СПОСОБ ЗАКЛАДКИ ОТКРЫТОГО ЗАБОЯ ЭОЛОВЫМ ПЕСКОМ В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ НЕГЛУБОКОГО ЗАЛЕГАНИЯ В ЗАПАДНЫХ ОПУСТЫНЕННЫХ РАЙОНАХ ГОРНЫХ РАБОТ Российский патент 2017 года по МПК E21F15/00 E02D3/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, который является особенно подходящим для очистного забоя добычи угля с улучшенной самостабилизацией кровли и с функциональными возможностями формирования открытого забоя определенной величины в задней части.

Уровень техники

Западные опустыненные районы горных работ имеют геологические структурные особенности, включающие неглубоко залегающий угольный пласт, большую мощность выемки, тонкое скальное основание и толстый слой сыпучего эолового песка, а также имеют гидрогеологические особенности, включающие локально толстый водоупорный слой в слое сыпучего эолового песка, и в данной ситуации горные работы могут не только приводить к разрушению перекрывающей породы и оседанию грунта земной поверхности, но также приводить к серьезным катастрофам, например прорыву воды или прорыву плывуна. Инженерная практика показывает, что фронт очистного забоя или туннель могут быть затоплены вследствие прорыва воды или прорыва плывуна. Таким образом, прорыв воды и прорыв плывуна стал одной из главных скрытых проблем, создающих угрозу безопасности угольной шахты. Закладка горной выработки является наиболее удобным и эффективным решением, препятствующим разрушению перекрывающей породы, оседанию грунта земной поверхности, прорыву воды и прорыву плывуна и т.д.

В настоящее время методы закладки горной выработки, применяемые в угольных шахтах в Китае и других странах, в основном делятся на три типа по материалу закладки: метод закладки твердым материалом (например, закладка пустой породой, зольной пылью, лессовой породой, и т.д.), метод закладки пластичной смесью или квазипластичной смесью и метод закладки материалом с высоким или сверхвысоким содержанием воды. Данные три методики решают вышеуказанную проблему на разных уровнях, при этом метод закладки твердым материалом широко применяется вследствие его преимуществ, например высокого уровня механизации и высокого коэффициента извлечения, и т.д. Вместе с тем в настоящее время для закладки твердым материалом скважины подачи сыпучего песка обычно выполняют в надшахтном сооружении, но некоторые зоны выработки находятся далеко от надшахтного сооружения; как следствие, подземный транспортный путь перемещения материала является очень длинным, объем перемещения материала является недостаточным и надежность системы перемещения материала существенно снижается; в дополнение, происходит охватывание ограниченного подземного пространства и пропускной способности и, как следствие, экономическая эффективность добычи оказывается невысокой. Кроме того, требуются инвестиции в широкую номенклатуру оборудования, а затраты являются высокими. Поэтому большое практическое значение имеет разработка способа закладки эоловым песком в западных опустыненных районах горных работ. Такой способ имеет широкие перспективы применения.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема: задачей настоящего изобретения является решение проблем, существующих в современных методах закладки, и создание способа закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, в котором применяется закладка эоловым песком для решения проблем, связанных, например, с разрушением перекрывающей породы, оседанием грунта земной поверхности, прорывом воды и прорывом плывуна, и т.д., позволяющего улучшить экономические показатели работы, уменьшить инвестиций в оборудование и уменьшить затраты на закладку.

Техническое решение: способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, предложенный в настоящем изобретении, включает следующие этапы:

a) определение технических параметров очистного забоя добычи угля и скважин подачи сыпучего песка, согласно характеристикам залегания угольного пласта и горнотехническим условиям;

b) распределенное фиксированное бурение, включающее: бурение множества скважин подачи сыпучего песка, ведущих к поверхности земли, на соответствующем расстоянии над очистным забоем добычи угля и открытым забоем, образованным после выемки;

c) перемещение материалов в заданном количестве с поверхности земли, включающее: расположение лебедок для скреперных работ с песком вокруг скважины подачи сыпучего песка на поверхности земли, перемещение целевого объема периферийного эолового песка в скважину подачи сыпучего песка, управление расходом эолового песка и обеспечение стабильности и безопасности скважины подачи сыпучего песка и ее прилегающих зон;

d) циклическое повторение операций на очистном забое, включающих: поэтапную закладку открытого забоя перед подземным периодическим нагружением (underground periodic weighting) при продвижении работ по выемке угля для обеспечения закладки открытого забоя эоловым песком,

если свойства текучести гравитационного потока эолового песка являются недостаточными, предусматривают выравнивающую систему возвратно-поступательного перемещения для содействия операции закладки; причем выравнивающая система возвратно-поступательного перемещения содержит лебедку для скреперных работ с песком, скреперные ковши, шкивы и направляющую шкивов; скреперные ковши соединены соответственно с лебедкой для скреперных работ с песком и шкивами стальными тросами, причем направляющая шкивов расположена на кровле входа в выработанное пространство с обеих сторон очистного забоя добычи угля, а направляющая лебедки расположена на подошве входа в выработанное пространство, и указанная лебедка для скреперных работ с песком выполнена с возможностью перемещения по направляющей лебедки; причем при продвижении очистного забоя добычи угля скреперными ковшами управляют для возвратно-поступательного перемещения в открытом забое для равномерного выравнивания кучи песка, образованной под скважиной подачи сыпучего песка при подаче материала, и своевременной закладки открытого забоя; после закладки открытого забоя лебедку для скреперных работ с песком перемещают по направлению к очистному забою добычи угля вдоль направляющей лебедки и одновременно перемещают шкивы по направлению к очистному забою добычи угля вдоль направляющей шкивов.

Проходной диаметр скважины подачи сыпучего песка не меньше эквивалентного диаметра d₀, при котором эоловый песок свободно падает; в данном случае эквивалентный диаметр , где А - производительность добычи угля, проходной диаметр составляет, как правило, 200-400 мм, а расход эолового песка составляет, как правило, 0,04-0,20 м³/с.

Длина очистного забоя добычи угля ограничена в зависимости от длины стального троса лебедки для скреперных работ с песком, расположенной под землей, и составляет, как правило, не больше 100 м.

Если ширина открытого забоя вдоль направления простирания пласта большая и самостабилизация кровли является недостаточной, используют временную крепь для увеличения прочности кровли и продления времени самостабилизации.

Расстояние между скважинами подачи сыпучего песка ограничено в зависимости от длины троса лебедки, расположенной под землей, для скреперных работ с песком, и составляет, как правило, не больше 100 м и не меньше 5-15 м.

Шаг сетки скважин подачи сыпучего песка согласуется с пролетом самостабилизации открытого забоя в направлении продвижения очистного забоя добычи угля и шаговым расстоянием периодического нагружения очистного забоя и составляет, как правило, не больше 10-40 м для максимально возможного уменьшения расстояния перемещения эолового песка в направлении продвижения очистного забоя добычи угля; причем шаговое расстояние периодического нагружения очистного забоя определяют согласно формуле: , где L_IS - шаговое расстояние периодического нагружения основной кровли, R_T - предел прочности слоя горной породы основной кровли, q - нагрузка на перекрытия горной породы основной кровли, и h - толщина одного слоя горной породы основной кровли.

Технические результаты: в настоящем изобретении с учетом низкой трудоемкости бурения от земной поверхности до неглубоко залегающего угольного пласта и хороших свойств сыпучести эолового песка на поверхности скважины подачи сыпучего песка располагают над открытым забоем, образованным после выемки на очистном забое добычи угля, для закладки напрямую открытого забоя эоловым песком и получения закладки. Способ, предложенный в настоящем изобретении, раскрывает новый технический подход для начальной разработки в западных опустыненных районах горных работ Китая и имеет преимущества, заключающиеся в высокой экономичности работ, низких инвестициях в оборудование и низких затратах на закладку. Например, преимущества включают в себя:

1. С помощью способа закладки эоловым песком можно эффективно решить проблему разрушения перекрывающей породы и оседания грунта земной поверхности, можно исключить прорыв воды и прорыв плывуна и уменьшить влияние на окружающую среду в западных районах горных разработок;

2. Поскольку западные угольные пласты имеют неглубокое залегание, а также толстый перекрывающий сыпучий слой и тонкое скальное основание, объем работы, связанный с бурением, является небольшим, затраты низкими и цикл строительства коротким; в дополнение, путь перемещения материала значительно сокращается, подземное пространство по существу не занимается и экономическая эффективность работ значительно увеличивается;

3. Поскольку эоловый песок широко распространен в западных опустыненных районах горных работ, указанные материалы получают на месте и затраты на закладку можно уменьшить;

4. Передвижная выравнивающая система возвратно-поступательного перемещения является простой в управлении; после выравнивания эолового песка можно эффективно выполнить закладку или частичную закладку открытого забоя; процент пустот является низким, уплотнение является высоким и результат закладки хорошим;

5. Способ является особенно подходящим для очистных забоев добычи угля, которые имеют удовлетворительную самостабилизацию кровли и на заднем участке которых можно образовать открытый забой определенного размера; в случае недостаточной самостабилизации кровли можно применять временную крепь.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид сверху, иллюстрирующий способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, предложенный в настоящем изобретении.

На фиг. 2 показан разрез, иллюстрирующий способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, предложенный в настоящем изобретении.

На фиг. 3 показан вид в перспективе, иллюстрирующий способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, предложенный в настоящем изобретении.

На фигурах показаны: 1 - скважина подачи сыпучего песка, 2 - лебедка для скреперных работ с песком, 3 - скреперный ковш, 4 - шкив, 5 - направляющая шкивов, 6 - направляющая лебедки, 7 - вход в выработанное пространство, 8 - очистной забой добычи угля, 9 - открытый забой.

Осуществление изобретения

Ниже настоящее изобретение описано подробно в вариантах осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, предложенный в настоящем изобретении, включает следующие этапы:

a) определение технических параметров очистного забоя 8 добычи угля и скважин 1 подачи сыпучего песка, согласно характеристикам залегания угольного пласта и горнотехническим условиям;

b) распределенное фиксированное бурение: бурение множества скважин 1 подачи сыпучего песка, ведущих к поверхности земли, на соответствующем расстоянии над очистным забоем 8 добычи угля и открытым забоем 9, образованным после выемки;

c) перемещение материалов в заданном количестве с поверхности земли, включающее: расположение лебедок для скреперных работ с песком вокруг скважины 1 подачи сыпучего песка на поверхности земли, перемещение целевого объема периферийного эолового песка в скважину 1 подачи сыпучего песка, управление расходом эолового песка и обеспечение стабильности и безопасности скважины 1 подачи сыпучего песка и ее прилегающих зон;

d) циклическое повторение операций на рабочем забое, включающих: поэтапную закладку открытого забоя 9 перед подземным периодическим нагружением при продвижении работ по выемке угля для получения закладки открытого забоя эоловым песком,

если свойства текучести гравитационного потока эолового песка являются недостаточными, используется выравнивающая система возвратно-поступательного перемещения для содействия операции закладки; причем выравнивающая система возвратно-поступательного перемещения содержит лебедку 2 для скреперных работ с песком, скреперные ковши 3, шкивы 4 и направляющую 5 шкивов; причем скреперные ковши 3 соединены соответственно с лебедкой 2 для скреперных работ с песком и шкивами 4 стальными тросами, направляющая 5 шкивов расположена на кровле входа 7 в выработанное пространство с обеих сторон очистного забоя 8 добычи угля, направляющая 6 лебедки расположена на подошве входа в выработанное пространство, и указанная лебедка 2 для скреперных работ с песком выполнена с возможностью перемещения по направляющей 6 лебедки; при продвижении очистного забоя 8 добычи угля управляют скреперными ковшами 3 для возвратно-поступательного перемещения в открытом забое 9 для равномерного выравнивания кучи песка, образованной под скважиной 1 подачи сыпучего песка при подаче материала, и закладки открытого забоя 9; после закладки открытого забоя 9 лебедку 2 для скреперных работ с песком перемещают по направлению к очистному забою 8 добычи угля вдоль направляющей 6 лебедки и одновременно с ней перемещают шкивы 4 по направлению к очистному забою 8 добычи угля вдоль направляющей 5 шкивов.

Проходной диаметр скважины 1 подачи сыпучего песка не меньше эквивалентного диаметра d₀, при котором эоловый песок свободно падает; в данном случае эквивалентный диаметр , где А - производительность добычи угля, проходной диаметр составляет обычно 200-400 мм, а расход эолового песка составляет обычно 0,04-0,20 м³/с.

Длина очистного забоя 8 добычи угля ограничена длиной стального троса лебедки для скреперных работ с песком, расположенной под землей, и составляет обычно не больше 100 м.

Если ширина открытого забоя 9 по направлению простирания пласта большая и самостабилизация кровли является недостаточной, используют временную крепь для увеличения прочности кровли и продления времени самостабилизации.

Расстояние между скважинами 1 подачи сыпучего песка ограничена в зависимости от длины стального троса лебедки для скреперных работ с песком, расположенной под землей, и составляет обычно не больше 100 м и не меньше 5-15 м.

Шаг сетки скважин 1 подачи сыпучего песка согласуется с пролетом самостабилизации открытого забоя 9 в направлении продвижения очистного забоя 8 добычи угля и шаговым расстоянием периодического нагружения очистного забоя и составляет обычно не больше 10-40 м, для максимально возможного уменьшения расстояния перемещения эолового песка в направлении продвижения очистного забоя добычи угля; причем шаговое расстояние периодического нагружения очистного забоя определяют согласно формуле , где L_IS - шаговое расстояние периодического нагружения основной кровли, R_T - предел прочности слоя горной породы основной кровли, q - нагрузка на перекрытия горной породы основной кровли, и h - толщина одного слоя горной породы основной кровли.

Пример 1

(1) Для шахты в западном районе Китая с глубиной залегания приблизительно 65 м толщина слоя сыпучего эолового песка составляет приблизительно 45 м, толщина скального основания составляет приблизительно 20 м и объемная масса угля γ составляет 1,3 т/м³. Проектная длина L очистного забоя 8 добычи угля составляет 90 м и вынимаемая мощность пласта Н составляет 5,2 м. Кровля открытого забоя имеет хорошую самостабилизацию. Среднее шаговое расстояние периодического нагружения составляет 15 м, шаг сетки скважин подачи сыпучего песка составляет 15 м. Расположение соответствует фиг. 1. В дополнение, применена выравнивающая система возвратно-поступательного перемещения, в основном использующая лебедку для скреперных работ с песком.

(2) Одна лебедка 2 для скреперных работ с песком расположена у каждого входа 7 в выработанное пространство, с обеих сторон очистного забоя 8 добычи угля, объем скреперного ковша 3 составляет V₀=1,2 м³, число n скреперных ковшей 3 равно 2, длина стального троса лебедки составляет 100 м, средняя рабочая скорость V_t скреперного ковша 3 составляет 1,2 м/с, время работы по выравниванию в день составляет 0,5 д, время работы по выработке в день составляет 0,5 д, и число рабочих дней в году равно 330 д; таким образом, дневной объем выравнивания можно вычислить по формуле Объем кучи песка, образованной при подаче, составляет где, r=Н×cot а, где а - угол естественного откоса эолового песка, в данном случае, а=32°. Согласно изометрическому принципу частичной закладки принимаем коэффициент уплотнения β равным 0,8, теоретическую производительность по выходу угля на очистном забое равной , и максимальная скорость продвижения равна . Теоретическая производительность добычи угля на очистном забое, вычисленная по указанным данным, А=832000 т/г, и максимальная скорость продвижения равна Эквивалентный диаметр d₀ свободно падающего эолового песка вычисляют по формуле и получают d₀=180 мм. Расход Q свободно падающего эолового песка вычисляют по формуле , получают Q=0,045 м³/с. Таким образом, диаметр скважины подачи сыпучего песка может составлять 250 м и расход регулируется в диапазоне 0,04-0,05 м³/с.

(3) Направляющая 5 шкивов расположена на кровле входа в выработанное пространство 7 с обеих сторон очистного забоя 8 добычи угля, направляющая 6 лебедки расположена на подошве входа в выработанное пространство 7, и лебедку 2 для скреперных работ с песком перемещают по направляющей 6 лебедки; с продвижением очистного забоя 8 добычи угля скреперным ковшам 3 сообщают возвратно-поступательное перемещение в открытом забое 9 для равномерного выравнивания кучи песка, образованной под скважиной 1 подачи сыпучего песка в результате подачи, и своевременно закладывают открытый забоя 9; после закладки открытого забоя 9 лебедку 2 для скреперных работ с песком перемещают по направлению к очистному забою 8 добычи угля по направляющей 6 лебедки и одновременно шкивы 4 перемещают по направлению к очистному забою 8 добычи угля вдоль направляющей 5 шкивов.

Предложен способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, который подходит для очистного забоя добычи угля, имеющего улучшенную самостабилизацию кровли и обладающего функциональными возможностями формирования открытого забоя определенной величины в задней части. При небольшом объеме работы, включающем бурение с земной поверхности в неглубоко залегающий угольный пласт и хорошие показатели сыпучести эолового песка, бурение проводится над открытым забоем, образованным после выемки очистного забоя добычи, и открытый забой напрямую закладывают эоловым песком поэтапно перед подземным периодическим нагружением так, что обеспечивают закладку открытого забоя эоловым песком. Поскольку залегание угольного пласта на западе является неглубоким и имеется толстый перекрывающий сыпучий слой, а также тонкое скальное основание, объем работ, необходимый при бурении, является небольшим, затраты являются низкими и цикл строительства является коротким. Кроме того, проблемы разрушения перекрывающей породы и оседания грунта земной поверхности могут быть эффективно решены, при этом устраняются опасности прорыва воды и плывуна, что уменьшает влияние на окружающую среду западного района горных разработок. Новый технический подход создан для начального этапа разработки в западных опустыненных районах горных работ Китая, и имеет высокую экономическую эффективность производства, обеспечивает уменьшение инвестиций в оборудование и низкие расходы на закладку. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ закладки открытого забоя эоловым песком в угольном пласте неглубокого залегания в западных опустыненных районах горных работ, включающий следующие этапы:

a) определение технических параметров очистного забоя (8) добычи угля и скважин (1) подачи сыпучего песка, согласно характеристикам залегания угольного пласта и горнотехническим условиям;

b) распределенное фиксированное бурение, включающее: бурение множества скважин (1) подачи сыпучего песка, ведущих к поверхности земли, на соответствующем расстоянии над очистным забоем (8) добычи угля и открытым забоем (9), образованным после выемки;

c) перемещение материалов в заданном количестве с поверхности земли, включающее: расположение лебедок для скреперных работ с песком вокруг скважины (1) подачи сыпучего песка на поверхности земли, перемещение целевого объема периферийного эолового песка в скважину (1) подачи сыпучего песка, управление расходом эолового песка, и обеспечение стабильности и безопасности скважины (1) подачи сыпучего песка и ее прилегающих зон;

d) циклическое повторение операций на рабочем забое, включающих: поэтапную закладку открытого забоя (9) перед подземным периодическим нагружением при продвижении работ по выемке угля для обеспечения закладки открытого забоя эоловым песком,

причем если свойства текучести гравитационного потока эолового песка являются недостаточными, предусматривают выравнивающую систему возвратно-поступательного перемещения для содействия операции закладки; причем выравнивающая система возвратно-поступательного перемещения содержит лебедку (2) для скреперных работ с песком, скреперные ковши (3), шкивы (4) и направляющую (5) шкивов; причем скреперные ковши (3) соединены соответственно с лебедкой (2) для скреперных работ с песком и шкивами (4) стальными тросами, направляющая (5) шкивов расположена на кровле входа (7) в выработанное пространство с обеих сторон очистного забоя (8) добычи угля, направляющая (6) лебедки расположена на подошве входа в выработанное пространство и указанная лебедка (2) для скреперных работ с песком выполнена с возможностью перемещения по направляющей (6) лебедки; причем при продвижении очистного забоя (8) добычи угля управляют скреперными ковшами (3) для возвратно-поступательного перемещения в открытом забое (9) для равномерного выравнивания кучи песка, образованной под скважиной (1) подачи сыпучего песка при подаче материала, и своевременной закладки открытого забоя (9); причем после закладки открытого забоя (9) лебедку (2) для скреперных работ с песком перемещают по направлению к очистному забою (8) добычи угля вдоль направляющей (6) лебедки и одновременно перемещают шкивы (4) по направлению к очистному забою (8) добычи угля вдоль направляющей (5) шкивов.

2. Способ по п. 1, в котором проходной диаметр скважины (1) подачи сыпучего песка не меньше эквивалентного диаметра d₀, при котором эоловый песок свободно падает; причем в данном случае эквивалентный диаметр , где А - производительность добычи угля, проходной диаметр составляет, как правило, 200-400 мм, а расход эолового песка составляет, как правило, 0,04-0,20 м³/с.

3. Способ по п. 1, в котором длина очистного забоя (8) добычи угля ограничена в зависимости от длины троса лебедки для скреперных работ с песком, расположенной под землей, и составляет, как правило, не больше 100 м.

4. Способ по п. 1, в котором если ширина открытого забоя (9) вдоль направления простирания пласта большая и самостабилизация кровли является недостаточной, используют временную крепь для увеличения прочности кровли и продления времени самостабилизации.

5. Способ по п. 1, в котором расстояние между скважинами (1) подачи сыпучего песка ограничено в зависимости от длины троса лебедки для скреперных работ с песком, расположенной под землей, и составляет, как правило, не больше 100 м и не меньше 5-15 м.

6. Способ по п. 1, в котором шаг сетки скважин (1) подачи сыпучего песка согласуют с пролетом самостабилизации открытого забоя (9) в направлении продвижения очистного забоя (8) добычи угля и шаговым расстоянием периодического нагружения очистного забоя и составляет, как правило, не больше 10-40 м для максимально возможного уменьшения расстояния перемещения эолового песка в направлении продвижения очистного забоя добычи угля; причем шаговое расстояние периодического нагружения рабочего забоя определяют согласно формуле: , где L_IS - шаговое расстояние периодического нагружения основной кровли, R_T - предел прочности слоя горной породы основной кровли, q - нагрузка на перекрытия горной породы основной кровли, и h - толщина отдельного слоя горной породы основной кровли.