Роль и место Института угля Федерального центра угля и углехимии СО РАН в научном обеспечении Кузбасса

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2018-4-140-80-86

В.И. Клишин, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РАН, член АГН, директор ИУ ФИЦ УУХ СО РАН

Развитие и разработка инновационных геотехнологий и средств выемки мощных пологих и наклонных угольных пластов механизированными крепями с регулируемым площадным выпуском угля подкровельной толщи

В последнее десятилетие угольная промышленность России вышла на самоокупаемость и стала прибыльной. Финансовому оздоровлению угольной промышленности способствовал рост экспортного спроса на уголь. В XXI в. резко вырос объем добычи угля, а его экспорт увеличился более чем в 2 раза. Укреплению отрасли обеспечивался главным образом ростом добычи угля в Кузбассе на долю которого приходится более 56,6% всего добываемого в России угля и почти 77% всего добываемого коксующегося угля.

Подземная разработка угля длинными очистными забоями – это в настоящее время наиболее эффективный способ подземной добычи угля. Значительная часть мировых запасов угля сосредоточена в мощных (более 5 м) и эти запасы представлены углем самого высокого качества. В Российской Федерации мощные пласты отрабатываются на шахтах Кузнецкого (65% добычи), Печорского (12%) и Челябинского (8%) бассейнов. В небольших объемах разрабатываются мощные пласты на шахтах АО «Приморскуголь», «Востсибуголь», «Сахалинуголь», «Красноярскуголь» и «Северовостокуголь».

Актуальность в подземной разработке мощных крутых угольных пластов определяется многими проблемами: высокий травматизм, доля ручного труда, аварийность; низкие технико-экономические показатели; сложность управления горным давлением. Например, уровень аварийности и травматизма при подземной разработке мощных крутых угольных пластов в 4–8 раз выше, чем при отработке пологих пластов. Из большого числа апробированных систем разработки наиболее эффективной и безопасной является система с гравитационным выпуском полезных ископаемых из подэтажной вышележащей пачки, подготовленной к выпуску буровзрывным способом. Такие системы позволяют механизировать процессы добычи, улучшают проветривание очистного забоя, обеспечивают безопасность работ, снижают потери и разубоживание полезного ископаемого.

В технологиях разработки мощных угольных пластов с применением механизированных крепей, обеспечивающих выпуск угля из подкровельной или межслоевой толщи, заложен один из важнейших физических эффектов – разрушение угольной толщи, основанное на использовании сил горного давления. Это позволило придать механическим комплексам дополнительные функции, связанные с управлением процессом извлечения угля, находящегося над крепью или обрушающегося позади нее.

В мировой практике сложились два направления развития технологий разработки мощных угольных пластов пологого залегания: послойная выемка и выемка пласта на всю мощность с подсечным слоем и выпуском угля из подкровельной толщи. Слоевая технология приводит к большим потерям угля и, как следствие, опасности возникновения эндогенных пожаров. Поэтому наиболее предпочтительными технологиями отработки мощных пластов являются их выемка на всю мощность с выпуском угля из подкровельной или межслоевой толщи в подсечной слой. Работы по особо мощным комплексам (до 7 м) имеют ограниченную область применения.

Преимущества новых технологий заключаются в значительном сокращении объемов подготовительных работ, капитальных и эксплуатационных затрат, энергоемкости системы, снижении опасности самовозгорания угля, а также возможности разработки пластов в сложных условиях и извлечение запасов из оставленных ранее охранных целиков. Это позволяет повысить эффективность и безопасность отработки пластов, повысить нагрузку на пласт и концентрацию горных работ.Рис. 1 Комплекс с выпуском угля в верхней части ограждения на забойный конвейер

Рис. 1 Комплекс с выпуском угля в верхней части ограждения на забойный конвейер

Известны два варианта технологии отработки пластов с использованием средств механизации с выпуском подкровельной (межслоевой) толщи угля: на забойный скребковый конвейер (рис. 1) отрабатываемого слоя, примененный в комплексах КТУ, КНКМ (Россия), VHP-731 (Венгрия) и др. и на дополнительный завальный скребковый конвейер (рис. 2), расположенный в завальной части лавы, например, комплексы ОКПВ-70, КМ81В (Россия), ZFS (Китай) и др.Рис. 2 Комплекс с выпуском угля у почвы пласта на завальный конвейер

Рис. 2 Комплекс с выпуском угля у почвы пласта на завальный конвейер

Особенности первой технологии заключаются в расположении выпускного отверстия вблизи от забоя, что позволяет иметь небольшой размер секции крепи по длине, но не обеспечивает необходимой подготовки угля выпускаемой толщи к самообрушению из-за малого расстояния от верхняка до люка. Поэтому даже при слабом угле возникает необходимость в его дополнительном разрыхлении. В дополнение к данному недостатку, выпуск угля сопровождается значительным пылеобразованием и повышает опасность работ.

Во второй технологии при выпуске угля на завальный конвейер создаются благоприятные условия деформирования и разрушения подкровельной толщи. В этом случае создаются благоприятные условия деформирования и разрушения подкровельной толщи. Однако это требует значительного увеличения размеров секции крепи, введения дополнительного завального конвейера. Таким образом, происходит усложнение конструкции крепи и возникает необходимость наличия перегрузочного устройства на сопряжении лавы с конвейерным штреком, что создает дополнительные трудности при его обслуживании.Рис. 3 Общий вид механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейерРис. 3 Общий вид механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейерРис. 3 Общий вид механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейер

Рис. 3 Общий вид механизированной крепи с регулируемым выпуском угля на забойный скребковый конвейер

Наряду с очевидными преимуществами технологии с выпуском угля, известны и трудности ее реализации. В первую очередь это относится к требованиям полноты выпуска угля и механизации работ по осуществлению, обеспечения безопасности и эффективности работы очистного забоя. Потери угля в обрушенном пространстве лавы приводят к самовозгоранию угля. Кроме того, при выпуске угля происходит перемешивание его с обрушенными породами кровли и повышается зольность угольной массы. Это требует изучения процесса выпуска угля в подсечной слой и разработку принципиально новой конструкции всего добычного комплекса.

Для реализации технологии подземной отработки мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной толщи предложена современная механизированная крепь с регулируемым управляемым выпуском. В основу конструкции положено использование регулируемых по производительности питателей в секциях крепи, установленные в специальные окна в поддерживающей части, что обеспечивает управляемый площадной выпуск по длине лавы, позволяющий получить повышенные технико-экономических показателей очистных работ.Рис. 4 Комплекс для отработки мощных крутых угольных пластов

Рис. 4 Комплекс для отработки мощных крутых угольных пластов

Это позволяет создать общий поток угля над механизированным комплексом, что обеспечивает полноту выемки угля и снижение его разубоживания. Кроме того, это позволяет управлять загрузкой лавного конвейера и не использовать дополнительного конвейера, усложняющего технологию и весь комплекс работ, особенно на сопряжении лавы с подготовительными выработками.

Для разработки мощных крутых угольных пластов предложен комплекс, состочщий из двух секций между которыми установлен став перегружателя. Секции связаны со ставом перегружателя гидроцилиндром подачи.

Одним из существенных достоинств этого комплекса является возможность выпуска угля из потолочины с возможностью регулирования ширины потока, с помощью последовательного открывания выпускных окон в ограждениях секций, обеспечивая тем самым полноту выпуска отрабатываемого пласта (рис. 2). Конструкция питателя рассчитана для работы в тяжелых условиях под завалом угля.Рис. 5 Шагающая крепь для разработки мощных круто-наклонных угольных пластов

Рис. 5 Шагающая крепь для разработки мощных круто-наклонных угольных пластов

Для разработки мощных круто-наклонных угольных пластов до 400 предложена шагающая крепь, отличающаяся простотой конструкции, удобством управления и полнотой выпуска угля из потолочины. Надежность ее передвижения по нижерасположенному угольному блоку обеспечивается принципом перемещения – шаганием (рис. 5).

Технология и оборудование востребованы для Тувинской энергетической промышленной корпорации (ТЭПК), крупных угледобывающих компаний, работающих в Кузбассе (ОАО «СУЭК», ОАО «Мечел» и др.), Грузии, Вьетнама, Индонезии, Индии Выполнено лабораторное и численное моделирование процесса управляемого выпуска, что подтвердило работоспособность новой конструкции (рис. 6)Рис. 6 Моделирование процесса выпуска угля

Рис. 6 Моделирование процесса выпуска угля

Безопасность ведения подземных работ

Невзрывной способ разупрочнения основной кровли методом направленного гидроразрыва Неожиданные неуправляемые динамические обрушения прочных кровель наносят большой вред – опасны для людей, разрушают механизмы и горные выработки. Кроме этого, на пластах, склонных к горным ударам и внезапным выбросам угля и газа, зависание труднообрушающейся кровли увеличивает напряжения в краевой части пласта очистного забоя и на сопряжениях его с горными выработками, что провоцирует и вызывает динамические и газодинамические явления.

Это приводит к разрушению горных выработок и соответственно к нарушению нормального режима работы добычного транспорта и проветривания забоев.

Особо следует отметить, что в таких условиях метан скапливается за очистным комплексом и, при обрушении кровли, происходит залповый выброс метана в подготовительные выработки, резко повышая в них содержание метана. Выброс газа сопровождается мощной ударной волной, которая вызывает разрушение выработок и может вызвать воспламенение и взрыв газа и угольной пыли.

Последние крупные аварии под землей в Кузбассе на шахтах «Тайжина» – 2004 г. и «Ульяновская» – 2007 г. (ОАО «Южкузбассуголь») произошли в очистных забоях, использующих самую современную технику, обеспечивающую комфортность рабочих мест. Одной из основных причин взрыва метана стало обрушение кровли на значительной площади при отходе лавы, что привело к образованию избыточного вентиляционного давления, выделению метана и угольной пыли в действующие горные выработки.

Этого могло не произойти в случае своевременного искусственного обрушения основной кровли – принудительной ее посадке. Именно поэтому в приказе Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору№ 451 от 5 июля 2007 г. в мероприятиях по устранению причин аварии на филиале «Шахта Ульяновская» указано, что при работе механизированных лав с нагрузкой 5000 т/сут и более, до начала очистных работ производить разупрочнение пород кровли (п.5.3.9.).

Предложена уникальная безвзрывная технология – метод направленного гидроразрыва кровли (НГР), который не имеет аналогов в мире и позволяет эффективно решать проблемы борьбы с динамическими проявлениями горного давления. Сегодня мы выполняем высокотехнологическую услугу как неотъемлемую часть технологического процесса – очень ответственная работа.

Для реализации этой технологии создан и испытан на шахтах полный комплект оборудования для осуществления НГР, состоящий из бурового станка, щелеобразователей, пакерных устройств, установки для нагнетания воды в пласт. В эффективности этой технологии убедились ряд российских шахт: в последние годы он широко использовался на шахтах Алардинская, Распадская и Есаульская в различных технологических схемах, а также в Польше, где он внедряется в настоящее время как метод борьбы с горными ударами (рис. 7).Рис. 7 Схема и оборудование НГР

Рис. 7 Схема и оборудование НГР

Методы и средства оценки газоносности угольных пластов в подземных условиях для принятия решения о проведении дегазации

Разработана методика по определению газоносности угольных пластов в процессе угледобычи для принятия решения о проведении дегазации, согласована Ростехнадзором и рекомендована к использованию на угольных шахтах РФ. Особенность методики заключается в том, что угольные пробы отбираются в подземных горных выработках с помощью разработанного устройства – кернонаборника. По результатам оценки газоносности можно судить о необходимости проведения дегазации, определять ее параметры и контролировать ее эффективность (рис. 8).Рис. 8 Средства оценки газоносности угольных пластов

Рис. 8 Средства оценки газоносности угольных пластов

Применение геофизических методов исследования геологических нарушений

Для определения условий залегания угольных пластов разработан метод сейсмоаккустического профилирования. Это позволило уточнить условия залегания угольных пластов и свойства вмещающих пород разреза «Моховский» и изучить участок внешнего отвала разреза «Заречный» ОАО «СУЭК-Кузбасс» после схода оползня, а также оценить состояние береговой зоны искусственно проложенного отвода реки Кыргай для расширения ее русла (рис. 9).Рис. 9 Применение геофизических методов исследования нарушений

Рис. 9 Применение геофизических методов исследования нарушений

Методы и средства интенсификации пластовой дегазации с последующей утилизацией шахтного метана Метанобильность угольных шахт России – одна из важнейших проблем в угольной отрасли. Существующими средствами дегазации, применяемыми на шахтах, извлекается лишь незначительная часть метана. На газообильных шахтах сохраняется газовый барьер препятствующих повышению нагрузок на очистной забой. Самой сложное – повысить газоотдачу угольного пласта. Для этого ведутся исследования видов и закономерностей накопления метана в углеродном массиве и процессах его высвобождения.

На основе ориентированного поинтервального гидроразрыва пласта разработаны технологии и технические средства интенсивности газовыделения в дегазационные скважины.

Расширяем возможности пластовой дегазации и увеличиваем выход метана из пласта, обеспечивая безопасность работ и в тоже время сокращаем его возможный выброс в атмосферу.

Выполнен комплекс работ по разработке и обоснованию технологических схем утилизации шахтного метана на ш. имени С.М. Кирова. Разработана проектная документация на переработку шахтного метана и введена в промышленную эксплуатацию мини тепло-электростанции мощностью 1 МВт (рис. 10).Рис. 10 Схема переработки шахтного метана

Рис. 10 Схема переработки шахтного метана

Утилизация шахтного метана в генераторной станции 0,4 МВт и в контейнерной газоутилизационной установке (КГУУ) на шахте «Комсомолец» для выработки электрической и тепловой энергии.

Программные комплексы для моделирования аварийных ситуаций в угольных шахтах Разработаны математические модели и методы расчета зон поражения при взрывах газа в шахте, противопожарного водоснабжения и аварийного проветривания горных выработок, учитывающие временной характер развития аварии. На их основе разработаны уникальные, не имеющие аналогов за рубежом, программные комплексы «Вентиляция», «Водоснабжение, «Ударная волна». В настоящее время программные комплексы используются на всех угольных шахтах РФ, в отрядах ВГСЧ МЧС России, проектных организациях и правительственными комиссиями, расследующими причины возникновения аварий. Они стали одними из первых внедренных передовых компьютерных технологий в угольной промышленности России (рис. 11).Рис. 11 Программные комплексы для моделирования аварийных ситуаций

Рис. 11 Программные комплексы для моделирования аварийных ситуаций

Методы и методики технологий диагностики состояния потенциально опасного оборудования, испытания и восстановления ресурса горнодобывающего оборудования и инструмента

Разработанные методики позволяют оценивать изменения микроструктуры и полей внутренних напряжений, накопление микроповрежденности при эксплуатации оборудования по акустическим и магнитным характеристикам и выявлять стадию накопления критической поврежденности, предотвращая аварийные ситуации и техногенные катастрофы.

В настоящее время они используются для диагностики уникальных крупногабаритных машин на открытых горных работах и редукторов нового типа, разрабатываемых на Анжеромаше для подземных конвейеров (рис. 12).Рис. 11 Программные комплексы для моделирования аварийных ситуаций

Рис. 12 Диагностика редукторов нового типа

Энергоэффективные теплообменные аппараты промышленного назначения Теплообменные аппараты, использующие в качестве теплоносителя горячую воду, являются одними из самых эффективных и экономичных теплообменников для обогрева помещений большого объема.

Предлагаемые водяные калориферы созданы на основе 4-х основных организационно-технологических решениях:

– уникальная и недорогая технология деформирующего резания при оребрении труб (увеличение коэффициента теплопередачи);

– перекрестно-противоточное соединение теплообменных труб (позволяет вдвое сократить расход теплофикационной воды);

– спирально-направленное движение теплоносителя (исключает отложение накипи в трубах котлов и калориферов);

– система дистанционного автоматического управления (СДАУ).Рис. 13 Новые теплообменные аппараты и технология оребрения

Рис. 13 Новые теплообменные аппараты и технология оребрения

Дополнительное преимущество калориферов новой конструкции проявляется при работе приточно-вентиляционных систем от наружного воздуха на всех промышленно-социальных объектах (особенно с вредным производством).

В статье приведен не полный перечень работ и проектов, выполняемых в Институте угля Федерального исследовательского центра Угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук. Более подробная информация о разработках, а так же контактные данные представлены на официальном сайте Института (http://www.icc.kemsc.ru/).

Ключевые слова: инновационные геотехнологии, механизированные крепи, регулируемый выпуск угля, оценка газоносности угольных пластов, дегазация и утилизация шахтного метана, диагностика и восстановление ресурса оборудования

Журнал "Горная Промышленность" №4 (140) 2018, стр.80