KPATEP * Библиотека "Горное дело" * А.Д.Игнатьев "Технология подземной выемки угля и перспективы ее развития"
Б. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВЫЕМКА

Подземная гидродобыча угля впервые была осуществлена в нашей стране еще в 1936 г. в Кизеловском бассейне. В 1939 г. в Донбассе было закончено строительство первой в мире гидрошахты. Уже первые опыты в промышленных условиях показали перспективность этой новейшей технологии подземной добычи угля.

После окончания Великой Отечественной войны в Кузнецком бассейне был организован опытный участок на шахте «Тырганские уклоны», а затем построена и введена в эксплуатацию гидрошахта «Полысаевская-Северная».

Работы в Кузбассе позволили в значительной мере освоить и усовершенствовать процесс гидравлической добычи угля и оборудования, а также наметить пути дальнейшего совершенствования технологии. Здесь была достигнута более высокая (по сравнению с обычными механизированными шахтами) производительность труда рабочих и более низкая себестоимость угля.

В контрольных цифрах развития народного хозяйства СССР на 1959-1965 гг., утвержденных внеочередным XXI съездом КПСС предусматривается дальнейшее развитие гидравлического способа добычи угля.

Шестилетний опыт работы гидрошахты «Полысаевская-Северная» и гидроучастков в Кузбассе с достаточной убедительностью подтвердил экономическую целесообразность и эффективность подземной гидравлической добычи угля; преимущества и эффективность этой новой технологии добычи с достаточной полнотой освещены в технической литературе. [77]

За последнее время в разработке и освоении технологии добычи угля гидравлическим способом достигнуты значительные успехи. Сейчас добыча угля гидравлическим способом производится на одной гидрошахте и 5 гидроучастках в Кузбассе и на двух гидроучастках в Донбассе. Производственная мощность этих объектов составляет около 7тыс. т угля в сутки. В Кузбассе строится крупная гидрошахта «Грамотеинская» № 3-4 производительностью 1200 тыс. т угля в год с гидротранспортом его на расстояние 10 км на строящуюся Беловскую тепловую электростанцию. На гидравлический способ добычи намечено перевести крупную действующую шахту «Центральная», особо опасную по внезапным выбросам угля и газа, а также построить ряд новых гидрошахт. В Донбассе ведется строительство 7 гидрошахт и намечено организовать гидродобычу и гидротранспорт угля на 35 участках действующих шахт.

Развитие добычи угля гидравлическим способом намечается также в Караганде и Средней Азии.

На основе опыта, полученного в Советском Союзе, гидравлический способ подземной добычи угля начал успешно применяться в Китае, Чехословацкой Республике, Польской Народной Республике и в других зарубежных странах.

Одним из важнейших процессов подземной гидравлической добычи угля является гидровыемка. При применяемых сейчас напорах струи (20-60 ат) гидравлическую отбойку угля рационально производить только на пластах средней и ниже средней крепости, трещиноватых, с относительно устойчивыми породами кровли и почвы. Эффективность действия гидравлической струи резко падает с увеличением крепости и монолитности углей. Производительность же гидроотбойки в конечном счете является одним из определяющих факторов эффективности работы гидрошахты.

Повышение эффективности гидроотбойки может быть достигнуто путем увеличения рабочего напора струи до 100 ат и более или путем предварительного рыхления пласта тем или иным способом; третьим направлением в развитии технологии является такая выемка, при которой отделение угля от массива осуществляется комбинированными выемочными машинами с механическими рабочими органами, а доставка угля Д гидравлическим способом. Рассмотрим кратко эти способы.

§1. Выемка без предварительного рыхления

Теоретически обосновано и опытным путем подтверждено, что струя воды может разрушать любой материал, в том числе и уголь любой крепости при применении соответствующего напора струи. Действительно, всегда можно получить такой напор водяной струи, который создает на поверхности разрушаемого [78] материала давление, превышающее временное сопротивление этого материала. Например, тонкой струей воды (диаметром до 1 мм) с напором в 1000 и более атмосфер можно разрушать весьма крепкие породы и даже металл.

Однако применение высоких напоров требует специального оборудования и больших расходов электроэнергии. Практически при гидравлической добыче угля пользуются сравнительно невысокими напорами струй (до 40-60 ат). Производительность монитора зависит главным образом от свойств разрушаемого угля.

Имеющийся в настоящее время отечественный и зарубежный опыт показывает, что без предварительного рыхления угольного массива эффективно можно разрабатывать пласты со слабыми, трещиноватыми углями, когда резко проявляется их отжим.

Примером технологической схемы, при которой гидроотбойка осуществляется без предварительного рыхления массива угля, может служить работа шахты «Тырганские уклоны» в Кузбассе.

Технологический процесс гидродобычи угля по сравнению с обычным процессом чрезвычайно прост. Выемка угля на шахте «Тырганские уклоны» в 1952-1955 гг. проводилась по системе подэтажной гидроотбойки. Гидромониторы устанавливались в подготовительных выработках. Отбитый уголь по желобам, уложенным в штреках, доставлялся водой к углесосу гидроподъема. Углесос выдавал пульпу по трубам на поверхность. Выемка угля производилась без крепления очистного забоя.

Подготовительные выработки проводились также с помощью гидромониторов.

Опыт работы шахты «Тырганские уклоны» подтвердил возможность эффективного ведения гидровыемки без предварительного рыхления массива и крепления очистного забоя.

§2. Выемка с предварительным рыхлением

При разработке гидравлическим способом монолитных вязких углей с применением напоров воды до 40-60 ат эффективность гидроотбойки сравнительно невысока и для ее повышения необходимо предварительное рыхление пласта.

Повышение напора струи резко увеличивает энергоемкость гидроотбойки и выход мелких классов угля. Создание специального высоконапорного оборудования (насосов, мониторов, труб, соединений и т. п.) вызывает ряд затруднений технического и экономического характера. Оборудование в этом случае будет более дорогим, сложным и тяжелым, возрастет опасность работ.

Применение предварительного рыхления позволяет повысить производительность труда, снизить себестоимость угля и увеличить [79] общую эффективность работ. На шахтах «Челядзь» и «Клеофас» (Польская Народная Республика) применение предварительного рыхления с помощью буровзрывных работ позволило осуществлять выемку угля при напорах всего 15-18 ат.

Необходимо отметить, что в настоящее время вопросами разрушения горных пород и углей струями высокого давления, и, в частности, изысканием обоснованных параметров струи (напора и расхода воды) для гидроотбойки угля в подземных условиях, занимается ряд научно-исследовательских институтов у нас и за рубежом.

На ближайшее время при разработке пластов небольшой мощности, где отжим угля проявляется слабо или совсем отсутствует, при углях сравнительно крепких и монолитных предварительное рыхление следует считать основным средством повышения эффективности гидроотбойки и неотъемлемым элементом процесса выемки.

Примером гидродобычи угля с предварительным рыхлением пласта ВВ может быть работа гидрошахты «Полысаевская-Северная».

В очистных забоях этой шахты устанавливаются гидромониторы, из которых струя воды под напором направляется на забой. Отбитый уголь в виде пульпы по металлическим желобам, уложенным по разрезным печам и аккумулирующему штреку, транспортируется к зумпфу, находящемуся на основном штреке. Здесь крупный уголь класса +60 мм отделяется, поступает в дробилку и измельчается, а уголь класса - 60 мм попадает в зумпф. Из зумпфа пульпа углесосом производительностью 360 м3/час при напоре 27 м вод.ст. подается в трубы диаметром 250 мм и транспортируется по основному штреку до центральной камеры гидроподъема, где установлены углесосы производительностью 360 м3/час при напоре 60 м вод.ст.. С помощью последних пульпа по трубам диаметром 250 мм выдается на поверхность.

Разрабатываемый пласт Полысаевский-I имеет мощность 2,3 м, угол падения 6-8°. Разработка его ведется длинными столбами с выемкой угля по падению без крепления очистного забоя (рис.41).

Для подготовки очистного фронта работ с основного штрека по восстанию проводится сбойка, в которой устраивается зумпф участкового углесоса и устанавливается дробилка. От сбойки по простиранию в обе стороны с уклоном 0,04-0,06 проводятся аккумулирующие штреки, от которых через каждые 12,5-15 м по восстанию проводятся разрезные печи. Проведение выработок осуществляется по многозабойному методу (три-четыре забоя на бригаду) с помощью гидромониторов и предварительного рыхления буровзрывными работами (6-8 шпуров).

Очистной забой представляет собой небольшую камеру-заходку размерами 6-8 м до простиранию и 5-6 м по падению [80] (рис.42). Очистная выемка угля также принята многозабойной. Круглосуточно в работе находится два гидромонитора. Три забоя обслуживает комплексная бригада в составе двух гидромониторщиков и двух помощников.

К началу смены имеются два подготовленных предыдущей сменой очистных забоя. Гидромониторщики приступают к выемке угля, а их помощники - к подготовке третьего забоя. Очистные забои-заходки располагаются уступами с опережением выемки в левой печи относительно правой на 15-20 м (на 3 - 4 заходки). В каждой разрезной печи установлен гидромонитор, с помощью которого мониторщик осуществляет выемку справа или слева от печи. Выемка заходок также ведется с опережением одной заходки на 1-1,5 м относительно другой.

Такой порядок выемки обусловливается удобством ведения работ и требованиями безопасности. При отсутствии опережения выемки угля, например, в левой заходке, после посадки кровли в правой, мониторщик (при работе в левой заходке) оказался бы в непосредственной близости от выработанного пространства, где еще не полностью произошло обрушение пород кровли.

Выемка каждой заходки производится в три приема, называемых «выемкой первичной заходки», «выемкой вторичной заходки» [81] и «выемкой предохранительного целика (ножки)» (см. рис.42).

Первичная заходка представляет собой камеру размером 4 м по падению и 2,5-3 м по простиранию; в кровле ее оставляется пачка угля толщиной 30-35 см.

После выемки первичной заходки помощниками мониторщика устанавливается временная крепь, под защитой которой обуривается забой и производятся взрывные работы для подготовки вторичной заходки. Во время подготовки последней мониторщик работает в другом забое.

После взрывных работ во вторичной заходке камера углубляется по простиранию до 68 м и расширяется до 5-6 м по падению; затем производится выемка предохранительного целика (ножки), оставляемого между завалом и камерой. В это же время вынимается верхняя пачка угля. Отбойка предохранительного целика и верхней пачки производится от оси столба к разрезной печи, из которой производится выемка. По окончании выемки предохранительного целика и верхней пачки угля происходит обрушение кровли - самопроизвольное или принудительное, с помощью струи воды. Временное оставление предохранительного целика у завала вызывается необходимостью обеспечения безопасности труда, уменьшения потерь угля и предохранения угля от засорения породой.

Опыт работы шахты «Полысаевская-Северная» подтверждает, что гидроотбойка вязкого и монолитного угля может быть эффективной при условии предварительного рыхления массива. На основании этого в настоящее время в комплекс работ по выемке угля включены как обязательные операции по бурению и взрыванию шпуров.

Для предварительного рыхления угольного массива, кроме наиболее известных и распространенных в угольной промышленности буровзрывных работ, могут быть использованы и другие способы.

По предложению б.ВУГИ был разработан и проверен в промышленных условиях при гидровыемке способ предварительного рыхления с помощью взрывания рассредоточенных зарядов в длинных скважинах с гидрозабойкой под давлением. Опытные [82] работы по установлению эффективности предварительного рыхления таким способом были проведены институтом в 1955-1957 гг. на той же гидрошахте «Полысаевская-Северная».

Длинные скважины при этом бурились из печей на всю ширину вынимаемого столба (14,5 м). В скважины вводились специальные рассредоточенные заряды (рис.43), соединявшиеся между собой детонирующим шнуром, что создавало большую надежность детонации патронов ВВ в них и практически исключало возможность отказов. Затем устья скважин закрывались специальными гидрозатворами, через которые в скважины подавалась вода под давлением до момента взрыва.

Во время опытных работ производилась выемка заходок различной длины и ширины с целью определения их оптимальных размеров в зависимости от устойчивости кровли, интенсивности выемки и трудоемкости работ. Для условий кровли пластов Полысаевского-I и Полысаевского-II площади обнажения к моменту окончания выемки заходки достигали 40-55 м2. [83]

Имеющиеся средства гидромеханизации при принятом способе рыхления массива угля позволяют производить выемку заходки за 2-3 часа, что обеспечивает высокую производительность гидромонитора и снижает потери угля до 10-15%. Минимальная трудоемкость работ была получена при выемке заходок шириной 5-5,5 м и длиной 10-12м.

Технико-экономические показатели, полученные при выемке опытных заходок, приведены в табл. 5.
Таблица 5
Размеры заходки, м
 Средняя производительность гидромонитора, т/час
 Давление гидрозабойки, при котором производилось взрывание зарядов, ат Трудоемкость, чел.-смен
 Удельный расход
длина
 ширина
 при выемке заходки
 на 1000 т
 ВВ, кг/м3
 воды, м3/м3
При выемке угля крепостью f = 0,8-1,2 (по шкале проф. М.М.Протодьяконова) с ясно выраженным кливажем,
по данным опытных работ
10
 4,5
 49
 15
 1,202
 10,1
 0,13
 2,1
10
 5,5
 48
 2
 1,298
 8,8
 0,13
 2,0
10
 6
 45
 20
 1,295
 9,3
 0,17
 2,2
То же, по фактическим данным шахты
7
 5
 24
 Без гидрозабойки 1,290
 15,2
 0,45
 3,9
При выемке угля крепостью f = 1,6-2,0 (по шкале проф. М.М.Протодьяконова) с неясно выраженным кливажем, по данным опытных работ
8
 5
 40
 Без давления 1,132
 12,3
 0,40
 2,4
10*
 5
 41
 Без давления 1,122
 9,6
 0,35
 2,6
10**
 5
 41
 Без давления 1,295
 10,9
 0,35
 2,6
То же, по фактическим данным шахты
7
 5
 21
 Без гидрозабойки 1,525
 19,0
 0,90
 4,0
* При одновременной подготовке трех заходок.
** При одновременной подготовке двух заходок. 

Из табл. 5 наглядно видна эффективность предложенного метода предварительного рыхления. Производительность гидромониторной выемки при применении предварительного рыхления с помощью взрывания длинных скважин с гидрозабойкой в два и более раза выше, чем при рыхлении взрыванием обычных коротких шпуров без гидрозабойки; расход ВВ при новом способе взрывания сокращается примерно в 3 раза.

Кроме того, анализы воздуха в призабойном пространстве показали, что содержание ядовитых газов в забое при взрывании зарядов ВВ с гидрозабойкой по сравнению с обычным взрыванием в два раза меньше. [84]

Для широкого внедрения этого способа предварительного рыхления при гидровыемке необходимы быстрейшая разработка и создание специальных водоустойчивых ВВ, детонирующего шнура и капсюлей-детонаторов.

Наряду с этим может быть применен также способ рыхления угля с помощью взрывания сжатым воздухом высокого давления. Эффективность этого способа разрушения угольного массива проверена б.ВУГИ в промышленных условиях на шахте № 13-15 в Подмосковном бассейне. В настоящее время эксперименты продолжаются с целью уточнения параметров взрывных работ и отработки технологической схемы.

Метод ослабления угольного массива с помощью нагнетания в пласт воды под давлением до 200-250 ат, накопленный в зарубежных странах (в Чехословацкой Республике, ФРГ, Англии), показывает, что в определенных условиях он может быть также эффективным. Как известно, основным назначением его применения является погашение угольной пыли при механизированных способах выемки. Наряду с этим было установлено, что при нагнетании воды в пласт уголь частично ослабляется.

Исследования, проведенные в этом направления, пока недостаточны и необходима организация более широких промышленных экспериментов.

§3. Механо-гидравлическая выемка


Сущность этого способа выемки заключается в механической отбойке (или рыхлении) угля и гидравлической его транспортировке (или окончательном разрушении и транспортировке).

Примером механо-гидравлического способа выемки может служить работа с помощью комбайна ПКГ-4 (конструкции Я.Я. Гуменника), где отбойка угля производится механическим путем, а уборка и транспортировка отбитого угля - гидравлическим способом.

Этот комбайн (рис.44) предназначен для механизированного проведения подготовительных выработок арочного сечения площадью 2,8 м2 по углю любой крепости.

Комбайн имеет планетарный исполнительный орган, состоящий из забурника и трех штанг, на которых закреплены рабочие диски с зубками. Штанги смонтированы на опорах водила, а забурник - на центральном валу редуктора исполнительного органа.

Забурник прорезает в угле четыре концентрические щели шириной 40 мм и глубиной до 100 мм. Рабочие диски в процессе работы прорезают семь концентрических щелей шириной 45 мм и глубиной 80-100 мм; целики угля между ними в том недругом случае разрушаются специальными отламывателями, приваренными к торцам рабочих дисков и корпусу буровой коронки. [86]

Исполнительный орган комбайна отделен от выработки щитом, предохраняющим рабочих от кусков угля и воды, отбрасываемых из призабойного пространства. Верхняя часть щита установлена шарнирно и во время смены зубков или ремонта может быть откинута.

Основанием комбайна служит неподвижная рама, на боковых сторонах которой имеются две ходовые гусеницы с приводами. Комбайн имеет специальную фрезу для образования в проводимой выработке канавки.

Изменение направления выработки в вертикальной плоскости производится с помощью гидродомкратов подъема и опускания рабочего органа. Управление комбайном в горизонтальной плоскости производят с помощью боковых гидродомкратов.

Транспортирование угля осуществляется водой. Вода подается к комбайну по резиновым шлангам под давлением 4-5 ат. Попадая за щит комбайна, вода выносит отбитый уголь и транспортирует его по выработкам до зумпфа камеры гидроподъема.

Комбайн ПКГ-4 проходил промышленные испытания на гидрошахте «Полысаевская-Северная» в 1957-1958 гг. при проходке разрезных печей, которые проходились с параллельного штрека на расстоянии 5 м одна от другой.

Работа была организована по трехсменному режиму при прерывной неделе; одна смена являлась ремонтно-подготовительной. Комплексная проходческая бригада состояла из трех машинистов комбайна и девяти их помощников. Бригада делилась на три звена по четыре человека в каждом.

В октябре 1957 г. комбайн прошел 917 м, в ноябре - 629 м, в декабре - 1075 м. В январе 1958 г. с помощью комбайна было проведено 1434 пог. м выработок. Попутная добыча угля при этом составила 5200 т.

Основные технико-экономические показатели работы, достигнутые в январе 1958 г.

Количество рабочих дней

25

Среднесуточное подвигание, пог. м

57,3

Максимальное подвигание за сутки, пог. м

106

Максимальное подвигание за смену, пог. м

75

Средняя добыча угля за сутки, m

210

Максимальная добыча угля за сутки, m

385

Комплексная норма на выход, пог. м

3,17

Производительность труда проходчика на выход, пог. м/т

4,7/17,5

Производительность труда проходчика в месяц, пог. м/т

119,5/430

Трудоемкость на 1 пог. м, чел.-смен

0,213


Нарезанные комбайном длинные столбы по восстанию (шириной 5 м) в дальнейшем вынимались гидравлическим способом с помощью мониторов.

Проведенные испытания показали, что механо-гидравлическая технологическая схема выемки обладает высокими технико-экономическими [87] показателями и является перспективной. В связи с этим представляется целесообразным ее широкое, внедрение на гидрошахтах с аналогичными горно-геологическими условиями. При этой схеме вместо комбайна ПКГ-4 принципиально может быть использована и другая машина, например шнеко-буровая. В этом случае выемка угля частично будет производиться шнеко-буровой машиной, а оставленных межскважинных целиков - гидроспособом. Отечественный и зарубежный опыт шнеко-буровой выемки показывает, что межскважинные целики под действием горного давления нарушаются, в связи с чем облегчается выемка их с помощью гидромонитора.

Такая схема практически еще не опробована и может рассматриваться лишь в порядке постановки вопроса.
Назад  |   Вперед



Hosted by uCoz