Буроштрековый способ подземной разработки угольных пластов

 

Сущность изобретения. Делят выемочное поле на подэтажи проведением выработок, ведут выемку угля бурением скважин прямого хода с транспортных выработок на вентиляционные штреки, разбуриванием скважин обратным ходом и последующим извлечением межскважинных целиков. При этом рассредоточивают операции бурения и разбуривания скважин и извлечения межскважинных целиков по простиранию и по мощности пласта, а извлечение межскважинных целиков производится путем их разрушения за счет горного давления или располагаемых в скважинах на канатах раздавливающих гидравлических устройств путем перемещения их в слое снизу вверх и от почвы к кровле в слоях. 7 ил.

Предлагаемое изобретение относится к горному делу, в частности к разработке угольных пластов мощностью выше 1,0 м, с углами падения более 30^o.

Известны способы разработки угольных пластов с указанными параметрами с применением различных систем разработки: сплошной, столбовой, слоевых, щитовой, с гибким перекрытием, нетиповых с буровзрывной выемкой угля в очистных забоях и с применением механизированных комплексов и агрегатов КГУ, КМ-81Э, КПК-1м, АК-3 и агрегатов АЩМ, АНЩ, ЩРПМ. Осуществлялись попытки разработки мощных грунтовых пластов с закладкой выработанного пространства с применением механизированных комплексов КЗ и КВЗ, наклонными и горизонтальными слоями с применением твердеющей закладки в наклонных слоях и агрегатов АКЗ, в горизонтальных слоях проходческих комбайнов и самоходных вагонеток. Пологие тонкие пласты в опытном порядке пытались обрабатывать камерной системой с выемкой угля буроштрековым способом, крутые пласты мощностью 0,4-1 м буровым способом с помощью комплекса КМД (Б.Ф. Братченко и др. Способы вскрытия, подготовки и системы разработки шахтных полей. М. Недра, 1985, с. 146-207; Н. М. Алябьев и др. Краткий справочник горного инженера угольной шахты. М. Недра, 1982, с. 50-70, 151-193; Н.А.Чинакал и др. Щитовая система разработки. Новосибирск, 1972. с. 21-59, 87-146; В.П.Егоров и др. Шахты Кузбасса. М. Недра, 1994, с. 70-159; Инструкция по безопасному применению нетиповых систем разработки в сложных горно-геологических условиях Кузнецкого бассейна. Л.П.Томашевский, И.Б. Милованов, В.В.Егошин и др. Прокопьевск, "Прокопьевскуголь", "Южкузбассуголь", ВостНИИ, КузНИУИ, 1975, 31 с; М.В.Курленя и др. Технология щитовой разработки угольных месторождений. Наука, Новосибирск, 1988, с. 252; А.Б.Морев и др. Буроштрековые установки для выемки угля. М. Недра 1973, с. 128; А.Ф.Ягнаков и др. Выемка угля буроштрековым способом. М. "Недра", 1976, с. 120; А.П.Судоплатов, К.И.Иванов. Новые высокопроизводительные способы добычи угля. М. Госгортехиздат, 1962,с. 100-101).

Указанные системы разработки с выемкой угля в очистных забоях с помощью буровзрывных работ требуют проведения значительных объемов подготовительных и нарезных выработок разнообразных по назначению, сечению и видам крепи, имеют высокий процент ручных работ, что определяет большую их трудоемкость и низкую безопасность.

Рационализация этих систем и отдельных элементов в них и работ осуществлялась в направлении ликвидации ручных работ: буровзрывных и работ по креплению и управлению кровлей. При углах падения пластов 30-40^o и при соответствующих мощностях было осуществлено несколько попыток внедрения комплексов типа КМ-81Э, для маломощных пластов с углами падения, обеспечивающих самотек угля в очистном забое, разрабатывался комплекс КГУ, для более мощных комплекс КПК и агрегат АК, а также щитовые агрегаты АМЩ и АНЩ, для более мощных пластов были созданы щиты КС с буровзрывной выемкой, осуществлялись работы по созданию щитового комплекса "Зиминец", для отработки мощных пластов горизонтальными слоями комплексы КНК, для комбинированной системы с низким перекрытием, для отработки мощных пластов с закладкой - комплексы КЗ и КВЗ.

Жесткие требования к условиям залегания пластов постоянство гипсометрии и отсутствие нарушений сбросового и взбросового характера со смещениями 30-40% ограничивали применение механизированных комплексов, а значительные диапазоны мощностей и углов падения, диктовавших специальные конструктивные решения, привели к значительному многообразию разрабатываемых конструкций и узким областям их применения. Одновременно небольшие расстояния по простиранию 120-150 м между нарушениями разрывного характера в выемочных полях и ограниченная высота этажа (100 м по вертикали) обуславливали значительные объемы монтажных, демонтажных и такелажных работ, также выполнявшихся вручную.

Действие указанных двух причин (при наличии менее значимых) сдерживали развитие производства практически штучного оборудования, не позволявшего, тем более, существенно повысить эффективность подземной добычи угля в рассматриваемом диапазоне горно-геологических условий.

Целью предлагаемого изобретения является ликвидация указанных недостатков существующих способов подземной разработки угольных пластов мощностью свыше 1,0 м с углами падения более 30^o для значительного снижения материальных и трудовых затрат на добычу тонны угля за счет применения для всех указанных условий одной системы разработки и одинаковых средств механизации труда шести наименований.

Указанная цель при буроштрековой системе разработки достигается путем разделения выемочного поля наклонных и крутых пластов (более 30^o) на несколько обособленных подэтажей и выемки в них угля путем бурения с подэтажного выемочного штрека скважин прямым ходом на вентиляционный выемочный штрек и расширения их обратным ходом буровыми машинами типа БГА-2М. В зависимости от мощности пласта бурение и расширение скважин производится в нескольких слоях.

Скважины прямого хода бурятся диаметром 500 мм, расширяются скважины с помощью расширителей различного типа до диаметров 850 1300 мм. С помощью специальных расширителей возможно расширение скважин прямоугольного сечения с величиной стороны до 1300 1400 мм и более.

Буроштрековая система предназначена для применения при отработке выемочных полей различной величины по простиранию с разделением на блоки длиной до 200 220 м при отработке пластов угля, склонного к самовозгоранию. Выемочное поле по падению предполагается делить на подэтажи с наклонной длиной 20 30 м.

У ближней границы поля (блока) проходится боковая наклонная выработка для транспортировки вниз добытого угля, подачи воздуха в подэтажи, передвижения людей, подъема и спуска оборудования и материалов. Между подэтажами предусматривается оставление целика величиной 3 4 м (наклонная) для обеспечения одновременной выемки угля в нескольких подэтажах. Выемочные штреки в случае необходимости крепятся анкерной крепью приемлемой или необходимой конструкции.

Выемку угля в подэтаже предусматривается осуществлять с последовательным выполнением трех процессов: 1 бурением скважин прямого хода буровыми станками типа БГА-2М. Одним станком бурятся скважины прямым ходом с оставлением (подвешиванием) бурового инструмента в пробуренной скважине; 2 - расширением скважин обратным ходом вторым таким же станком с некоторым отставанием в выполнении процесса (не менее 2 скважин) с передачей инструмента на первый станок; 3 разрушением межскважинных целиков (между расширенными) за счет горного давления или с помощью располагаемого в скважине на канате специального раздавливающего устройства, состоящего из двух гидроцилиндров, расположенных перпендикулярно друг другу, с выдвигающимися из них с двух сторон штоками, снабженными на концах овальными плитами, и шарнирно соединенными со штоками шаровыми замками. При подаче жидкости маслостанцией, располагаемой на вентиляционном штреке, под поршни штоки выдвигаются и целики между скважинами разрушаются под силовым воздействием овальных плит. Разрушение межскважинных целиков в слое производится в направлении от транспортной (слоевой) выработки к вентиляционной устройство поднимается вверх лебедкой, устанавливаемой на вентиляционном штреке. При выбуривании угля слоями, разрушение межскважинных целиков осуществляется в направлении от почвы к кровле.

Расстояние между скважинами выбирается из расчета оставления между бортами расширенных скважин целика минимум 0,5 м в зависимости от крепости и устойчивости угля и вмещающих пород. При необходимости между группами скважин могут оставляться опорные целики по падению шириной 3 5 м.

Проветривание забоев проводимых штреков производится с помощью вентиляторов местного проветривания, а работ по выбуриванию за счет общешахтной депрессии.

Для выполнения работ по подъему расширителей обратного хода, снятия расширителя прямого хода и установки расширителя обратного хода на новый буровой став на верхних выемочных штреках устанавливают лебедку.

Для выполнения работ по разрушению межскважинных целиков с помощью раздавливающий устройств на верхних выемочных штреках размещаются лебедки и насосные станции.

При увеличении мощности пластов разработка их с помощью буроштрековой системы осуществляется слоями, являясь основой двух технологических схем.

Первая технологическая схема предусматривает применение системы при обработке пластов мощностью от 1,0 до 4,1 м с углами падения более 30^o. Менее мощные пласты в этом диапазоне предусматривается отрабатывать одним слоем, более мощные двумя слоями при проведении двух подэтажных штреков - вентиляционного и транспортного. При мощности пластов до 3,5 м выемочные штреки специальной конфигурации сечений предлагается проходить комбайнами 4ПУ, при мощности 3,5 4,1 м с помощью комбайнов ГПКС.

Вторая технологическая схема предусматривает применение буроштрековой системы на пластах мощностью более 4,2 м с выбуриванием угля тремя слоями при проведении в подэтаже трех выемочных штреков двух транспортных (слоевых) и одного вентиляционного при расширении скважин в верхних двух слоях до диаметра 1300 мм и нерасширенных скважин в третьем слое до мощности пласта 4,5 м и расширенных скважин в этом слое с ростом диаметра до 1,3 м при мощности пласта 5,7 м.

При мощности пласта 5,8 6,1 м выемка в подэтажах выбуриванием осуществляется четырьмя слоями при проведении в подэтаже также трех подэтажных штреков, но при расширении скважин в верхних трех слоях и бурении скважин диаметром 500 мм без расширения в нижнем четвертом слое.

При мощности пластов 6,2 7,1 м предусматривается выемка четырьмя слоями, но при проведении в подэтаже четырех подэтажных штреков двух верхних и двух нижних для обеспечения расширения скважин во всех четырех слоях. При мощности пластов 7,1 7,4 все четыре слоя выбуриваются с расширением скважин до диаметра 1300 мм.

При мощности пласта 7,5 выбуривание в подэтажах производится пятью слоями. Для обеспечения этого варианта меняется расположение, конфигурация и сечение четырех подэтажных выемочных штреков.

При мощности пластов 7,5 8,1 м достигается значительная концентрация буровых машин, используемых для бурения и расширения скважин. Одновременно предусматривается иметь девять буровых станков, пять из них в режиме расширения. При мощности пласта 8,2 м и более одновременно в работе предполагается иметь десять буровых станков. Такое количество станков позволит при режиме бурения и расширения 0,8 м/мин и 50% использования машинного времени обеспечить нагрузку в подэтаже выемочного поля в количестве 5 6 тыс. тонн в сутки. С учетом выхода угля при разрушении межскважинных целиков этот объем увеличивается в 1,2 1,4 раза.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ из книги А. П. Судоплатова и К.И.Иванова "Новые высокопроизводительные способы добычи угля", Госгортехиздат, 1962, с. 100-101, характеризующийся следующей совокупностью буроштрековый способ подземной разработки угольных пластов мощностью до 1 м, включающий давление выемочного поля на подэтажи проведением выработок, выемку угля бурением скважин прямого хода с транспортных выработок на вентиляционные штреки, разбуриванием скважин обратным ходом с последующим извлечением этим же способом межскважинных целиков.

Отличительные признаки заявленного способа по сравнению с указанным аналогом и прототипами обеспечивают значительное снижение трудоемкости и материалоемкости разработки пластов в аналогичных горно-геологических условиях, высокую концентрацию работ по подготовке и выемке угля в выемочных полях (блоках), исключение тяжелых и ручных работ и значительное повышение безопасности и культуры производства.

Таким образом, вышеуказанные отличительные признаки и преимущества заявленного объекта удовлетворяют критерию существенные отличия.

На фиг. 1 изображено выемочное поле (блок) крутонаклонного пласта мощностью 1,0 4,1 м, отрабатываемое одним или двумя слоями при проведении в подэтаже двух штреков, на фиг. 2 выемочное поле (блок) крутонаклонного пласта мощностью 4,2 5,7 м, обрабатываемое тремя слоями при проведении в подэтаже трех выемочных штреков, на фиг. 3 разрез пласта по верхнему подэтажу при обработке пласта мощностью 4,1 м двумя слоями, на фиг. 4 разрез пласта по верхнему подэтажу при отработке пластов 4,2 м 5,7 м тремя слоями, на фиг. 5 выемочное поле (блок) крутонаклонного пласта мощностью 6,2 7,1 м, отрабатываемое четырьмя слоями при проведении в подэтаже четырех подэтажных штреков, на фиг. 6 разрез пласта по верхнему подэтажу при отработке пласта мощностью 7,1 м четырьмя слоями, на фиг. 7 устройство для раздавливания межскважинных целиков и схема выполнения этих работ.

Выемочное поле наклонной высотой 60 120 м делится на три подэтажа высотой 20 30 м с оставлением между подэтажными целиков 3 4 м. При отработке пластов одним или двумя слоями в верхнем подэтаже проходится вентиляционный выемочный штрек 1 и подэтажный выемочный штрек 2, во втором и последующих подэтажах по два подэтажных выемочных штрека. При отработке пластов тремя и четырьмя слоями в подэтаже при меньшей мощности проходится на транспортном уровне дополнительный третий подземный выемочный штрек 3, при большей мощности дополнительный четвертый вентиляционный слоевой штрек у висячего бока 5. При отработке более мощных пластов четырьмя и пятью слоями в подэтаже также проходится четыре штрека: два вентиляционных выемочных слоевых у висячего и лежачего боков пласта и два на транспортном уровнет - подэтажные выемочные штреки также у обоих боков пласта. Пласты мощностью 8,9 м предлагается выбуривать пятью слоями с диаметром скважины каждого слоя 1,3 м. При большей мощности пластов и выемке их с помощью шести и семи слоев в подэтаже должно проводиться шесть штреков три на вентиляционном уровне и три на транспортном и т.д. Между бортами расширенных скважин как по простиранию, так и по падению предусматривается оставление целиков величиной 0,5 м, буровые станки располагаются в штреках на минимальном расстоянии друг от друга с учетом необходимых зазоров и обеспечения передачи бурового инструмента от станка к станку 4. Устройство для раздавливания межскважинных целиков состоит из двух двухпоршневых силовых цилиндров 7, 10, жестко соединенных между собой под углом 90^o 9, на штоках поршней 8, 11 на шаровых опорах - 14 располагаются овальные плиты 6. На силовых цилиндрах установлены штуцера для подсоединения гибких шлангов для подачи жидкости в надпоршневую 12 полость и подпоршневую 13, на верхнем цилиндре имеется устройство для соединения с поддерживающим канатом 15. Раздавливающее устройство перемещается в скважине на канате с помощью лебедки 16 и блока 21. С помощью буровых станков 20 осуществляется бурение скважин прямым ходом 19, после выбуривания на вентиляционный (верхний) штрек буровой инструмент подвешивается 17, с помощью второго бурового станка после навешивания расширителя обратного хода скважина расширяется 18, 22. В заднюю расширенную скважину опускается раздавливающее устройство 23. При выемке пласта в один слой раздавливание целиков производится одним цилиндром в направлении простирания 24, при выемке несколькими слоями как по простиранию, так и вкрест простирания. В результате разрушения целиков образуются полости 24.

При значительных изменениях угла падения в пределах высоты этажа величина подэтажа уменьшается до 8 10 см. Высокая концентрация работ в выемочном поле (блоке) в этом случае достигается за счет ведения работ по выемке одновременно в нескольких подэтажах.

Предлагаемый способ с применением буроштрековой системы разработки позволяет значительно повысить концентрацию работ в выемочном поле (блоке), осуществлять одновременно ведение работ в нескольких подэтажах со значительной скоростью их продвигания при применении малогабаритных, легкоперемещаемых и монтируемых, однотипных для условий всего диапазона разрабатываемых пластов средств механизации всего комплекса работ. Указанные преимущества предлагаемого способа позволяют значительно повысить производительность и безопасность труда при снижении трудовых и материальных затрат и незначительном уровне потерь угля.

Формула изобретения

Буроштрековый способ подземной разработки наклонных, крутонаклонных и крутых угольных пластов, включающий деление выемочного поля на подэтажи проведением горизонтальных выработок, выемку угля бурением скважин прямого хода с транспортных выработок на вентиляционные штреки, разбуриванием скважин обратным ходом и последующим извлечением межскважинных целиков, отличающийся тем, что выемку угля в подэтаже осуществляют слоями, рассредоточивания операции бурения и разбуривания скважин и извлечение межскважинных целиков по простиранию и по мощности пласта, при этом извлечение межскважинных целиков производят путем разрушения за счет горного давления или располагаемых в скважинах на канатах раздавливающих гидравлических устройств, перемещая их в слое снизу вверх и от почвы к кровле в слоях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7