Разработка технологических требований к техническим средствам подземной гидравлической выемки угля в сложных горно-геологических условиях

Актуальность работы. Реструктуризация угольной промышленности России привела к сокращению производственных мощностей угольных шахт за последние 10 лет в 1,7 раза, что связано с низкой рентабельностью и высокой промышленной опасностью применения традиционных технологий подземной угледобычи в сложных горно-геологических условиях. При расширении области применения средств комплексной механизации очистных подземных работ до 95%, в том числе с использованием новых технических средств отечественного и импортного производства, доля ручного труда при выполнении вспомогательных процессов остаётся на уровне 30−54%, а травматизм со смертельным исходом превышает 0,5 человека на 1 млн. т подземной добычи.

Одним из перспективных направлений развития подземной технологии угледобычи в сложных горно-геологических условиях является разработка и широкое промышленное применение технических средств, обеспечивающих выполнение опасных для людей процессов и операций технологического цикла.

Наиболее близко требованиям безлюдной роботизированной выемки угля соответствует гидравлическая технология угледобычи, базирующаяся на едином гидравлическом энергоносителе. Устранение присущих подземной гидродобыче угля недостатков (высокая до 140 кВт’ч/т энергоёмкость процесса разрушения угля, повышенная опасность при управлении кровлей на пластах, склонных к газодинамическим явлениям, неустойчивые режимы проветривания выработок, относительно высокие потери угля и др.) может быть обеспечено повышением эффективности гидравлического разрушения угля за счет приближения насадка гидромонитора к поверхности забоя, применения гидрофицированных механизированных секций для крепления выработок в опасных зонах и дистанционного управления технологическими процессами.

В связи с изложенным, обоснование технологических требований к новым техническим средствам подземной гидравлической выемки угля в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях для создания гидротехнологии нового научно-технического уровня является актуальной научно-практической задачей.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Новокузнецкого филиала-института Кемеровского государственного университета в 1996;2002гг., в том числе: региональной программе Кемеровского научно-образовательного комплекса (тема № 27- 6, гос. per. № 1 970 004 330), Федеральных целевых программ «Интеграция» (проект № 564, гос.рег. № 1 990 000 622), Грантовые проекты № 78, № 467, № 1650 Министерства образования РФ.

Целью работы является разработка технологических требований к техническим средствам подземной гидравлической выемки угля для эффективной отработки угольных месторождений в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Идея работы заключается в комплексном использовании сил взаимодействия гидромониторной струи, горного давления и крепи самоходного гидромониторного проходческого — очистного агрегата, разработанного с учетом технологических требований, элементами которых являются мобильность гидромонитора и гидрофицированной крепи, безопасность ведения работ и регулирование параметров выемки угля.

Основные задачи исследований:

— обосновать концепцию и принципы создания проходческо — очистного самоходного гидромониторного агрегата для выемки угля в сложных горногеологических условиях;

— разработать варианты технологических схем выемки угля самоходным гидромониторным агрегатом в коротком очистном забое;

— разработать алгоритм расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя с учётом комплексного воздействия на углепородний массив гидромониторной струи и средств крепления пород кровли для управления давлением струи, перемещением агрегата и распором кровли;

— установить зависимости производительности гидромониторного агрегата при изменении в процессе выемки угля геометрии короткого очистного забоя от прочности угля и угла наклона оси гидромониторной струи к поверхности забоя;

— разработать технологические требования для создания проходческоочистного самоходного гидромониторного агрегата, работающего в сложных горно-геологических условиях.

Методы исследований:

— анализ технологий и опыта гидравлической добычи угля для выявления направлений совершенствования гидравлический технологии добычи угля и формализации требований к ней;

— стендовые исследования и моделирование процессов выемки угля для установления зависимости производительности гидромониторной струи от геометрической формы поверхности забоя и крепости угля;

— математическая статистика для обработки результатов моделирования:

— методы управления для разработки требований к дистанционному управлению самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрегата;

— технико-экономический анализ эффективности технических и технологических решений.

Научные положения, выносимые на защиту:

— концепция создания проходческо — очистного самоходного гидромониторного агрегата базируется на принципах: максимального приближения насадка гидромонитора, расположенного на подвижной платформе, к поверхности забояформирования уступной формы очистного забоя в зоне разрушения угля, использования сил горного давления для повышения эффективности разрушения угля, снижения удельной энергоемкости процесса разрушения угля, которые обеспечиваются за счет мобильности самоходной гид-рофицированной крепи;

— высокая адаптивность технологических схем выемки угля гидромониторным агрегатом к сложным горно-геологическим условиям достигается посредством расширения диапазона работы агрегата во взрывоопасной метановой среде, отработки локальных участков пласта сложной геометрической формы, дистанционного управления процессами выемки угля и передвижения агрегата- 1.

— алгоритм расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя базируется на комплексном использовании сил гидромониторной струи, горного давления и распора секции гидрофицирован-ной крепи;

— эффективность выемки угля в очистной заходке зависит от угла наклоне оси гидромониторной струи к поверхности забоя и его геометрической формы в зоне выемки угля;

— эффективность и безопасность эксплуатации проходческо — очистного самоходного гидромониторного агрегата обеспечивается реализацией технологических параметров, элементов и средств: повышения давления воды, установки анкерной крепи в очистном забое, пульпоформирования, перемещения и изменения угла наклона струи гидромонитора, системы мониторинга параметров технологических процессов и дистанционного управления агрегатом.

Достоверность научных положений, выводы и рекомендаций подтверждается:

— положительными результатами опытных испытаний самоходных гидромониторных установок в зонах повышенного давления в условиях гидрошахт «Красногорская», «Тырганская», «Юбилейная» и «Полосухинекая» в Кузбассе;

— использованием проверенных на практике элементов гидравлической и традиционных технологий для синтеза вариантов технологических схем выемки угля самоходным гидромониторным агрегатом в коротком очистном забое;

— использованием классических постановок научно-технических задач механики сплошных сред и аппарата их решения для разработки алгоритма расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя с учётом комплексного воздействия на массив гидромониторной струи и крепления пород кровли;

— значительным объемом (более 600 вариантов) численных экспериментов в широком диапазоне горно-геологических параметров (глубина разработки 200−600 м, мощность пласта 2−4 м, ширина междукамерного столба 412 м, распор секции гидрофицированной крепи 0−2000 кН) для установления зависимости производительности гидроотбойки угля от этих параметров;

— соответствием разработанных технологических требований для создания гидромониторного агрегата реализованным на практике технологическим и техническим решениям в элементах широко применяемых на практике устройств и механизмов: самоходных секций механизированной крепи, буровых гидравлических станков, передвижных гидромониторов, повысите-лей давления воды, систем дистанционного управления выемочными машинами.

Научная новизна результатов исследований заключается в:

— разработке оригинальных технологических схем гидравлической выемки угля самоходным агрегатом, обеспечивающих эффективную отработку участков угольных пластов сложной геометрической формы, в том числе во взрывоопасной среде, зонах геологических нарушений и повышенного горного давления:

— комплексном учете сил взаимодействия гидромониторной струи, горного давления и гидрофицированной самоходной крепи для разработки алгоритма расчета геомеханических и технологических параметров, реализуемого в системе дистанционного управления;

— разработке принципиальной схемы управления выемочным агрегатом с обоснованием параметров режимов его работы посредством формирования уступной формы забоя и ориентации оси гидромониторной струи к поверхности забоя под углом 45−60°;

— создании самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрегата, соответсвующего требованиям мобильности и безопасности ведения горных работ.

Личный вклад автора заключается в:

— разработке концепции и принципов создания проходческо — очистного самоходного гидромониторного агрегата для выемки угля в сложных горно-геологических условиях;

— конструировании оригинальных вариантов технологических схем дистанционной выемки угля гидравлическим способом в коротком очистном забое;

— разработке алгоритма расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя с учётом комплексного воздействия сил гидромониторной струи, горного давления и самоходной гидрофициро-ванной крепи;

— установлении зависимостей производительности гидромониторного агрегата от крепости угля и угла наклона оси гидромониторной струи к поверхности забоя, изменяемой в процессе выемки для обоснования его параметров;

— обосновании технологических требований для создания проходческоочистного самоходного гидромониторного агрегата выемки угля в сложных горно-геологических горнотехнических условиях.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

— разработанные технологические схемы дистанционной выемки угля в коротком очистном забое проходческо-очистным самоходным гидромониторным агрегатом позволяют вести отработку локальных участков и пластов в сложных горно-геологических условиях, различной геометрической формы, в том числе во взрывоопасной метановой среде, в зонах геологических нарушений и повышенного горного давления;

— алгоритм расчёта геомеханических и технологических параметров короткого очистного забоя, учитывающий взаимодействие сил гидромониторной струи и горного давления, рекомендуется для расчета проектных показателей систем разработки короткими забоями;

— технологические требования создают теоретическую основу проектирования самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрегата для безлюдной выемки угля гидравлическим способом в сложных горногеологических условиях, использующего комплексное взаимодействие сил гидромониторной струи, горного давления и распора гидрофицированной крепи.

Реализация практических выводов и результатов работы. Полученные научные результаты, выводы и практические рекомендации использованы при:

— обосновании рентабельности отработки участков шахтных полей шахт «Юбилейная», «Зиминка» и «Коксовая» по малозатратным технологиям малых шахт в проектах ЗАО «Проектгидроуголь" — разработке проектов строительства трех малых шахт с общими промышленными запасами 12,6 млн. т;

— курсовом и дипломном проектировании студентами Сибирского государственного индустриального университета.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертации докладывались на научно — практической конференции НФИ КемГУ «Взаимодействие образовательных, хозяйственных и административных структур в регионе» (2000), VII Междунарародной научно — практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии» (2000), V и VII Международной научнопрактической конференции «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (2000;2002), Ученых советах факультета информационных технологий НФИ КемГУ (2002;20 004).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, включает 6 таблиц, 36 рисунков и список литературы из 84 наименований.

4.4 Выводы.

1. Применение самоходных гидрофицированных крепей приводит к существенному уменьшению оседаний пород непосредственной кровли. Установлено, что увеличение величины распора секции крепи в пределах 0−2000кН приводит к снижению смещений пород кровли в очистной заходке и над подзавальным угольным целиком-ножкой на 15−50%. Полученные результаты позволяют утверждать, что применение самоходной гидрофицированной крепи позволит не только повысить безопасность для персонала, но и увеличить площадь устойчивых обнажений пород непосредственной кровли и, соответственно, коэффициент извлечения угля в выемочном столбе.

2. Установлено, что энергия упругой деформации угольного массива с увеличением кинетической энергии увеличивается по показательной функции. Энергия формоизменения при увеличении кинетической энергии гидравлической струи и энергии горного давления возрастает по параболическому закону. При увеличении площади обнажения поверхности разрушаемого угольного массива в забое от полупространства до уступа энергия формоизменения возрастает в 50−80 раз. Соответственно производительность гидроотбойки при прочих равных условиях теоретически может подняться в 50−100 с увеличением площади обнажения поверхности разрушаемого угольного массива в забое от полупространства до уступа (без учёта возможности отгрузки угля гидротранспортом).

3. Одним из технологических требований к гидромониторному про-ходческо — очистному агрегату является обеспечение схем выемки угля в очистной заходке, при которых создаются условия перехода угольного массива из трехосного напряжённо-деформированного состояния к одноосному. Возможность реализации таких схем выемки должна быть заложена в конструкции гидромонитора-робота.

4. Установлено, что наибольшая эффективность разрушения угля достигается при угле наклона оси гидромониторной струи к поверхности забоя 20−30°. При угле наклона более 60° эффективность гидроотбойки резко снижается. Эта зависимость объясняется тем, что при наклонном положении струи в угольном массиве возникают растягивающие напряжения, а так как предел прочности угля на растяжение в 8−30 раз меньше прочности на сжатие, то эффективность гидроотбойки увеличивается. Однако на практике расположение струи под углом меньше 30° к поверхности забоя приводит к отражению струи и диссипации энергии. В этой связи в конструкции гидромонитора-робота необходимо обеспечить угол между осью гидравлической струи и поверхностью забоя в пределах 45−60°.

5. Разработана принципиальная технологическая схема подземной гидравлической выемки угля в очистных заходках с применением самоходных крепей. Обоснован энергетический критерий эффективности техногенной системы «насос-гидромонитор» с оптимизацией по максимуму использования энергии горного давления.

6. Разработана принципиальная схема конструкции самоходного гидромониторного проходческо-очистного агрегата, обеспечивающего поддержание пород кровли, управление напряженно-деформированным состоянием в отрабатываемом угольном столбе, автоматическую гидравлическую выемку угля с компьютерным управлением технологической системой короткого очистного забоя, гидротранспорт горной массы без присутствия человека в процессе отработки запасов выемочного столба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе содержится решение задачи обоснования технологических требований для создания проходческо — очистного самоходного гидромониторного агрегата дистанционной выемки угля в сложных горногеологических условиях, имеющей существенное значение для угольной промышленности. Основные научные результаты, выводы и рекомендации заключаются в следующем.

1. Технологические схемы разработки угольных пластов короткими забоями с гидравлической выемкой угля в заходках характеризуются недостатками (высокая энергоемкость, большие потери угля и др.) и достоинствами (безлюдная выемка, отсутствие крепи, гидротранспорт), которые заложены в основу перехода к технологическим схемам нового уровня с элементами безлюдной технологии подземной добычи угля, устраняющие перечисленные недостатки.

2. Элементами новых технологических схем безлюдной гидравлической разработки угольных пластов, которые были реализованы на основе концепции мобильности, являются: передвижной гидромонитор, позволяющий приблизить насадок к разрушаемой поверхности пласта и снизить энергоемкость выемки угля, и механизированная крепь сопряжения выемочной выработки и заходки, обеспечивающая устойчивость пород кровли и возможность выемки угольной полосы узкими заходками с использованием энергии горного давления.

3. Конструирование выемочной машины на основе секции механизированной крепи на гусеничном ходу с размещением на ней повысителя давления воды и гидромонитора позволяет создать передвижной проходческо — очистной гидромониторный агрегат, обеспечивающий безопасность работ и повышение производительности гидроотбойки при односторонней и двусторонней выемке очистных заходок.

4. Для высокогазоносных угольных пластов разработана принципиальная технологическая схема отработки длинного столба комплексно-механизированным забоем, оснащенным одним передвижным или несколькими стационарными гидромониторами, что позволяет: исключить использование в забое электроэнергии и снизить вероятность взрыва метана и пылиуменьшить запыленность шахтной атмосферыповысить коэффициент использования оборудования за счет исключения из технологической схемы забойного конвейера и выемочного комбайна.

5. Алгоритм расчета параметров короткого очистного забоя позволяет создать комплексное взаимодействие сил гидромониторной струи, распора секций механизированной крепи и горного давления.

6. Обоснованное уравнение баланса позволяет корректировать давление гидромониторной струи, необходимое для разрушения угля и создания условий проявления горного давления, изменяющихся в процессе выемки угля в заходке.

7. Разработана геомеханическая модель угольного массива в очистной заходке, система дискретизации последней соответствует методики селективной выемки угля при минимуме энергетических затрат в зонах с максимальными касательными напряжениями.

8. При увеличении площади обнажения поверхности разрушаемого угольного массива в забое от полупространства до уступа энергия формоизменения возрастает в 50−80 раз, а производительность гидроотбойки при прочих равных условиях теоретически может подняться в 50−100 раз, что требует увеличения площади обнажения поверхности разрушаемого угольного массива в забое и достигается формированием уступов.

9. Применение самоходных гидрофицированных крепей приводит к существенному уменьшению оседаний пород непосредственной кровли, а при увеличении величины распора секции крепи в пределах 0−2000кН приводит к снижению смещений пород кровли в очистной заходке и над подзавальным угольным целиком-ножкой на 15−50%, что требует регулирования распора крепи при изменении условий выемки угля.

10. Установлено, что наибольшая эффективность разрушения угля достигается при угле наклона оси гидромониторной струи к поверхности забоя 1530°. При угле наклона более 60° эффективность гидроотбойки резко снижается, что объясняется возникновением растягивающих напряжений, при которых предел прочности угля на растяжение в 8−30 раз меньше прочности на сжатие. На практике расположение струи под углом меньше 30° к поверхности забоя приводит к отражению струи и диссипации энергии. В этой связи в конструкции гидромонитора необходимо обеспечить угол между осью гидравлической струи и поверхностью забоя в пределах 45−60°.