ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА РАЗМЕЩЕНИЯ ПОРОДЫ В ШАХТЕ И ПОДХОД ПРИ СОЗДАНИИ ДОЗИРУЮЩИХ УСТАНОВОК МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ В ТРАНСПОРТНЫЙ ТРУБОПРОВОД

Усложнение условий разработки угольных месторождений по мере углубления горных работ, вызванный этим рост интенсивности проявлений горного давления и газодинамических явлений, а также значительное повышение трудовых и материальных затрат на выдачу из шахт породы, количество которой непрерывно увеличивается, обуславливают необходимость выработки механизмов рационального использования попутно добываемой шахтной породы и в первую очередь эффективного применения ей в подземных условиях.

При разработке угольных пластов порода может получаться от: подрывки боковых пород при проведении выработок по пластам и по породе, камер и других вспомогательных выработок; восстановления и ремонта горных выработок, а также из лав. Объем породы, получаемой при проведении горных выработок, на ряде шахт достигает 50% общего баланса породы по шахте, и её количество непрерывно растет.

Количество породы, выдаваемой из шахт в разных странах, постоянно увеличивается, так например, в США 80 – 100 млн. т, Германии 52 – 55 млн. т, Польше 40 – 45 млн. т, Остравско – Карвинском бассейне Чехии 14 – 16 млн. т в год [1]. Выдача большого количества породы весьма отрицательно сказывается на всем технологическом процессе добычи угля и связана со значительными затратами труда и средств на транспортировку, подъем и размещение породы на поверхности.

Размещение породы в шахте вызывает некоторые дополнительные затраты, но дает в целом экономический эффект: разгружается подземный транспорт и подъем и следовательно, увеличивается производственная мощность шахты; ликвидируются породные отвалы на поверхности; появляется возможность отрабатывать законсервированные запасы коксующихся углей в целиках; более безопасно осуществляется отработка самовозгорающихся пластов. Это привело к необходимости решения технических и технологических вопросов по размещению попутно добываемой породы при проведении выработок, на месте её получения с целью решения экономических и природоохранных задач в угольной промышленности.

Затраты на поддержание подготовительных выработок при системах разработки с оставлением выработок позади лавы составляют 135–160 долл. США на метр (за 2-3–х летний) срок их поддержания и практически достигают стоимости их проведения. Проведение выемочных выработок по пластам смешанным забоем приводит к большим дополнительным затратам по выдаче породы на поверхность со значительными объемами 15 – 20 тыс. т в год на 1 забой.

Из сравнения технико-экономических показателей различных способов возведения околоштрековых охранных сооружений следует, что бутовые полосы экономичнее других способов и обладают большей технологичностью при их возведении [2]. Увеличение первоначальных затрат на возведение полос по сравнению с кострами и органными рядами компенсируется экономией за счет снижения стоимости поддержания выработок. Одним из главных вопросов при разработке методов размещения породы в технологическом подземном пространстве шахт является обоснование способа транспортирования. Обоснование конкретной технологической схемы транспортирования зависит от свойств отходов, вида подземного транспорта и от назначения несущего породного массива. Теоретические и технические аспекты размещения в подземном пространстве шахтной породы в ряде зарубежных стран и в отечественной практике решены и имеется достаточно убедительная практика реализации технологии гидравлической, пневматической, механической и самотечной закладки выработанного пространства породой.

По результатам ряда промышленных испытаний технологии возведения искусственных массивов [3] можно сделать вывод об эффективности пневматического и гидравлического способов по величине коэффициентов заполнения выработанного пространства (к_зап), зависящего от коэффициента неполноты закладки; учитывающего конструктивные особенности возведения (к₁); уплотнения массива (к₂); коэффициента их совместного влияния (к₃).

Произведенная структурная оценка способов и средств возведения породных охранных массивов показала целесообразность применения пневматического (для более качественных параметров массива) способа возведения охранных сооружения, как наиболее полно вписывающегося в технологическую схему ведения очистных работ и соответствующих типу используемой породной массы.

Исследованиями [4] установлено, что конечная конвергенция выемочных выработок при охране их породными полосами составляет 35-40% от их первоначальной высоты, в которые входит конвергенция - 5-10% в зоне опорного давления впереди лавы; 10-15% - на сопряжении с лавой; 5-10% - участок в 40м за лавой. Конвергенция породной полосы составляет 15-20% от конечной конвергенции выработки. Пучение боковых стенок выемочной выработки менее интенсивно (30-40% от общей величины) с обоих сторон – перед лавой и более интенсивно за лавой (60-70% от общей величины выдавливания стенок выработки) и определяется пучением, в большой степени, с угольной стенки.

При ведении очистных и подготовительных работ на тонких и средней мощности пологих и наклонных пластах для поддержания выемочных выработок могут выкладываться бутовые полосы из породы. Экспериментальными исследованиями установлено [5], что жесткость бутовых полос незначительная, и они начинают воспринимать массу вышележащих пород только после усадки на 0,4-0,6 мощности пласта. Такие опускания пород кровли на пластах мощностью более метра превышают конструктивную податливость многих крепей, приводят к неравномерному их нагружению и быстрому выходу из строя. Средства механизации выкладки бутовых полос – дробильно-закладочный комплекс «Титан-1», пневмозакладочные и скреперные установки не всегда мобильно вписываются в технологические схемы очистных работ. Работы по возведению бутовых полос небезопасны, значительно повышают трудоемкость работ на концевых операциях и часто сдерживают подвигание очистных забоев.

Одним из основных направлений совершенствования охраны повторно используемых выработок являются повышение жесткости искусственных ограждений и разработка средств механизации их возведения. Этим требованиям удовлетворяет способ охраны выработок полосами из твердеющих материалов. При этом способе производится механизированное возведение за контуром выработки полосы из твердеющего материала шириной, соответствующей мощности пласта. После твердения полоса воспринимает массу вышележащих пород, обеспечивая обрушение пород кровли в выработанном пространстве и поддержание выработки. Однако полосы из твердеющих материалов являются дорогостоящими конструкциями и их применение целесообразно лишь при разработке ценных полезных ископаемых.

Проблему снижения расходов на поддержание горных выработок можно решить путем создания бутовых охранных сооружений с повышенным качеством искусственных массивов. Целью выполненных исследования является создание жестких породных охранных сооружений за счет совершенствования технологии их возведения и эффективных конструктивных схем дозирующих устройств.

Современная технология возведения бутовых массивов представляет собой совокупность производственных процессов, осуществляемых различными машинами и механизмами, постоянное совершенствование которых является необходимым условием для эффективного их выполнения.

Технология подготовки шахтной породы сводится к совокупности различных процессов - дробления и сортирования в случае использования пневматического транспорта. Сочетание дробильного узла, ленточного конвейера и производительной закладочной установки может быть экономичным и эффективным. Из трех распространенных типов пневмозакладочных машин: с дозирующим барабаном, камерных и эжекторных, за рубежом распространены первые.

Совокупность функциональных элементов, обеспечивающих надежное установок (машин) для дозирования механических смесей в транспортный трубопровод включают в себя системы: нагнетающие насыпные механические смеси в зону смешения; герметизирующие зону с избыточным давлением транспортирующей среды от атмосферного давления; преобразования и регулирования параметров эксплуатации. К основным критериям, которые минимизируются или максимизируются при создании систем нового поколения, относятся: масса установки - J₁(r_y)=min∑m_i, где m_i – массы функциональных ее узлов; ресурс работы звеньев машины - J₂(r_y)=max C_i, где C_i – изноустойчивость узлов машины; стабильность (надежность) работы при ротации характеристик дозирующего материала - J₃(r_y)=max [A_M^max ↔A_M^min], где A_M^max и A_M^min- максимальное и минимальное значение: влажности, содержания глинистых частиц, крупности, твердости материала; энергонасыщенность установок - J₄(r_y)= min∑m_i[∑N_3i]^-1 , где N_3i - мощность приводных двигателей, кВт; удельное энергопотребление на транспортированные (дозирование, производство сжатого воздуха) - J₅(r_y)= min H_w; техническая производительность по транспорту - J₆(r_y)=max Q_т.

Определение характеристик дозирующей установки, регламентируемых критериями ее уровня и качества, осуществляется при рассмотрении ее работы в диапазоне установленных параметров, области применения, во взаимосвязи с функциональным оборудованием всего комплекса, горно - геологическими и горно - техническими условиями ее применения.

Дозирующие (закладочные) устройства не должны ограничивать темпы ведения очистных работ, учитывая высокие скорости подвигания лав (более 10 – 15 м/сут), должны обладать мобильностью в подземных условиях, приспособляемостью и живучестью к изменяющимся горно-геологическим условиям, соответствовать типу закладочного материала, обеспечивать минимальные эксплуатационные затраты.

На основе известных методик оценки эксплуатационных качеств очистного и закладочного оборудования нами рекомендован следующий методический подход в виде комплексного критерия совершенства (К_сзу), для выбора рационального типа закладочной (дозирующей) машины (устройства)

,

где - интенсивность нагрузки на технику (машину), м²; - производительность машины, м³/ч; - площадь закладки, м²; - энергоемкость при ведении закладочных работ, м²/кВт; - установленная мощность электродвигателей, кВт; - удельный ресурс, т/кВт; С – срок службы дозирующего устройства, лет; - обобщенный эксплуатационный показатель, учитывающий расход сжатого воздуха, , м³/м³; длину транспортирования , м; Р_у - вес дозирующего устройства, т; П_в - потери воздуха, %.

Разработанный методический подход позволит совершенствовать существующие и создать перспективные конструктивные схемы дозирующих установок механических смесей в транспортный трубопровод.

Литература:

1. Руппель О. Особенности применения анкерной крепи на высокопроизводительных добычных участках в аспекте международного сравнения // Глюкауф, 2000, сентябрь, № 2(3), С. 31-37.

2. Андиенко В.М., Клещенков В.М., Шор Б.С. Устойчивость подготовительных выработок, проводимых за лавой // Уголь Украины, 1987, № 10, С. 11-12.

3. Солдатов В.И., Кравец В.Г. Оставление породы в шахте (опыт проектирования) // Уголь, 1992 , № 2, С. 23-26.

4. Демин В.Ф., Тулепов Н.Н. Определение напряженно – деформированного состояния в контурах подготовительных выработок с охранными бутовыми полосами /Вестник Карагандинского университета № 2(38)/2005. Серия физика. С. 65 – 69.

5. Воронин Б.И., Антоненко С.В., Гордиенко В.П. Исследование и разработка технологических схем выемки тонких угольных пластов Карагандинского бассейна в сложных горно-геологических условиях// В кн. Совершенствование средств и технологии разработки мощных пологих пластов. // Научн. труды КНИУИ, Караганда, 1981, С. 20-27.

Научный руководитель:

Д.т.н, проф. каф. РМПИ Демин Владимир Федорович.