6. Перспективные направления развития схем подготовки выемочных участков*
6.1. Перспективные схемы подготовки выемочных участков
Существенным достижением зарубежной науки и практики является переход к малозабойным технологиям с многоштрековой подготовкой выемочных полей и столбов. На шахтах
Австралии и США применяются, как правило, технологические схемы шахта-пласт, шахта-лава. Эксплуатация на шахте одного высокопроизводительного забоя с нагрузкой 6-13 тыс.т в смену и наличие одного резервного забоя обеспечивают на шахтах Австралии и США высокие показатели. Например, на шахте «Южная Булга» в Австралии (Новый Южный Уэльс) в 1996 году добыто 4,1 млн.т при общей численности работников 166 человек (без обогатительной фабрики). Разрабатывается угольный пласт мощностью 2,4 м на глубине 60-170 м. Производительность очистного комплекса 3500 т/час.
Рекордные показатели достигнуты на шахте «Твентимайл» в штате Колорадо (США) при отработке выемочного столба длиной 5500 м, шириной 260м (длина забоя) на пласте мощностью 2,6 м. Механизированный комплекс фирмы ДБТ включал:
- механизированную двухстоечную щитовую крепь с несущей способностью секций крепи 8400 кН и шириной 1,75 м;
- забойный конвейер РF4 шириной 1332 мм с приводом 3х740 кВт, цепями 42х146 мм и скоростью движения цепей 1,81 м/с;
- выемочный комбайн SL300 фирмы «Айкхофф», скорость движения которого достигает 14 м/мин.
В июле 1997 г. месячная добыча из КМЗ на шахте «Твентимайл» составила 820575 т.
___________________________________
*) Глава 6 написана совместно с Ногих С. Р. и Шундулиди И. А.
Таким образом, положительный опыт реструктуризации угольных отраслей зарубежных стран показал, что при системном подходе разработки технологических и технических решений, создании мощной машиностроительной базы и реорганизации организационно-технической структуры угледобывающих предприятий возможен плавный переход от устаревшей технологии к принципиально новой, малозабойной. Очевидно, зарубежный опыт и результаты научных исследований необходимо использовать при осуществлении реструктуризации угольной отрасли России.
Анализ рекомендаций, не прошедших опытно-промышленную эксплуатацию на шахтах, показал их низкую адаптивность и необходимость проведения совместных научных исследований учёными и специалистами шахт и угольных компаний.
Одной из причин неудовлетворительной работы КМЗ на шахтах России является неэффективная технология подготовки выемочных полей и длинных выемочных столбов, особенно на газоносных тонких пластах. Низкая эффективность технологии подготовки выемочных полей длинных выемочных столбов обусловлена:
- небольшим поперечным сечением (9-12 м2) подготовительных выработок, оконтуривающих выемочный столб;
- ограниченным количеством выемочных выработок, примыкающих к очистному забою;
- отсутствием эффективных способов и средств дегазации угольного пласта, проветривания тупикового подготовительного забоя при длине выработки более 500 м, транспорта горной массы, материалов и оборудования.
Указанные причины являются следствием отсутствия надежных проходческих комбайнов, высокой аварийности элементов технологических схем проведения выработок.
Согласно зарубежной практике одним из перспективных направлений повышения эффективности работы КМЗ является применение многоштрековой подготовки (рис.3.15), обеспечивающей разделение грузопотоков и вентиляции. В России предложено несколько вариантов многоштрековой подготовки, которые позволяют повысить концентрацию горных работ.
В горной науке и практике отсутствуют научно обоснованные рекомендации по установлению рациональных областей применения бесцеликовой технологической схемы выемочного участка. Внедрение этих схем в 60-70-х гг., когда угольные пласты отрабатывались на глубине до 400 м, позволило сократить потери угля, число самовозгораний угольных целиков. С увеличением глубины разработки появились сложности при управлении горным давлением и обеспечении устойчивости сохраняемых для повторного использования выемочных выработок. Уменьшение площади поперечного сечения сохраняемых выработок за счёт смещения пород кровли и пучения пород почвы до 1500 мм привело к повышению аэродинамического сопротивления этих выработок и неуправляемому движению метановоздушной смеси в выработанном пространстве. Кроме того, применение нисходящего проветривания в очистном забое с подачей свежего воздуха по вентиляционному и частично сохраненному штрекам способствует росту интенсивности загазирований при обрушении пород кровли и миграции метана из выработанного пространства ранее отработанных выемочных столбов.
Современная технологическая схема выемочного участка предъявляет следующие требования:
- высокая пропускная способность всех последовательных элементов технологической схемы;
- максимальная по установленному оборудованию и вентиляции нагрузка на очистной забой за счет использования всех способов и средств для снижения метанообильности в нем, в том числе аэродинамических каналов в зонах обрушения пород кровли и газаотсасывающих вентиляторов;
- оптимальные геометрические размеры выемочных участков: длина комплексно-механизированного забоя должна быть в пределах 150-350 м, а выемочного участка – 1500-5000 м;
- минимальная удельная протяженность проводимых и сохраняемых для повторного использования подготовительных и выемочных выработок;
- непрерывность транспортирования горной массы из очистного забоя по выработке, непосредственно примыкающей к этому забою;
- отсутствие перегрузочных операций на вспомогательном транспорте;
- обеспечение минимальных, экономически обоснованных потерь угля;
- исключение взаимного влияния системы очистных и подготовительных забоев;
- обеспечение автономности работы очистного забоя по условиям транспорта;
- применение эффективных способов охраны выработок при безремонтном их поддержании;
- высокая безопасность и надежность;
- высокие технико-экономические показатели.
В благоприятных горно-геологических условиях эти требования, как правило, удается выполнить, о чем свидетельствуют стабильно высокие технико-экономические показатели отработки выемочных участков на малых глубинах, при спокойной гипсометрии, выдержанных по мощности ненарушенных пластов и др. В этих условиях на шахтах России нагрузка на выемочный участок достигает 60-200 тыс.т/мес, производительность труда – 1000-1200 т/мес на рабочего по участку.
В сложных горно-геологических условиях из-за отрицательного влияния отдельных или нескольких факторов технико-экономические показатели работы выемочных участков значительно ниже.
Одним из путей сокращения производственных затрат, по опыту развитых угледобывающих стран и рекомендациям отечественных ученых, является концентрация горных работ за счет перехода от многозабойных технологий к малозабойным с увеличением нагрузки на КМЗ до 5-10 тыс.т в сутки.
Идея интегрирования малозабойных шахт в подземные технологические комплексы производственного объединения основана на следующих методических положениях системного подхода:
- проведение комплексных исследований технологических процессов подземной угледобычи и разработка научно обоснованных технических и технологических решений;
- интенсивное развитие, адаптация и тиражирование прогрессивных элементов малозабойных технологических схем отдельных шахт на соседних шахтах;
- интеграция по технологическим и горно-геологическим признакам группы соседних шахт в подземные технологические комплексы;
- создание на основе научно обоснованных пространственно- планировочных решений единой для группы соседних шахт системы вскрытия, подготовки и отработки одного или нескольких угольных месторождений-аналогов.
В соответствии с методическими положениями и принципами реализации идеи создания интегрированных подземных технологических комплексов группы шахт была разработана структурно-функциональная схема технологической системы производственного объединения (рис. 3.33).
Согласно структурно-функциональной схеме выделено четыре уровня технологической системы угольного производственного объединения.
На верхнем (первом) уровне формируются основные директивные параметры технологической системы: объемы добычи, качество угольной продукции, объем готовых к выемке запасов, ресурсы оборудования и материалов. На уровне производственного объединения разрабатываются перспективные направления по развитию шахтного фонда действующих шахт и строительству новых. Проводится экономико-технологическое моделирование вариантов интеграции малозабойных технологических схем шахт в подземные технологические комплексы.
На втором уровне технологической системы производственного объединения рассматриваются интегрированные наземные и подземные технологические комплексы.
Наземные технологические комплексы предназначены для переработки горной массы, реализации угольной продукции и обеспечения производственной деятельности предприятий угольной компании. Объектами, составляющими наземные технологические комплексы, являются: обогатительные фабрики, коксохимические заводы, погрузочные станции, ремонтные заводы и др.
Рис. 3.33. Структурная и функциональная схемы технологической системы производственного объединения
Интегрированные подземные технологические комплексы (ИПТК) предназначены для вскрытия, подготовки и отработки запасов угля одного или нескольких месторождений-аналогов. Эффективность ИПТК группы соседних шахт достигается тиражированием и унификацией прогрессивных технологических элементов, применением стыковочных пространственно-планировочных решений по вскрытию, подготовке и отработке месторождения.
На третьем уровне технологической системы производственного объединения выделены малозабойные технологические схемы отдельных или группы шахт в технологической структуре ИПТК. Обоснованы следующие признаки, характеризующие малозабойные технологические схемы отдельных или группы шахт: количество очистных забоев – 1 – 3, подготовительных – 3 – 6; нагрузка на КМЗ – 5 – 12 тыс. т в сутки; скорость подвигания подготовительных забоев больше 300 м в месяц.
Малозабойные технологические схемы отдельных шахт реализуются в пределах одного или смежных шахтных полей соседних шахт, интегрированных в подземный технологический комплекс группы шахт.
В качестве основных элементов малозабойных технологических схем отдельных шахт рассмотрены: качество и технологичность промышленных вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов угля; способы и схемы вскрытия и подготовки шахтных и выемочных полей; выемочный технологический участок; вентиляция; магистральный транспорт и подъем; технологический комплекс на земной поверхности; техника безопасности и охрана труда.
На четвертом, нижнем, уровне технологической иерархии рассматриваются малозабойные технологические схемы выемочных полей и участков, включающие два основных элемента: высокопроизводительные малоагрегатные подготовительные и очистные забои.
Одним из основных признаков малозабойных технологических схем шахт является высокая суточная нагрузка на КМЗ в пределах 5 – 12 тыс. т, что соответствует скорости подвигания очистного забоя 8 – 20 м в сутки. Для восполнения погашаемых запасов угля и исключения «разрыва» очистного фронта при таких темпах отработки запасов выемочного столба необходимо разработать новые технологические схемы не только проведения подготовительных выработок, но и транспорта, монтажа оборудования, выполнение профилактических мероприятий и др. Существующие технологические схемы подготовки запасов угольного столба к выемке, как правило, включают последовательную или, редко, последовательно-параллельную очередность выполнения процессов.
По результатам хронометражных наблюдений технологических процессов выемочного участка и анализа причин инцидентов и аварий в очистных и подготовительных забоях установлено, что коэффициент готовности подготовительных забоев составляет 0,18 – 0,35, очистных – 0,25 – 0,35, а основными причинами простоев являются: ремонт оборудования – 30% всех простоев, остановки транспорта – 25 – 30%; проявления горного давления – 18 – 20%, загазирования – 18 – 20%. Проведенные исследования подтверждают наличие существенных резервов применяемых технологических схем выемочных участков. Технология проведения одной выработки по последовательной схеме включает следующие процессы: проведение выработок, зачистка почвы и ремонт крепи выработок, демонтаж проходческого оборудования, монтаж транспортной сети, дегазация, монтаж очистного механизированного комплекса и т.д. При работе по такой схеме подготовка выемочного участка продолжается 1,5 – 3,0 года, что не соответствует инвестиционной политике в России.
При последовательно-параллельной схеме подготовки выемочного участка одновременно с технологическими процессами по проведению одной выработки в ней осуществляются: ремонт крепи и поддержание пройденных участков выработки – дегазация углепородного массива, профилактические работы по увлажнению угля, разгрузке пласта, торпедированию пород кровли и др. Применение последовательно-параллельной схемы позволяет сократить период подготовки выемочного участка на 20 – 30% по сравнению с затратами времени при подготовке выемочного участка по последовательной схеме.
Реализация параллельно-последовательной системы подготовки позволяет на этапе горнопроходческих работ осуществлять подготовку запасов угля к выемке по постоянной схеме выемочного участка. При реализации параллельно-последовательной схемы одновременно выполняются следующие работы: проведение нескольких параллельных выработок, демонтаж проходческого оборудования, монтаж постоянного става ленточного конвейера и напочвенной дороги на последнем участке пройденного конвейерного штрека и монтаж очистного механизированного комплекса. Реализация такой схемы возможна при проведении двух и более параллельных выработок. Остановка проходческого забоя зависит от периода монтажа постоянной транспортной сети. Время на подготовку выемочного участка по сравнению с периодом подготовки по последовательной схеме можно сократить на 40 – 50%.
Перспективной является параллельная схема подготовки выемочного участка, при которой совмещаются все основные виды работ. Реализация этой схемы возможна при оконтуривании выемочного столба 3 – 4 выработками, наличии фланговых вентиляционных и путевых выработок. Затраты времени на подготовку выемочного участка по параллельной схеме по сравнению с последовательной можно сократить в два раза за счет проведения выработок встречными, догоняющими или расходящимися забоями и оснащения выемочного участка по постоянной схеме.
Для обоснования эффективности многоштрековой подготовки выемочных участков были проведены опытно-промышленные исследования следующих вариантов схем подготовки выемочного столба (рис. 3.34):
- организация проведения выработок одновременно несколькими забоями: встречными, догоняющими или расходящимися (рис.3.34, а);
- сохранение подготовительных выработок для повторного использования (рис.3.34, б);
- скоростная проходка выработок с темпами подвигания забоев 300 – 600 м в месяц (рис.3.34, б).
На рис.3.35 в качестве примера приведен вариант технологической схемы проведения штреков спаренными забоями. Поперечное сечение выемочных штреков – четырёхугольное с наклонной кровлей, площадь поперечного сечения в свету – 12,9 – 19,5 м2. Область применения технологической схемы – пологие пласты мощностью более 1,0 м, коэффициент присечки боковых пород 0 – 0,75. Коэффициент крепости вмещающих пород 2 – 8. Выемка горной массы осуществляется комбайнами ГПКС, АМ-50, АМ-65, АМ-75, П-110, П-220 в двух забоях.
Рис. 3.34. Схемы подготовки выемочных столбов:
1-КМЗ; 2-4 - подготовительные забои присечных выработок; 5 - конвейерный штрек; 6 - вентиляционный штрек; 7 - сохраненный штрек; 8 - угольный целик; 9 - центральные панельные бремсберги (уклоны); 10 - фланговые выработки; 11 - спаренные подготовительные забои; 12 - газоотсасывающие вентиляторные установки
Горная масса в конвейерном штреке транспортируется с помощью скребкового перегружателя до ленточного конвейера 2ЛТ-100У и далее по постоянной схеме транспорта горной массы при отработке выемочного столба КМЗ. Вместо перегружателя (ПТК) возможен вариант использования самоходных вагонов или бункер-поезда. В вентиляционном штреке уголь транспортируется с помощью самоходных вагонов до ближайшей сбойки, где смонтирован скребковый конвейер СР-70, и далее до ленточного конвейера 2ЛТ-100У, установленного в конвейерном штреке.
Крепление выработок осуществляется сталеполимерными анкерами АСП, Бурение шпуров для установки анкеров проводится с помощью буровых станков Wombat, Rambor, ЭБГП, ЭРП18Д.
Проветривание выработок осуществляется за счёт общешахтной депрессии, тупиковые участки выработок длиной до 300 м проветриваются всасывающим способом с помощью вентиляторов местного проветривания.
Применение разработанных технологических схем проведения выработок спаренными забоями позволяет достичь следующие показатели (табл. 3.2).
Таблица 3.2. Технико-экономические показатели