Снижение энергоемкости процесса механизированной подземной добычи углей

С. А. Прокопенко д.т.н., профессор, вед. научн. сотрудник Института угля СО РАН, профессор ЮТИ ТПУ (Кемерово)

Показаны направления и перспективные решения по получению электроэнергии в шахтном пространстве из альтернативных источ ников. Описана конструкция секции крепи, позволяющая преоб разовывать энергию обрушающихся пород в электричество. Раз работана конструкция секции энергокрепи с двумя энергоагрегата ми, обеспечивающая увеличение использования гравитационного потенциала перемещающихся породных масс.

№3 (109) 2013

Актуальность и научные основы использования энергии литосферы в качестве альтернативного источника энергоснабжения механизмов и процессов разработки полезных ископаемых представлены в работе [1]. В качестве одного из перспективных направлений альтернативной энергетики в горном деле отмечено «...использование гравитационных сил (кинетической энергии) от перепуска горной массы и шахтных вод, общешахтной депрессии, повышения температуры литосферы с глубиной и др.».

Другим перспективным направлением обозначена трансформация литосферных гравитационно-тектонических и техногенных напряжений через преобразующие устройства в различные виды энергии (электрическую, тепловую и др.). В частности, предлагается получение электрической энергии посредством воздействия знакопеременных деформаций горных пород на преобразователи механической энергии в электрическую. Разработан способ, согласно которому в подземной выработке 5 размещают пьезоэлектрический генератор 6 (рис. 1), обеспечивая ему надежный контакт с массивом. С земной поверхности в массив бурят скважины, а в подземной выработке устанавливают шахтный вибратор 4 (типа ВШГ-1).Принципиальная схема генерирования электроэнергии пьезоэлектрическим генератором при импульсном воздействии на него горного давления

Рис.1 Принципиальная схема генерирования электроэнергии пьезоэлектрическим генератором при импульсном воздействии на него горного давления

Затем запускают вибратор и подвергают массив вибрационному воздействию для его разгрузки и дегазации. Пьезоэлементы 7 воспринимают колебания давления пород, происходит деформация кристаллов пьезоэлементов и на поверхностях пластин возникают разнополюсные заряды, которые стекают по электродам 8 в различные накопительные устройства, например конденсаторы или аккумуляторы [1]. В дальнейшем полученную электроэнергию используют, например, для снабжения работающих в шахте механизмов, освещения и других целей, создавая замкнутый энергетический цикл (рекуперация энергии). По мнению авторов, предлагаемое техническое решение в некоторых условиях (в районах тектонических разломов и других сейсмоактивных зонах) имеет перспективу для строительства подземных энергостанций без применения источника механических техногенных воздействий.

Анализ показывает, что предлагаемый способ получения электроэнергии требует предварительного большого ее расхода на приведение в действие шахтного вибратора, воздействующего на углепородный массив. Ориентация на сейсмоактивные зоны в условиях Кузбасса существенно снижает область эффективного применения рассмотренного способа и устойчивого получения необходимого количества электроэнергии для привода подземных машин и механизмов. Требуется дальнейший поиск новых источников альтернативной энергии в недрах шахтного поля.

Известно, что очистная выемка угля из горизонтальных и наклонных пластов сопровождается обрушением значительных породных масс. Характер происходящих деформаций земной коры иллюстрирует рис. 2.Рис. 2 Характер обрушения кровли угольного пласта при отработке очистным механизированным комплексом [2]

Рис. 2 Характер обрушения кровли угольного пласта при отработке очистным механизированным комплексом [2]

Как пишут авторы [2], обрушаемость и устойчивость являются важнейшими интегральными характеристиками пород кровли, которые в значительной мере определяют эффективность работы очистных забоев. По существу они отражают общее свойство пород кровли разрушаться над поддерживаемым и выработанным пространством, определяют характер взаимодействия пород с механизированными крепями. Количественные характеристики обрушаемости и устойчивости кровли обусловлены природными факторами: толщиной ложной, непосредственной и основной кровель; их моноструктурностью; прочностью пород на сжатие и растяжение; общим состоянием слоистости, толщиной слоев; интенсивностью естественной трещиноватости. Толщина обрушаемых слоев, в свою очередь, зависит от расстояния между слабыми контактами и прослоями, по которым происходит расслоение толщи пород. Количественно обрушаемость оценивается размерами блоков (кусков), на которые разрушаются слои пород, шагом первых (предельных пролетов при отходе от целиков) и последующих обрушений.

Исследованиями установлено [3], что шаг обрушения кровли в процессе работы очистного комплекса составляет:

  • для легкообрушающихся кровель (аргиллиты, алевролиты) – 1...5 м;
  • для среднеобрушающихся кровель (аргиллиты, алевролиты, песчаники, известняки) – 5...10 м;
  • для труднообрушающихся кровель (аргиллиты, алевролиты, песчаники, известняки) – 10...30 м;
  • для весьма труднообрушающихся кровель (аргиллиты, алевролиты, песчаники, известняки) – более 30 м.

Механизм разрушения кровли представляют в следующем виде: при подвигании очистного забоя происходит нарушение сплошности кровли по естественным контактам ослаблений и трещин вследствие перераспределения напряжений при выемке угольного пласта и увеличения размеров выработанного пространства, снижения сопротивления крепи при ее передвижке, а также обрушения кровли в выработанном пространстве. При наличии над угольным пластом слоя (3) слабых пород алевролита (непосредственная кровля) первоначально происходит обрушение кусков породы именно этого слоя. Более устойчивая основная кровля из песчаника (2) обрушается блоками на предварительно обрушившиеся алевролиты непосредственной кровли (рис. 3).Рис. 3 Характер обрушения пород в выработанное пространство при оперативном разупрочнении кровли в лаве 3-6-13 шахты «Распадская» [2]: 1 – угольный пласт; 2 – песчаник; 3 – алевролит

Рис. 3 Характер обрушения пород в выработанное пространство
при оперативном разупрочнении кровли в лаве 3-6-13
шахты «Распадская» [2]: 1 – угольный пласт; 2 – песчаник; 3 – алевролит

Анализ приведенных схем обрушения позволяет выявить наличие в обрушаемом пространстве зоны временно устойчивого состояния кровли. Эта зона образует свободное пространство непосредственно сразу за секциями механизированной крепи, которое трансформируется вслед за передвижением секций. Наличие свободного в течение некоторого времени пространства на контакте с секциями крепи открывает возможность размещения в нем технических средств преобразования энергии циклически обрушающихся пород в электрическую энергию для нужд очистного комплекса.

Техническое решение по преобразованию энергии обрушающихся в лаве пород заключается в конструктивном совершенствовании секции механизированной крепи в направлении восприятия энергии перемещающихся кусков породы и трансформации ее специальным энергоагрегатом в электричество.

Появление у секции крепи новой отличительной функции – энергетической – позволяет именовать ее как энергокрепь. В работе [4] представлены последние разработки конструкции механизированных крепей, обеспечивающие увеличение скорости передвижения крепи и производительности труда, значительное повышение безопасности ведения горных работ в лаве и срока службы оборудования. Для создания энергокрепи за основу взята одна из предлагаемых перспективных конструкций секций. Разработанная конструкция секции энергокрепи представлена на рис. 4.Рис. 4 Конструкция секции механизированной крепи для производства электроэнергии в момент подъема панели (а) и в момент опускания панели (б):

032 6

Конструкция секции механизированной крепи для производства электроэнергии в момент подъема панели (а)
и в момент опускания панели (б):
1 – основание; 2 – четырехзвенник; 3 – ограждающий элемент; 4 – поддерживающий элемент; 5 – гидростойка; 6 – скребковый
конвейер; 7 – пласт угля; 8 – подвижная панель; 9 – пружинный элемент; 10 – шарнир; 11 – зубчатая рейка; 12 – электрогенератор;
13 – аккумулятор; 14 – гидродомкрат; 15 – кровля пласта; 16 – почва пласта

Для производства ею электроэнергии к верхней части ограждающего элемента секции (3) с помощью шарнира крепят металлическую панель (8). Между подвижной панелью и ограждающим элементом секции устанавливают пружинный элемент (9), удерживающий панель в отклоненном от вертикального положении (в идеале – в горизонтальном). К свободному концу панели шарнирно крепят зубчатую рейку (11), контактирующую с шестерней ротора электрогенератора (12). Электрогенератор крепят к стенке ограждающего элемента секции и соединяют его проводом с аккумулятором (13), размещенном на нижней поверхности поддерживающего элемента секции (4).

Электроэнергию в очистном механизированном забое производят следующим образом. После отбойки очистным комбайном стружки угля шириной 0,4–0,6 м от пласта осуществляют передвижку секции механизированной крепи. Благодаря тому, что посадка кровли происходит не сразу за секцией, а образуется так называемый шаг посадки L, то панель благодаря пружинному элементу отклоняется от ограждающего элемента секции (рис. 4а). Последующее обрушение кровли приводит к воздействию кусков породы на панель, которая опускаясь, передает вращательный момент через зубчатую рейку на ротор электрогенератора (рис. 4б). Производимая им электроэнергия поступает в аккумулятор для последующего использования (для передвижки секций, привода двигателей, освещения мехкомплекса и др.). Затем после следующей передвижки секции на месте ее прежнего расположения образуется свободное пространство и панель возвращается в отклоненное от вертикали положение. В дальнейшем цикл энергопроизводства на этой секции повторяется. Периодичность обрушения пород обусловлена тем, что после передвижки механизированного комплекса обрушение пород происходит не сразу, а с отставанием во времени и пространстве, обусловленном устойчивостью кровли, трещиноватостью подрабатываемого массива, глубиной ведения работ.

Вследствие большого разнообразия конструкций современных механизированных крепей угледобывающих комплексов возникает задача проработки вариантов энергоагрегатов секций с учетом конструктивных особенностей последних и в направлении большего использования потенциала обрушающихся горных пород.032 6

032 6

Рис. 5 Конструкция энергокрепи с двумя энергоагрегатами в момент подъема панелей (а) и в момент опускания панелей (б)

На рис. 5 показана разработанная конструкция энергокрепи, позволяющая получать удвоенное количество электроэнергии по сравнению с первым решением. Достигается удвоение тем, что на секции крепи размещают два энергоагрегата. Панель верхнего энергоагрегата крепят посредством шарнира к верхней части ограждающего элемента крепи. Вторую панель присоединяют шарниром к нижней части ограждающего элемента секции крепи. При высоте современных секций до 4–5 м длина панелей может быть до 2 м, а предлагаемое их расположение и закрепление позволяет им работать независимо, не создавая помех друг другу.

При этом порода кровли может воздействовать на секцию по следующим вариантам:

  • только на нижнюю панель;
  • последовательно на верхнюю и нижнюю панели;
  • одновременно на обе панели сразу.

При обрушении породы только на нижнюю панель выработка электроэнергии производится нижним электрогенератором. Обрушение породы на верхнюю панель позволяет использовать энергию движущейся массы дважды, сначала верхним электрогенератором, а затем через вторую панель нижним электрогенератором. В случае воздействия породы одновременно на верхнюю и нижнюю панели выработка электричества происходит двумя генераторами. Такая конструкция энергокрепи обеспечивает большее использование кинетической энергии обрушающихся пород для выработки электричества.

В целях повышения емкости аккумуляторного элемента и безопасности горных работ возможна установка единого на весь очистной механизированный комплекс (ОМК) аккумулятора с размещением его в безопасном месте, например в подготовительной выработке на энергопоезде. Дальнейшее совершенствование конструкции в направлении сопряжения двух панелей с одним электрогенератором позволит упростить конструкцию и повысить надежность системы.

Необходимо отметить, что породы кровли обрушаются в лаве разновременно. Сначала происходит обрушение непосредственной кровли мощностью 0,5–1,5 м, а затем уже обрушается основная кровля. Это означает, что даже без передвижки секция энергокрепи может осуществить до 2–3 циклов энергопроизводства. В связи с тем, что секций в очистном комплексе насчитывается 150–250 штук, а передвижка их происходит поочередно вслед за подвиганием комбайна, то в конкретный момент времени всегда будет несколько секций, производящих электричество.

Применение в составе очистного комплекса секций механизированной крепи разработанных конструкций позволяет организовать под землей альтернативный и автономный источник электроснабжения подземных механизмов и машин. Этим обеспечивается снижение энергоемкости угольных шахт и сокращение их зависимости от внешних источников электроснабжения. Кроме того, получаемая таким образом электроэнергия существенно дешевле покупной, что открывает возможность для снижения затрат на добычу угля.

Альтернативный источник электроснабжения повышает уровень комплексного извлечения энергоресурсов массива полезного ископаемого.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Волченко, Г.Н. Использование альтернативной энергии в горном деле/Г.Н.Волченко, В.Н.Фрянов, В.М.Серяков, И.В.Машуков// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2013. –№1.1. – c. 9–15.

2. Клишин В.И. Проблемы безопасности и новые технологии подземной разработки угольных месторождений / В.И. Клишин, Л.В. Зворыгин, А.В. Лебедев, А.В. Савченко. ИГД СО РАН – Новосибирск: Издательский дом «Новосибирский писатель», 2011. – 524 с.

3. Журило А. А. Горное давление в очистных забоях с труднообрушаемыми кровлями – М.: Недра, 1980.

4. Буялич Г.Д. Инновационный подход к вопросам монтажа и эксплуатации секции механизированной крепи/ Г.Д.Буялич, В.М.Тарасов, Н.И.Тарасова// Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. – 2013. –№1.1. – С.115-126.

Ключевые слова: перспективные решения, конструкция, энергокрепь, электричество, обрушающихся

Журнал "Горная Промышленность" №2 2013 стр.32