Перспективные технологические схемы подземной разработки угольных пластов Подмосковного угольного бассейна Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Н.И. Абрамкин, В.К. Сидорчук, 2006

УДК 622.272

Н.И. Абрамкин, В.К. Сидорчук

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ПОДМОСКОВНОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА

Семинар № 15

Системы подземной разработки пологих угольных пластов с выемкой на полную мощность подразделяются в основном на две большие группы: системы разработки с длинными и короткими очистными забоями. Это обусловлено главным образом различными способами ведения очистных работ, средствами механизации и технологией выемки угля, которые в итоге предопределяют эффективность их применения. В свою очередь, способы и средства ведения очистных работ в длинных и коротких очистных забоях зависят от комплекса горно-

геологических условий разрабатываемого угольного месторождения. К основным горно-геологи-ческим факторам, определяющим рациональную область применения систем разработки короткими очистными забоями, относятся устойчивость пород кровли и почвы, прочностные свойства угля, тектоника месторождения, глубина разработки, газоносность, мощность и угол падения пласта.

В настоящей работе сделана попытка определить возможность, целесообразность и область применения систем разработки короткими механизированными забоями в условиях отечественных угольных бассейнов на основе обобщения отечественного и зарубежного опыта.

Существует целый ряд классификационных систем разработки угольных (пластовых месторождений). Наибольшую известность из них получили классификации, изложенные в трудах Л.Д. Шевякова [1], где в качестве классификационных признаков принято расположение подготовительных выработок, а также А.С. Бурчакова и Ю.А. Жежелевского, в которой за основной классификационный признак принята длина очистного забоя [2]. Согласно данной классификации к группе систем разработки короткими очистными забоями относятся системы, длина очистных забоев которых не превышает 20 м. В работе [3] под термином «системы разработки с короткими забоями» понимают системы, характеризующиеся небольшой длиной очистного забоя (до 15 м), охраняемого от повышенного горного давления целиками угля (иногда специальной крепью) и обеспечивающие более эффективную разработку пласта по сравнению с системами с длинными забоями в одних и тех же горно-геологических условиях при аналогичных средствам механизации очистных и подготовительных работ.

На основе изучения зарубежного опыта выемки угольных пластов короткими забоями [4] установлено, что длина коротких очистных забоев может

достигать 50-60 м (системы разработки короткими лавами).

260

II

III

IV

VI

Короткие очистные забои

1 г

Камера

Камерная Короткими столбами Камерно-столбовая Короткими лавами

Прямым

ходом

Одно-

сторонняя

Целик

Камера

Столб

Камера

Обратным

ходом

Поперечная

выемка

Дву-

сторонняя

Центрально-

фланговая

Ё' І і О ГЗ — С. О. Г

у -Л ■=

о о 9 7.

2 о

о. а

Эе

3

І й і ! I- С

; *С в

'О о о а

а. Я

Однокомбайновая выемка

Двухкомбайновая выемка

Столбчатыми

целиками

Скважинами

Заходка

Целик

Лава

Целик

Диагональная

С одним штреком (тупиковая)

С двумя штреками

Т-образно

фланговая

С открытым

внешним

контуром

з-------Г~

С внешними заездами

И

І-.Г

Одинарные

С

Сдвоенные

Спаренные

£§■

С одним конвейером

С двумя конвейерами

Непрерывная

система

транспорта

£ В-

Комбинирован ное крепление

’ 8. ІС

Я

Комбини-

рованные

А Ж

« X Э

X 19 І ь £ с

2 о * * 18-

СЕ © я

Рис. 1. Систематизация разработки угольных пластов короткими очистными забоями

В настоящее время, в связи с совершенствованием средств механизации, внедрением высокопроизводительных мобильных средств выемки, транспортировки угля и крепления кровли произошли значительные изменения в технологии выемки пластов короткими забоями, в результате которых трансформировались некоторые из них, а также возникли принципиально новые способы отработки пластов. Все это привело к необходимости их систематизации, которая бы в достаточной степени удовлетворяла сегодняшнему состоянию короткозабойных технологий.

Приводимая на рис. 1 систематизация способов разработки пологих угольных пластов короткими очистными забоями не претендует на полный обзор всех существующих способов, но достаточно полно отражает особенности большинства наиболее известных и применяемых в настоящее время.

В основу данной систематизации положены шесть основных техникотехнологических факторов:

I - существующие системы разработки угольных пластов короткими очистными забоями;

II - элементы систем разработки;

III - типовые технологические схемы;

IV - порядок отработки участка;

V - технические средства и механизированное оборудование;

VI - варианты сочетания средств механизации процесса выемки угольного пласта.

Классическим примером системы разработки короткими очистными забоями является камерная система. Согласно принятой терминологии камера представляет собой очистную выработку шириной 4-10 м и длинной до 300 м, охраняемую от повышенного горного давления целиками угля. Сущность сис-

темы разработки короткими столбами состоит в том, выемочное поле до начала очистной выемки разрезают рядом выработок в виде шахматной доски на квадратные столбы небольших размеров от 15 до 30 м, которые вынимают затем открытыми или закрытыми заходками. Закрытая заходка представляет собой камеру шириной до 4-6 м и длиной в среднем 10-12 м, ограждаемая с трех сторон целиками угля. Открытая заходка - выработка тех же размеров, с установленной с одной стороны крепью. Камерно-столбовая система является комбинированной на основе применения камер, заходок и целиков. Короткая лава представляет собой ограждаемую от выработанного пространства стоечной или механизированной крепью очистную выработку, имеющую один или два штрека.

По представленной на рис. 1 схеме на основе выбранной системы разработки можно выбрать технологию и порядок отработки участка, средства механизации по выемке и транспортировке угля, креплению кровли, а также их сочетание для конкретных горногеологических условий залегания угольного пласта с учетом финансовых возможностей угледобывающего предприятия.

Особенность угольных месторождений Подмосковного бассейна состоит в том, что породы покрывающие пласт угля, неустойчивы, в большинстве случаев обводнены, не допускают больших незакрепленных об-нажений и даже небольших обнажений на продолжительное время, что создает значительные затруднения при горноподготовительных и эксплуатационных работах (5). Мощность угольных пластов обычно составляет 1,2 -2,5 м, а иногда достигает 4,0 м.

Рис. 2. Отработка камерами с их расширением обратным ходом и полным погашением: 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный (монтажный) штрек; 3 - отработанная камера; 4 - формируемая камера; 5 - камера с расширением; 6 - проходческий комбайн; 7 -ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 -участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 -деревянные стойки; 15 - двойной комплект са-модвижущейся крепи; 16 - обходная выработка

Непосредственная кровля, представленная переслаивающимися песчаноглинистыми породами, контактирует с угольным пластом или располагаются на ложной кровле. Ее мощность колеблется от 0 до 5-6 кратной мощности угольного пласта. Обрушается через несколько минут после обнажения.

Непосредственная почва угольных пластов - тонкозернистые, нередко углистые породы, несущая способность которых зависит от петрографического и гранулометрического состава, степени метаморфизма и обводненности.

Кроме того, при выборе способов и средств выполнения основных производственных процессов проходческого цикла определяющее значение имеет технические возможности используемого оборудования. Так, например, крепость вмещающих пород и угля является одним из основных факторов, от которых зависит выбор способа и средств разрушения забоя. При крепости Г = 1-4 разрушение происходит исполнительными органами комбайнов легкого типа, при Г = =4-6 - тяжелого.

В этих условиях с давних пор вплоть до 1927 г., а также в период Отечественной войны угольные пласты разрабатывались только с использованием системы разработки короткими столбами с

выемкой их заходками шириной 2,5-2,7 м. При такой выемке угольного пласта кровля обнажалась незначительно и случаи обвалов были редки. Намного проще было управлять кровлей и организовывать работы в очистном забое (6).

В настоящее время в связи с разработкой и созданием новых технических средств и технологий для восстановления Подмосковного угольного бассейна без значительных капитальных вложений и инвестиций можно рекомендовать следующие технологические схемы и механизированное оборудование.

Для условий неустойчивых пород одной из эффективных является технологическая схема, представленная на рис. 2 и предполагающая полное погашение камеры при ее доработке (расширении) обратным ходом, для чего необходимо использовать два комплекта са-модвижущейся крепи. Подготовка участка производится аналогично предыдущим вариантам. Вентиляционный штрек, кроме основной функции, выполняет также и роль монтажной выработки, в которой подготавливаются комплектные крепи.

Рис. 3. Двухкомбайновая отработка тупиковых камер: а) с поддержанием выработанного пространства; б) с частичным погашением камеры за крепью: 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - отработанная камера; 4 - горловина новой камеры; 5- рабочая камера; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - самодвижущаяся комплектная крепь

Рис. 4. Двухкомбайновая отработка тупиковых камер: а) с поддержанием выработанного пространства; б) с частичным погашением камеры за крепью: 1 - конвейерный штрек; 2 - вентиляционный штрек; 3 - отработанная камера; 4 - горловина новой камеры; 5- рабочая камера; 6 - проходческий комбайн; 7 - ленточный конвейер; 8 - перегружатель; 9 - участковый конвейер; 10 - вентиляционный став; 11 - междукамерные целики; 12 - перемычка; 13 - индивидуальные гидростойки; 14 - деревянные стойки; 15 - самодвижущаяся комплектная крепь

Рис. 5. Технологические схемы погашения выемочных столбов с неустойчивыми кровлями односторонними (а) и двусторонними (б) заходками

К достоинству данной схемы следует отнести высокую степень безопасности ведения очистных работ, когда призабойная часть ограждается от обрушае-мых пород крепью, обеспечивающей, к тому же, дополнительное поддержание кровли. Преимущество заключается также и в полном демонтаже рамной крепи в целях ее повторного использования в соседней камере.

В тех ситуациях, когда необходимо осуществить наиболее быструю отработку участков с ограниченными запасами и обеспечить высокую степень концентрации очистных работ, предлагается использовать технологические схемы, представленные на рис. 3. Кроме того, достоинством таких схем является возможность отработки участков как с углями невысокой крепости, при которых прочность междукамерных целиков близка к максимальному давлению на них, так в условиях пучащих пород почвы. В этом случае высокие темпы ведения очистных работ позволяют избежать развития негативных проявлений горного давления, приводящих к потере устойчивости целиков угля и чрезмерному пучению.

В тех ситуациях, когда необходимо осуществить наиболее быструю отработку участков с ограниченными запасами и обеспечить высокую степень концентрации очистных работ, предлагается использовать технологические схемы, представленные на рис. 4. Кроме того, достоинством таких схем является возможность отработки участков как с углями невысокой крепости, при которых прочность междукамерных целиков близка к максимальному давлению на

них, так в условиях пучащих пород почвы. В этом случае высокие темпы ведения очистных работ позволяют избежать развития негативных проявлений горного давления, приводящих к потере устойчивости целиков угля и чрезмерному пучению.

На рис. 5 показано расположение выемочного комбайна и разработанной в ПНИУИ специальная крепь для данных условий КСК (комплектная самоходная крепь), которая передвигается без потери контакта с породами кровли (9). Предложенная технология работ ориентирована на использование двух комплектов крепи, так как при этом осуществляется практически полное перекрытие кровли в камере. Увеличение числа секций до 6 обеспечивает поддержание кровли при поперечном обнажении до 67 м. При этом возможна односторонняя рис. 5, а и двусторонняя рис. 5, б выемка угля.

Рис. 6. Выемочный участок, отрабатываемый короткой лавой

Любая из данных схем может быть трансформирована для других условий или с учетом иного парка оборудования. В частности, для кровель весьма устойчивых (иногда, средней устойчивости) необходимо замена рамных крепей на анкерные с дополнительными устройствами для бурения шпуров и установки штанговой крепи, что широко практикуется на месторождениях Кузнецкого бассейна.

Другим возможным вариантом является использование короткой лавы для выемки угольного пласта (6).

Короткими лавами отрабатываются пласты угля с весьма слабыми вмещающими породами, участки сложного геологического строе-

ния и залегания, оставленные ранее целики угля не-

Рис. 8. Схема отработки выемочного участка с применением технологии скважин.

Рис. 7. Выемка угольного пласта бурошнековым агрегатом

правильной конфигурации у границ шахтного поля и в районе тектонических нарушений, а также целики угля для охраны основных выработок и др.

Также может быть применена технология выемки угля бурошнековым агре-

гатом (рис. 7), которая также испытывалась в Подмосковном бассейне (10).

Скважинной технологией ведения очистных работ с помощью бурошнекового агрегата предусмотрено двухстороннее бурение скважин по отношению рабочего штрека. Расстояние между соседними скважинами выбирают с таким расчетом, чтобы ширина междусква-женного целика превышала диаметр скважины. При этом учитывают крепость угля, мощность пласта, глубину

1. Шевяков Л.Д. Разработка месторождений полезных ископаемых. М.: Углетехиздат. -1956. - 682 с.

2. Бурчаков А.С., Жежелевский Д.А., Яру-нин С.А. Технология механизации подземной разработки пластовых месторождений. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1989. - 431 с.

3. Судоплатов А.П., Парусимов В.Ф., Гапанович Л.Н. Разработка угольных месторождений короткими очистными забоями. - М.: Госгортехиздат, 1962. - 304 с.

разработки и т.д. На рис. 8 показана схема отработки участка с использованием скважинной технологии.

В результате использования предлагаемой систематизации короткозабойных технологий можно с достаточной степенью надежности выбрать необходимую технологическую схему выемки угольного пласта и оборудование для механизации процессов системы разработки.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Гапанович Л.Н., Попов С.Ф., Лаврухин Л.Я. и др. Короткие комплексно- механизированные лавы за рубежом // Зарубежный опыт, добыча и переработка угля. Экспресс-информация. Вып.9. - М.: цНиЭИуголь. 1990. - 62 с.

5. Подмосковный угольный бассейн/ Под.общ.ред. д.т.н. В.А. Потапенко. - Тула: «Гриф и К», 2000. - 276 с.

6. Кобищанов М.А. Эффективная система разработки угля для условий Подмосковного угольного бассейна // Уголь. - 1945. - №5-8.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------

Абрамкин Н.И., Сидорчук В.К. - Московский государственный горный университет.