Главная | Обратная связь

Анализ существующих технологий отработки крутых угольных пластов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ОТРАБОТКЕ КРУТЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАТОВ С ЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА

Анализ существующих технологий отработки крутых угольных пластов

Исследования, направленные на повышение технологичности разработки крутых угольных пластов на современном этапе развития угледобычи, проводились в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, ИПКОН, ВНИМИ, ИГД СО РАН, Институте угля и углехимии СО РАН, ПНИУИ, ВНИИгидроугле, УкрНИИгидроугле, ДонНИИ, ДонГТУ, МГГУ, ТулГУ, КузГТУ, СибГГМА и многих других организациях. Существенный вклад в развитие теории и практики повышения технологичности разработки угольных месторождений внесли А.А. Атрушкевич, А.С. Бурчаков, В.Н. Вылегжанин, Н.К. Гринько, Г.И. Грицко, Ю.Н. Кузнецов, А.С. Кузьмич, В.Г. Лурий, А.С. Малкин, Ю.Н. Малышев, О.В. Михеев, В.В. Мельник, В.С. Мучник, А.И. Петров, Л.А. Пучков, В.В. Сенкус, В.Н. Фрянови др.

В процессе эксплуатации весьма сложного в горно-геологическом отношении Прокопьевско-Киселевского района были испытаны почти все известные в мировой практике системы разработки. Однако наибольшее применение получили следующие системы: щитовая с обрушением боковых пород (ЩО), комбинированная с гибким перекрытием (КГП), подэтажная-гидроотбойка с обрушением боковых пород (ПГО), подэтажные штреки обрушением боковых пород (ПШО), длинные столбы по простиранию обруше-нием боковых пород (ДСО) и системы разработки с закладкой выработанного пространства, в т. ч. короткие полосы по простиранию с гидравлической закладкой выработанного пространства (КПГЗ), наклонные слои с гидро-закладкой (НСГЗ) и поперечно-наклонные слои с гидрозакладкой выработан-ного пространства (ПНСГЗ).

Большая часть угля (93%) добывается системами разработки с обрушением боковых пород и только 7% с гидравлической закладкой выработанного пространства. На долю щитовой системы разработки приходится более 30% добычи всех шахт района. Щитовая система разработки, предложенная в 1936 г. Н. А. Чинакалом, явилась первой системой разработки в мире, в которой операции по выемке угля и креплению очистного забоя были объединены в единый технологический процесс. В основу технологии положено использование передвигающихся крепей по падению пласта под действием силы тяжести. Шахтное поле делится на этажи, разделяемые на выемочные поля длиной по простиранию 250 – 300м. Выемочное поле делится на щитовые столбы длинной по простиранию 24 –50м, а по падению равные наклонной высоте этажа (80–120м). Откаточный и вентиляционный штреки, проведенные до границвыемочного поля, соединяются между собой углеспускными и вентиляционными печами.

Первый вариант системы разработки включал буровзрывной способ выемки угля. Этаж разделяется на два подэтажа с размещением углеспускных| печей через 6 м. С переходом горных работ на более глубокие горизонтыбыло увеличено расстояние между печами до 8м.

При мощности пласта до 5м используется щитовое перекрытие бессек- ционной конструкции. Для пластов мощностью более 5м - секционной, с про- ведением двойной линии подготовительных выработок по мощности пласта.

Первые попытки заменить буровзрывной способ выемки угля на гид- равлическую отбойку были предприняты в 1941г. на шахте им. М. И. Ka- линина. В дальнейшем ИГД СО РАН, ВНИИгидроуголь и Сибгипрогормаш разрабатывали специальные конструкции щитов, обеспечивающие свободное пространство под ними, достаточное для размещения оборудования, и схемы гидромеханизации.

На шахте «Красногорская» в 1959г. испытывалась система разработки с выемкой угля с помощью буровзрывных работ при последующем его смыве гидромониторами, которые располагались на щите у лежачего бока пласта.

При разработке пласта системой с управляемым гибким перекрытием (УКГП) на пластах мощностью более 10 м и с углом падения более 65° мощный крутой пласт подготавливается по схеме сдвоенных щитов. На вентиляционном горизонте в одной плоскости монтируется у почвы пласта гибкое перекрытие, а у кровли - секции щита, каждая длиной по простирании 6 м и шириной вкрест простирания пласта 3–4м. Выемка угля осуществляется с помощью буровзрывных работ.

На пластах мощностью 16–25м в Кузбассе испытана система разра­ботки длинными столбами по падению с применением у кровли и почвы пласта щитового, а между ними - гибкого металлического перекрытия. Выемка под перекрытиями велась с помощью буровзрывных работ из горизонтальных и поперечно-наклонных проходов, соединяющих в призабойном пространстве по простиранию и по мощности пласта все печи.

Испытания управляемого гибкого перекрытия с гидромеханизацией очистных работ проводились на шахте «Красногорская» по пласту IV Внут- реннему мощностью 8м и углом падения 65°. Подготовка столба кроме штреков включала проведение двух углеспускных печей у почвы пласта и двух скважин у кровли пласта. После отбойки буровзрывным способом уголь смывался струей гидромонитора.

Разработаны технологические схемы очистных работ, предусматривающие использование проходческих комбайнов под щитами. Транспортировка угля по очистному забою до откаточного штрека осуществлялась гравитационным, при небольшом расстоянии между печами, механическим (скреперные установки, скрепероструги, конвейероструги, конвейеры) или гидравлическим способами. Первые скреперные уста­новки были использованы на шахте им. К. Е. Ворошилова в 1943г. при выемке угля буровзрывным способом.

На шахте им. Ф. Э. Дзержинского 1967г. была осуществлена скреперная доставка угля под щитами с пневмоотталкивателями. В 1973г. впервые была применена скреперная доставка отбитого угля установкой УСЩ на шахтах «Дальние горы», «Суртаиха» и др. Установкой УСЩ достигнута нагрузка на очистной забой 30 тыс. т/мес. Скреперная установка для доставки угля с дистанционным управлением УСЩ-ДУ прошла промышленные испытания на шахте им М.И. Калинина.

Кроме этого были разработаны технологические схемы для механи-зированной выемки угля под щитом. В 1979г. прошел испытания комплекс ВМЩ, предназначенный для пластов мощностью 5–10 м и углом падения более 60° на ненарушенных участках.

Разработан вариант системы разработки с применением комплекса ОПК

(с оградительно-поддерживающей крепью), отличительной особенностью которого является обеспечение рабочего пространства для средств механизированной выемки и доставки угля, вентиляции и свободного прохода у почвы пласта не целиками, а скользящими опорами.

Технологическая схема с конвейеростругом в составе комплекса МЩК с крепью КВКП-1М испытана на ш. «Коксовая». Комплекс, предназначен­ный для пластов мощностью 3,5–6,5м и углом падения 55–90°, был разработан в 1970г. в КузНИУИ. Испытания прошли не­достаточно успешно из-за сложности обеспечения прямолинейности забоя в связи с провисанием конвейероструга, обрушения берм, на которые опи­рались основания распорных стоек.

В КузНИУИ разработана система разработки столбами по падению с применением крепей с раздельной передвижкой ЩРП1-70 и ЩРП2-70 с буровзрывным способом выемки и с применением очистных агрегатов ЩРПМ 1-70, ЩРПМ2-70, предназначенных для пластов мощностью 3,5– 5,5м и углом падения 50–70°.

На шахте «Тайбинская» велась отработка пласта щитовым способом, а межщитовые целики вынимались камерами с закладкой.

Следует отметить, что одной из первых систем разработки мощных крутых угольных пластов являлась, так называемая система «зон», которая применялась в двух вариантах. Вариант, когда между двумя зонными столбами оставлялись целики, следует отнести к ка­мерной системе разработки. Вариант без оставления целиков при выемке столба заходками - к системе разработки длинными столбами по простираиию.

Указанная система разработки в последствии стала утрачивать свои пози­ции в связи с появлением камерной системы разработки с магазинированием угля. Она применяется в наилучших горно-геологических ус­ловиях с крепкими устойчивыми боковыми породами, так как отсутствует крепление очистного забоя. Очистные работы включают постепенное взры­вание угля в камерном столбе с его магазинированием в камере.

Для сокращения потерь угля на шахте «Южная» («Прокопьевскуголь») применялся вариант камерной системы разработки без оставления межкамерных целиков. В каждом подэтаже проводилась одна разрезная печь, которая служила запасным выходом и для проветривания очистного забоя. Очистная выемка в новой камере начиналась после заполнения пре­дыдущей замагазинированным углем. Выпуск угля из камеры производил­ся после окончания выемки последующего камерного столба и начала ве­дения очистных работ в третьей камере.

Камерная система разработки с креплением очистного забоя индиви­дуальной стоечной крепью, устанавливаемой на отбитый уголь, применя­лась на шахте им. С. Орджоникидзе (пласт № 5).

Широко распространена камерная система разработки подэтажными штреками с обрушением (ПШО). Она получила свое название от схемы подготовки участка к выемке, которая заключается в разделении этажа на подэтажи. Через каждые 30–50 м по простиранию пласта прово­дят ходовые печи, разделяющие выемочный участок на отдельные столбы. Из ходовых печей на ширину столба проводят подэтажные штреки. Очис­тные работы включают буровзрывную выемку угля. Нагрузка на очистной забой достигала 4,9 тыс. т/мес., производительность труда рабочего по добыче - 8 т/вых., эксплуатационные потери - 44,4%.

Вариант системы разработки ПШО с гидросмывом отбитого с помо­щью буровзрывных работ угля из очистного забоя и его гидротранспор­том начал применяться с 1952г. Позднее был разработан вариант си­стем разработки с применением гидроотбойки угля. Участок пласта вскрывается промежуточными квершлагами на основном и венти­ляционном горизонтах и подготавливается грузолюдским скатом, пульпоспускной и вентиляционной печами.

Системы разработки ПШО могут применяться в зонах нарушений с амплитудой смещения более 2 м и при диагональном расположении нару­шений.

С переходом на нижележащие горизонты горизонтальные слои в нисходящем порядке и с обрушением к 1950 г. утратили свое значение. В Куз­бассе начала применяться технологическая схема с пневмозакладкой и от- работкой слоев в нисходящем порядке. Угольный пласт подготавливается поэтажной схеме с разделением этажа на подэтажи. Горизонтальные слои отрабатываются как пласты средней мощности (3-3,5м). В этом варианте доставка угля по лаве осуществляется скребковым конвейером, углеспуск - по трубам, которые располагаются в печах.

ИГД им. А. А. Скочинского совместно с ПО «Прокопьевскуголь» раз­работали и испытали на шахте им. Ворошилова отработку горизонтальными слоями и подвесной крепью с пневмозакладкой. Особенность заключается в том, что поддержание закладочного массива осуществляется оградительной крепью, которая подвешивается с помощью стальных канатов в верхнем слое к междуэтажной крепи, а в нижележащих - к огра­дительной крепи вышележащих слоев.

В КузНИУИ разработаны и испытаны варианты системы разработки гори-зонтальными слоями (КГС) в нисходящем порядке, как с полным об­рушением, так и с пневматической или литой твердеющей закладкой. Комплекс состоит из короткозабойного выемочного комбайна КГ, забойного скребкового конвейера, забойной крепи 4КМ-130.

В 1979г. КузНИУИ провел на ш. «Коксовая» промышленные испыта­ния системы разработки горизонтальными слоями с применением механи­зированного комплекса КГСЗу. Отработка ведется в нисходящем порядке, и расположением забоев вкрест простирания пласта и уплотнением закла­дочного массива.

В 1977 - 1978 гг. на шахте № 12 (ПО «Киселевскуголь») испытывался комплекс КНК. Отработка велась горизонтальными слоями с гибким ме­таллическим перекрытием. Достигнута производительность очистного за­боя 171 т/сут. Для этого варианта разработана система с выемкой угля длинными забоями. Отработка производится на передние скаты, слоевые штре­ки погашаются. Для этой системы разработки была создана крепь типа шагающих верхняков и крепь «Скут-Петрошань», а также оградительно-поддерживающая крепь СМС-3, предназначенная для работы в комплексе с очистным короткозабойным комбайном «Рафачеус» (Франция). Из механизированных крепей применялись ОКП с комбайном КШ-1КГ и «Хем-Шяйдт» 280-23/5 (ФРГ) со стругом «Вестфалия».

Па шахте им. Ф. Э. Дзержинского была внедрена технологическая схема с одновременной выемкой толщи угля под гибким перекрытием двумя проходческими комбайнами ГПК и 4ПУ. Один комбайн от границ выемочного блока проходит диагональную подсечную заходку, а затем обратным ходом вынимает оставшуюся пачку на всю высоту этажа. Вслед за выемкой угля происходит опускание гибкого перекрытия от кровли к почве пласта. Второй комбайн в это же время начинает подготовку нижележащего слоя. Суточная добыча очистного забоя составила 864т.

В КузГТУ разработана буроштрековая технология. Выемочное поле делится на несколько подэтажей с наклонной высотой 2030м. Отработкаведется в нисходящем порядке путем бурения с подэтажного выемочного штрека скважин диаметром 500мм прямым ходом на вентиляционный выемочный штрек и расширением их обратным ходом до диаметра 850—1300мм. Разрушение межскважинных целиков происходит за счет горного давления или с помощью специального гидравлического раздав­ливающего устройства. Расчетная производительность очистного забоя 1256 т/сут.

Система разработки длинными столбами по восстанию с гидравлической закладкой выработанного пространства применялась во Франции на шахтах Лотарингского бассейна. Механизированная выемка угля ведется полосами по простиранию комбайном ANF, передвигающимся на салазках. Между полозьями салазок размещается став скребкового конвейера. Подача комбайна осуществляется по двум натянутым в забое цепям с помощью лебедки. Аналогичная технологическая схема с комплексом КВЗ, разработанным КузНИУИ, испытана на шахте «Зиминка». Производительность очистного забоя - 8700 т/мес.

Для отработки крутонаклонных и крутых пластов большой мощности применяется комбинированная система разработки с гибким перекрытием (КГП). Мощный пласт угля отрабатывается в два слоя в нисходящем порядке. По мере выемки монтажного слоя на его почве монтируется гибкое перекрытие, под защитой которого отрабатывается нижний слой. Среднемесячная нагрузка на выемочное поле составляет 12500-17500 т.

Сложные и многообразные условия залегания крутых пластов сдерживают создание эффективных средств комплексной механизации очистных работ. Поэтому, для сложных горно-геологических условий получила применение система разработки подэтажной гидроотбойки (ПГО) под гибким перекрытием, монтируемым в одной горизонтальной плоскости.

Системой разработки длинными столбами по простиранию (ДСО) разрабатываются крутые, крутонаклонные и наклонные пласты мощностью 1,2-3,5 м. С применением этой системы разработки в районе добывается около 20% угля. При подготовке пластов этаж делится на два-три подэтажа с наклонной высотой 30-60 м. Среднемесячная нагрузка на забой составляет 3,0-3,5 тыс. т. Объем проведения подготовительных выработок составляет 30-60 м на 1000 т.

Применяемые системы разработки крутых пластов с обрушением кровли, с переходом горных работ на нижние горизонты перестают быть эффективными и безопасными. Системы предопределяют высокие эксплуатационные потери угля (в среднем 32%) и потери угля в целиках под охраняемыми объектами. Эти потери приводят к интенсивному увеличению глубины ведения горных работ, повышению горного давления и пожароопасное, росту числа опасных порывов глины, горных ударов и внезапных выбросов угля и газа.

Одним из способов ведения горных работ, обеспечивающих охрану земной поверхности, повышение коэффициента извлечения угля, снижение проявлений горного давления и расконсервацию запасов под охраняемыми объектами, является закладка выработанного пространства.