Геомеханическое обеспечение горных и горно-строительных работ. Ч.1. Геомеханическое обеспечение подземных горных работ. Учебное пособие

взрывам и в результате исключение крупных аварий. Монорельсовые подвесные и напольные дороги, локомотивы, оснащенные датчиками и средствамипередачивидеоизображений, могутработатьбезперсонала, что повышает его эксплуатационную готовность.

Ключевую роль играет коммуникационная технология в форме головной гарнитуры (теле-, радиосвязь, контроль газа, пыли, влажности, температуры) и карманного (наладонного) персонального компьютера с системой лазерного сканирования сечений выработки, объемов отбойки, смещений. Эта технология помогает лучше контролировать ситуацию под землей, быстро и непосредственно получать информацию, особенно о наличии опасных зон геомеханической природы.

Имеются примеры успешного компьютерного управления подземными работами и проектирования на отечественных рудниках. На основе программы Mine Frame осуществляют планирование, проектирование и геомеханическое сопровождение горных работ на Кировском руднике ОАО «Апатит»; с учётом геомеханических рисков оптимизируют работы на рудниках АК «АЛРОСА».

7.2. От управления поддержанием крепью к управлению угледобычей

В основе создания системы электрогидравлического управления крепью в лавах лежит идея использования контроллерного кластера, размещаемого на каждой секции. Их объединяют одной широковещательной информационной магистралью. Кластеры учитывают тип и модификацию крепи, особенности горно-геологических условий добычи, а такжечастотноговращенияшнековочистногокомбайна, приводовлавного и линейного конвейеров, дробилки, перегружателя и высоковольтного энергооборудования.

101

Система управления крепью является достаточной для решения всех задач, связанных с функционированием оборудования очистного забоя. При этом управление выполняют на фоне постоянного измерения параметров состояния самой системы, показателей работы очистного и вспомогательного оборудования, параметров взаимодействия с операционной средой. К последней относят измерение давления в гидравлических стойках, а также пространственного положения не только элементов секций крепи, но и добычной машины, скорости её движения. В случае возникновения отказов, внештатных ситуаций функционирования оборудования или действий операторов система автоматически предотвращает развитие аварийных ситуаций, фиксирует необходимую информацию и выдает соответствующее сообщение операторам в лаве. Для централизованного накопления информации, визуального динамического отображения состояниятехнологическогопроцессаиоборудования, связисудаленнойрабочей станцией на поверхности система имеет выделенный кластер на штреке. К кластеру подключена подземная участковая рабочая станция. Последняя создана на базе специализированного промышленного компьютера во взрывозащищенном исполнении с безопасным жидкокристаллическим дисплеем, снабженным сенсорным экраном. Оператор взаимодействует с рабочей станцией с помощью системы сенсорного видеоменю, выпадающих подсказок, раскрывающихся окон (фирма ОНЕ, ФРГ). К штрековому кластеру подсоединяют любые внешние сенсоры, позволяющие производить измерения смещений и горного давления, скорости и количества воздуха, задействованы датчики контроля содержания СО, СН4, O2.

Скорость движения очистного комбайна EL1000 «Электра» составляет 45 м/мин. За месяц по пласту мощностью 1,8 м такой комбайн добывает 1 млн. т угля на глубине 1200 м. Ввиду большой скорости комбайна в лаве находится только один человек – наблюдающий, его называют «мастер лавы», или «штребмайстер», который перемещается по лаве и

102

наблюдает за работой оборудования. По контракту наблюдатель обут в кроссовки.

Интеллигентное очистное оборудование фирм Caterpillar, Joy, Bucyrus, DBT (США, ФРГ) работает на шахтах Германии, США, Испании, Японии, Китая, Польши, ЮАР, Англии, Словении, России, Белоруссии и при этом с высокой эффективностью.

Автоматизированные струговые установки фирмы DBT (ФРГ) позволяют производить отработку пластов мощностью 0,6-2,0 м с нагрузкой по добыче (в зависимости от крепости угля) до 1500 т/час. Секция щитовой крепи с несущей способностью 11 МН может быть на разделенных лыжах, что позволяет по мягкой почве осуществлять попеременный их подъем в ходе процесса передвижки. Ресурс работы крепи достигает 90 тыс. циклов выемки, срок службы – 14 лет. Управление рабочим процессом в лаве производят дистанционно с центрального ЭВМ в штреке или на поверхности без надобности нахождения обслуживающего персонала в лаве. Сопровождающее лицо не нужно, что является важной предпосылкой для обеспечения большой добычной производительности (скорость передвижения струга с частотным регулированием вращения превышает 3,0 м/с независимо от скорости машиниста) и максимальной безопасности в забое (обрушение, выброс, горный удар, взрыв метана, запыленность, выделение метана, динамические разломы кровли или почвы).

Радиоуправление с полной самодиагностикой имеет камерно- столбовая система для отработки пластов малой мощности, а также при наличии нарушений. Продукция фирм CaterpillarBucyrus – DBT (США, Германия), фирма Joy (США) включают очистные комбайны с одновременным бурением и установкой анкеров, системы непрерывного транспорта, дробилки-питатели, аккумуляторные или дизельные самоходные вагоны для перевозки горной массы и крепи.

103

Для поддержания кровли при погашении целиков в камер- но-столбовойсистеме фирмаVoest Alpine (Австрия) разработалаустановку ABLS. Машина представляет собой самодвижущееся на гусеничном ходу гидравлическое устройство для поддержания кровли, которое изготовлено с целью замены поддерживающих деревянных стоек, использующихся в настоящее время при погашении целиков на угольных шахтах ЮАР. Дистанционное управление по радиоканалу обеспечивает «абсолютную» безопасность персонала от горных ударов и обрушения пород кровли.

Подобные принципы заложены в систему управления отечественным проходческим комбайном КСП 22МГ ОАО «Юрмаш» приводами скребковых и ленточных конвейеров.

Повышение производительности труда на подготовительных работах при монтажедемонтаже механизированных щитов

Система связана с внедрением высокоинтегрированных устройств управления фирмы BMS (ФРГ), известных под названием Trans-Switch (передатчик для запуска).

Для подземной разработки месторождений при наличии взрывоопасных газов разработана электронная аппаратура управления Mining master IPC. Система, которую устанавливают в штреке, состоит из оптиковолоконного кабеля, компьютера с искробезопасной мышью и клавиатурой. Обслуживание компьютера производят через взрывонепроницаемый джойстик. Система позволила сократить объем монтажных работ на две трети по сравнению с прежней техникой. В учебном центре фирмы шахтеры и инженеры из Германии, Китая, ЮАР, России и Польши проходят обучение обращению с дорогостоящей аппаратурой.

Фирмой 5DT (США) разработана наглядная система обучения персонала управлению интеллигентными машинами и установками для угольной и горнорудной промышленности. Тренинг осуществляют при

104

помощи функционального моделирования действий горных машин и комплексов в пространстве и времени.

Обучающемуся на голове закрепляют стереоскопический дисплей, на экране которого воспроизведена горная машина, работающая в геомеханически опасной зоне и управление которой осуществляют дистанционно. В руках у обучаемого – пульт управления, при помощи которого возможно воспроизводить различные команды для машины. Для подземных условий разработаны алгоритмы тренинга управления машиной и комплексом для анкерования кровли, проходки подготовительных выработок прямоугольного сечения, очистной камерно-столбовой и лавной выемками пласта, а также управления машинами, например, на контактах подземного погрузчика и рудовоза. Таким образом, при подготовке персонала осуществлена идея взаимодействия виртуальной и реальной действительности.

7.3. Компьютерное управление самоходным оборудованием на рудниках

Компьютерным управлением на очистных и проходческих работах снабжены буровые станки Simba, Rocket Boomer фирмы Atlas Сорсо (Швеция); Solo, Axera фирмы Sandvik (Финляндия); применение систем

RCS и ABC Total (Advanced Boom Control – полная автоматизация пози-

цирования и бурения), систем FOPS и ROPS (от удара по крыше кабины и переворота); станки для укрепления массива анкерами и тросами Boltec, Cabolt фирмы Sandvic-Tamrock; станки Вог Рак и Raise Boring фирмы

Robbins; установкаRoger фирмыCubex (Канада) дляпроходкивосстающих (стволов, рудоспусков, закладочных и рудных скатов, ходков, вентиляционныхсбоек); дизелевозыдлянапочвенныхиподвесныхдорогфирмыDBT (Германия) и фирмы Ferrit (Чехия), автотроллейные рудовозы фирмы Kiruna (Швеция) грузоподъемностью до 80 тонн. На железном руднике

105

Швеции 80% самоходных буровых и заряжающих машин работают без персонала.

Проходкуидобычусодновременныманкерованием, дистанционным управлением по радиоканалу машины Н4.30 Wirth Paurat; АВМ-30, ARM 11000, AM,ATM фирмы Voest Alpine; врубовых машин Динтхедер (с подрывкой почвы), серий SL, МК, ТВ (двустреловые) фирмы Dosco (Англия) осуществляют в зонах, опасных по геомеханическим проявлениям горного давления, выбросам и ударам.

Для примера ниже приведены подробные опции по управлению оборудованием «на автопилоте» фирмы Atlas Сорсо с применением дистанционного управления при загрузке, доставке и разрузке погрузоч- но-доставочной машиной под нависающим массивом:

-позиционирование – остановка в 5 м от навала и активация функции загрузки;

-черпание – датчик веса определяют степень заполнения ковша;

-движение – при помощи лазерного сканирования производят замер расстояниядобортавыработкииегосравнениесэлектроннойкартой;

-остановкаоколо рудовозас активациейфункциипогрузки, «телеглаз» контролирует процессы с передачей информации на компьютер дис-

петчерской.

Компьютерное управление бурением станком с опцией ABC Total (Atlas Сорсо):

-позиционирование (угол наклона датчика);

-стабилизация (распор);

-забуривание, направление по лазеру;

-перенос штанг из магазина, их наращивание;

-контроль профиля забоя;

-контроль столкновения стрел.

106

Компьютерное управление при анкеровании нависающего массива

сопцией ABC Total:

-смешивание и подача раствора;

-контроль подачи шланга, тросов до забоя;

-контроль заполнения скважины раствором.

Управление доставочно-зарядной машиной фирмы Paus Universa 50: автоматическая заправка шланга в скважину, а также его контролируемое извлечение.

7.4. Геомеханическое обеспечение при обосновании высоких угледобычных технологий

Геомеханическое обеспечение компьютерного проектирования подготовительных выработок

Существует две концепции проектирования выработок: германская и англо-американская.

Начальным этапом является выдача шахтой задания на проектирование. Проектировщики изучают геологические особенности, физи- ко-механические свойства, затем при помощи компьютерных программ выполняют расчёт горного давления, прогнозируют конвергенцию на основе геотехнической классификации, осуществляют выбор измерительной техники и обосновывают изготовление оборудования. Также утверждают мероприятия по обеспечению качества, расчёту крепи и, в заключение, анализируют показатели проектирования. После этого результаты направляют на шахту, где производят их реализацию. Одновременно с испытаниями ведут наблюдение за состоянием выработки при постоянном сравнении проектных и фактических данных. Геотехнический анализ позволяет получить исходные данные для проведения подготовительных выработок. Классификация показывает, что различные пласты на разной глубине могут иметь равноценные геотехнические и геомеханические па-

107

раметры. Использование идентичных пластовых зон на шахтах угольной компании обеспечивает повышение информационной достоверности эмпирических формул для прогнозирования состояния подготовительных выработок.

Фирмой DMT (ФРГ) разработаны формулы для расчёта конвергенции в выработках сечением 30м2 стандартизированной комбинированной крепи на различных фазах эксплуатации. На глубоких горизонтах (более 1000м) такую выработку по смешаному забою закрепляют анкерами, по мере проходки штрека её усиливают арочной крепью с заполнением закрепного пространства. В методе для каждой фазы эксплуатации штрека учитывают свойства пород кровли и почвы, их относительное изменение. При этом количественно оценивают и применяют в расчетах наличие зон ослабления, таких как отдельности скольжения и/или пласты-спутники. Таким образом, в расчётах используют как горнотехнические факторы (фаза эксплуатации штрека), так и технологические факторы (техника, проходка и крепление). Фирмой RMT (UK) разработаны рекомендации и методы по расчёту и шахтному контролю конвергенции пластовых многоустьевых штреков прямоугольной формы сечением 15 м2 для слабых пород и глубин менее 1000 м с анкерным креплением.

Зарубежная проходческая техника соответствует выбранной концепции одновременного разрушения и анкерования кровли и бортов выработки. Для крепкого массива применяют комбайн избирательного действия с конструкцией поворотного редуктора резцового исполнительного органа для сводчатого контура выработки. Проходческая машина с одновременным анкерованием кровли AVSA компаний DSK и DBT предназначена для работ по углям, породам, сидеритовой руде с прочностью до 140 МПа, при этом скорость составляет 15 м/сутки.

Особенности технологии проходки:

- арочное сечение (прямоугольное 49 м2);

108

-анкеры длиной 2,5 м устанавливают с отставанием от средней линии выработки, что предотвращает образование щели отслоения кровли,

и, как следствие, её обрушение.

Для привода коронки применяют двигатель 0,3 МВт с регулированием частоты вращения до скорости 1,4 м/с, что устраняет опасность образования искр трения, способных воспламенить метан. Благодаря этому отрабатывают потенциально выбросоопасные зоны без специальных устройств подавления вспышек метана. В случае слабого массива применяют машины АВМ-20 фирмы Voest Alpine или SM фирмы Joy с одновременным резанием и креплением при мощности пласта не менее 2 м и относительно мягких вмещающих породах, скорость составляет до 150 м/нед. Доставку строительной смеси по первой концепции осуществляют с поверхности по трубопроводам с соответствующей системой бункеров к потребителям в подземных выработках. Работа режущих органов комбайнов автоматизирована.

Проекты повторного использования прямоугольного штрека с анкерной крепью в выемочном угольном стволе с применением литой полосы

Технологию применяют на глубине 1200 м на шахте «Липпе» (ФРГ) при отработке пласта мощностью до 3,7 м и углом падения до 12°, длина лавы – 250 м. Она является самой инновационной за последние годы. Повторное использование реализуют в области крепления. Штрек охраняют после прохода лавы с помощью рукавов «буллфлекс» и полосы из быстротвердеющих строительных материалов, установкой длинных боковых витых тонкотросовых анкеров, подрывкой почвы.

В Польше на угольных шахтах с устойчивой кровлей ограничиваются применением только мешков «буллфлекс». Мешок представляет ёмкость объёмом 1,5-2 м3 из плетёного полимера, который заполняют гидравлической закладкой из смеси вода-цемент-отходы, подаваемой с по-

109

верхности. Воду удаляют из мешка, горное давление воспринимает закладка.

Расширение выработки прямоугольного сечения в монтажную и демонтажную камеры лавы при помощи проходческого и очистного комбайнов анкернобуровой кареткой ( Германия)

Применение современного оборудования KMJI с мощными щитовыми крепями требует сооружения монтажных камер шириной до 9,5 м.

Технология для монтажа предусматривает следующие фазы: 1-я фаза:

проходка передовой выработки монтажной камеры шириной 5,1 м с применением проходческого комбайна Alpine Bolter-Miner АВМ-20 содновременныманкерованиемдлиной2,5 мсотставанием от забоя 0,1 м и настилкой лавного конвейера;

2-я фаза:

заходки расширения шнековым комбайном и применение самоходной анкерно-буровой каретки SBW с рамы конвейера для установки стеклопластиковых и тонко-тросовых анкеров длиной 6 м;

3-я фаза:

монтаж секций щитовой крепи.

Порядок работы при подготовке и расширении демонтажных камер следующий:

- анкерование кровли при заводке перекрытий над секциями крепи; - расширение крепи с анкерованием кровли над пространством

для извлечения секций крепи кареткой SBW фирмы Demeta;

-разворот и вытаскивание секций крепи на штрек с применением электрогидравлической демонтажной машины.

110