Технологии безлюдной добычи угля с применением шнекобуровых машин

А.Г. Нецветаев, д.т.н., инициатор и руководитель проекта по безлюдной добыче угля в России

А.А. Григорян, Управляющий партнер ООО «Инновационные Горные Технологии»

Д.И. Пружина, Генеральный директор ООО «Инновационные Горные Технологии»

С начала 1950-х годов на большинстве разрезов восточной части Аппалачинского каменноугольного бассейна (США) для извлечения угля из пластов, залегающих на небольших глубинах и за предельными контурами отработки, стал применяться специальный способ, названный «прибортовая отработка угля».

Как способ добычи, «прибортовая отработка угля» была «простимулирована» реальной возможностью добычи существенных объёмов кондиционного товарного угля без выполнения дополнительных вскрышных работ.

В дальнейшем эта технология получила широкое развитие и распространение в США. В настоящее время она реализуется различными технологическими методами, позиционируемыми как технология «прибортовой отработки угля».

Технология «прибортовой отработки угля», в том числе и современное извлечение угля с применением комплексов глубокой разработки пластов (КГРП), по существу относится к разновидности камерно-столбовой системы разработки при подземном способе добычи.

При камерно-столбовой системе разработки процесс выемки угля осуществляется в две стадии: проведение камер по пласту от транспортного к вентиляционному штреку и частичное извлечение межкамерных целиков короткими заходками. В этом случае в очистных выработках давление горных пород воспринимается не призабойной крепью, а массивом пласта и оставляемыми целиками угля.

В результате исключается необходимость в применении дорогостоящей специальной крепи для управления горным давлением. Кровлю в камерах закрепляют, как правило, анкерами, а в заходках при частичном извлечении целиков ее не крепят. Длина камер – 30-50 м, ширина – от 4 до 6 м, ширина частично извлекаемых целиков – 4-5 м, потери угля в целиках 45-55 %.

Камерно-столбовая система разработки получила наибольшее распространение в США, где с его применением осуществляется до 30 % подземной добычи угля, а также в Канаде и Австралии – в основном на пологих пластах малой и средней мощности. При комплексной механизации горных работ длина камер достигает 100-150 м, ширина до 5-6 м; ширина межкамерных целиков до 15-18 м.

Выемочные участки разделяют неизвлекаемыми барьерными целиками. В благоприятных условиях (отсутствие тектонических нарушений, пологое залегание, средняя мощность пластов угля и т.д.) камерно-столбовая система разработки обеспечивает интенсивное извлечение запасов при высоких технико-экономических показателях: нагрузка на очистной забой до 1500-2000 т в сутки, производительность труда рабочего по участку до 35-60 т/сутки (при среднестатистической – 10-12 т/сутки).

К достоинствам комплексных технологических схем выемки угля по камерно-столбовой системе разработки относятся: высокая нагрузка на забой; возможность полной механизации очистных работ с использованием мощного самоходного оборудования; относительно низкая себестоимость добычи угля. Главные недостатки – высокие потери угля в целиках и отсутствие надлежащего проветривания при широком фронте очистных работ.

Открытые горные работы с применением технологий «прибортовой отработки угля», в том числе и добычи угля на основе КГРП, выполняемые с дневной поверхности, исключают необходимость проветривания очистных выработок, т.к. выемка угля ведётся без присутствия людей в забоях, что способствует сокращению потерь угля в целиках (ширина барьерного целика в среднем 1-2 м против 15-18 м при подземной камерно-столбовой системе разработки).

Из истории технологии угледобычи с применением шнекобуровых агрегатов

Рис. 1 Вид выработок в откосе нагорного месторождения, отработанного шнекобуровыми машинами

Рис. 1 Вид выработок в откосе нагорного месторождения, отработанного шнекобуровыми машинами

Самый первый способ механизации прибортовой добычи, начавшейся в 1940-х годах, состоял в извлечении угля с помощью шнекобуровой машины, оснащённой горизонтальными шнеками большого диаметра (фото 1, 2).

Рис. 2 Вид забоя, отработанного шнекобуровой машиной в нагорном месторождении

Рис. 2 Вид забоя, отработанного шнекобуровой машиной в нагорном месторождении

Технология выемки угля состоит в последовательном выполнении ряда операций. На рабочей площадке у откоса уступа с обнажённым выходом угольного пласта устанавливается шнекобуровая машина (фото 3) таким образом, чтобы продольная ось головной секции шнека совпала с линией падения (восстания) пласта, а буровая коронка шнека находилась в пределах его мощности. Вращением и подачей бурового шнекового става на забой производится разрушение и выдача угля из скважины с его разгрузкой в приёмный бункер машины, откуда он конвейером подается в транспортные сосуды или в штабель, организуемый на площадке уступа.

Рис. 3 Шнекобуровая машина на рабочей площадке

Рис. 3 Шнекобуровая машина на рабочей площадке

После забуривания головной секции шнека буровой став наращивается присоединением очередной секции, и бурение продолжается до проектной глубины скважины (50-100 м).

После этого буровой став извлекается последовательным демонтажом секций, шнекобуровая машина передвигается в новую точку забоя для бурения очередной скважины. В процессе выбуривания угля между соседними скважинами оставляются целики угля шириной 0,3-0,6 м (фото 4).

Рис. 4 Вид на забой с выбуренными шнекобуровой машиной скважинами [2]

Рис. 4 Вид на забой с выбуренными шнекобуровой машиной скважинами [2]

В некоторых случаях дополнительно оставляются межблоковые (барьерные) целики шириной 3-5 м. Шаг размещения таких целиков и их ширина зависят от прочности и устойчивости пород кровли пласта.

При выбуривании угля из пласта мощностью, превышающей диаметр буровой коронки более чем в 2 раза, скважины бурятся в два ряда друг над другом: при этом сначала бурится верхняя, затем – нижняя скважины. В результате между верхним и нижним рядами скважин образуется прослоек неразрушенного угля толщиной 0,1-0,15 м. Во избежание засорения добытого угля вмещающими породами оставляются также угольные прослойки в кровле и почве пласта толщиной 0,15-0,2 м. Сравнительно небольшой диаметр скважин и оставляемые межскважинные целики угля обеспечивают достаточную устойчивость и нерушимость кровли пласта, залегающего даже в слабых породах (аргиллитах, глинистых сланцах).

Рис. 5 Шнекобуровая машина «БрайДет» в забое

Рис. 5 Шнекобуровая машина «БрайДет» в забое

Первые модели шнекобуровых машин выбуривали уголь скважинами глубиной до 15 м, по достижении которой резцы коронки под тяжестью шнеков начинали подрабатывать подошву пласта, выдавая засоренный породой уголь. Даже при хороших условиях до 1974 г. средняя глубина бурения не превышала 60 м. Позже производители шнекобурового оборудования создали двух- и трёхшнековые машины для выемки угля из маломощных (до 46 см) пластов. Также попытались увеличить глубину выбуривания за счёт совершенствования конструкции и усиления некоторых элементов машин. В 1980-х годах при благоприятных горно-геологических условиях средняя глубина выработок составляла 120 м, а в 1990-е годы мощные машины (более 1000 л.с.) компании «БрайДет» достигали глубин в 225 м (фото 5). При этом наиболее популярной в США маркой шнекобуровых машин в 1970-1980-е годы стали машины «Салем» (фото 6, 7).

Рис. 6 Шнеки для машины фирмы «Салем»

Рис. 6 Шнеки для машины фирмы «Салем»

Рис. 7 Добыча угля шнекобуровыми машинами «Салем» с разгрузкой угля в штабель

Рис. 7 Добыча угля шнекобуровыми машинами «Салем» с разгрузкой угля в штабель

Современное состояние технологии

В настоящее время по этой технологии отрабатываются пласты мощностью от 0,4 до 3 м, залегающие под углом падения 0-30°. Производительность машин, в зависимости от мощности разрабатываемого пласта, составляет от 15 до 100 т/ч. Современные ШБМ изготавливаются одно-, двух- и трехшпиндельными, способными бурить одновременно одну, две и три скважины соответственно. При этом собственная масса ШБМ может составлять 15-120 т, в зависимости от конструктивного исполнения рабочих механизмов и механизма передвижения (лыжи или гидроцилиндры).

Длина секции шнека обычно составляет 2 м, глубина бурения – до 100 м. Время наращивания одной секции бурового става – 1,5-3 мин, время разборки одной секции 1-2,5 мин. Технология обеспечивает степень извлечения угля до 45-50%. В общей сложности на выполнение вспомогательных операций по наращиванию бурового става и его демонтажу по окончании процесса бурения скважины затрачивается 6570% рабочего времени.

Рис. 8 Работа шнекобуровой машины «Салем» с погрузкой угля в автомобиль (Западная Вирджиния, 2003 г.)

Рис. 8 Работа шнекобуровой машины «Салем» с погрузкой угля в автомобиль (Западная Вирджиния, 2003 г.)

Производительность труда рабочего при шнекобуровом способе добычи угля выше, чем при обычном – экскаваторноавтомобильными комплексами.

Уголь, добытый шнекобуровыми машинами, ещё назывался «быстрым» (как и прибыль от его продажи), т.к. извлекался при минимальных затратах на оборудование и рабочую силу. Вместе с тем большинство владельцев угольных компаний рассматривали этот метод угледобычи, в лучшем случае, как «необходимое зло». Это объяснялось небольшой глубиной выработок и довольно высоким уровнем потерь угля. Максимальная глубина выбуривания угля шнекобуровой машиной обычно определяется физико-механическими характеристиками пласта – мощностью и её выдержанностью, углом падения, крепостью угля, качеством кровли и подошвы. Однако глубина выбуривания часто ограничивается мощностью мотора привода (в среднем 300-400 л.с.) и допустимой степенью засорения угля вмещающими породами, которая становится ограничителем его реализации на рынке. Первоначально данный метод предназначался только для добычи углей, не требующих обогащения.

Бурошнековый способ добычи углей получил широкое распространение в штатах Кентукки, Западная Вирджиния, Вирджиния, Пенсильвания, Огайо, где угольные месторождения сложены практически горизонтально залегающими (0-4°) пластами мощностью 0,5-2,5 м и весьма крепкими вмещающими породами.

Рис. 9 Схема забоев одно-, двух- и трёхшнековых машин

Рис. 9 Схема забоев одно-, двух- и трёхшнековых машин

Особенно масштабно этот способ применялся для разработки нагорных угольных месторождений, когда вдоль пласта экскаватором или бульдозером проходилась разрезная траншея, в которой устанавливалась ШБМ для выбуривания угля. Широкое применение получили схемы:

• опережающей выемки пластов с рабочих площадок уступов на разрезах;

• выемки угля за контуром разрезов при погашении горных работ;

• выемки угля, вскрытого траншеями на выходах пластов, как в разрезах, так и на шахтных полях;

• выемки угля из специально проводимых траншей, разделяющих пласт на выемочные блоки;

• выемки угля из приповерхностных целиков, оставляемых при подземной разработке месторождений.

Рост добычи угля бурошнековым способом пришелся на период 1960-1970 гг., когда его добыча выросла с 6 до 17,5 млн т в год и составляла 8% от общей добычи открытым способом. Количество эксплуатируемых бурошнековых машин за этот период возросло с 320 до 450 единиц.

Производительность труда рабочих при шнекобуровом способе выше, чем при обычном способе, и составляла 42-55 т в смену, тогда как при открытом способе составляла 32,1 т в смену и при поземном способе 13,8 т в смену.

Себестоимость добычи угля шнекобуровым способом в зависимости от условий составляла 0,6-3,2 долл./т. В целом она ниже себестоимости при открытом и подземном способах добычи на 1-3 долл./т. Кроме того, за 1969-1970 гг. количество несчастных случаев со смертельным исходом при подземном способе добычи угля составило 170-190 чел/год, на открытых горных работах – 23-24 чел/год, а на предприятиях с бурошнековой выемкой – 2-3 чел/год [1].

Шнекобуровой метод добычи считался приемлемым при обычных ценах на уголь (6 долл/т), но после взлёта цен на уголь до 35 долл/т, отмеченном в 1974 г. (во время арабского эмбарго на нефть), он стал рассматриваться как нежелательный по критерию полноты извлечения запасов и потерям угля в недрах. Рост мощности выемочно-погрузочного оборудования для открытых разработок привёл к возможности экономичной доработки ранее пройденных с помощью ШБМ участков месторождений. Возросшие цены на уголь и появление высокоэффективного экскавационного оборудования для ведения открытых горных работ привели к масштабному применению новых «классических» технологий угледобычи.

Так, на Аппалачинских разрезах для полной отработки запасов стал использоваться «классический» метод открытой добычи углей со снятием мощной толщи покрывающих пород холмистого рельефа и укладкой их драглайнами в выработанное пространство карьера.

Однако, принятый в 1977 г. Закон о контроле над открытыми горными работами и рекультивации, требующий выполаживания и рекультивации бортов карьеров, поставленных в предельное положение, подтолкнул к совершенствованию метода прибортовой разработки пластов. Так как, при рекультивации борта карьера выходы угольных пластов неизбежно засыпались вскрышными породами, владельцы месторождений и участков, не желая терять законтурные запасы углей, начали искать эффективный способ их извлечения.

Таким образом, на Закон об обязательной рекультивации карьеров угледобывающие предприятия США ответили созданием новых машин и технологий прибортовой добычи угля, предусматривающих использование подземных проходческих комбайнов в комбинации с различными устройствами для транспортировки добытого угля наружу.

Эти машины отличались высокой производительностью (до 1000 т/ч), глубиной выработки – от 300 м, при существенно меньших потерях и засорении углей вмещающими породами. Первые образцы таких машин The «Sunshine Miner» by Union Carbide, the «Edna Miner», by Jim Justice and the by John Lansberry, созданные в 1970-е годы, не подтвердили ожидаемую эффективность в работе, и бум использования шнекобуровых машин закончился только в начале 1990-х годов.

Заключение

• Шнекобуровой способ, зародившийся в США в 1948 г., использовался для извлечения угля из пластов, разработка которых экскаваторами, по достижении предельной глубины карьера, была экономически нецелесообразной. Позднее он стал применяться для погашения целиков угля в шахтах и в ряде других случаев.

• Добыча угля в США шнекобуровым способом, например в 1973 г., составила 17,5 млн т. С каждым годом объёмы добычи увеличивались. Выпуск шнекобуровых машин к этому периоду составлял 20-25 единиц в год.

• В СССР попытка создания подобной технологии была предпринята в конце 1970-х начале 1980-х годов. В результате опытнопромышленных испытаний установлено, что шнекобуровой способ мог бы применяться в условиях Кузнецкого, Минусинского, Иркутского и других бассейнов, где разрабатываются угольные свиты, включающие маломощные пласты. Особый район для их использования представлял Подмосковный бассейн, где на небольшой глубине залегают горизонтальные обособленные пласты с ограниченными запасами угля. К сожалению, по ряду причин технология шнекобуровой выемки углей не получила промышленного распространения в нашей стране.

• Начиная с 1994 г. в США начался новый этап крупномасштабного промышленного применения прибортовой разработки пластов на основе комплексов КГРП. На конец 2014 г. всего было выпущено 85 комплексов, в работе находятся 67 единиц. На настоящий момент объем добычи угля комплексами КГРП превысил 30,0 млн т/год при общем количеситве в работе до 450 штук.

Ключевые слова: шнекобуровые машины, безлюдная добыча угля, бурошнековый способ угледобычи, Инновационные Горные Технологии

Журнал "Горная Промышленность" №2 (120) 2015, стр.60