Перспективные технологии агрегатной выемки крутых угольных пластов

И.И. Шаровар, проф., д.т.н.,

В.Г. Виткалов, проф., к.т.н.,

В.В. Мельник, проф. д.т.н.,

А.А. Рештаненко, МГГУ

Входе реструктуризации угольной промышленности России шахты, разрабатывающие крутые и круто-наклонные угольные пласты в Печорском, Кизеловском и Кузнецком бассейнах, а также на угольных месторождениях Сахалина, были закрыты из-за низких технико-экономических показателей. Это объясняется тем, что используемые технологии отработки подобных месторождений характеризуются многооперационностью и высокой трудоёмкостью, особенно на подготовительных и нарезных работах.

Именно поэтому в настоящее время крутые пласты каменных углей отрабатываются лишь на единичных шахтах России и Украины. Вместе с тем необходимо отметить, что только на крутых и круто-наклонных пластах была внедрена агрегатная выемка угля конвейеростругами, полосами по падению (агрегаты АЩ и АНЩ) и безлюдная выемка стругами-таранами, при подвигании забоя по простиранию [1, 2].

Выемочный агрегат – это комплекс машин, позволяющий механизировать выполнение всех операций технологического процесса выемки угля при их строгом совмещении во времени и пространстве без присутствия людей в очистном забое. При этом технологический процесс добычи угля в лаве сводится к контролю и управлению машинами, входящими в состав агрегата, с пульта, установленного в транспортном штреке на свежей струе воздуха. Одной из первых попыток внедрения выемки угольных пластов агрегатами было создание в СССР стругового агрегата СА, завершившееся неудачей из-за неуправляемости струга по гипсометрии пласта, а также разработка фронтального агрегата Ф-1. Опытно-промышленные испытания фронтального агрегата Ф-1, проведенные в начале 1980 г. на шахте «Юбилейная» на пласте 26а (Кузбасс), подтвердили его работоспособность и одновременно выявили ряд его конструктивных недостатков [3].

Исследования характера взаимодействия механизированной крепи фронтального агрегата Ф-1 с боковыми породами, позволили получить количественные значения силовых параметров крепи в исследуемом диапазоне горногеологических условий, которые явились основой для корректировки технического задания. В результате шахтных испытаний были скорректированы конструктивные параметры исполнительного органа агрегата и базовой секции механизированной крепи для обеспечения эффективного разрушения верхней пачки угля. В дальнейшем по разным причинам работы по созданию агрегатов для выемки пологих угольных пластов были прекращены. Однако были предприняты попытки использования технических решений, апробированных на пологих пластах, в конструкциях выемочных агрегатов для крутых и круто-наклонных пластов, результатом чего явилось создание выемочных агрегатов АК и АК3, обеспечивших выемку угля на крутых и круто-наклонных пластах средней мощности без постоянного присутствия людей в очистном забое [4].

В настоящее время выемка крутых и круто-наклонных угольных пластов осуществляется морально устаревшими технологиями и оборудованием. В основном используются различные варианты щитовой системы разработки и системы разработки подэтажными штреками с гидро- и взрывной отбойкой угля, отличающиеся высокими потерями промышленных запасов и, как следствие, высокой пожароопасностью из-за возможности самовозгорания оставленных запасов.

Создание механизированных комплексов для крутых угольных пластов позволит достигнуть высоких нагрузок на очистной забой, однако это связано с решением проблемы управления механизированной крепью в плоскости пласта [5]. Использование комплектных механизированных крепей позволит обеспечить управляемость секциями крепи, например, трёхсекционными комплектами, но не решит проблему вывода людей из очистного забоя [6].

В этой связи необходимо ускорить создание и внедрение автоматизированных угледобывающих агрегатов для наклонных, крутых и круто-наклонных пластов без постоянного присутствия людей в очистном забое.

Высокие технико-экономические показатели при разработке крутых и круто-наклонных пластов были получены при гидродобыче, однако проблемы, связанные с повышенными потерями промышленных запасов и большим удельным объёмом нарезных и подготовительных работ, остались. Попытки использования гидромониторной отбойки угля затопленной струёй не увенчались успехом. Одним из направлений по улучшению показателей гидроотбойки угля в этих условиях является обеспечение поддержания оптимального расстояния между насадкой гидромонитора и грудью забоя.

Многие годы в России и за рубежом велись работы по созданию средств безлюдной выемки крутых и круто-наклонных пластов, основанных на новых нетрадиционных технологических принципах. Отсутствие кардинальных решений в развитии технологии отработки крутых и круто-наклонных угольных пластов, обусловило бесперспективность усилий по совершенствованию существующих технологий и традиционных средств обеспечения угледобычи. Значительный вклад в создание технологии безлюдной выемки внёс А.С. Бурчаков, под руководством которого были разработаны теоретические основы безлюдной технологии отработки крутых и круто-наклонных угольных пластов с использованием тяжелых сред при выполнении различных производственных процессов подземной угледобычи.

Первым техническим решением, в котором была предложена технология выемки полезного ископаемого в тяжелых средах, является вариант с выемкой канатными пилами [7]. В этом варианте в качестве тяжелой среды предлагалось использовать растворы солей и магнетитовые суспензии с плотностью выше плотности полезного ископаемого и ниже плотности породы. В дальнейшем были предложены варианты технологии выемки угля в тяжелых средах с использованием низкокипящих фторалканов [8, 9].

В МГГУ предложена технология отработки крутых пластов с использованием тяжелых жидкостей, основанная на новых принципах выполнения всех основных производственных процессов, выполняемых в очистном забое [10, 11].

Шахтное поле разделяют по падению на этажи, на каждом из которых проходится вентиляционно-откаточный горизонт. Вскрытие шахтного поля производится тремя стволами с этажными квершлагами. Главный ствол размещается в породах лежачего бока по центру шахтного поля, а два вспомогательных ствола – на флангах.

Вскрытие этажей и отработку каждого пласта ведут сверху вниз. При разработке тонких крутых пластов расстояние по вертикали между вентиляционно-транспортными горизонтами составляет 50–80 м. Отработку угольного пласта производят гидравлическими агрегатами, обеспечивающими выемку угля в очистном забое без присутствия людей (рис. 1).

Принципиальная схема гидравлического агрегата для отработки крутых угольных пластов в тяжёлых средах

После вскрытия шахтного поля и проведения транспортной выработки 1, на фланге выемочного участка вниз по пласту бурят скважину 2, после чего в неё опускают (одновременно с его монтажом) гидравлический агрегат 3, к которому по рукаву 6 подводят рабочую жидкость из резервуара 18. Затопив скважину 2 и часть транспортной выработки 1 тяжелой жидкостью, осуществляют очистную выемку полезного ископаемого по всему фронту длинного забоя. Отбиваемые струями рабочей жидкости от массива куски полезного ископаемого всплывают в транспортную выработку 1, по которой сплавляются в зумпф 7. При этом куски породы, имея большую плотность, чем рабочая жидкость, тонут, предотвращая разубоживание. Подача гидравлического агрегата на забой осуществляется гребными винтами 4, приводимыми во вращение за счет истечения части рабочей жидкости из сопел сегнеровых колес, образованных развернутыми в разные стороны Г-образными канавками, расточенными в каждой паре из лопастей.

Полезное ископаемое поступает зумпф 7, где располагается в виде находящейся на плаву рыхлой шапки и откуда забирается из рабочей жидкости погружным насосом 8, нагнетающим гидросмесь в столб заключённого в трубопровод 10 тяжелого сжиженного газа 16. Благодаря более высокой плотности такой среды по сравнению с рабочей жидкостью и несопоставимо более низким поверхностным натяжением сжиженного газа относительно растворов минеральных солей в воде, в трубопроводе 10 происходит необратимое вытеснение водной среды с поверхности доставляемого таким образом на поверхность полезного ископаемого. При этом осветленная от твердой фазы рабочая жидкость собирается на самом верху (в полой напорной емкости 12) в виде прозрачного слоя, экранирующего столб сжиженного газа, и предотвращающего тем самым его от самопроизвольного вскипания в трубопроводе 10.

Под слоем рабочей жидкости собирается полезное ископаемое, но суспензированное уже не в растворе минеральной соли в воде, а в среде сжиженного газа. Во избежание всплытия полезного ископаемого из сжиженного газа в слой рабочей жидкости, последняя поддерживается в полой напорной емкости 12 в несколько подогретом, с помощью термопар 13, по сравнению с её температурой в резервуаре 18 состоянии, т.е. при меньшей относительно полезного ископаемого плотности.

При этом выгружаемое посредством разгрузочного механизма 14 полезное ископаемое освобождается от выносимых с ним остатков жидкой фазы автоматическим вскипанием сжиженного газа с понижением над ним давления до атмосферного. В результате полезное ископаемое выводится из такой системы в сухом виде и накапливается в бункере 15 со шлюзовым затвором 9, с последующей его отправкой потребителям.

Отошедшие от него пары сжимают в компрессоре 17 и после их ожижения в конденсаторе 11 регенерированную таким образом неводную тяжелую среду вновь возвращают в трубопровод 10. Осветленную от полезного ископаемого рабочую жидкость из полой напорной емкости 12 переливают в резервуар 18, где остывая она вновь приобретает свою первоначальную плотность, после чего её опять подают в очистной забой в гидравлический агрегат 3 для отбойки полезного ископаемого.

В качестве рабочей жидкости с промежуточной между полезным ископаемым и пустой породой плотностью при добыче угля могут быть использованы водные растворы хлористого кальция, поташа, хлористого цинка, кальциевой селитры и растворы других минеральных солей в воде, а также их комбинации.

В качестве сжиженного газа, несмешивающегося с рабочей жидкостью и вытесняющего её с поверхности полезного ископаемого при его доставке на поверхность, может быть использован октафторциклобутан (температура кипения – +50°С, плотность – 1.5 г/см3), перфторциклопентан и другие низкокипящие неводные вещества с заданным комплексом реологических, термодинамических и санитарно-гигиенических свойств.

По окончании отработки очередного участка тонкого или средней мощности крутого пласта рабочую жидкость из образовавшегося на месте его залегания водоема перекачивают в резервуар 2 для последующего ее использования.

Для уменьшения потерь рабочей жидкости и улучшения управления горным давлением, рабочее пространство изолировано саморегулирующей перемычкой 19, а выработанное пространство закладывается специальным материалом 20.

Рабочим органом гидромониторного агрегата является струя высокого давления, которая осуществляет разрушение и способствует подъёму полезного ископаемого. Выемка агрегатом ведется в затопленном объёме, при этом плотность вещества струи больше плотности отбиваемого полезного ископаемого.

Основными параметрами гидроагрегатной струи является скорость вылета струи, расход жидкости и диаметр насадки. Скорость истечения жидкости из отверстия насадки находится в функциональной зависимости от давления. Эффективность гидроотбойки повышается при скорости выхода жидкости из насадки от 100 м/с и выше, а давление, развиваемое насосом, должно находиться в пределах от 10 до 30 МПа.

От формы насадки и обработки её внутренней поверхности существенно зависит качество (компактность) струи. В результате создания более гладкой внутренней поверхности не только увеличивается значение коэффициента расхода, но и снижается турбулентность в пограничном слое.

Рис. 2 Схема разрушения массива угля струёй жидкости

Ведутся работы по изысканию более износостойкого материала для насадок, в качестве которого могут быть твердые сплавы, металлокерамика и другие новые материалы, в том числе полученные на основе нанотехнологий. За рубежом для изготовления насадок малых диаметров или отдельных вставок опробованы такие материалы, как алмаз и сапфир. Но это вызывает ряд трудностей, особенно при насадках с диаметром выходного отверстия 0.05–0.25 мм при давлениях жидкости 300 МПа и выше.

К важным параметрам, определяющим условия воздействия струи на массив, относятся: скорость перемещения струи; первоначальное расстояние между насадкой и забоем, угол встречи с массивом и число проходов струи по щели.

Схема разрушения массива угля струёй жидкости показана на рис. 2. Величину давления струи, при которой начинается процесс разрушения, принято считать критической. При воздействии на угольный образец струёй с давлением ниже критического, процесс щелеобразования практически отсутствует.

Ширина щели (Bщ) зависит в основном от диаметра насадки и первоначального расстояния от неё до забоя. Сила, с которой гидравлический агрегат должен прижиматься к забою с помощью одного винта и обеспечивать его подвигание по мере резания угля, определяется из соотношения:

Сила, с которой гидравлический аг- регат должен прижиматься к забою

где p – плотность жидкости, кг/м3;

U – скорость вращения винта, с–1;

S – площадь винта, м2.

Для повышения производительности агрегата и улучшения качества обработки угольного забоя балка агрегата совершает возвратно-поступательное движение вдоль продольной оси.

Всплытие отбитого угля происходит под воздействием выталкивающей (архимедовой) силы. Кроме выталкивающей силы при движении угля на него действует сила сопротивления движению, обусловленная внутренним трением слоев жидкости, которая направлена против вектора скорости.

При возрастании скорости всплытия будет возрастать и сила сопротивления движению. В какой-то момент времени будет достигнуто равенство суммарной проекции архимедовой силы и силы тяжести с силой сопротивления. При этом возрастание скорости прекратится, и всплывающий уголь будет двигаться с постоянной скоростью.

Внедрение в практику технологии безлюдной отработки крутых угольных пластов на базе гидравлических агрегатов с использованием тяжелых сред позволит коренным образом пересмотреть приоритеты подземной угледобычи. Совмещение процессов отбойки, транспортирования и обогащения угля в процессе его добычи позволит максимально упростить производительные процессы, повысить производительность, качество товарного угля, безопасность и престижность шахтерской профессии. Эта технология позволит приступить к расконсервации затопленных в ходе реструктуризации угольной промышленности шахт и освоить уже вскрытые и подготовленные запасы самых ценных коксующихся углей.

Очевидно, что управление параметрами тонкоструйного гидравлического агрегата должно производиться с помощью ЭВМ и интеллектуальных систем, позволяющих обеспечивать процесс саморегулирования оптимального расстояния насадки до забоя и усилия его прижатия. Управлять такими агрегатами могут только специалисты высочайшей квалификации.

Они должны обладать знаниями в области не только традиционных дисциплин горного производства, но также и комплекса дисциплин систем автоматизированного управления, гидравлики, химии, IT-технологий, программирования и других.


ЛИТЕРАТУРА:

1. Направления комплексной механизации разработки крутых и наклонных пластов. Под редакцией Графова Л.Е. М.: Недра, 1974. 208 с.

2. Машины и оборудование для угольных шахт. Справочник. Под редакцией Герасимова В.П. М.: Недра, 1979. 316 с.

3. Протокол приемочных испытаний опытного образца автоматизированного стругового агрегата Ф(1. Новокузнецк, 1983. 45 с.

4. Машины и оборудование для шахт и рудников. Справочник. М.: МГГУ, 1994. 471 с.

5. Ивко В.И. Ориентирование механизированных крепей в плоскости пласта. М.: Недра. 1971. 85 с.

6. Шаровар И.И. Исследование влияния горно( геологических и горнотехнических факторов на управление механизированной крепью на наклонных пластах средней мощности. Специальность 05.15.02 – «Подземная разработка и эксплуатация угольных, рудных и нерудных месторождений». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГИ, 1975. –14 с.

7. Бурчаков А.С., Шаровар И.И., Экбер Б.Я. Способ разработки крутых пластов полезных ископаемых. Авторское свидетельство СССР №676730, E 21 C 41/04. Заявлено 12.06.78. Опубликовано 30.07.79. Бюллетень №28.

8. Бродт А.С., Бурчаков А.С., Шаровар И.И. Способ подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Авторское свидетельство СССР №1641999 А1, E 21 C 41/16. Заявлено 28.03.89. Опубликовано 15.04.91. Бюллетень №14.

9. Бродт А.С., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Шаровар И.И. Способ подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых. Авторское свидетельство СССР №1765406 А1, E 21 C 41/18. Заявлено 19.06.90. Опубликовано 30.09.92. Бюллетень №36.

10.Бродт А.С., Бурчаков А.С., Виткалов В.Г., Шаровар И.И. Способ подземной разработки тонких крутых пластов полезных ископаемых и гидравлический агрегат для его осуществления. Авторское свидетельство СССР №1768755 А1, E 21 C 41/18, E 41 C 45/00. Заявлено 25.04.90. Опубликовано 15.10.92. Бюллетень №38.

11.Пучков Л.А., Козовой Г.И., Михеев О.В., Мельник В.В. Прогрессивные технологические решения скважинной гидравлической добычи угля. М.: Издательство МАС, 2005, 395 с.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2009, стр.60