CC BY
107
-Ы i I H 1 A
УДК 622.281.74 © А.П. Егоров, И.А. Кондаков, 2019
Оценка возможности и эффективности внедрения
технологических схем скоростной проходки подземных горных выработок на угольных шахтах
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-22-28
ш
ЕГОРОВ А.П.
Канд. техн. наук,
заместитель директора по науке Сибирского филиала АО «ВНИМИ», 653004, г. Прокопьевск, Россия, e-mail: [email protected]
КОНДАКОВ И.А.
Заведующий сектором горного давления Сибирского филиала АО «ВНИМИ», 653004, г. Прокопьевск, Россия, e-mail: [email protected]
Изложены состояние и перспективы применения технологий скоростной проходки подземных горных выработок на угольных шахтах, приведены осложняющие горно-геологические и организационно-технологические факторы их эффективного внедрения, представлены экспериментальные технологические схемы поэтапного проведения и крепления выработок для опытной эксплуатации их на шахтах. Ключевые слова: состояние и перспективы применения технологии, осложняющие факторы эффективного внедрения, экспериментальные технологические схемы для опытной эксплуатации.
ВВЕДЕНИЕ
Повышение конкурентоспособности угольной промышленности Российской Федерации на мировом рынке возможно за счет снижения себестоимости готовой продукции и повышения производительности труда, а соответственно, и увеличения нагрузок на очистные забои до мировых стандартов [1]. Динамика развития угольной про-мышлености России в последние годы показывает, что выполнение этих задач осуществляется достаточно успеш-
но. В Кузбассе очистные забои, оборудованные импортной добычной техникой, а также отечественными механизированными комплексами последнего поколения, достигли устойчивой суточной добычи от 10 до 15 тыс. т, а отдельные шахты («Котинская», «Талдинская-Западная», «Ли-ствяжная» и др.) значительно превысили эти показатели.
С каждым годом на шахтах применяется все более совершенное очистное и проходческое оборудование, что в свою очередь дает возможность для увеличения длины очистных забоев и протяженности выемочных столбов. Однако использование новой техники и технологий в комплексно-механизированных очистных забоях приводит к существенному увеличению требуемых объемов проведения подготовительных выработок для воспроизводства фронта очистных работ. Переход большинства шахт на многоштрековую подготовку выемочных столбов позволил снизить ограничения по газовому фактору в очистном забое и разделить в пространстве транспортные и вентиляционные потоки, но при этом общая протяженность необходимых подготовительных выработок увеличилась в 1,5-2 раза. Для размещения высокопроизводительного крупногабаритного очистного оборудования и создания безопасных условий ведения работ в настоящее время требуется значительное увеличение площади поперечного сечения подготовительных выработок, в среднем до 22 кв. м при ширине выработок 5 м и более.
Кроме того, в последние годы на угольных шахтах произошли коренные изменения как в горно-геологических условиях залегания пластов, так и в горнотехнических условиях их разработки. С увеличением глубины ведения горных работ все больше в отработку вовлекаются запасы со сложными горно-геологическими условиями. Увеличение глубины горных работ привело к росту газообильности пластов, их выбросо- и удароопасности, изменению напряженно-деформированного состояния углепо-родн ых массивов. Увеличен ие площади поперечного сечения выработок и вовлечение в отработку запасов со сложными горно-геологическими условиями (большая глубина ведения горных работ, обводненные породы, зоны повышенного горного давления (ПГД) и геологических нарушений и др.) требуют значительного повышения параметров анкерной крепи горных выработок.
В связи с этими факторами темпы проведения горных выработок на шахтах стали резко отставать от темпов
подвигания очистных забоев, что привело к задержкам ввода в работу механизированных лав, то есть воссоздания необходимого фронта очистных работ. По данным различных источников, средние темпы комбайновой проходки выработок на шахтах России составляют в среднем 140-160 м/ мес., а скорость подвигания очистных забоев - не менее 150-200 м/мес.
В настоящее время в Кузбассе около 90% от общего количества горных выработок крепятся анкерной крепью. Опытом эксплуатации горных выработок на шахтах Кузбасса в различных горно-геологических и горнотехнических условиях установлено, что основной причиной низких темпов их проведения в последние годы являются большие затраты времени на выемку и крепление выработок. Временной рост по выемке угля на данном этапе связан с увеличением площади поперечного сечения выработок, а по креплению выработок - с увеличением параметров анкерной крепи (длины, плотности установки, использования усиливающих канатных анкеров и т.д.).
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Установлено, что при существующих технологиях проведения горных выработок на шахтах высокопроизводительное и дорогостоя щее проходческое оборудова н ие фа кти-чески простаивает более 50% своего рабочего времени. Из этого следует, что технологические схемы проведения и крепления выработок, применяемые в настоящее время, уже не отвечают современным требованиям шахт по использованию оборудования и темпам проведения выработок, а соответствен но, и не способствуют повы шению производительности труда. В последние годы предпринимались попытки создания новых технологий, направленных на повышение темпов проведения горных выработок (поточные, многозаходные и др.), однако они обычно заканчивались на стадии экспериментальных работ и до широкого распространения не доходили.
Исследованиями СФ АО «ВНИМИ» установлено, что одним из путей повышения машинного времени работы комбайна и, соответственно, скорости проведения выработок является применение технологии поэтапного их анкерного крепления. Данная технология, для повышения темпов проходки выработок, предполагает не только увеличение производительности проходческих машин, но и достижение гибкой системы выполнения технологических операций проходческого цикла за счет разделения призабой-ной зоны на несколько отдельных зон, в каждой из которых выполняется один из процессов проходческого цикла. То есть все технологические операции рассредоточиваются во времени и в пространстве по длине выработки, что позволяет производить максимальное совмещение их при выполнении.
Из практики ведения горных работ и результатов исследований при испытании экспериментальных технологий на угольных предприятиях [2, 3, 4, 5] установлено, что обеспечение необходимой безопасности при этом осложняется наличием целого ряда негативных факторов, основными из которых являются:
- разрывные геологические нарушения с амплитудой, превышающей мощность угольных пластов;
90 ЛЕГ
- большая глубина отработки пластов, сложная их морфология (расщепление, замещение и т.д.) и повышенная обводненность;
- склонность пластов к газодинамическим проявлениям, трудноуправляемая кровля и влияние зон ПГД.
Данные факторы, как в отдельности, так и в совокупности, значительно могут осложнять процессы проведения, крепления и поддержания выработок, в связи, с чем на начальном этапе испытание технологических схем поэтапного анкерного крепления рекомендуется проводить в выработках с наиболее благоприятными прогнозными горно-геологическими условиями. К таким условиям в первую очередь относятся прочностные свойства углепород-ного массива. По данному условию испытания технологии поэтапного анкерного крепления следует производить в выработках с кровлями не ниже средней устойчивости, а в перспективе можно предусматривать возможность ее испытаний и в выработках с неустойчивыми породами кровли.
Установлено, что взаимосвязи во времени и пространстве основных и вспомогательных процессов, выполняемых при проведении выработок, определяют схему производства и организацию работ [6]. При поэтапном анкерном креплении сокращение времени возведения постоянной анкерной крепи обеспечивается за счет разделения во времени и пространстве основных технологических операций на несколько отдельных зон, в каждой из которых выполняется одна из операций проходческого цикла. При этом из трудовых затрат на первом этапе крепления выработки исключаются следующие операции:
- установка временной крепи в призабойной части выработки (стойки, верхняки) в соответствии с требованиями ПБ;
- возведение постоянной анкерной крепи с опорными элементами (верхняками) и перетяжкой кровли;
- крепление боков выработки.
Из расчетов времени проходческого цикла при проведении горных выработок в относительно благоприятных горно-геологических условиях с использованием технологии поэтапного крепления видно, что время проходческого цикла можно снизить на 40-60% и, соответственно, повысить за счет этого скорость проведения выработок практически в 2 раза по сравнению с применяемыми на данном этапе на шахтах технологиями их проведения.
Все многообразие приемов и способов проведения горных выработок по данной технологии СФ АО «ВНИМИ» сводит к пяти основным технологическим схемам, которые в зависимости от используемого проходческого оборудования и параметров анкерной крепи выработки могут незначительно изменяться или дополняться. При поэтапном анкерном креплении горно-геологические факторы в значительной мере являются критериями, с которыми должны быть увязаны безопасные условия проведения выработки, а горнотехнические факторы в большей мере влияют на выбор варианта организации работ, в совокупности эти факторы складываются в технико-экономические показатели проведения выработки.
Исходными данными для выбора рациональной технологической схемы поэтапного анкерного крепления горных выработок являются: параметры сечения выработки; тип комбайна (фронтального действия, избирательного
-Ы i I H 1 A
действия); тип оборудования для транспортирования горной массы (скребковый конвейер, ленточный перегружатель, самоходный вагон); тип оборудования для установки анкерной крепи (переносной пневматический анкеро-установщик, навесное гидравлическое бурильное оборудование на комбайне, самоходный анкероустановщик).
За основу рассматриваемой технологии можно принять технологическую схему № 1 (рис. 1, а), особенности которой представлены ниже.
Выработка проводится полным сечением или в несколько заходок по ширине выработки проходческим комбайном избирательного типа (П110, ГПКС, КП-21, КСП-32, DOSKO и др.) с погрузкой горной массы на скребковый конвейер (типа СР-70). Для возведения анкерной крепи используют переносные пневматические анкероустанов-щики («Rambor», «Wombat», «MQT» и др.), пневматические сверла («СБР», «TURMAG» и др.). Проходческий цикл проведения выработки включает в себя следующие операции:
а)
1 этап крепления
2 этап крепления
I - временная анкерная крепь □ - постоянная анкерная крепь |||||||- решетчатая
затяжка
б)
J-L
1 этап крепления
2 этап крепления
- временная анкерная крепь ■ - постоянная анкерная крепь
- решетчатая затяжка
Рис. 1. Технологические схемы КСО № 1 (а) и № 2 (б)
Fig. 1. Technological schemes of stone-pillar processing No. 1 (a) and No. 2 (b)
- выемку угля на величину шага крепи (полным сечением или несколькими заходками);
- установку в кровлю временной анкерной крепи (первый этап крепления);
- возведение постоянной анкерной крепи кровли и боков выработки (второй этап крепления).
На первом этапе после выемки угля комбайн отгоняется на расстояние 3-5 м от груди забоя и обесточивается. Под защитой анкерной крепи, установленной в предыдущем цикле, производится тщательная оборка кровли, боков и поверхности забоя пикой длиной не менее 3 м. После этого под защитой анкерной крепи предыдущего цикла в кровлю бурятся шпуры, в которые будут устанавливаться анкеры временной крепи. Временная анкерная крепь (типа АСК) состоит из анкерного стержня, тип и параметры которого соответствуют принятым для постоянной крепи, специальной шайбы размерами от 70x70x3 до 120x120x6, изготовленной из стали Ст.3 и гайки.
Бурение шпуров осуществляется пневматическим ан-кероустановщиком. Сначала забурником бурится шпур на глубину от 0,5 до 1,2 м, затем длину шпура увеличивают до требуемой паспортной величины. В пробуренный шпур вставляются ампулы с закрепляющим составом и досылаются анкером до дна шпура. На стержень анкера с шайбой и гайкой наворачивается переходник и помещается в анкероустановщик. Затем на максимальных оборотах поступательно-вращательным перемещением стержня разрушают оболочку ампул, перемешивают их состав и досылают анкер до дна шпура. Время вращения анкера должно быть меньше времени схватывания закрепляющего состава и соответствовать рекомендациям производителя ампул. После выдержки времени, необходимого для схватывания закрепляющего состава, гайка закручивается до упора с осевым усилием не менее 10 кН.
Несущая способность временной анкерной крепи, определяемая толщиной специальной шайбы и (или) количеством витков резьбы гайки, должна составлять не менее 30 кН. Анкерные стержни временной анкерной крепи в дальнейшем используются как элементы постоянной анкерной крепи. После установки требуемого количества анкеров временной крепи и затяжки гаек с необходимым усилием из призабойного пространства убирается анкероустановщик. Длина участка выработки, закрепленной временной крепью, определяется ее способностью обеспечить устойчивое состояние кровли в течение определенного времени.
На втором этапе в ремонтно-подготовительную смену, в добычные смены при простоях или при выемке угля за комбайном в кровлю выработки устанавливается постоянная крепь в соответствии с паспортом крепления с добавлением анкеров в ряду до расчетной плотности.
В состав постоянной анкерной крепи (типа АСК) кроме анкерного стержня, специальной шайбы и гайки, входящих в состав временной крепи, входят следующие элементы: металлическая решетчатая затяжка, демпфирующий податливый элемент (подхват) сферической формы, анкерная шайба и гайка. Постоянная крепь возводится под защитой временной. Кровля перетягивается решетчатой затяжкой, закрепляемой анкерами временной крепи с фик-
90 ЛЕГ
сированием сферическими подхватами специально разработанной конструкции, которые одновременно являются демпфирующими податливыми элементами анкерной крепи. Подхваты устанавливаются на анкерные болты временной крепи со стороны закрепленной постоянной крепью части выработки. Конструкция подхвата постоянной крепи обеспечивает его беспрепятственную установку на анкерный стержень временной крепи с прочным прижатием затяжки к кровле выработки. На первый от забоя ряд анкеров сферические подхваты не устанавливаются. Установка и затяжка гаек постоянной крепи производятся анкероустановщиком.
Крепление боков выработки анкерной крепью может осуществляться как на втором, так и на третьем этапе с отставанием от возведения постоянной крепи кровли.
Таким образом, при применении поэтапного анкерного крепления выработок из трудовых затрат на первом этапе исключаются следующие операции:
- установка стоечной временной крепи в призабойной части выработки, состоящей из двух стоек ВК-8 и металлического подхвата;
- установка части постоянной анкерной крепи, опорных элементов и затяжки кровли выработки;
- крепление боков выработки.
Проходческий цикл проведения выработки по технологической схеме № 2 аналогичен технологической схеме № 1 (см. рис. 1, б). Основным отличием технологической схемы № 2 от схемы № 1, является отсутствие вспомогательных операций по наростке транспортной цепочки в добычные смены или минимальная их продолжительность (при темпах проходки свыше 15 м в сутки) для монтажа балки МПД под подвесной перегружатель.
Проходческий цикл проведения выработки по технологической схеме № 3 также аналогичен технологической схеме № 1 (рис. 2, а). Основным отличием технологической схемы № 3 от схем № 1 и № 2 является возможность осуществления проведения выработки в несколько захо-док по высоте сечения (с подрубкой почвы) без перемонтажа транспортной линии, за счет этого снижается трудоемкость работ по возведению анкерной крепи на втором этапе крепления при высоте выработки более 3 м.
Проходческий цикл проведения выработки по технологической схеме № 4 (см. рис. 2, б) аналогичен технологическим схемам №№ 1, 2, 3, за исключением того, что на втором этапе крепление выработки осуществляется самоходным анкероустановщиком. Основным отличием технологической схемы № 4 от схем №№ 1, 2, 3, является то, что она позволяет значительно снизить трудоемкость работ, а соответственно увеличить скорость возведения анкерной крепи на втором этапе крепления.
По технологической схеме № 5 выработка проводится двумя заходками с применением анкероустановщи-ка (рис. 3).
Выемка угля может производиться как комбайном избирательного типа, так и фронтального типа. Транспортирование горной массы может осуществляться скребковым конвейером, ленточным перегружателем или самоходным вагоном. Проходческий цикл проведения выработки включает в себя:
-J I li I U li
а
i-L
1 этап крепления
2этап крепления
- временная анкерная крепь Я - постоянная анкерная крепь Ж||ж. решетчатая затяжка
б)
1 этап крепления
2этап крепления
■ - временная анкерная крепь □ - постоянная анкерная крепь
решетчатая затяжка
Рис. 2. Технологические схемы КСО № 3 (а) и № 4 (б)
Fig. 2. Technological schemes of stone-pillar processing No. 3 (a) and No. 4 (b)
- первый этап - проведение заходки шириной В1( длиной ¿1;
- второй этап - проведение заходки II шириной В2 , длиной 12.
На первом этапе после выемки угля в заходке I на ширину В1 и длину 11 комбайн отгоняется на расстояние 11 от груди забоя и начинает выемку угля в заходке II на ширину В2 и длину 12. Одновременно с этим под защитой анкерной крепи, установленной в предыдущем цикле в заходке I, производится тщательная оборка кровли, боков и поверхности забоя пикой длиной не менее 3 м. После этого
под защитой анкерной крепи в кровлю с помощью передвижного анкероустановщика устанавливается временная анкерная крепь АСК аналогично тому, как описано в технологической схеме № 1. После выемки угля в заходке II комбайн переезжает для продолжения выемки угля в заходке I, а передвижной анкероустановщик переезжает для установки временной анкерной крепи АСК в заходке II. После чего цикл повторяется.
На втором этапе в ремонтную смену при простоях в добычные смены устанавливается постоянная крепь в соответствии с паспортом крепления с добавлением анке-
ров в ряду до расчетной плотности аналогично технологической схеме № 1. Основным отличием технологической схемы № 5 от схем №№1, 2, 3, 4 является то, что она позволяет значительно снизить трудоемкость работ, а соответственно, увеличить скорость возведения анкерной крепи на всех этапах крепления выработки.
90 ЛЕГ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, исследованиями СФ АО «ВНИМИ» установлено, что повышение машинного времени работы комбайна и, соответственно, скорости проведения выработок возможно за счет применения технологии поэтапного их анкерного крепления. При этом параметры
a)
LL
1 этап крепления
2 этап крепления
\ Комбайн избирательного типа (КИ21, ГПКС, П-110, КСП-32 и др.)
б)
Начало цикла
Самоходный вагон
■ ТГ
в)
анкероустановщик Выемказаходки I и креплениезаходки II
Выемка заходки II и крепление заходки I
Рис. 3. Технологическая схема КСО № 5
Fig. 3. Technological scheme of stone-pillar processing No. 5
-ы i I H 1 à
технологии должны определяться увязанным во времени и пространстве порядком выполнения основных и вспомогательных операций проходческого цикла и соответствующим этому порядку расположением проходческого оборудования.
В целом, на основании вышеизложенного, считаем необходимым проведение опытной проверки разработанных экспериментальных технологических схем поэтапного анкерного крепления при проведении капитальных, магистральных или выемочных выработок на шахтах Кузбасса, с выполнением необходимого комплекса визуальных, инструментальных и хронометражных исследований и наблюдений, по результатам которых можно будет окончательно установить эффективность технологии и целесообразность ее широкого применения.
Список литературы
1. Долгосрочная программа развития угольной промышленности на период до 2030 года (утв. распоряжением Правительства РФ от 24.01.12 N 14-р). М., 2012. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1846 (дата обращения: 15.09.2019).
2. Баскаков В.П., Добровольский М.И. Опыт скоростного проведения подготовительных выработок с применением поэтапного крепления // Уголь. 2011. № 10. С. 5-8. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/102011.pdf (дата обращения: 15.09.2019).
3. Стариков А.П., Снижко В.Д. Передовой производственный опыт скоростного проведения горных выработок на шахте «Заречная» в Кузбассе // Уголь. 2008. № 11. С. 3-6. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/112008.pdf (дата обращения: 15.09.2019).
4. Магдыч В.И., Утиралов О.А. Крепление горных выработок угольных шахт сталеполимерной анкерной крепью. Новосибирск: Наука, 2007. 148 с.
5. Перспективы развития и внедрения технологических схем поэтапного анкерного крепления горных выработок на шахтах Кузбасса / Д.В. Яковлев, В.И. Магдыч, А.П. Егоров, Д.В. Осминин, А.С. Марков // Уголь. 2014. № 10. С. 40-44. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/102014.pdf (дата обращения: 15.09.2019).
6. Технологические схемы проведения подготовительных выработок проходческими комбайнами на угольных шахтах Кузбасса. Прокопьевск, 1990. 125 с.
SUBSOIL USE
UDC 622.281.74 © A.P. Egorov, I.A. Kondakov, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 10, pp. 22-28 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-22-28
Title
EVALUATION OF THE POSSIBILITY AND EFFECTIVENESS OF THE IMPLEMENTATION OF TECHNOLOGICAL SCHEMES FOR high-SPEED UNDERGROUND MINING IN COAL MINES
Authors
Egorov A.P.1, Kondakov I.A.1
1 "Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying - the Intersectoral Research Center VNIMI" JSC, Siberian branch, Prokopyevsk, 653004, Russian Federation
Authors' Information
Egorov A.P., PhD (Engineering), Deputy Director of Science, e-mail: [email protected]
Kondakov I.A., Head of Mining Pressure Sector, e-mail: [email protected] Abstract
The situation and prospects of the application of technologies for high-speed underground mining in coal mines are described, complicating mining and geological and organizational-technological factors for their effective implementation are presented, experimental technological schemes for the phased implementation and fastening of mine workings for their experimental operation in mines are presented.
Keywords
The situation and prospects of technology application complicating, Factors of effective implementation, Experimental technological schemes for trial operation.
References
1. Dolgosrochnaya programma razvitiya ugol'noy promyshlennosti na period do 2030 goda (utv. rasporyazheniyem Pravitel'stva RF ot 24.01.12 N 14-r) [The long-term program for the development of the coal industry for the period until 2030 (approved by the order of the Government of the Russian Federation of 24.01.12 N 14-r)]. Moscow, 2012. Available at: https://minenergo.gov. ru/node/1846 (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
2. Baskakov V.P. & Dobrovolsky M.S. Opyt skorostnogo provedeniya podgotovitel'nyh vyrabotok s primeneniem poetapnogokrepleniya [The experience of rapid development workings tunneling of technology of stage-by-stage fastening]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2011, No. 10, pp. 5-8. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/102011.pdf (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
3. Starikov A.P. & Snizhko V.D. Peredovoy proizvodstvennyy opyt skorostnogo provedeniya gornykh vyrabotok na shakhte "Zarechnaya" v Kuzbasse [Advanced production experience of high-speed mining at the"Zarechnaya" mine in Kuzbass]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2008, No. 11, pp. 3-6. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/! 12008.pdf (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
4. Magdych V.I. & Utiralov O.A. Krepleniegornykh vyrabotokugol'nykh shakht stalemineral'noy ankernoy krep'yu [Coal mine working support using steel-mineral roof bolting]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2007, 148 p. (In Russ.).
5. Yakovlev D.V., Magdych V.I., Egorov A.P., Osminin D.V. & Markov A.S. Per-spektivy razvitiya i vnedreniya tekhnologicheskih skhem poetapnogo an-kernogo krepleniya gornyh vyrabotok na shahtah Kuzbassa [Prospects of development and implementation of stage-by-stage mine working roof bolting flow charts in Kuzbass mines]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2014, No. 10, pp. 40-44. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/102014.pdf (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
6. Tekhnologicheskiye skhemy provedeniya podgotovitel'nykh vyrabotok prokhodcheskimi kombaynami na ugol'nykh shakhtakh Kuzbassa [Technological schemes for conducting preparatory workings by roadheaders in the coal mines of Kuzbass ]. Prokop'yevsk, 1990, 125 p. (In Russ.).
Received September 02,2019
