СПОСОБ ВЫЕМКИ ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО В ДЛИННОМ ОЧИСТНОМ ЗАБОЕ Российский патент 1997 года по МПК E21C41/18 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, в частности к способам выемки полезных ископаемых в длинных очистных забоях при разработке месторождений осадочного типа, преимущественно угольных пластов.

Известен способ выемки угля в длинном очистном забое (лаве) комбайном, перемещающемся в процессе выемки вдоль забоя от одной подготовительной выработки к другой с чередованием выемочных циклов на протяжении всего времени отработки выемочного поля. Для подготовки к снятию очередной полосы угля на сопряжениях очистного забоя с подготовительными выработками в угольном массиве создают ниши [1]
Недостатком этого способа является большая трудоемкость работ на концах участках очистного забоя, в значительной мере обусловленная неустойчивостью пород кровли на этих участках забоя.

Применение двух углевыемочных комбайнов в одном очистном забое позволяет снизить трудоемкость работ на концевых участках забоя за счет уменьшения объема работ по подготовке ниш, а при выносе приводной головки забойного конвейера на штрек даже избавиться от них. При подвигании очистного забоя по простиранию пласта комбайн, расположенный в верхней части забоя, осуществляет подготовку ниши для нижнего комбайна [2] В лавах с вынесенными головками забойных конвейеров на штреки применение двух комбайнов интенсифицирует процесс выемки угля, увеличивается нагрузка на забой.

Вместе с тем известный способ выемки угля двумя комбайнами в одном очистном забое характеризуется следующими недостатками:
усложняется организация работ в забое и усугубляется их взаимозависимость;
работа двух комбайнов на одной тяговой цепи усложняет конструкцию последней;
возрастают экономические затраты на выемку угля в забое, прежде всего за счет эксплуатационных расходов и амортизационных отчислений, связанных с наличием двух комбайнов;
технологическая схема работы двух комбайнов в одном забое не обеспечивает устойчивости пород кровли пласта на сопряжениях лавы с подготовительными выработками при выполнении концевых операций;
как следствие всех этих недостатков, снижается надежность и эффективность работы очистного забоя.

Особо важное значение имеет решение вопроса повышения устойчивости пород кровли на сопряжениях лавы с подготовительными выработками. Известно, что вокруг подготовительной выработки формируется зона стационарного опорного давления. Очистная выемка ведется вкрест расположения подготовительной выработки и, следовательно, вкрест сформировавшейся зоны опорного давления. При подходе комбайна к сопряжению лавы с подготовительной выработкой происходит наложение на него волны динамического опорного давления, перемещающейся по призабойной части массива впереди комбайна в процессе выемки полосы угля. Расположение зон меняется циклично, что приводит к разрушению пород кровли в них образуются дополнительные трещины, нагрузки на крепь увеличиваются, происходит коржение пород и их обрушение (вывалы), вызывающие травматизм рабочих. Как следствие, увеличиваются число и продолжительность простоев очистного забоя, снижается добыча.

Задача изобретения повысить устойчивость пород кровли на концевых участках очистного забоя и эффективность очистных работ.

Для достижения поставленной задачи предлагается выемку полосы полезного ископаемого начинать у одного из концов очистного забоя и заканчивать ее, не доходя на расстояние, равное суммарной ширине зон динамического и стационарного опорного давления, образованных влиянием подготовительной выработки у противоположного конца забоя, переместить комбайн вдоль неотработанного участка полосы до подготовительной выработки, после чего произвести выемку неотработанного участка полосы в обратном направлении.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что выемки полезного ископаемого на концевых участках очистного забоя в направлении от подготовительных выработок к середине забоя устраняют эффект наката волны динамического опорного давления, образованной влиянием подготовительной выработки, и тем cамым повышает устойчивость пород кровли на концевых участках очистного забоя, уменьшает простои последнего, повышает добычу и улучшает качество полезного ископаемого, снижает травматизм горнорабочих.

Известен способ повышения эффективности очистных работ за счет применения двух комбайнов и ликвидации ниш на концевых участках очистного забоя. Однако этот способ не уменьшает трещинообразования пород кровли в зоне стационарного опорного давления, а вследствие применения в одном забое двух комбайнов увеличивает долю эксплуатационных и амортизационных затрат в себестоимости добычи.

Изобретение иллюстрируется схемами на фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена последовательность I, II и III выполнения технологических процессов в очистном забое: 1 комбайн, 2 вынимаемая полоса полезного ископаемого, 3 и 4 - подготовительные выработки, ограничивающие очистной забой, 5 пласт полезного ископаемого, 6 и 9 отбитое полезное ископаемое, подлежащее зачистке, 7 - неотработанный участок вынимаемой полосы полезного ископаемого, 8 ниша, 10 - забойный конвейер, 11 ширина вынимаемой полосы полезного ископаемого (ширина захвата комбайна), l полная длина очистного забоя, l₁ длина отрабатываемого участка полосы полезного ископаемого, l_g размер зоны динамического опорного давления, l_c ширина зоны опорного давления, образованной влиянием подготовительной выработки, ____→ направление выемки полезного ископаемого комбайном, направление зачистки полезного ископаемого по почве пласта.

На фиг. 2 показано положение зон опорного давления в очистном забое во время выемки угля; 11 напряжения в зоне динамического опорного давления, вызванные влиянием отработки полосы полезного ископаемого комбайном, 12 - напряжения в зоне стационарного опорного давления, вызванные влиянием подготовительной выработки; остальные обозначения те же, что и на фиг.1.

На фиг.3 изображена схема расположения зон динамического 11 и стационарного 12 опорного давления при работе комбайна на концевом участке очистного забоя.

Известно, что в результате проведения подготовительной выработки происходит перераспределение напряжений в массиве горных пород, приводящее к образованию вокруг выработки зоны стационарного опорного давления. Размеры этой зоны и напряжения в ней увеличиваются, если с одной из прилегающих к выработке сторон пласт отработан (вышележащий этаж или ярус, соседний столб и т. п.). В этой зоне располагается концевой участок очистного забоя, сопрягаемого с подготовительной выработкой; аналогичное положение складывается и на противоположном конце очистного забоя. Как правило, именно на сопряжениях очистного забоя с подготовительными выработками создают ниши для заводки исполнительного органа комбайна с целью последующей выемки полосы угля вдоль всего забоя. Таким образом, в зоне опорного давления, вызванной влиянием подготовительной выработки, формируется участок с большой площадь обнажения кровли, к тому же имеющий близкую к квадратной форму, обладающую наименьшей устойчивостью.

Выемку полосы полезного ископаемого начинают из ниши. По мере выемки и перемещения комбайна вдоль забоя впереди исполнительного органа перемещается волна динамического опорного давления, которая по мере приближения комбайна к противоположному концу забоя накатывается на зону стационарного опорного давления, образованную влиянием подготовительной выработки. Наложение волны динамического опорного давления на зону стационарного опорного давления сопровождается увеличением напряжений в породах кровли не менее чем в 5 раз. Как следствие, на всем участке сопряжения очистного забоя с подготовительной выработкой в породах кровли происходит интенсивное трещинообразование, нередко сопровождающееся вывалами пород и даже завалами сопряжений. Все это приводит к простоям очистного забоя и вызывает необходимость усиленного крепления сопряжений, что связано с потерей добычи, с дополнительными трубовыми и материальными затратами. Не случайно концевые участки (сопряжения) очистного забоя являются местами наибольшего травматизма горнорабочих, нередко со смертельным исходом.

Эти недостатки могут быть устранены при таком способе выемки полезного ископаемого, при котором будет исключено явление наката волны динамического опорного давления на зону стационарного опорного давления, т.е. на сопряжение очистного забоя с подготовительной выработкой. Этого можно достичь, если выемку полезного ископаемого на обоих концевых участках очистного забоя вести по направлению от каждой подготовительной выработки к середине забоя.

Комбайн 1 начинает выемку полезного ископаемого из ниши 8 у подготовительной выработки 3 и, перемещаясь по прямолинейному ставу забойного конвейера 10 вдоль забоя длиной l₁, снимает полосу 2 шириной r, равной ширине захвата исполнительного органа комбайна (фиг.1, позиция I). Не доходя до подготовительной выработки 4 на расстояние, соответствующее суммарной ширине зон динамического и стационарного опорного давления (l_д + l_c), исполнительный орган комбайна 1 выводят из вынимаемой полосы полезного ископаемого путем перемещения комбайна по изогнутой части конвейера 10. Перемещая комбайн вдоль неотработанного участка полосы 7 в направлении к подготовительной выработке 4 по изогнутой части конвейера 10, производят зачистку почвы пласта на участке 6. Когда комбайн достигнет подготовительной выработки 4, осуществляют передвижку и выпрямление изогнутой части конвейера, а тем самым к задвижку комбайна в нишу 5. Из этой ниши комбайн начинает выемку полезного ископаемого на неотработанном участке 7 в обратном направлении (фиг.1, поз. II), по завершении которой осуществляет зачистку почвы пласта на участке 9. После зачистки почвы по длине участка забоя передвигают конвейер 10 к забою, комбайн 1 заводят в нишу 8 у подготовительной выработки 3 (фиг.1, поз. III); cоздавая тем самым исходное положение для очередного цикла выемки полезного ископаемого.

Предложенный способ выемки полезного ископаемого в длинном очистном забое может применяться как в лавах по простиранию, так и в лавах по восстанию (падению) пласта. Как следует из его описания выемка полезного ископаемого на обеих концевых участках очистного забоя ведется одним комбайном в направлении от подготовительных выработок к середине забоя. Благодаря этому устраняется явление наката волны динамического опорного давления 11 на зону стационарного опорного давления 12, образованную влиянием подготовительной выработки (фиг.2). При применении предложенного способа достигается обратное явление волна динамического опорного давления 11 уходит (откатывается) от зоны cтационарного опорного давления (фиг.3), что способствует уменьшению напряжений в породах кровли, предотвращает образование трещин, заколов и обрушений пород на концевых участках очистного забоя. Благодаря этому достигается повышение устойчивости пород кровли на этих участках и эффективности очистных работ за счет уменьшения простоев забоя, объемов ремонтно-восстановительных работ, затрат материалов, повышения качества добываемого полезного ископаемого и снижения травматизма горнорабочих.

Пример. Разрабатывается угольный пласт пологого падения (λ=12-18^°) мощностью 1,2 м. Длина очистного забоя 150-160 м, выемка угля ведется с подвиганием забоя по простиранию пласта. В исходном положении очистной комбайн 1 находится на сопряжении забоя с откаточным штреком 3, а исполнительный орган комбайна заведен в нижнюю нишу 8. По бокам подготовительных выработок откаточного 3 и вентиляционного 4 штреков в угольном массиве имеются зоны стационарного опорного давления l_c, сформированные в результате перераспределения напряжений при проведении штреков. Размеры каждой из этих зон составляют не менее 3В, где В ширина выработки, и 5В если смежный этаж (ярус, столб) отработаны. В рассматриваемом случае при ширине штрека 4 м размер зоны стационарного опорного давления l_c cоставляет соответственно 12 20 м.

Рабочий ход комбайна 1 начинают из нижней ниши 8 и ведут в направлении верхнего конца очистного забоя. В процессе выемки угля комбайн 1 перемещается по прямолинейной части l₁ забойного конвейера 10, снимая полосу угля шириной r, равной ширине захвата исполнительного органа комбайна (обычно 0,63 или 0,8 м). Не доходя до вентиляционного штрека на расстояние (l_c + l_g), т. е. равное суммарной ширине зон динамического и стационарного опорного давления (32 40 м), комбайн выводят на изогнутую часть забойного конвейера, перемещают вдоль неотработанного участка полосы 7 в направлении к вентиляционному штреку 4, при этом производят зачистку почвы пласта 7 от угля, оставшегося от предыдущего цикла на участке 6. Когда корпус комбайна достигнет вентиляционного штрека 4, осуществляют передвижку к забою и выпрямление изогнутой части конвейера, а тем самым и задвижку исполнительного органа комбайна в верхнюю нишу 8. Из этой ниши комбайн начинает выемку угля на неотработанном участке 7 в обратном направлении, т.е. перемещаясь вниз от вентиляционного штрека (позиция II на фиг.1), по окончании которой, двигаясь в этом же направлении, производят зачистку почвы пласта на участке 9. После зачистки почвы на участке забоя конвейер 10 передвигают к забою, исполнительный орган комбайна 1 заводят в нижнюю нишу 8 у откаточного штрека 3 (позиция II на фиг.1) и создают тем самым исходное положение для очередного цикла выемки угля.

Таким образом, предложенный способ выемки полезного ископаемого позволяет устранить явление наката волны динамического опорного давления на зону стационарного опорного давления, образованную влиянием подготовительных выработок на концевых участках очистного забоя. Волна динамического опорного давления в процессе выемки угля уходит из зоны стационарного опорного давления (фиг. 3), снижая напряжения в породах кровли, благодаря чему повышается устойчивость пород кровли на сопряжениях очистного забоя со штреками и растет эффективность очистных работ, т.е. достигается поставленная цель изобретения.

Исходя из того, что при известной технологии выемки угля операции на концевых участках очистного забоя занимают до 40% общей продолжительности цикла, а простои очистного забоя, вызванные горнотехнологическими факторами (вывалами пород, дополнительным креплением сопряжений, ликвидацией пустот и пр. ) составляют 60% общих потерь времени, то сокращение этих потерь при применении предложенного способа выемки угля на 50% обеспечивает снижение себестоимости 1 т топлива на 30% С учетом уменьшения расхода лесоматериалов, повышения добычи угля и снижения уровня травматизма горнорабочих себестоимость 1 т угля снижается по забою на 40 50% (в зависимости от мощности пласта и состава пород кровли).

Использование: при выемке полезных ископаемых в длинных очистных забоях при разработке месторождений осадочного типа, преимущественно угольных пластов, для повышения устойчивости пород кровли на концевых участках очистного забоя и эффективности очистных работ. Сущность изобретения: выемку полосы полезного ископаемого начинают у одного из концов очистного забоя и заканчивают ее на расстоянии, равном суммарной ширине зон динамического и стационарного опорного давления, образованных влиянием соответственно выемки угля комбайном и подготовительной выработки у противоположного конца забоя, затем перемещают комбайн вдоль неотработанного участка полосы до подготовительной выработки, после чего производят выемку неотработанного участка полосы комбайном в обратном направлении. 3 ил.

Способ выемки полезного ископаемого в длинном очистном забое, включающий проведение подготовительных выработок, зарубку комбайна в пласт, выемку полосы полезного ископаемого вдоль забоя с погрузкой его на конвейер, зачистку забоя, передвижку конвейера, крепление кровли и вывод комбайна из пласта, отличающийся тем, что выемку полосы полезного ископаемого заканчивают на расстоянии от конца забоя, равном суммарной ширине зоны динамического опорного давления от выемки полезного ископаемого комбайном и зоны стационарного опорного давления, образованного проведением подготовительной выработки на этом конце, перемещают комбайн вдоль неотработанного участка полосы до подготовительной выработки, после чего производят выемку неотработанного участка полосы в обратном направлении.