Способ разработки тонких и весьма тонких угольных пластов Российский патент 2021 года по МПК E21C41/18 E21C27/08 

Изобретение относится к горному делу, в частности к разработке угольных пластов, а именно тонких и весьма тонких угольных пластов мощностью до 1,2 м, в том числе пологопадающих, наклонных и крутонаклонных угольных пластов, и может быть использовано для комплексного освоения угольных пластов.

Из уровня техники известен способ выемки угля бурошнековыми комплексами, которые выбуривают уголь из пласта, образуя выемочные скважины прямоугольной или круглой формы. При этом, человек не находится в скважине. Между скважинами оставляют целики угля определенной ширины, на которых поддерживается кровля пласта. Используемая горная выработка проветривается за счет общешахтной системы вентиляции [«Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» том 1, Л.А. Пучков, Ю.А. Жежелевский, Москва изд. Московского государственного университета, изд. «Горная книга», раздел 4 глава 2.13. «Системы разработки с короткими забоями», стр. 372 - 374, 2009 г.].

Из уровня техники также известен способ разработки тонких угольных пластов, который включает проведение выработок, отработку пласта и перемещение нарезанных из пород почвы или кровли монолитных блоков и согласно изобретению, предусматривает отработку пласта полосами и размещение породных блоков после отработки очередной полосы одновременно с очистной выемкой следующей полосы. Размер монолитных блоков соответствует размерам забоя, которые определяют исходя из условия поддержания кровли забоя без крепления. Перемещение блоков осуществляют с помощью гидродомкратов многократной раздвижности [Патент на изобретение № RU 2188321, дата публикации 27.08.2002].

Осуществление данного технического решения не соответствует современным правилам безопасности для угольных шахт, так как из проводимой тупиковой выработки может осуществляться проходка еще только одного забоя, обособленно проветриваемого своим вентилятором местного проветривания. При этом опытные арифметические расчеты показали, что количества породных блоков, извлеченных при проходке горной выработки по данному техническому решению недостаточно для обеспечения безопасности людей, работающих в очистных забоях, в части поддержания горного массива от обрушения.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является способ проходки выемочного поля, представляющий собой проходку промштреков и просеков, производимую с помощью комбайна или буровзрывных работ с нижней и верхней подрывкой пород пласта. Способ заключается в следующем. При прохождении первых 30м порода выдается на поверхность. После того, как просек или промштрек пройден на указанное расстояние, монтируется бурошнековая и закладочная установки. Выемка угля установкой производится скважинами по одну сторону от промштрека. В дальнейшем отбитая порода, полученная от проходки промштреков породопогрузочной машиной или комбайном, грузится на перегружатель, который загружает породу в дробилку. После дробления порода с помощью конвейера загружается в питатель, а оттуда с помощью сжатого воздуха по трубопроводу (закладочный став) подается в закладываемую скважину, полученную в процессе бурошнековой выемки. По мере необходимости закладочный став наращивается либо сокращается. Одновременно с подготовкой выемочного поля извлекается уголь из каждого четного с помощью бурошнековой установки. По мере выемки скважин в столбе в промштреке настилается конвейер для выдачи угля, который используется затем и при отработке лавами [Патент на изобретение № SU 350961, дата публикации 13.09.1972].

Недостатком ближайшего аналога является то, что отработка пласта в данном способе подразумевает подготовку запасов парными штреками с оставлением целиков между ними, либо проходку штреков широким забоем с односторонней раскоской, и осуществляется, помимо бурошнековых комплексов, лавами, оборудованными очистными комплексами с управлением кровлей полным обрушением. Если добываемый уголь имеет свойства к самовозгоранию, то целики, оставленные в неконтролируемом выработанном пространстве, будут источником возникновения эндогенных пожаров. Данный способ осуществляется только при отработке тонких пологопадающих угольных пластов, то есть пластов мощностью от 0,71 м до 1,2 м и с углом падения до 18°, что сильно сужает область применения. Как показала практика, за период с 1972 года, по настоящее время, так и не удалось создать очистные комплексы, которые смогли бы работать на пластах, мощностью до 1,0 м с положительным экономическим эффектом, ввиду неизбежной присечки боковых пород и засорения добываемого угля минеральными примесями. Также данный способ не подходит для отработки сближенных пластов или пластов, опасных по динамическим явлениям, так как выработанное пространство одного из пластов, представленное обрушенными породами и разупрочненными целиками, будет формировать зоны повышенного горного давления на сближенном пласте, что будет негативно сказываться при его отработке. Кроме того, выемка угля вышеперечисленными способами требует наличие не менее двух выработок, например, выработки для обеспечения транспорта угля, для движения людей, материалов, а также использования общешахтной вентиляции для проветривания.

Технической проблемой, на разрешение которой направлено заявляемое изобретение, является низкая экономическая эффективность известных способов разработки тонких и весьма тонких угольных пластов, а также недостаточный уровень промышленной безопасности, особенно в условиях опасных по газу метану, самовозгоранию угля, горным динамическим явлениям.

Технический результат заключается в расширении области применения способа разработки для тонких и весьма тонких угольных пластов при одновременном повышении промышленной безопасности, включая контроль выработанного пространства.

Сущность заявляемого изобретения.

Способ разработки тонких и весьма тонких угольных пластов в тупиковой выемочной горной выработке включает проведение по меньшей мере одной подготовительной выработки, отработку пласта, нарезание блоков из присекаемых пород кровли или почвы и их перемещение в выработанное пространство, бурение выемочных скважин с помощью бурошнековых комплексов, одновременно с этим осуществляют формирование закладочного материала путем измельчения извлеченной породы с помощью оборудования для дробления и закладка выемочных скважин с помощью закладочного оборудования. В отличие от ближайшего аналога, пласт вынимают в одну или в обе стороны выработки, перед измельчением блоки породы перемещают в место временного хранения, а закладочный материал получают путем смешивания измельченной породы с водой с добавлением по меньшей мере одного вяжущего компонента, при этом процесс закладки выемочных скважин регулируется в зависимости от текущего давления закладочного материала в закладочном трубопроводе закладочного оборудования, после завершения закладки осуществляют перекрытие устьев выемочных скважин герметичными перемычками.

Проведение подготовительных выработок может заключаться в проведении любых известных из уровня техники выработок, например, для обеспечения транспорта угля, для движения людей или материалов. Первоначально проводится по меньшей мере одна выработка для осуществления общешахтного транспорта горной массы, входящая в общешахтную систему вентиляции, содержащая вентилятор местного проветривания и вентиляционный трубопровод, а также установки любых известных из уровня техники систем дегазации, пожаротушения, водо- и электроснабжения.

Проходка по пласту может быть осуществлена с помощью любого известного из уровня техники проходческого оборудования, например, проходческого комбайна. Транспортировка отбитого угля или породы может осуществляться с помощью по меньшей мере одного конвейера, например, скребкового на общешахтный конвейер.

Перемещение извлеченных блоков породы может быть выполнено с помощью перегружателя и породопогрузочной машины, которые расположены за проходческой техникой.

Измельчение блоков породы может быть осуществлено с помощью любого известного из уровня техники оборудования для дробления, обеспечивающего измельчение породы размером не более 40 мм.

Выемочные скважины могут быть пробурены в бока выемочной горной выработки с помощью бурошнековых комплексов с оставлением между ними поддерживающих угольных целиков. Первоначально осуществляется бурение нисходящих выемочных скважин. В случае если бурение нисходящих выемочных скважин невозможно или их объем недостаточен для закладки всего объема получаемого закладочного материала, при проходке выемочной горной выработки осуществляется бурение восходящих выемочных скважин.

Герметичные перемычки для перекрытия устьев выемочных скважин после завершения закладки могут быть выполнены, например, в виде нескольких рядов из рудничных стоек, установленных вплотую с обмазкой глиной, или блоков на породной или шлаковой основе с добавлением вяжущего материала, а также из закладочного материала. Ширина перемычек является расчетной величиной и зависит от мощности пласта, его несущей способности, глубины отработки, а также физико-механических свойств пород кровли и почвы. Опытным путем выявлено, что оптимальная ширина перемычек составляет от 0,8 до 1,2 м. Перекрытие выемочных скважин герметичными перемычками не допускает неконтролируемую миграцию рудничной атмосферы под действием общешахтной вентиляционной системы и обеспечивает дополнительную поддержку выработанного пространства. Отсутствие миграции рудничной атмосферы препятствует возникновению взрывоопасных концентраций метана с кислородом, что обеспечивает безопасность проведения и эксплуатацию выработки.

Перед измельчением и получением закладочного материала нарезанные блоки породы перемещают в место временного хранения породы, образованного между перегружателем и породопогрузочной машиной, расположенной по отношению к перегружателю таким образом, чтобы между ними всегда было свободное пространство.

Закладка выемочных скважин может осуществляться с помощью закладочного оборудования, обеспечивающего давление от 15 до 30 МПа. Закладка может осуществляться путем полного, частичного или зонального заполнения скважин. Схема заполнения зависит от угла наклона скважин и необходимой дальнейшей сопротивляемости против осадки кровли пласта. Заполняемость определяется по фактическому давлению закладочного материала в закладочном трубопроводе в процессе закладки, при этом достижение максимально допустимого в данных условиях значения давления свидетельствует о заполнении скважины в данной зоне, после чего трубопровод перемещается на необходимую длину и процесс закладки возобновляется. дополнительно, с помощью вентилей закладочной установки, осуществляется регулирование направления потока закладочного материала в нисходящие или восходящие скважины.

Получение закладочного материала осуществляется путем смешивания измельченной в дробилке породы с водой с периодическим или постоянным добавлением по меньшей мере одного вяжущего компонента. В качестве вяжущего компонента могут быть использованы любые известные из уровня техники вяжущие твердеющие смеси, например, молотые металлургические шлаки, зола, цемент или природные материалы. При этом подготовка закладочного материала может быть осуществлена одновременно с проходкой горной выработки и бурением выемочных скважин.

Вариативное добавление в закладочный материал вяжущего компонента позволяет создавать в выработанном пространстве регулируемые по несущей способности искусственные опоры, создающие дополнительное сопротивление горному массиву против обрушения. Закладки выемочных скважин осуществляется под давлением от 15 до 30 мпа, что значительно больше в сравнении с давлением до 0,8-1,0 мпа, развиваемым используемыми в известных способах закладки пневмозакладочными комплексами. При этом, в зависимости от принятой схемы и параметров заполнения скважин, закладочный материал заполняет трещины в угольных целиках, оставляемых между скважинами и в породах кровли и почвы пласта. Одновременно с этим, под воздействием горного давления угольные целики начинают деформироваться и частично разрушаться, а закладочный материал начинает уплотняться и передавать горное давление на стенки угольных целиков, между которыми он находится, препятствуя таким образом, их разрушению. В тоже время, постепенное раскрытие природных трещин в кровле пласта будет сопровождаться их заполнением (пропиткой) водой из закладочного материала, содержащей частицы вяжущего материала, что автоматически обеспечит повышение устойчивости и несущей способности пород кровли пласта. Данное обстоятельство также повышает надежность процессов бурения скважин, извлечения бурошнекового инструмента, закладки вновь образованных выемочных скважин. Практика использования бурошнековых комплексов без закладки выемочных скважин показывает, что опускание кровли пласта в приконтурной зоне выемочной выработки происходит на величину равную примерно до 20-30% от вынимаемой мощности пласта. С учетом закладки выемочных скважин опускание кровли пласта уменьшится, что снизит до минимума деформации выемочной выработки и установленной в ней крепи. При этом затвердевший закладочный материал и упрочненные пласт, кровля и почва пласта, будут препятствовать дренажу воды, в том числе из самого закладочного материала, и являться надежной искусственной опорой, препятствующей прорыву воды в нижележащие выработки.

Таким образом, заявляемое изобретение характеризуется новыми, ранее неизвестными из доступных источников информации существенными признаками, заключающимися в перемещении блоков породы в место временного хранение перед их измельчением, в получении закладочного материала путем смешивания измельченной породы с водой с добавлением по меньшей мере одного вяжущего компонента и регулировании процесса закладки выемочных скважин. Наличие вышеописанных существенных признаков обеспечивает достижение технического результата по расширению области применения способа разработки для тонких и весьма тонких угольных пластов при одновременном повышении уровня безопасности ведения горных работ за счет появления возможности контролирования состояния выработанного пространства и решает проблему низкой эффективности известных способов разработки тонких и весьма тонких угольных пластов, а также проблему повышенной опасности условий труда при разработке тонких и весьма тонких пластов, что явным образом не следует из уровня техники и позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявляемое изобретение может быть выполнено известными способами с использованием известных материалов, что обеспечивает его соответствие критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 - вид горной выработки при достижении длины 60-70 м.

Фиг. 2 - вид горной выработки при достижении длины 100-150 м

Принцип действия заявляемого изобретения заключается в следующем.

Комбайн 1 первоначально отбивает угольный пласт, который поступает на перегружатель 2, далее на скребковый конвейер 3, далее на общешахтный конвейер 4, при достижении длины выработки 60-70 м осуществляют бурение нисходящих выемочных скважин 5 с помощью бурошнековых комплексов 6. Затем комбайн 1 вынимает блоки породы и через перегружатель 2 перемещает их на временное место хранения на почве 7. Породопогрузочная машина 8 перемещает блоки породы в дробилку 9, где происходит их измельчение до размера менее 40 мм. Затем измельченную породу смешивают с водой с добавлением вяжущего компонента, и уже в виде закладочного материала 15 насосом 10 нагнетают в закладочный трубопровод 11, при достижении установленного уровня давления в закладочном трубопроводе 11 (до 30 мпа) корректируют положение трубы закладочного трубопровода 11 и продолжают закладку при его снижении. При достижении длины выработки 100-150 м осуществляют бурение восходящих выемочных скважин 12. После закладки нисходящей скважины 5 с помощью вентилей 13 регулирования потока закладочный материал направляют в восходящую выемочную скважину 12. Устья скважин, после извлечения бурошнекового инструмента, герметизируют перемычками 14.

Изобретение относится к горному делу, в частности к разработке угольных пластов, а именно тонких и весьма тонких угольных пластов мощностью до 1,2 м, в том числе пологопадающих, наклонных и крутонаклонных угольных пластов, и может быть использовано для комплексного освоения угольных пластов. Способ разработки тонких и весьма тонких угольных пластов в тупиковой выемочной горной выработке включает проведение по меньшей мере одной подготовительной выработки, отработку пласта, нарезание блоков из присекаемых пород кровли или почвы и их перемещение в выработанное пространство, бурение выемочных скважин с помощью бурошнековых комплексов. Одновременно осуществляют формирование закладочного материала путем измельчения извлеченной породы с помощью оборудования для дробления и закладку выемочных скважин с помощью закладочного оборудования. Пласт вынимают в одну или в обе стороны выработки. Перед измельчением блоки породы перемещают в место временного хранения, а закладочный материал получают путем смешивания измельченной породы с водой с добавлением по меньшей мере одного вяжущего компонента. Процесс закладки выемочных скважин регулируется в зависимости от текущего давления закладочного материала в закладочном трубопроводе закладочного оборудования. После завершения закладки осуществляют перекрытие устьев выемочных скважин герметичными перемычками. Технический результат заключается в расширении области применения способа разработки для тонких и весьма тонких угольных пластов при одновременном повышении промышленной безопасности, включая контроль выработанного пространства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разработки тонких и весьма тонких угольных пластов в тупиковой выемочной горной выработке, включающий проведение по меньшей мере одной подготовительной выработки, отработку пласта, нарезание блоков из присекаемых пород кровли или почвы и их перемещение в выработанное пространство, бурение выемочных скважин с помощью бурошнековых комплексов, одновременно с этим осуществляют формирование закладочного материала путем измельчения извлеченной породы с помощью оборудования для дробления и закладку выемочных скважин с помощью закладочного оборудования, отличающийся тем, что пласт вынимают в одну или в обе стороны выработки, перед измельчением блоки породы перемещают в место временного хранения, а закладочный материал получают путем смешивания измельченной породы с водой с добавлением по меньшей мере одного вяжущего компонента, при этом процесс закладки выемочных скважин регулируется в зависимости от текущего давления закладочного материала в закладочном трубопроводе закладочного оборудования, после завершения закладки осуществляют перекрытие устьев выемочных скважин герметичными перемычками.

2. Способ разработки тонких и весьма тонких угольных пластов по п.1, отличающийся тем, что первоначально осуществляют бурение нисходящих выемочных скважин, бурение восходящих выемочных скважин осуществляют, если бурение нисходящих выемочных скважин невозможно или их объем недостаточен для закладки всего объема получаемого закладочного материала.

3. Способ разработки тонких и весьма тонких угольных пластов по п.1, отличающийся тем, что закладку осуществляют путем полного, частичного или зонального заполнения скважин, заполняемость определяют по фактическому давлению закладочного материала в закладочном трубопроводе в процессе закладки.