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].