книги из ГПНТБ / Охрименко В.А. Подземная гидродобыча угля учеб. пособие

На проведении штрека работала комплексная бригада из 12 человек. Сменное звено состояло из двух-трех человек (один обслуживал комбайн, другой контро­ лировал гидросмыв горной массы, третий доставлял элементы крепи, желоба и трубы к рабочему месту). Режим работы трехсменный. В четвертую смену про­ изводили профилактический ремонт комбайна.

После продвижения комбайна на 2 м его останавливали и наращивали же­ лоба и водоводные трубы.

Производительность труда рабочего на выход при проведении штреков ком­ байном ПКХ-3 по сравнению с буровзрывной выемкой выше на 42%, а стоимость выемки 1 м3 горной массы по заработной плате ниже на 27%. Производитель­ ность труда проходчика на выход 0,692 м.

С 1967 г. аккумулирующие штреки и блоковые печи по пласту мощностью до 1,6 м в шахтоуправлении «Юбилейное» в Кузбассе проводят проходческим комбайном ПК-7 (4ПУ) с низконапорным смывом горной массы.

Сущность технологической схемы состоит в том, что вначале комбайном берут уход по углю на длину 1,1 м. Потом комбайном производят присечку породы кровли. Крупные куски породы убирают в раскоску, а мелкие уносятся

вают, отгоняют немного назад и возводят постоянную металлическую крепь тра­ пециевидной формы из стального спецпрофиля.

Практикой установлено, что за шестичасовую смену комбайном проводят

2.2м готовой выработки.

Сх е м а II. Проведение штреков механогидравлическими проходческими ком­ байнами с напорным гидротранспортом горной массы. Данная схема применима при проведении выработок с уклонами 0,003—0,005 на пластах мощностью более 1,6 м и углом падения до 90° при вмещающих породах крепостью менее 4.

Технологическая схема проведения штрека сечением в свету 7,5 м2 комбай­ ном ПК-9р с напорным гидротранспортом приведена на рис. 57, а.

Отбитая комбайном горная масса поступает через перегружатель в дро­

Материалы к забою доставляют в вагонетках по постоянному одноколей­ ному пути.

В качестве постоянной крепи применяют арочную с железобетонной затяж­ кой, которую возводят вслед за подвиганием забоя. Металлические арки устанав­ ливают в период осмотра комбайна.

Комбайн обслуживают два человека, на креплении, устройстве канавки, на­ ращивании трубопроводов заняты три человека.

Графиком организации работ (рис. 57, б) предусмотрено подвигание забоя за смену 4 м. Месячная скорость проведения штрека 400 м, производительность проходчика на выход 0,8 м, или 6 м3 выработки в свету.

§ 5. ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Преимуществом данного способа проведения горных выработок является возможность применения малогабаритных, подвижных машин, приводимых в действие высоконапорной водой от насосных установок, расположенных в некотором удалении от них. Приме­ ром может служить тонкоструйная нарезная установка ЭНУС-1 конструкции ИГД им. А. А. Скочинского (рис. 58) для проведения на пологих пластах крепкого угля мощностью 1 —1,5 м выработок шириной до 2,2 м.

130

Г л а в а V

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ВЫЕМКИ УГЛЯ И ПОРОД ПРИ ГИДРОДОБЫЧЕ

Одним из важнейших процессов, от которого зависит эффек­ тивность гидродобычи, является выемка угля и вмещающих пород при проведении горных выработок и очистной добыче угля.

На гидрошахтах применяются следующие способы выемки: гидравлический, при котором разрушают массив, наваливают и

транспортируют отбитую горную массу из забоя струей воды; механогидравлический, при котором уголь или породу отделяют

от массива исполнительным органом механического типа с после­ дующей навалкой и транспортированием отбитой горной массы гидравлическим способом;

гидромеханический, при котором уголь или породу отделяют от массива гидравлическим или комбинированным (струей воды и резцами) способами, а наваливают и транспортируют отбитую гор­ ную массу механическими средствами;

взрывогидравлический, при котором уголь или породу отбивают от массива буровзрывными работами, а наваливают и транспорти­ руют отбитую горную массу с помощью низконапорной воды.

§ 1. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ВЫЕМКА УГЛЯ

Гидравлическая выемка угля осуществляется струей воды, вы­ брасываемой под большим давлением через насадку из ствола ги­ дромонитора. Уголь в результате сильного удара струи разру­ шается и отделяется от массива. Растекаясь с большой скоростью по массиву, вода подхватывает отбитый уголь и уносит его от забоя.

П а р а м е т р ы струи. Струей называется поток жидкости (воды), не ограниченный твердыми стенками или руслом и дви­ жущийся компактно в пределах некоторого расстояния.

В зависимости от условий формирования и физико-механиче­ ских свойств струи воды могут быть гидромониторные, пульсирую­ щие, импульсные и тонкие высоконапорные.

Гидромониторные струи с давлением воды на выходе из на­ садки 40—100 кгс/см2 являются основными исполнительными орга­ нами для разрушения угля при гидродобыче.

133

Производительность гидроотбойки во многом зависит от ком­ пактности и дальнобойности гидромониторной струи. Компактность и дальнобойность струи гидромонитора зависит от характера по­ тока воды на подходе к насадке, формы насадки и качества об­ работки ее внутренней поверхности.

Поток воды, подаваемой по трубам к забою, при подводе к гид­ ромонитору характеризуется значительной турбулентностью. Из-за наличия поворотов и изменений сечений в самом канале гидромо­ нитора возникают дополнительные возмущения потока воды, кото­ рые отрицательно влияют на качество струи. Непосредственно перед насадкой в стволе гидромонитора происходит некоторое успо­ коение водяного потока. Основное назначение ствола гидромони­ тора— сглаживание и по возможности полное устранение возник-

Рис. 59. Размещение сотового успокоителя конструкции ИГД им. А. А. Скочинского в стволе гидромонитора

ших в гидромониторе дополнительных вихрей. Установлено, что дополнительная турбулентность сглаживается в стволе гидромони­ тора при длине его, равной 35—50 диаметрам канала ствола [19].

Вподземных условиях применение таких длинных стволов связано

сбольшими неудобствами. Поэтому на практике используют спе­

циальные успокоители, вставляемые в ствол гидромонитора. В большинстве случаев действие успокоителей основано на разде­ лении потока на несколько параллельных потоков меньшего сече­ ния, перемешиванию которых препятствуют лопатки (ребра) или трубки.

В шахтных гидромониторах применяют успокоители сотового типа. Они более просты в изготовлении, дают более компактную струю и меньше подвержены засорению кусками угля и породы, часто попадающими в водоводы.

ИГД им. А. А. Скочинского [6] рекомендует в шахтных гидромо­ ниторах применять сотовые успокоители (рис. 59) с ячейками раз­ мером 24X24 мм. Этот успокоитель дает наибольший эффект, если между началом ствола и началом успокоителя имеется участок около 0,3 м со свободным пространством. После успокоителя перед конусной частью ствола также должен быть участок со свободным пространством длиной равной одному-двум диаметрам канала ствола. Длина успокоителя должна быть 0,3 м. Применение успо-

134

коителей данной конструкции улучшает компактность струи и уве­ личивает производительность гидромонитора при гидроотбойке угля.

которая служит для формирования струи. Насадку подсоединяют к стволу гидромонитора. От формы насадки зависит и форма попе­ речного сечения струи. На гидрошахтах наиболее часто применяют конусоидальные сходящиеся насадки, изготовленные из минерало­ керамики. Они обеспечивают создание наиболее устойчивых и дальнобойных струй.

Для устранения ряда неблагоприятных особенностей течения, влияющих на струю, необходимо обеспечить правильное осесим­ метричное подтекание к выходному сечению гидромониторной на­ садки. Для этого, при теоретическом выборе рациональных очер­ таний подводящего канала и насадки гидромонитора целесооб­ разно использовать разработанный в гидродинамике прием расчета, основывающийся на теории пространственных потенциальных течений, сущность которого сводится к следующему.

Производится расчет осесимметричного сходящегося потенци­ ального потока, в котором предварительно задается продольное распределение осевой скорости u0~f ( x)\ удовлетворяющее тре­ бованиям плавного изменения при требуемой степени поджатая.

Вкачестве профиля границы подводящего канала и сопрягаемой

сним насадки выбираются линии тока, внутри которых течение ха­ рактеризуется приблизительно равномерным профилем продольной скорости.

Пример функции fo(x), позволяющей подобрать подходящие очертания стенок канала, имеет вид (предложение Тзяна)

Найденные по этому способу очертания следует скорректиро­ вать за счет нарастающей в направлении движения толщины вы­ теснения. Приблизительный расчет последней можно провести, на­ пример, с учетом изменения в продольном направлении скорости натекающего на пограничный слой потока с применением последо­ вательных приближений.

Гидромониторная струя выбрасывается через насадку с боль­ шой скоростью. Пролетая до забоя и проходя через воздушную среду, она преодолевает сопротивление воздуха, смешиваясь с ним, расслаивается и рассеивается.

С изменением скорости истечения (напора перед насадкой) в струе наблюдается ряд характерных и последовательных измене­ ний, на основании которых струи разделяют на четыре класса: низкого (5—20 кгс/см2), среднего (20—50 кгс/см2), высокого (50— 500 кгс/см2) и сверхвысокого (более 500 кгс/см2) давления. На

135

гидрошахтах применяются струи среднего и высокого давлений (до 120 кгс/см2).

Наилучшим критерием компактности струи (для данного диа­ метра насадки) является длина начального участка, в котором имеется плотное ядро с постоянными скоростями движения воды. С повышением рабочих давлений угол расширения внешней гра­ ницы струи возрастает, а длина начального участка сокращается. Одной из причин уменьшения дальности полета струи является динамическая неустойчивость капель при больших скоростях дви­ жения.

Длину начального участка струи можно определить по формуле

<30>

где d0— диаметр струи в сжатом сечении;

а — коэффициент турбулентной структуры, а= 0 ,4 2 • 10~8Re+0,0022,

Re — число Рейнольдса для потока в канале ствола гидромо­ нитора.

Гидромониторная струя характеризуется диаметром струи в сжатом сечении (диаметром насадки) d0, напором на выходе из насадки Я0 и расходом воды Q.

При гидроотбойке угля применяют гидромониторные струи со следующими параметрами: d0—17= 32 мм; # 0 = 20-ь120 кгс/см2; Q= 100= 150 м3/ч.

Работоспособность струи принято характеризовать напором на выходе из насадки (в шахте замеряется манометром).

Необходимые динамические давления струи у забоя обеспечи­ ваются при соответствующем напоре и диаметре насадки, причем одно и то же динамическое давление может быть получено при различных комбинациях напора и диаметра насадки. При меньших диаметрах насадок осевые динамические давления струи с удале­ нием от насадки снижаются более резко, чем при насадках боль­ ших диаметров. Поэтому по условиям более производительной гид­

откуда предельная величина диаметра насадки для каждого опре­ деленного расхода воды

136

коэффициент сжатия струи (а=1); ы — площадь поперечного сечения насадки; м2; g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Основные технические параметры гидроотбойки угля. Опреде­ ляющими параметрами гидроотбойки угля, от которых зависит производительность гидромонитора при разработке пластов с раз­ личными физико-механическими свойствами, являются: давление воды перед насадкой, диаметр насадки, расстояние гидромонитора от забоя, прочностные константы угольного массива, скорость пе­ ремещения струи по забою.

Критерием оценки эффективности гидроотбойки является про­ изводительность гидромонитора — весовое количество угля, отби­ ваемого в единицу времени (обычно т/ч).

Параметры гидроотбойки целесообразно устанавливать по ме­ тодике ИГД им. А. А. Скочинского, в соответствии с которой фи­ зико-механические свойства угольного массива оцениваются по удельному водопоглощению пласта [10].

Основные положения метода расчета параметров гидроотбойки сводятся к установлению: удельного водопоглощения пласта фо; давления струи воды на выходе из насадки гидромонитора, при котором производительность гидроотбойки угля при очистных ра­ ботах должна быть наивысшей, но не менее 20 т/ч, а в подготови­ тельных забоях не менее 10—12 т/ч; диаметров насадки гидромо­ ниторов для гидроотбойки угля в очистных и подготовительных забоях; удельного расхода воды при гидроотбойке угля в очистных и подготовительных забоях, которые не должны быть больше 3— 5 м3/т по условиям гидротранспорта и гидроподъема; удельной энергоемкости гидроотбойки в очистном забое.

Количество воды на один гидромонитор в очистных ..забоях ус­

где Н0— давление воды перед насадкой, кгс/см2.

При этом величину удельного расхода воды д0 необходимо принимать равной 3—5 м3/т, что обеспечивает оптимальные усло­

где <7п и /7Г. п — соответственно расход воды и производительность гидромонитора по проходке.

137

Опыт показал, что удельные расходы воды в подготовительных забоях должны обеспечивать консистенцию пульпы не более Т : Ж = 1 : 10.

Зная количество воды на один гидромонитор, можно опреде­ лить предельную величину диаметра насадки для этого количества

воды,

d»= /nF“0'52FF• <зб)

Исходя из опыта применения гидроотбойки на гидрошахтах Донбасса, диаметр насадки гидромонитора рекомендуется прини­ мать равным 17—22 мм для подготовительных и 25—32 мм для очистных забоев. Если при этих значениях диаметров насадок гид­ роотбойка окажется малоэффективной, то гидровыемку угля сле­ дует вести гидромеханическим способом или с предварительным ослаблением угольного массива.

Институтом ВНИИГидроуголь разработана методика опреде­ ления производительности гидромонитора, в которой физико-меха­ нические свойства угольного пласта оцениваются по коэффициенту крепости угля f, определяемому методом толчения.

Основные положения этой методики сводятся к следующему. Производительность гидромонитора в подготовительном забое

по чистой гидроотбойке определяется:

1 + 0,022 Л/ Ц-

Зависимость производительности гидромонитора в подготови­ тельном забое с учетом времени на смыв угля и осмотр забоя имеет вид:

Представленные выражения могут быть справедливыми на ра­ бочем участке длины струи гидромонитора, который равен

/р=(0,019 - £ - - 0 ,1 4 5 ) - ! - , м,

где а — коэффициент турбулентной структуры потока струи (в пределах расходов воды гидромониторами при высоко­ напорной гидроотбойке находится в пределах 0,004— 0,005);

d0—диаметр насадки, м.

133

Производительность гидромонитора в очистном забое, отнесен­ ная ко времени подачи воды, определяется по формуле

где г| — коэффициент использования гидромонитора;

т— мощность пласта, м;

е— основание натуральных логарифмов;

do — диаметр насадки, см.

н

Для пластов мощностью менее 2,2 м и - у <150 г| = 0,8 — 0,82.

В начальный период эксплуатации, когда происходят различные не­

шие значения соответствуют большей мощности. При отработке мощных крутых пластов коэффициент использования гидромони­ тора значительно меньше.

<- у - < 80 rj = 0,55 — 0,60.

Для подготовительных забоев с высоконапорной гидроотбойкой в начальный период эксплуатации гидрошахт величина коэффи­ циента использования гидромонитора ц может быть принята не менее 0,85.

Оборудование для гидроотбойки. Основным механизмом для гидроотбойки угля является гидромонитор. Он служит для форми­ рования струи воды и управления ею при выемке угля.

Подземные гидромониторы можно подразделить: по назначе­ нию—-для очистных работ, для работ в подготовительных выра­ ботках, для подгонки пульпы по желобам (гидромониторы-бус­ теры), гидромониторы комбинированного использования; по роду управления — с ручным, моторным, с управлением с места, дистан­ ционным, программным и от самонастраивающихся кибернетиче­ ских систем; по характеру перемещения за забоем — переносные, самоходные (на гусеницах, на колесах), передвигаемые гидропередвижчиками, подвесные (укрепляемые на передвижных крепях, опускаемые на шлангах по скважинам).

Для изготовления подземных гидромониторов применяют высо­ кокачественные и высокопрочные материалы — нержавеющие и кислотоупорные нержавеющие стали.

Созданы гидромониторы с ручным (Г-1, ГМРЦ-2) и дистан­ ционным управлением (ГМДЦ-ЗМА, ГМДЦ-2, Г-1), а также

139