространства. Отбитый уголь транспортируется по породе, лежащей под углом естественного откоса. Во втором случае выемка угля производится при наличии со стороны завала лобового целика. Закрытые заходки применяют при большой высоте подэтажа, причем потери угля при этом несколько увеличиваются.

Потери угля при применении этой системы в среднем составляют 25 % при работе на подэтажах высотой от 5 до 7 м и около 17 % при подэтажах высотой от 10 до 16 м. Потери угля при выемке закрытыми заходками превышают 35 %. При устойчивых боковых породах можно производить выемку угля в двух подэтажах одновременно. При этом высота каждого подэтажа возрастает почти в два раза, что значительно сокращает объем подготовительных работ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Пучков, Л.А. Подземная разработка месторождений полезных ископаемых: учебник для студентов вузов в 2 томах / Л. А. Пучков, Ю. А. Жежелевский. -Т. 1. - М.: Горная книга, 2008. - 562 с.

2 Подземная разработка пластовых месторождений: учебное пособие для студентов вузов / П.В. Егоров, Е.А. Бобер, Ю.Н. Кузнецов, О.В. Михеев, Б.В. Красильников. - М.: МГГУ, 2007. - 218 с.

3 Жигалов, М.Л. Технология, механизация и организация подземных горных работ: учебник для вузов / М. Л. Жигалов, С. А. Ярунин. - М.: Недра, 1990. - 423 с.

4 Технология разработки мощных крутых пластов. Теория, эксперимент, практика / Л.П. Томашевский, А.И. Петров, О.В. Михеев, С.А. Шахурдин. - Прокопьевск: КузНИУИ, 1997. - 544 с.

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

6 Справочник по рудничной вентиляции: под ред. проф. К.З.Ушакова. -М.: Недра, 1977. - 328 с.

7 Справочник горного инженера. - М.: Госгортехиздат, 1960. - 791 с.

8 Отработка мощного угольного пласта механизированным комплексом с выпуском подкровельной пачки / С.И.Калинин, С.А.Новосельцев, Р.Х. Галимарданов и др.. - Кемерово, 2011. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru