Технология организации первичных работ на горном производстве
Контрольная
работа
Технология
организации первичных работ на горном производстве
Содержание
1.
Общие сведения о горном производстве
. Горные
породы и полезные ископаемые
. Шахта и
шахтное поле. Основные параметры шахты
. Подземные
горные выработки
.
Технологические процессы и операции
6.
Очистные работы
. Горное
давление и шахтная крепь
. Управление
горным давлением
. Концевые
операции в лаве
. Монтаж и
демонтаж механизированных комплексов
Литература
1. Общие
сведения о горном производстве
Горнодобывающая промышленность является
топливно-сырьевой базой народного хозяйства. Ежегодно в мире добывается и
перерабатывается более 20 млрд. тонн различных минеральных веществ - угля,
нефти, руд чёрных и цветных металлов, строительных материалов, солей и т. д.
Угольная промышленность, являясь одной из
отраслей горнодобывающей промышленности, обеспечивает топливом и энергией
значительную часть отраслей народного хозяйства. Мировое распределение
потребляемой энергии по видам энергоносителей характеризуется следующими
данными:
Уголь - 30,0% , нефть - 44,0% , газ - 22,0% ,
гидро- и атомная энергия - 4,1% /1997/
Уголь является не только топливом, но и сырьем
для производства более чем 400 различных продуктов - смолы, краски, ВВ, мыла,
пластмассы и т.д. В мире ежегодно добывается более 4 млрд. тонн каменного,
бурого угля и лигнита. Большая часть этой добычи приходиться на десяток
основных угледобывающих стран /более 100млн. тонн в год/:
КНР - более 1,2млрд. тонн, США - 880млрд. тонн,
Россия - 570млн. тонн, Германия - 500 млн. тонн, Польша - 280 млн. тонн, ЮАР -
210 млн. тонн, Великобритания - 205 млн. тонн, Чехословакия - 165 млн. тонн,
Индия - 230 млн. тонн, Австралия - 190 млн. тонн в год.
Развитие угольной промышленности в России
официально считается с 1721 года - года регистрации угольных месторождений
России в Горной коллегии. Подземная разработка угля тесно связана с именами
таких выдающихся людей - деятелей горного дела как академики Л.Д. Шевяков, А.М.
Терпигорев, А.А. Скочинский, Н.Б. Мельников, профессор Б.И. Бокий, М.М.
Протодьяконов и многие другие. Большой вклад в развитие горного дела внес М.В.
Ломоносов.
В бывшем СССР насчитывается около 30 действующих
бассейнов, основными из которых являются:
Донецкий угольных бассейн. Открыт в 1721 году
Григорием Капустины. Промышленная разработка началась в 1723 году в районе
Бахмута /Артемовск/. Площадь бассейна - 60 тыс. кв. км. Запасы около 140 млрд.
тонн, в том числе кондициям отвечают 108 млрд. тонн. Горные работы ведутся на
глубине 400-800 метров, отдельные шахты перешагнули 1000 м. Мощность
разрабатываемых пластов от 0,6 до 1,2 метров, в отдельных случаях до 2,5 м. С
Донбассом связаны многие почины, всесоюзные и республиканские рекорды, Донбасс
является родиной стахановского движения /1935/.
Добыча угля до революции - 25,3 млн. тонн в год,
в настоящее время - 205 млн. тонн - наивысшая в СНГ.
Кузнецкий угольный бассейн. Открыт в 1721 г.
Михаилом Волковым, первая шахта - "Бачатские копи" - в 1851 году.
26,7 тыс. кв. км. Кондиционные запасы - 548 млрд. тонн. Глубина работ - 200-600
метров. Мощности пластов от 0,6 до 30 метров. 68 шахт, 22 разреза. Около 150
млн. тонн в год.
Карагандинский угольный бассейн. Открыт в 1833
году Апаком Байжановым, первые разработки начаты купцом Никоном Ушаковым в 1854
году. Площадь бассейна составляет около 3,6 тыс. кв. км. В 70-е годы
девятнадцатого века продан французским и английским помышленникам. В 1900 году
добыча прекращена - бассейн считается истощённым. В 20-е годы А.А. Гапеев
доказал перспективность бассейна. Запасы 7,8 млрд. тонн, 30 рабочих пластов
мощностью от 0,6 до 3,0м. Горные работы ведутся на глубине 200-600м. 12 шахт, 2
разреза, 15 млн. тонн.
Подмосковный угольный бассейн. Открыт в 1722г.
Иваном Палициным, добыча начата в 1855 году. 2 млрд. тонн. Промышленное значение
имеют 4 пласта.120 тыс. кв. км., 38 шахт, 4 разреза, 19 млн. тонн.
Печорский угольный бассейн. Первые упоминания в
1828 году. Добыча с 1934 года. 90 тыс. кв. км. Запасы 265 млрд. тонн. Глубина
работ 150-900м. 18шахт, 30млн. тонн.
Помимо этого разработка ведётся в
Львовско-Волынском, Иркутском,Южно-Якутском, Черемховском бассейнах,
месторождениях Грузии, Урала, Средней Азии, Дальнего Востока, Сахалина и во
многих других местах. Общие запасы угля в мире около 14,5 триллионов тонн,
значительно больше запасов всех остальных энергоносителей вместе взятых. Из них
на долю стран СНГ приходится более 8,5 триллионов тонн. На территории России
расположены уникальные по запасом бассейны: Ленский, Таймырский, Чукотский,
Тунгусский, запасы которого более 2 трлн. тонн. Эти бассейны пока ещё не
разрабатываются.
2. Горные
породы и элементы их залегания
Минерал - природное химическое соединение
различных элементов, образовавшееся в результате естественных физико-химических
процессов.
Минералы слагают горные породы, которые могут
состоять из одного или нескольких минералов.
Горные породы делятся на полезные ископаемые и
пустые породы.
Полезное ископаемое - природные минеральные
вещества, которые при современном уровне техники, могут быть с достаточным
экономическим эффектом использованы в народном хозяйстве в естественном виде
или после переработки.
Пустые породы - либо окружают полезное
ископаемое(боковые породы), либо содержатся внутри его.
Такое деление конечно условно.
Горные породы могут классифицироваться по:
а) агрегатному состоянию - твёрдые, жидкие,
газообразные.
б) по виду использования - горючие, руды чёрных
и цветных металлов, строительные материалы, химическое сырье и т.д.
в) по происхождению - коренные или изверженные
(эффузивные - излившиеся на поверхность и интрузивные - застывшие внутри земной
коры);
метаморфические - видоизмененные под
воздействием температуры и давления;
осадочные - обломочные ( песчаники, сланцы,
глины ), химические
( соли ) и органические (уголь, известняк, и
т.д.)
Особенности происхождения определяют основные
физико-химические свойства горных пород:
Твёрдость - способность горной породы
сопротивляться внедрению инструмента;
Относительная твёрдость определяется по шкале
Мооса, состоящей из 10 эталонных минералов, каждый из которых оставляет на
предыдущем царапину:
Тальк -1; Гипс - 2; Кальцит - 3; Флюорит - 4;
Апатит - 5; Полевой шпат - 6; Кварц - 7; Топаз - 8; Корунд - 9; Алмаз - 10.
Вязкость - способность горной породы
сопротивляться отделению части от её массива;
Хрупкость - обратная вязкости;
Пластичность - способность горной породы
изгибаться без разрыва сплошности;
Разрыхляемость - способность горной породы
увеличиваться в объёме после разрушения
Для угля основные свойства объединяются единым
критерием - сопротивляемость угля резанию - способность углей противостоять
механическому воздействию - кг/см
Совместное влияние различных свойств горных
пород на их добываемость характеризуется - коэффициентом крепости горных пород
(коэф. М.М. Протодьяконова)
для угля 
= 1-2; аргиллита
3-4; песчаника 6-8
Скопление полезного ископаемого в земной коре
называется месторождением.
Сосредоточение несколько аналогичных
месторождений в одном географическом районе называется бассейном.
Полезные ископаемые могут залегать в виде:
Пласт - залегание осадочных горных пород в виде
плиты, ограниченной более или менее параллельными плоскостями. Пласты связаны с
окружающими породами стратиграфически, т.е. по возрасту ( чем выше залегает
слой пород, тем он моложе ). В пластах залегают угли, сланцы, известняки, соли.
Залежь - скопление полезного ископаемого в
земной коре, отчётливо отличающееся от окружающих пород, стратиграфически не
связаное с ними. Обычно образуются при застывании магмы. В залежах залегают
руды металлов.
Жила - трещина в земной коре, заполненная
минеральным веществом.
Кроме того, могут встречаться лакколиты,
батолиты, друзы, гнёзда, россыпи и т.д.
Неоднократные подъёмы и опускания земной коры
(трансгрессии и регрессии) привели к образованию нескольких пластов - свит.
Пустые породы, окружающие полезное ископаемое,
называется боковыми или вмещающими.
Сверху - кровля или висячий бок, снизу - почва
или лежачий бок.
Пустые породы, находящиеся внутри полезного
ископаемого называется прослойками.
Положение пласта в пространстве определяется
элементами залегания.
а) линия простирания - линия пересечения пласта
с горизонтальной плоскостью.
б) азимут простирания - угол между линией
простирания и направлением нулевого меридиана.
в) линия падения - линия пересечения пласта с
вертикальной плоскостью
г) угол падения - угол, образованный линией
падения и горизонтальной плоскостью.
д) мощность - расстояние между кровлей и
подошвой пласта по нормали.
Угольные пласты делятся:
а) по мощности:
весьма тонкие - 0,0-0,7м.
тонкие - 0,71-1,3м.
средней мощности -1,31-3,5м.
мощные - свыше 3,5м.
б) по углу падения:
пологие 0° -18°
наклонные 18 - 35
круто наклонные 35° - 55°
крутые свыше 55°
В период образования полезные ископаемые
(особенно осадочные) залегали горизонтально.
К генетическим нарушениям можно отнести: вздутие
или утонение пласта, вклинивание пласта, расщепление пласта и т.д.
Однако, под воздействием тектонических смещений
земной коры пласты значительно меняют своё положение. Возникают тектонические
нарушения:
Пликативные - (без разрыва сплошности):
Антиклиналь - складка "горбом вверх" 
Синклиналь - складка "горбом вниз" 
Моноклиналь - резкое изменение угла падения;
а так же дизъюнктивные (с разрывом сплошности)
Сброс
Взброс
Сдвиг
Надвиг
Горст
Грабен и другие
Эти нарушения в значительной мере мешают
нормальной разработке, особенно если амплитуда их превышает мощность пласта.
Поскольку полезные ископаемые залегают на
значительной глубине и покрыты наносами, для определения их местонахождения
должны применяться разнообразные методы поисков и разведки.
Поиск - обнаружение месторождения по
определенным внешним или специальным признакам и обоснование дальнейших
геологоразведочных работ.
Специальные методы поиска:
Магнитометрический - для поиска ферромагнитных
материалов (железа, марганца)
Радиометрический - для поиска радиоактивных руд
(урана, радона, тория и т.д.)
Сейсмометрический - основан на различии скорости
распространения звуковых волн, вызываемых взрывом заряда, в различных породах.
Обычно для поиска жидких и газообразных тел.
Электрометрический - основан на разнице
электрического сопротивления различных горных пород.
Гравиметрический - основан на различии
плотностей различных пород.
После обнаружения месторождения птупают к
геологоразведочным работам: предварительная, детальная и эксплутационная
разведки при помощи разведочных шурфов, каналов, скважин, извлечения керна и
т.д.
Целью разведки является установление размеров и
границ месторождения и определение его запасов.
По степени разведанности и изученности качества
полезного ископаемого запасы месторождения делятся на следующие категории:
Категория А - запасы, разведанные и изученные с
детальностью, обеспечивающей полное выявление условий залегания. Имеются все
данные о качестве и технологичных свойствах полезного ископаемого.
Категория В - запасы, разведанные и изученные с
детальностью, обеспечивающей выявление основных особенностей залегания и
основных свойств полезного ископаемого.
Категория С1 - запасы, разведанные и изученные с
детальностью, обеспечивающей общие сведения о формах, условиях залегания и
качестве полезного ископаемого.
Категория С2 - запасы, разведанные
геофизическими способами или по единичным пробам. При проектировании в расчёт
не принимаются.
Благонадежность месторождения - оценивается
потребностью народного хозяйства в данном полезном ископаемом и именно из
данного месторождения, запасами полезного ископаемого в месторождении, наличие
в близи месторождения потребителей, дорог, рабочей силы, жилищно-коммунальных
услуг, энергии и т.д., социальными условиями - занятость населения, развития
отдельных районов или государственными интересами (оборона и прочее).
В зависимости от содержания углерода и других
составных частей ископаемые угли делятся на:
Бурые - содержат 60-75% углерода, много влаги и
золы. Малой прочности. Теплотворная способность 5000-7200ккал/кг. При хранении
на
воздухе
быстро выветриваются. В основном используются как энергетическое топливо и в
химической промышленности.
Каменные - содержат 75-87% углерода.
Теплотворная способность 7500-9000ккал/кг. Крепкие, чёрного цвета. Наиболее
ценными являются коксующие угли. При коксовании выделяется смолы и газы, из
которых изготавливают более 300 различных веществ.
Антрациты - содержат 87-98 %
углерода. Цвет - бархатисто-черный. Очень крепкие, горят почти
без пламени и дыма, не спекаются.
3. Шахта и
шахтное поле
Добыча полезных ископаемых (П.И). осуществляется
на предприятиях горнодобывающей промышленности - шахтах, рудниках, карьерах,
разрезах.
ШАХТА - это горное предприятие, осуществляющее
добычу П.И. (преимущественно угля) подземным способом и отгрузку его
непосредственно потребителям или на центральную обогатительную фабрику. Шахта
состоит из поверхностных сооружений и сети подземных горных выработок,
предназначенных для разработки месторождения в пределах шахтного поля.
ШАХТНОЕ ПОЛЕ - месторождение или его часть,
отведенная отдельной шахте для разработки. Наивыгоднейшая форма Ш.П. -
прямоугольная.
Поле оконтурено верхней и нижней, а также
боковыми (восточной или западной, северной или южной) техническими границами.
Расстояние между верхней и нижней границами по
линии падения называется размером поля шахты по падению - Н - обычно составляет
2-3 км, доходя до 5 км; между боковыми границами - размером шахтного поля по
простиранию - 6-7 км, иногда составляет 20 км.
Основными параметрами шахты, характеризующими
всю деятельность предприятия, являются:
. ЗАПАСЫ ШАХТНОГО ПОЛЯ. Различают геологические
запасы - все запасы п.и. в пределах поля, независимо от их качества и
горногеологических условий залегания.
Геологические запасы подразделяются на: балансовые
- использование которых согласно утвержденным кондициям экономически
целесообразно при существующей или осваиваемой прогрессивной технике и
технологии добычи и переработки сырья с соблюдением требований по рациональному
использованию недр и охране окружающей среды; и забалансовые,
использование которых согласно утвержденным кондициям в настоящее время
нецелесообразно или технически и технологически невозможно, но которые могут
быть в дальнейшем переведены в балансовые.
Часть балансовых запасов, которая должна быть
извлечена из недр по проекту или плану развития горных работ называется промышленными
запасами. Они определяются путем исключения из балансовых запасов проектных
потерь.
По степени подготовленности к добычи
промышленные запасы делятся на:
Вскрытые - часть П.З. для разработки которых не
требуется проведение капитальных горных выработок, шахтных стволов, штолен,
капитальных квершлагов, уклонов и т. д.
Подготовленные - часть вскрытых запасов, которые
подсечены основными подготовительными выработками (штреками) и не требуют для
дальнейшей подготовки к очистной выемке проведения дополнительных
подготовительных выработок.
Готовые к выемке - часть подготовленных запасов,
для извлечения которых проведены все подготовительные и нарезные выработки и
законченные работы по подготовке очистных забоев.
Потери полезного ископаемого делятся на: общешахтные
- потери в охранных целиках около капитальных выработок, под зданиями и
сооружениями, водоемами на поверхности, в барьерных целиках между шахтными
полями и эксплуатационные - теряемые непосредственно в процессе разработки - в
целиках у подготовительных выработок, у геологических нарушений, в
неизвлекаемых пачках пласта, потери уже отбитого п.и.
Отношение промышленных запасов к балансовым
называется коэффициентом извлечения, который обычно составляет 0,75 - 0,96.
. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ МОЩНОСТЬ - максимально
возможная добыча п.и. установленного качества в единицу времени (сутки, год).
Различают проектную - определенную в проекте
добычу п.и., плановую - добычу, запланированную шахте на определенный период
времени и фактическую производственные мощности.
Производственная мощность определяется исходя из
условий производственной - нагрузки на отдельный очистной забой, количества
забоев, организации работ и т.д.
Типовыми производственными мощностями угольных
шахт являются: 4000 т/сут или 1,2 млн. т/год (при 300 рабочих днях); 5000 т/сут
(1,5 млн. т/год); 6000т/сут (1,8 млн. т/год); 7000 т/сут (2,1 млн. т/год); 8000
(2,4); 9000 (3,0); 12000 т/сут (3,6 млн.т/год).
В настоящее время не рекомендуется проектировать
шахты с производственной мощностью менее 6000 т/сут.
. СРОК СЛУЖБЫ - время работы шахты по добыче
п.и. Различают расчетный - определяется делением промышленных запасов на
производственную мощность и полный срок службы - к расчетному сроку
прибавляется время на развитие и затухание работ (от 3 до 6 лет).
. КОЛИЧЕСТВО ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ. Расчетным путем
определяется количество действующих забоев, обеспечивающих плановую добычу
предприятия, на каждые 4-5 действующих, прибавляется один резервный очистной
забой.
. СУММАРНАЯ ДЛИНА ЛИНИИ ОЧИСТНЫХ ЗАБОЕВ.
От основных параметров зависят все остальные
показатели работы шахты - численность рабочих и ППП, фонд зарплаты, количество
машин и механизмов, расход электроэнергии и т.д.
4. Подземные
горные выработки
Это искусственные полости в массиве пород,
проводимые для выполнения определенных функций - добычи п.и., транспортировки
грузов, людей и воздуха, размещения оборудования и т.д. (.2)
Горные выработки делятся по:
а) назначению в комплексе процессов по
разработке месторождений - вскрывающие - открывающие доступ к месторождению с
поверхности и обеспечивающие возможность проведения подготовительных выработок
из них: основные или капитальные (стволы,
штольни) и вспомогательные (квершлаги, гезенки, слепые стволы);
подготовительные - выработки, проводимые в
процессе подготовки шахтного поля к очистной выемке (бремсберги, уклоны,
штреки, разрезные печи, участковые квершлаги);
очистные - выработки, проводимые по пласту или
залежи п.и., в которых осуществляется выемка;
б) по положению в пространстве:
вертикальные (вертикальный ствол - 2, гезенк -5,
слепой ствол - 6, шурф - 1),
горизонтальные - квершлаги - 7, штольня - 4,
штрек - 10, просек, орт,
наклонные - наклонный ствол - 3, бремсберг - 8,
уклон - 9, ходок;
в) По отношению к поверхности - имеющие
непосредственный выход на поверхность - вертикальный и наклонный стволы,
штольни, шурф,
не имеющие непосредственного выхода на
поверхность - все остальные.
г) По соотношению между площадью поперечного
сечения и продольным размером: протяженные - стволы, квершлаги, штреки и т.д.
и объемные - камеры, околоствольные дворы.
Вертикальный ствол (2) - вертикальная горная
выработка, имеющая выход на поверхность и предназначенная для выдачи п.и. на
поверхность, спуска-подъема людей, материалов, оборудования, проветривания
шахты и выполнения дополнительных функций.
Наклонный ствол (3) - наклонная горная
выработка, имеющая выход на поверхность и предназначенная для тех же целей, что
и вертикальный ствол.
Штольня (4) - горизонтальная горная выработка,
имеющая выход на поверхность и предназначенная для тех же целей, что и
вертикальный и наклонный стволы.
Тоннель - горизонтальная горная выработка,
имеющая 2 выхода на поверхность. Обычно служит для транспортных целей. В горном
деле применяется редко.
Шурф (1) - вертикальная (реже наклонная) горная
выработка, имеющая выход на поверхность и служащая для вспомогательных целей.
Слепой ствол (6) - вертикальная горная
выработка, не имеющая выход на поверхность, предназначенная для подъёма п. и. с
нижележащего горизонта на вышележащей (снизу вверх).
Гезенк (5) - вертикальная (реже наклонная)
горная выработка, не имеющая выход на поверхность, предназначенная для спуска
п. и. с вышележащего горизонта на нижележащий (сверху вниз).
Квершлаг (7) - горизонтальная горная выработка,
не имеющая выход на поверхность, пройденная под углом к простиранию пласта,
предназначенная для транспортных целей.
Бремсберг (8) - наклонная горная выработка, не
имеющая выход на поверхность, предназначенная для спуска п.и. с вышележащего
горизонта на нижележащий.
Уклон (9) - наклонная горная выработка, не
имеющая выход на поверхность, предназначенная для подъёма п. и. с нижележащего
горизонта на вышележащий.
Ходок - наклонная горная выработка, не имеющая
выход на поверхность, проводимая параллельно бремсбергу или уклону,
предназначенная для вспомогательных целей (перемещение людей, вентиляции и. т.
д.).
Штрек (10)- горизонтальная горная выработка, не
имеющая выход на поверхность, пройденная по простиранию пласта, предназначенная
для транспортных, вентиляционных и др. целей.
Орт - горизонтальная горная выработка, не
имеющая выход на поверхность, пройденная под углом к простиранию по п.и.
Просек - горизонтальная горная выработка, не
имеющая выход на поверхность, пройденная параллельно штреку и предназначенная
для вспомогательных целей.
Печь - наклонная горизонтальная горная выработка,
не имеющая выход на поверхность, соединяющая 2 горизонтальных (например, штрек
и просек - сбоечная печь или 2 просека - разрезная печь).
Кроме того, в горнорудной промышленности
существуют скаты, восстающие и другие выработки.
Площадь поперечного сечения выработки зависит от
вида применяемого транспортного оборудования с учетом необходимых по ПБ
зазоров, а также от количества воздуха, проходящего по выработке.
5. Технологические
процессы и операции
Производственный процесс - процесс труда,
имеющий определенное технологическое и организационное содержание, направленный
на создание конкретных материальных благ (например, добычи угля) и
характеризующийся постоянством главного предмета труда.
Производственный процесс-это совокупность
комплексов рабочих процессов необходимых для добычи п.и.
Комплекс рабочих процессов - организационно и
технически обособленная часть производственного процесса, характеризующаяся
особым технологическим содержанием и требующая определенных профессий.
Выполнение работ по К.Р.П. приводит к изменению форм и свойств предмета труда
или его положения в пространстве. К.Р.П. расчленяются на рабочие процессы К
комплексам рабочих процессов при добыче угля подземным способом можно отнести:
подготовительные работы, очистные работы, внутришахтный транспорт, водоотлив,
вентиляцию и т.д.
Рабочий процесс - четко очерченная, отличная по
своей организационной структуре и технологическому содержанию часть комплекса
рабочего процесса (например, выемка угля комбайном, крепление забоя и т.д.).
Рабочие процессы делятся на операции.
Операция - совокупность рабочих действий
(приемов), характеризуемые односторонностью технологического содержания,
единством (неизменностью) предмета труда, и рабочих ппособлений.
По назначению операции делятся на основные - вносящие
изменения в форму, положение или состояние предмета труда и определяющие
содержание и конечную цель каждого рабочего процесса; вспомогательные -
сопутствующие основным, не вносящие изменения в предмет труда, но необходимые
для выполнения основных; подготовительно-заключительные, связанные с
подготовкой рабочего места и завершением цикла работ.
Процессы и операции по степени механизации работ
делятся на:
А) ручные - выполняемые человеком при помощи
простейших инструментов;
Б) частично-механизированные - часть наиболее
трудоемких процессов выполняется машинами, остальные и вспомогательные -
вручную;
В) комплексно-механизированные - все процессы и
операции выполняются машинами и механизмами, на долю человека остается
управление машинами;
Г) автоматизированные - управление машинами и
механизмами в комплексно-механизированных забоях осуществляется специальными
автоматами, на долю человека остается контроль за течением процесса;
Д) кибернетизированные - весь процесс
производства контролируется при помощи ЭВМ, которая собирает сведения о
процессе, вносит необходимые коррективы и т.д.;
В настоящее время на угольных шахтах примерно
60% очистных забоев являются комплексно- механизированными, в остальных -
частичная механизация, автоматизированы такие процессы как вентиляция,
водоотлив, подъем. Из более чем 900 операций, составляющих весь процесс добычи
угля от забоя до погрузки в ж.д. вагоны более половины выполняется вручную,
причем около 80% их - тяжелый труд.
ТЕХНОЛОГИЯ (наука о мастерстве) или
технологическая схема горнодобывающего предприятия - совокупность основных и
вспомогательных производственных процессов в сочетании с необходимыми для их
выполнения выработками, средствами механизации и автоматизации, обеспечивающая
при рациональной организации работ безопасную и эффективную разработку
месторождения.
Рациональная т.с.г.п. на угольных шахтах
характеризуется высоким уровнем комплексной механизации очистных и
подготовительных работ, широким применением конвейерного транспорта,
эффективной вентиляции, механизации и автоматизации вспомогательных процессов.
Основными принципами совершенствования горных
работ (в частности угледобычи) является ритмичность и поточность горного
производства, малооперацонность работ, концентрация и интенсификация горных
работ.
Основными критериями оценки технологической
схемы является надежность, трудоемкость, производительность труда и
себестоимость продукции.
Надежность - это свойство одной машины или
системы машин и механизмов, технологической цепи функционировать безотказно.
Количественно оценивается вероятностью отказа.
Трудоемкость - количество рабочего времени,
затраченного на производство продукции или выполнение работ. Трудоемкость по
добычи ПИ исчисляется количеством человеко-смен на добычу 1000 т ПИ.
Трудоемкость - показатель, обратной производительности труда.
Производительность труда - эффективность затрат
труда. Выражается в количестве продукции (объеме работ), произведенной
работником в единицу времени (смену, месяц и т.д.).
Себестоимость - показатель, отражающий в денежном
выражении издержки производства, связанные с производством и реализацией
продукции.
Производственная себестоимость - все
производственные затраты на добычу ПИ - заработная плата, амортизационные
отчисления, стоимость сырья, материалов, топлива, электроэнергии.
Коммерческая себестоимость помимо этих расходов
включает затраты на реализацию продукции, содержание вышестоящих организаций,
расходы на научно - исследовательские работы, премирование за создание и
внедрение новой техники и т. п.
В комплексно - механизированных забоях выбор
средств механизации очистных работ начинается с выбора механизированной крепи.
В соответствии с горно-геологическими условиями залегания пласта оценивается
диапазон вынимаемой мощности, угол падения, при котором может работать крепь,
величина проходного сечения для пропуска воздуха, несущая способность крепи,
величина давления на почву, коэффициент перекрытия кровли и другие параметры.
Поскольку каждая крепь в состоянии работать с
различными типами комбайнов, после выбора крепи выбирают комбайны - по
мощности, углу падения, скорости подачи, производительности и т. д.
Как правило, каждый крепи соответствует лишь
один тип конвейера, который и принимается для дальнейших расчетов.
Уровень механизации горных работ определяется
соотношением количества людей, занятых механизированным трудом к общему
количеству людей, занятых нВ выполнении этого процесса.
Буровзрывные работы (БВР)
Разработка горных пород заключается в отделении
части их от массива.
Слабые породы (обычно до f
= 4 - 5) могут отделяться ручным инструментом, комбайном, экскаватором и т.д. В
более крепких породах применяется БВР.
Ежегодно в мире при помощи взрывных работ
отбивается до 12-13 км3 горной массы.
Взрыв - чрезвычайно быстрое изменение состояния
вещества, сопровождающееся выделением тепла и образования газов, способных
вследствие резкого повышения давления производить механическую работу по
разрушению окружающей среды.
Взрывы бывают:
физические - взрывы котлов, газовых баллонов,
метеоритов и т.д.
химические - разложение вещества;
ядерные
В горнодобывающей промышленности применяются
только химические взрывы.
Взрывчатое вещество (ВВ) - вещество, которое под
действием внешнего импульса (удар, трение, тепло), способно к взрыву.
В результате взрыва горные породы во-первых дробятся,
во-вторых отбрасываются на некоторое расстояние.
По характеру внешней работы ВВ делятся на:
бризантные - дробящие
фугасные - метательные
При взрыве возникает ударная волна ( волна
детонации), скорость которой доходит до 3-4 км/с.
Распространение волны по массе ВВ называется
детонацией.
По химическому составу ВВ, применяемые в горном
деле можно разделить на:
а) аммиачно-селитренные - селитра + гексоген +
порошкообразный алюминий + горючие добавки (аммониты, аммоналы, динамоны)
б) нитроглицериновые - селитра + нитроглицерин +
нитрогликоль + древесная мука (динамит, детонит, победит)
в) нитросоединения - тротил, тетрил, гексоген -
для изготовления средств взрыва.
кроме того, есть пороха, пироксилины,
оксиликвиты и т.д.
Каждое ВВ имеет определенные свойства и может
применяться только в определенных условиях.
Каждое ВВ имеет свои свойства и может
применяться только в определенных условиях. С этой точки зрения все
промышленные ВВ делятся на следующие группы:
Предохранительные ВВ, допущенные для применения
в шахтах опасных по газу или пыли. Имеют желтый цвет оболочки патрона для работ
по углю и синий - для работ по породе.
Предохранительные ВВ, допущенные к применению
для работы в серных, нефтяных шахтах - зеленый. Так же в озекеритовых шахтах.
Озекерит или горный воск - горючее ископаемое, разновидность твердого битума.
Очищенный озекерит называется церезином. Применяется для изготовления
пластмасс, для электроизоляторных обмоток и др.
Непредохранительные ВВ, допущенные для
применения в шахтах не опасных по газу и пыли - красный.
Непредохранительные ВВ, допущенные для
применения на открытых горных работах - белый.
Для промышленного использования в подземных
условиях ВВ выпускаются в патронах диаметром 32, 36 и 45 мм и весом 100, 200 и
300 г, обернутых в промасленную бумагу соответствующего цвета. Разрешается
выпуск ВВ в оболочках белого цвета с полоской нужного цвета.
Способы и средства взрывания
Различные ВВ по разному реагируют на внешние
импульсы. Одни взрываются от малейшего удара или толчка (гремучая ртуть,
нитроглицерин), другие могут гореть и не взрываться (тол). Но почти все ВВ
взрываются от детонации, т.е. от взрыва рядом расположенного ВВ.
Поэтому взрывание зарядов обычно производится в
результате взрыва капсюля-детонатора или электродетонатора, помещенного в одном
из патронов заряда, который называется патрон-боевик.
Способ возбуждения взрыва детонатора может быть:
огневой, электрический и электроогневой.
Огневое взрывание разрешается применять в шахтах
не опасных по взрыву газа и пыли и на открытых горных работах. К средствам
взрывания огневым способом относятся: капсюль-детонатор, огнепроводной шнур и
средство его зажигания. Капсюль-детонатор содержит первичное инициирующее
вещество (гремучая ртуть, азид свинца), которое взрывается от огнепроводного шнура
и вторичное инициирующее вещество, которое взрывается от первичного и передает
детонацию патрону боевику (тетрил).
Огнепроводный шнур имеет сердцевину из дымного
пороха, заключенную в несколько слоев оплетки. Различают: нормально горящие
огнепроводные шнуры - 1 см/с и медленно горящие 0,5 см/с.
Электроогневое взрывание. При проведении
вертикальных и наклонных выработок запрещается применение огневого взрывания,
т. к. после поджога огнепроводного шнура не всегда можно вовремя удалиться в
безопасное место. Поэтому здесь применяют электроогневое взрывание, т. е. шнур
поджигается дистанционно при помощи специальной электрозажигалки ЭЗОШ - Б (
электрозажигалка огнепроводного шнура безопасная). Для того чтобы одновременно
зажечь несколько огнепроводных шнуров применяют электрозажигательный патрон ЭЗП
- Б.
Электрическое взрывание разрешено всюду. К
электрическим СВ относятся: электродетонаторы, проводники и источники тока.
Электродетонаторы бывают: мгновенно-замедленного
(от 0,5 до 10 секунд) и короткозамедленного действия (от 15 до 200 миллисекунд)
Источником тока может быть осветительная или
силовая сеть, а так же специальные взрывные машинки, выпускаемые во
взрывобезопасном исполнении, способные взрывать до 200 детонаторов
одновременно.
Соединение детонаторов в цепи может быть
последовательное, параллельное и комбинированное.
Для взрывания очень длинных зарядов применяют
детонирующий шнур, как огнепроводный; но сердцевина из гексана. Он не горит, а
взрывается по всей длине одновременно, вызывая взрыв всего заряда.
Величина и конструкция заряда ВВ
По форме различают заряды:
удлиненные
(колонковые)
сосредоточенные
(котловые)
По построению: непрерывный и прерывный
(ярусный). При ярусном заряде породы лучше дробятся, разлет их при взрыве
невелик, но сложно заряжать.
Патрон боевик всегда вводится в шпур последним.
Шнур не заполняется ВВ полностью. Длина заряда зависит от крепости пород, сорта
ВВ и др. факторов. Отношение длины шпура ко всей длине называется коэффициентом
заполнения шпура ВВ.
Коэффициент заполнения шпура колеблется от 0,3
до 0,85. Для угольной промышленности около 0,5.
Оставшаяся незаполненная ВВ часть шпура плотно
забивается инертной массой - забойкой - смесью глины с песком. Нужна для
преграждения пути газам.
Удельный расход ВВ - расход в кг на 1 м3
взорванной массы.
Число и глубина шпуров.
Число шпуров определяется количеством ВВ,
которое надо в них разместить и требованием правильно оконтурить выработку или
отбить определенное количество горной массы с заданной степенью дробления.
Для расчета количества шпуров, величины заряда
существуют многочисленные формулы.
Глубина шпуров при проведении горных выработок
рассчитывается из условия цикличной организации труда, (например из расчета
проведения в смену 1,5 м выработки применяется один цикл в смену и глубина
шпура принимается равной приблизительно 1,6 м. При отбойке угля глубина шпура
зависит от ширины вынимаемой полосы и на практике обычно составляет 2 м.
Диаметр шпуров принимается на 2-3 мм больше
диаметра патрона ВВ. Если диаметр патрона 32, 36, 45, то диаметр шпура 35, 39,
48 мм.
Расположение шпуров в забое.
Правильное расположение шпуров в забое
необходимо для получения выработки правильной формы, достижения равномерного
дробления, уменьшения разбрасывания кусков, чтобы не выбивало крепь и др.
Шпуры могут буриться перпендикулярно или под
углом. При этом следует отличать длину шпура от кратчайшего расстояния от
центра заряда до обнаженной поверхности, которая называется линией наименьшего
сопротивления (ЛНС).
Донная часть шпура остается в неразрушенном
массиве и называется стаканом. Следовательно, фактическое подвигание забоя за
одно взрывание не равно длине шпура, а меньше на величину стакана.
Отношение величины фактического подвигания забоя
к длине шпура называется коэффициентом использования шпура (КИШ).
На величину КИШ влияет много факторов:
физико-механмческие свойства пород, конструкция заряда, тип ВВ, расположение
шпуров и др. Практически КИШ колеблется в пределах 0,8 - 1,0
По своему назначению шпуры делятся на:
врубовые - для создания дополнительной
обнаженной поверхности; они длиннее остальных;
отбойные - для отбойки основной массы породы;
оконтуривающие - для точного оформления
выработки.
Эти три группы составляют комплект шпуров.
Врубовые шпуры взрываются раньше других.
Расположение врубовых шпуров определяет форму вруба. По форме образовавшейся
полости, врубы делятся:
конусообразные - применяются при проходке
стволов и выработок круглого сечения;
пирамидальные - в породах крепких и средней
крепости;
клиновые - в выработках больших размеров, при
слоистом залегании пород. Может быть вертикальный, центральный и боковой;
горизонтальный, центральный, верхний и нижний.
Щелевые, призматические, спиральные и др.
Иногда для повышения эффективности взрыва в
центре бурится шпур или скважина, которая не заряжается - дополнительная
обнаженная поверхность.
Правила безопасности при ведении БВР
. Производить взрывные работы имеет право лишь
лицо, имеющее "Единую книжку взрывника".
. Во время заряжания шпуров в забое могут
находиться: мастер-взрывник, его помощник и лицо надзора.
. Патроны в шпур подаются деревянным стержнем
или алюминиевой трубой (чтобы не было искры).
. Взрывные работы могут вестись, если содержание
метана не превышает 1%.
. Взрывание должно производиться из безопасного
места.
. Перед началом взрывания во всех прилегающих
выработках на безопасном расстоянии должны быть вывешены предупреждающие
сигналы - красный свет и выставлены посты.
. Перед началом взрывания взрывником подается
один продолжительный свисток - предупредительный - всем покинуть забой. Перед
взрывом после монтажа цепи - два продолжительных сигнала - поединяю и взрываю.
После осмотра места взрыва и убеждения в
безопасности рабочего места - три коротких сигнала - взрывание окончил, можно
вернуться в забой.
. Отказ (невзорвавшийся шпур) можно
ликвидировать только пробуриванием и взрыванием параллельного шпура, не ближе
0,3 м от отказа.
Кроме этих существует много специальных правил,
но для вас достаточно этих.
Беспламенное взрывание.
Чтобы не было опасности возникновения пожара при
взрыве могут быть использованы патроны беспламенного взрывания: кардокс,
аэрдокс, гидрокс, действующие по принципу отбойки горной массы под действием сил
сжатого воздуха, воды или газов. Очень дороги, малопроизводительны и ненадежны.
Проведение и крепление горных выработок.
На шахте средней производственной мощности
обычно в работе имеется 35-40 км подземных горных выработок (стволов, уклонов,
штреков и т.д.)
Ежегодно для воспроизводства фронта очистных
работ на шахте проводится 3-5 км новых выработок и примерно столько же старых
гасится.
Основными параметрами выработки являются:
форма поперечного сечения;
размеры поперечного сечения;
длина.
способ проведения.
Форма поперечного сечения главным образом
зависит от характера горного давления и срока службы выработки.
горный шахта давление лава
прямоугольная - вспомогательные, до 1 года
трапециевидная - вспомогательные и основные, 2-3
года
арочная - основные, 5-8 лет
круглая - долгосрочные выработки (стволы,
туннели)
Кроме того, могут быть сводчатые, эллипсовидные,
полигональные и т.д.
Размеры поперечного сечения зависят от:
а) назначения выработки
б) размеров размещаемого оборудования
в) количества рельсовых путей
г) утвержденных ПБ зазоров
д) количества проходящего воздуха.
Различают сечения:
а) вчерне или в проходке
б) в свету - с учетом толщины крепи
Минимально допустимая площадь поперечного
сечения откаточных и вентиляционных выработок по ПБ должно быть не менее:
,5 м2 при деревянной или
металлической крепи
,0 м2 при бетонной или железобетонной
крепи
Минимальная высота от головки рельса до верхняка
- 1,9 м (до подвески контактного провода).
Крепи горных выработок.
В результате нарушения равновесия горных пород,
часть их вдавливается внутрь выработки
Для сохранения формы и нужных размеров
возводится крепь, которая воспринимает на себя давление пород.
Требования к крепи:
А) достаточная прочность при минимальных
размерах
Б) незначительное аэродинамическое сопротивление
В) минимальные затраты на установку и ремонт
Г) соответствие конструкции величине и характеру
горной добычи
Д) возможность механизации при изготовлении и
установки.
При необходимости: пожаробезопасность,
водонепроницаемость и т.д.
Материал для крепи:
дерево - (обычно сосна) 2-5 лет срок службы.
Круглый или пиленый лес.
металл - обычно спецпрофиль СП - 32 и т.д.
бетон - монолитный, торкрет (пушной), набрызг.
железобетон (с арматурой)
Иногда естественные и искусственные камни.
Крепи выбираются в зависимости от формы сечения,
срока службы и назначения выработки.
Чаще всего применяется крепежная рама
Неполная - верхняк + 2 стойки
Полная - верхняк + лежень + 2 стойки.
Долгосрочные выработки - стволы, камеры и т.д.
Монолитный бетон или тюбинги.
Рамы устанавливаются всплошную или в разбежку
(через 0,5-1,0 м)
В крепких слоистых породах - анкерная крепь.
Чтобы стойки не мешали (в крепких породах) - бесстоечная закладная крепь.
Забутовка и затяжка.
Способы проведения выработки.
В зависимости от размеров выработки, мощности
пласта и т.д. выработка может проводиться либо по однородным, либо по
неоднородным породам.
По мягким породам (f≤
4-5) проходка может осуществляться проходческими комбайнами - комбинированные
машины, одновременно осуществляющие отбойку горной массы и погрузку ее на
транспортное устройство.
Комбайны отбивают породу резанием, бурением,
скалыванием или сочетанием этих способов.
Комбайн состоит из исполнительного органа
(отбойки), погрузочно-транспортного устройства, механизма подачи.
Исполнительный орган может быть:
цепной
корончатый
планетарный
фрезерный и т.д.
Погрузочно-транспортные устройства:
загребающие лапы или скребки
шнеки, ковши
механизм подачи - гусеничный ход.
Отбойка горной массы может производиться
одновременно по всей площади забоя, либо селективно-раздельная выемка угля и
породы в смешанном забое.
По более крепким породам применяются
буровзрывной способ проходки.
В целом процесс проведения состоит из отдельных
операций, повторяющихся через определенный промежуток времени.
Совокупность этих операций, выполняемых в
определенной последовательности и обеспечивающих подвигание забоя на
определенную величину, называется проходческим циклом
Операции могут быть основными и
вспомогательными. При БВС к основным относятся: бурение шпуров, заряжание и
взрывание, проветривание забоя, уборка породы, возведение постоянной крепи.
К вспомогательным - установка временной крепи,
настилка рельсовых путей, проведение водоотливной канавки, обмен вагонеток,
наращивание вентиляционных труб, подвеска кабелей и др.
Как правило, они выполняются одновременно с
основными.
О типах зарядов, шпурах, скважинах мы уже
говорили. После взрывания и проветривания (15-20 мин на проветривание) птупают
к уборке породы вручную или погрузочными машинами на гусеничном или рельсовом
ходу с загребающими лапами или скребками или ковшовыми.
При необходимости ставится временная крепь.
Убрав породу устанавливают постоянную крепь.
После выполнения всех основных и вспомогательных
операций цикл повторяется. Особенности
проведения наклонных и вертикальных выработок. В
наклонных выработках необходимо применять противоугонные устройства и
обеспечивать устойчивость крепи.
В вертикальных (свыше 30°) выработках появляются
дополнительные трудности.
а) разрешается только электрическое взрывание.
б) уборка породы производится грейферными
грузчиком
в) выдача породы - в бадьях
г) необходимо устройство предохранительного
полка
д) обязательно наличие лестничного выхода.
После возведения постоянной крепи на всю глубину
ствола (или секционной по 30-40 м)
В слабых и обводненных породах применяются
специальные способы проведения вертикальных стволов:
а) кессонный
б) тампонирование
в) глинизация и цементизация
г) замораживание
6. Очистные
работы
Как указывалось выше, горные работы по добыче п.
и. делятся на отдельные этапы: проектирование и строительство предприятий,
очистные, подготовительные, транспортные работы, вентиляция, водоотлив, работы
на поверхности шахт и т. п. Начнем с главного из этих этапов, ради которого
осуществляются все остальные - с очистных работ.
Очистные работы - совокупность работ в подземной
горной выработке с целью добычи п. и.
Добыча п. и осуществляется в длинных - лавах и
коротких - камерах - очистных забоях.
На современных угольных и сланцевых шахтах
очистные работы представляют собой комплекс процессов и операций: основных -
выемка п. и., дробление его, погрузка и транспортировка к погрузочному пункту,
передвижка конвейера, крепление забоя, управление горным давлением, устройство
ниш, мероприятия по снижению пылеобразования и газовыделения и вспомогательных
- доставка материалов и оборудования, ремонтные работы и т. п. На основные
производственные операции в очистных забоях в среднем приходится до 80% общих
затрат на очистные работы.
Рассмотрим основные производственные процессы в
лаве.
Выемка полезного ископаемого, т.е. отделение
части его от массива может осуществляться вручную (ломами, кайлами), при помощи
несложных механизмов (отбойными молотками), буровзрывными работами, выемочными
машинами, специальными способами (токами высокой частоты, ультразвуком). Более
80% всего угля при подземном способе добывается при помощи выемочных машин
(комбайнов, стругов, врубовых и буровых машин, гидромониторов).
Комбайн угольный (очистной, добычной) -
комбинированная горная машина, одновременно выполняющая работы по отбойке,
дроблению и погрузке отбитого п. и. на забойный конвейер или иное транспортное
средство.
Изобретен в 1931 году в Донбассе А.И.
Бахмутским, серийный выпуск в СССР начат с 1949 года.
По направлению выемки комбайны делятся на:
фланговые (в длинных забоях), когда комбайн движется вдоль очистного забоя,
снимая с его поверхности полосу п. и. и фронтальные (в коротких забоях),
работающие в "лоб’’ забоя.
По ширине срезаемой полосы (ширине захвата)
комбайны делятся на: широкозахватные (с шириной захвата более 1,0 м) и
узкозахватные (менее 1,0 м). Отечественные узкозахватные комбайны имеют
стандартную ширину захвата 0,5; 0,63; 0,8.
При широкозахватной выемке комбайн движется по
почве пласта рядом с забоем при помощи каната и упорной стойки или корабельной
цепи, растянутой вдоль забоя. Рядом с комбайном находится забойный конвейер (скребковый),
на который при помощи кольцевого грузчика грузится отбитый уголь. На концах
лавы устраиваются ниши - верхняя для вывода исполнительного органа и нижняя -
для перевода комбайна на новую дорожку для снятия следующей полосы. В обратном
направлении комбайн перемещается вхолостую (односторонняя схема работы с
холостым перегоном).
Одновременно с перегоном комбайна производится
переноска конвейера на новую дорогу. Так как между комбайновой и конвейерной
дорожками имеется ряд стоек крепи, применяются только разборные конвейеры. Это
в значительной мере повышает трудоемкость работ. Кроме того, широкозахватная
выемка требует наличия двух дорожек, что увеличивает ширину рабочего
(призабойного) пространства.
Возможна также работа фронтальных комбайнов с
разворотом на концах лавы с целью ликвидации холостого перегона (двухсторонняя
схема с разворотом) - применяется редко из-за большой площади незакрепленного
пространства.
При узкозахватной выемке комбайн перемещается по
раме забойного конвейера при помощи корабельной цепи. Таким образом,
совмещаются комбайновая и конвейерная дорожки. Комбайн работает по челноковой
схеме, т. е. производит выемку в двух направлениях. За счет уменьшения ширины
рабочего пространства и отсутствия крепи между конвейером и забоем возможно
применение механизированной передвижной крепи и безразборных конвейеров, что
уменьшает трудоемкость работ в забое и позволяет механизировать ряд операций.
Поскольку исполнительный орган комбайна работает в зоне отжима, т.е. в
ослабленной под воздействием горного давления части пласта, примыкающей к
поверхности забоя (0,2 - 0,5 мощности пласта), резко - в 2 - 5 раз снижается
энергоемкость разрушения угля, что позволяет комбайну двигаться с большей
скоростью, т. е. снимать за смену не одну, а несколько полос. К недостаткам
узкозахватной выемки следует отнести повышенное измельчение угля и большое
пылеобразование.
Струговая установка (струг) - комбинированная
узкозахватная горная машина для работы, а длинных забоях, предназначенная для
механизированного скола (срезания) с забоя полосы п.и., погрузки и
транспортирования его конвейера или без него (скрепероструги). Ширина захвата
(стружки) составляет 0,15 - 0,3 м (при активных стругах - до 0,4 м) в зоне
интенсивного отжима. Область применения - весьма тонкие и тонкие (до 1,5 м)
пласты.
Струги
бывают: по принципу разрушения п.и. - статические и динамические или активные;
по скорости движения - тихоходные (до 15 м/мин), быстроходные (15 - 60 м/мин) и
скоростные (более 60 м/мин). При
струговой выемке (благодаря малому захвату) равномернее происходит
перераспределение горного давления и опускания кровли. Кроме того, струги легче
позволяют применять средства автоматизированного дистанционного управления, т.
е. осуществить выемку без постоянного путствия людей в забое. Основное
достоинство струговой выемки - небольшой выход штаба и значительный выход
крупных и средних сортов угля, что особенно важно при добыче антрацитов.
Врубовая машина - горная машина, предназначенная
для производства вруба (щели) в массиве п.и. с целью облегчения последующей
выемки (создается дополнительная обнаженная плоскость).
Дробление отбитого от забоя п.и. до
транспортабельных размеров может осуществляться вручную, специальными
бутобоями, силой взрыва, исполнительными органами машин.
Погрузка
отбитого и раздробленного п.и. на транспортное устройство может производиться
вручную, погрузочными машинами, силой взрыва, исполнительными и специальными
органами машин. Транспортировка
п.и. вдоль очистного забоя или из него до погрузочного пункта может производиться
скреперами, самоходными вагонетками, погрузочно-доставочными машинами,
конвейерами (вибрационными, телескопическими, скребковыми). В длинных очистных
забоях применяются только скребковые конвейеры (одно - и двухцепные).
7. Горное
давление и шахтная крепь
В нетронутом горном массиве горные породы
находятся в равновесии, испытывая состояние всестороннего сжатия проведение
горных выработок породы, лишенные опоры начинают прогибаться внутрь выработки.
Поскольку горные породы на растяжение, изгиб и т. п. деформации работают в 10 -
15 раз хуже, чем на сжатие, происходит разрушение их и породы обрушаются внутрь
выработки. В очистных забоях, при обнажении на больших площадях и постоянном
перемещении забоя, горное давление, т.е. напряжения, возникающие в массиве
горных пород вблизи стенок выработки или на контакте порода - крепь в
результате воздействия гравитационных или технологических сил, проявляется
значительно сильнее, чем в подготовительных. Угольный пласт впереди забоя
является опорой для пород кровли, поэтому в нем возникают повышенные нагрузки -
опорное давление, вызывающие частичное разрушение и вдавливание в забой
призабойной части пласта - отжим пласта.
- непосредственная почва, 2 - угольный пласт, 3
- непосредственная кровля, 4 - основная кровля, 5 - зона отжима, 6 -
призабойная крепь, 7 - посадочная (специальная) крепь, 8 - обрушенные породы, 9
- линия распределения опорного давления.
До настоящего времени не создано единой теории
горного давления. Существуют лишь различные гипотезы, которые можно разделить
на несколько основных групп, объединенных общей идеей.
Гипотеза свода естественного равновесия (свода
давления, свода М.М. Протодьяконова). Над забоем образуется параболический
свод, своими пятами опирающийся на пласт и на обрушенные породы. До глубины 200
- 300 м это гипотеза дает вполне приемлемые результаты. Данная гипотеза хорошо
объясняет проявление отжима угля и появление опорного давления.
Гипотеза шарнирных блоков. По этой гипотезе
горное давление вызывается весом блока горных пород АБСД, поворачивающимся над
очистным забоем вокруг шарнира Д. Для сохранения равновесия блока необходимо,
чтобы сумма момента всех сил - веса блока и реакции крепи - относительно точки
поворота равнялась нулю, т.е. Q
· l + (R1a1
+ R2a2
+ + R3a3)
= 0
Кроме этого существуют гипотезы консольных балок
и плит, волны давления, призм сползания, предварительного растрескивания и т.
д.
Для нейтрализации проявления горного давления
необходима установка крепи и проведение спецмероприятий - управление г.д.
Горная или шахтная крепь - горнотехническое
сооружение, возводимое в очистных и подготовительных выработках для обеспечения
их устойчивости, безопасности условий труда, а также управления г.д.
По конструктивному исполнению крепи очистных
забоев делятся на: индивидуальные, механизированные, комплектные, секционные.
Наибольшее распространение получили первые два типа.
Индивидуальная крепь - крепь, состоящая из
отдельных, не связанных между собой элементов (рам, стоек, верхняков),
переставляемых вслед за подвиганием забоя без применения средств механизации.
Основные требования, предъявляемые к крепи -
прочность, жесткость или податливость в зависимости от горногеологических
условий, возможность многократного использования, технологичность исполнения,
минимальная трудоемкость установки и снятия и т.п.
Индивидуальные крепи делятся на призабойные и
специальные или посадочные.
Призабойная горная крепь - крепь очистной
выработки, устанавливаемая или передвигающаяся вслед за подвиганием забоя и
служащая для поддержания кровли в рабочем пространстве.
Специальная (посадочная) горная крепь - крепь
очистных выработок, устанавливаемая на границе с погашаемым выработанным
пространством и служащая для управления обрушением или плавным опусканием
кровли. Посадочная крепь, применяемая при управлении горным давлением, способом
полного обрушения называется обрезной.
В качестве посадочной применяют органную,
костровую, кустовую крепи, посадочные секции механизированной крепи,
металлические посадочные стойки (тумбы). Крепь устанавливается параллельно
линии забоя и передвигается по мере подвигания забоя.
Индивидуальная призабойная крепь очистных забоев
имеет, как правило, конструкцию крепежной рамы - 2 - 3 стойки под верхняк,
располагаемой параллельно или перпендикулярно забою в зависимости от
горногеологических условий. Стойки индивидуальной крепи могут изготовляться из
дерева или металла. Металлические стойки бывают стойки трения и гидравлические.
По схеме работы эти стойки относятся к податливым.
Стойки трения состоят из корпуса и выдвижной
части, запираемой выдвижным замком. Если грани выдвижной части параллельны, то
стойка относится к стойкам постоянного сопротивления, т. е. равная нагрузка на
стойку вызывает равное опускание выдвижной части. Если грани выдвижной части
конусные (угол конуса 3 - 50), то стойка является стойкой
нарастающего сопротивления - одинаковая нагрузка вызывает различную, все
уменьшающуюся посадку выдвижной части.
Гидростойки представляют собой гидроцилиндр с
корпусом и выдвижной частью. Гидростойки являются стойками податливыми
постоянного сопротивления.
Бывают с внешним питанием - рабочая жидкость
(эмульсия) впрыскивается в стойку от маслостанции через шланг и с внутренним
питанием или автономные - рабочая жидкость залита в стойку.
Достоинства индивидуальной крепи -
универсальность (возможность применения в любых горногеологических условиях),
простота изготовления, легкость, относительная дешевизна.
Недостатки: большой расход леса на крепление, высокая
трудоемкость установки и перестановки стоек.
Механизированная крепь - самопередвигающаяся
металлическая гидрофицированная крепь очистного забоя, предназначенная для
поддержания пород кровли, сохранения очистной выработки в рабочем и безопасном
состоянии. Обеспечивает механизацию производственных процессов и управление
породами кровли, передвижку става забойного конвейера вместе с выемочной
машиной.
Впервые создана в СССР в 1932 году, серийно
выпускается с 1967 года (КМ - 87). Область применения современных
механизированных крепей - очистные забои пологих наклонных и крутых пластов
мощностью от 0,7 до 5,0 м.
Состоят из отдельных однотипных секций,
расставленных с определенным шагом установки по длине очистного забоя и
перемещающихся в направлении его подвигания. Длина комплекта крепи - 80 - 200
м.
Секция состоит из основания, опирающегося на
породы почвы, верхнего перекрытия, поддерживающего породы кровли, оградительной
части, препятствующей проникновению в рабочее пространство обрушенных пород
кровли, гидравлических стоек (от 1 до 6 на секцию), с помощью которых
оказывается податливое сопротивление опусканию пород кровли, одного - двух
домкратов, осуществляющих передвижку секции и става забойного конвейера.
В зависимости от характера взаимодействия с породами
кровли механизированной крепи делятся на:
Поддерживающие - поддерживают кровлю на всей
длине крепи и могут совершенно не иметь оградительной части или иметь ее весьма
упрощенного вида. Отношение длины поддержания к длине крепи примерно равно 1.
Оградительные - не поддерживают кровлю, а лишь
ограждают рабочее пространство лавы от проникновения обрушенных пород.
Поддерживающее - оградительные - поддерживают
породы кровли и ограждают рабочее пространство лавы. Кпод примерно равно 0,5.
Гидравлические стойки связаны с поддерживающей частью.
Оградительно - поддерживающие - в основном
ограждают рабочее пространство и частично, при помощи козырьков, поддерживают
породы кровли. Кпод составляет примерно 0,2.
Крепи поддерживающего типа применяются на
пластах мощностью до 2,0 м, со спокойной гипсометрией, при породах кровли
средней устойчивости и выше.
Поддерживающе-оградительные - на пластах
мощностью от 2,0 до 4,5 м при любой гипсометрии и тех же породах.
Оградительно - поддерживающие - пласты мощностью
2,0 - 4,5 м, со спокойной гипсометрией, при породах неустойчивых и выше.
По устойчивости породы кровли делятся на пять
групп:
Весьма неустойчивые - в призабойном пространстве
полоса обнаженной кровли шириной до 1,0 м сохраняет устойчивость до 2 - х
часов.
Неустойчивые - полоса кровли той же ширины
сохраняет устойчивость от 2 до 6 часов.
Средней устойчивости - полоса обнаженной кровли
шириной до 2,0 м сохраняет устойчивость не менее 6 часов.
Устойчивые - полоса шириной 2,0 м сохраняет
устойчивость до двух суток.
Весьма устойчивые - ширина обнаженной кровли
более 2,0 м сохраняет устойчивость в течении длительного времени.
Достоинства механизированных крепей - высокая
безопасность труда, возможность комплексной механизации и автоматизации
производственных процессов, повышения нагрузки на забой.
Недостатки - высокая металлоемкость, высокая
стоимость, высокая трудоемкость монтажно-демонтажных работ, необходимость
сохранения постоянной длины лавы.
Механизированные крепи могут передвигаться в
забое по следующим схемам:
а) последовательная с фронтальной передвижкой
конвейера. Вслед за подвиганием комбайна к конвейеру одна за другой
подтягиваются секции механизированной крепи. После снятия полосы угля по всей
длине лавы и передвижки всех секций крепи выдвигаются штоки домкратов и
конвейер подвигается к забою сразу по всей лаве;
б) последовательная с передвижкой конвейера
"волной". Вслед за подвиганием комбайна выдвижением штоков домкратов
к забою подвигается конвейер, изгибаясь за счет люфта в местах соединений
рештаков.
Затем, на расстоянии 10 - 15 м от комбайна к
забою подвигаются секции крепи.
в) шахматная с передвижкой конвейера
"волной". Вслед за подвиганием комбайна переносными домкратами
конвейер подвигается к забою. Секции крепи в данном случае применяются двух
типов - призабойные и посадочные. В начале к конвейеру подтягиваются
призабойные секции (например, первая и третья), затем под их защитой - вторая,
потом снова пятая и седьмая, затем четвертая и шестая и т. д.
В местах примыкания лавы к вентиляционной и
транспортной выработкам (обычно под прямым углом) площадь обнажения кровли, как
правило, значительно больше, чем в самой лаве. В этих местах устанавливается
специальная крепь - крепь сопряжения.
8. Управление
горным давлением
Вмещающими породами пласта являются кровля и
почва. Различают: ложную, непосредственную и основную кровлю, а также
непосредственную и основную почву.
Слой слабых пород небольшой (5 - 20 см),
залегающий над пластом и обрушающийся вместе с выемкой угля называется ложной
кровлей.
Слой пород, залегающий над пластом, сохраняющий
временную устойчивость и обрушающийся после уборки крепи называется
непосредственной кровлей.
Слой прочных устойчивых пород, залегающий над
пластом, способных не обрушаться длительное время называется основной кровлей.
Слой пород, залегающих под пластом и
воспринимающий давление стоек крепи называется непосредственной почвой.
Значительную часть давления на призабойную крепь
оказывает непосредственная кровля. Основная кровля может оказывать пригрузку на
непосредственную или не оказывать ее, если непосредственная кровля опускается
быстрее основной и между ними образуется щель.
Поскольку площадь выработанного пространства
одного очистного забоя за год работы составляет сотни и тысячи квадратных
метров, а давление может достигать P
= Hγ (глубина работ x
объемный вес), т. е. на глубине 400 м давление может достигать 1000 т/м2,
то удержать всю толщу нависающих пород крепь не в состоянии. Плотность крепи в
забое обычно составляет 1,5 - 2,0 ст/м2 при несущей способности
стоек около 50 т.
Следовательно, необходимо уменьшить давление
(нагрузку) на призабойную крепь, уменьшив размеры зависающей части пород
кровли.
Совокупность мероприятий по ограничению
интенсивности проявления горного давления в целях обеспечения безопасности и
необходимости производственных условий в забое называется управлением горным
давлением.
Необходимая ширина рабочего пространства,
которая по производственным условиям должна поддерживаться, складываться из:
условий размещения горной техники и безопасности
- комбайновой, конвейерной дорожки и прохода для людей, а также условий
пропуска через поперечное сечение забоя необходимого количества воздуха и
составляет обычно 2,5 - 4,0 м.
Оставшаяся часть нависающих пород должна быть
или обрушена или поддержана специальными способами (не крепью).
Породы кровли делятся на 4 класса:
I класс -
непосредственная кровля представлена толщей легкообрушающихся пород, мощность
которых в 6 - 8 раз превышает мощность угольного пласта. Основная кровля -
любая.
II класс -
непосредственная кровля представлена толщей легкообрушающихся пород, мощность
которых меньше шести - восьмикратной мощности пласта. В основной кровле
залегают прочные породы, которые обрушаются после выемки угля на значительной
площади.
III класс - в
непосредственной кровле залегает относительно мощная толща труднообрушающихся
пород. В отдельных случаях непосредственная кровля отсутствует и над пластом
залегает основная кровля, допускающая обнажения на большой площади.
IV класс - в
непосредственной кровле залегают породы, обладающие способностью плавно
опускаться без разрыва сплошности.
Существуют 6 способов управления горным
давлением.
Полное обрушение (при породах I
класса). При этом способе на границе рабочего и выработанного пространства
устанавливается специальная посадочная крепь - органный ряд, кусты, посадочные
тумбы, стенки, создающие режущую кромку, по которой происходит обрушение
кровли. Старая посадочная крепь и призабойная крепь в промежутке между старой и
новой органками убираются и, лишенная поддержки, кровля обрушается. Расстояние,
на которое перемещается посадочная крепь, называется шагом посадки (обрушения).
В данном случае происходит полное обрушение пород непосредственной кровли, а
затем и основной кровли, которая временно поддерживается массивом угля и обрушенными
породами непосредственной кровли, которая подбучивает основную.
Частичное обрушение (при породах II
класса). Когда мощности пород непосредственной кровли не хватает для
подбучивания основной, производят неполное обрушение непосредственной кровли отдельными
участками. Остальная часть этой кровли удерживается бутовыми полосами,
выкладываемых из породы, доставляемой с поверхности, из проводимых на шахте
полевых выработок или получаемой из проводимых в лавах прорывных штреков.
Частичная закладка (породы III
класса). При еще меньшей мощности непосредственной кровли или полном ее
отсутствии приходится удерживать основную кровлю также на бутовых полосах, но
ширина их увеличивается, расстояние между ними сокращается. Общий объем
заложенного пространства в лаве доходит до 60 - 70 %.
Частичная закладка и частичное обрушение,
наиболее трудоемкие способы управления горным давлением, поскольку выкладка
бутовых полос производится вручную.
Плавное опускание (породы IV
класса). На границе рабочего и выработанного пространства устанавливается
податливая специальная крепь - деревянные костры или пневмокостры и породы
непосредственной кровли, постепенно сминая крепь, плавно опускаются на почву
пласта. Наличие дующей почвы благоприятно сказывается на применении этого способа.
Как правило, применяется на пластах мощностью не более 1,1 - 1,3 м.
Удержание на целиках. При разработке малоценных
полезных ископаемых, когда потери его не играют особой роли, в рабочем
пространстве периодически оставляют невынутые полосы или столбы полезных
ископаемых - целики, которые удерживают кровлю. Применяется при камерных и
камеро - столбовых системах разработки.
Полная закладка выработанного пространства.
Применяется, в основном, при работе под застроенными площадями, крупными
водоемами, железными дорогами, т. е. при необходимости сохранения земной
поверхности, а также при разработке ценных полезных ископаемых, когда
оставление целиков недопустимо. Все выработанное пространство заполняется
пустой породой, образующей закладочный массив, который и воспринимает горное
давление. Материал для закладки обычно подается с поверхности шахты.
Различают: самотечную закладку (на крутых
пластах) - закладочный материал подается в нужное место под действием
собственного веса. Усадка закладочного массива при самотечной закладке - до 40
- 50 %.
Пневматическая закладка - закладочный материал
подается к месту закладки струей сжатого воздуха. Усадка - до 30%. Недостаток -
большое пылеобразование.
Механическая закладка - закладочный материал
забрасывается метательными машинами или запрессовывается поршнем. Усадка
20-30%. Недостаток - большой вес оборудования.
Гидравлическая закладка - закладочный материал
подается к месту закладки струей воды. Усадка 8 - 12 %. Основные достоинства -
полное отсутствие пыли, высокая пожаробезопасность.
9. Концевые
операции в лаве
При фланговой выемке угля очистным комбайном,
после снятия очередной полосы, необходимо перевести комбайн на новую дорогу.
Операции, связанные с подготовкой оборудования к выемке новой полосы угля и
перемещением его на новую дорогу называется концевым.
Характер концевых операций определяется
технологией очистных работ. При челноковой схеме выемке узкозахватными
комбайнами аналогичные концевые операции выполняются у обоих концов лавы. При
односторонней схеме - только у одного конца, но возникает дополнительная
операция - перегон комбайна. Полнота выемки полосы угля на конечных участках
лавы (у подготовительных выработок) зависит от способа расположения
исполнительных органов на корпусе комбайна .
Длина участка лавы, необрабатываемая комбайном,
зависит от размеров приводов, которые определяют предел передвигания комбайна
по ставу конвейера. В тех случаях, когда комбайн не может производить выемку
полосы у конца лавы и самозарубку, подготавливаются ниши. Подготовка ниш
является наиболее трудоемкой частью концевых операций.
Возможно также увеличение ширины
подготовительной выработки с целью размещения привода в ней. Это ликвидирует
ниши, но увеличивает стоимость проведения выработки.
Таким образом, возможны следующие способы
выполнения концевых операций - передвижение комбайна в специально
подготовленную нишу, самозарубка исполнительных органов и передвижение комбайна
по свободному пространству на сопряжении лавы с выработкой.
Одним из самых распространенных способов
является использование ниш. Ниши могут подготавливаться буровзрывным способом,
отбойными молотками или специальными нишерезными машинами. Длина ниш для
современных комбайнов составляет 5-7 м. каждая. Трудоемкость работ по
подготовке ниш БВР или отбойными молотками доходит до 20-25% общей трудоемкости
работ в лаве . Самозарубка исполнительных органов комбайна в пласт угля может
быть фронтальной (при расположении исполнительных органов на концах корпуса ) и
косыми заездами (при любом расположении исполнительных органов). Среднее время
самозарубки 25-30 минут.
Ширина подготовительной выработки при выносе
привода конвейера в нее зависит от типа забойного оборудования и обычно
составляет 5-6 м. вместо обычных 2-3м.
Операции на концах очистных забоев осуществляются
в зоне взаимного влияния лавы на подготовительные выработки. Очистной забой
оказывает существенное влияние на устойчивость подготовительной выработки, что
вызывает необходимость усиления мероприятий по охране выработки. Место
пересечения лавы с подготовительной выработкой, где проявляется их взаимное
влияние, на основные процессы, процессы, протекающие в этом месте, называется
сопряжением.
Размеры сопряжения зависят от многих факторов и
обычно составляют: по выработке 25-30 м, по лаве 10-25 м.
10. Монтаж и
демонтаж механизированных комплексов
Монтаж механизированных комплексов - это сложный
многооперационный и трудоемкий технологический процесс. В него входят горные
работы по сооружению монтажных камер, транспортирование, сборка и разборка
конструкций в сложных условиях подземной выработки.
Средняя продолжительность монтажа комплексов
поддерживающего типа составляет 20-25 суток, а трудоемкость от 600 до 1000
человекосмен.
Процесс монтажа мехкоплексов складывается из
работ на поверхности по опробыванию комплекса, погрузка его в транспортное
средство, транспортирование к стволу и спуск по нему, транспортировке по
основным подготовительным выработкам до участка к монтажным камерам и, наконец,
собственно работ по монтажу, выполняемых непосредственно в монтажных камерах и
прилегающих к ним выработках.
Для транспортировки узлов и деталей
мехкомплексов по горным выработкам применяются специальные платформы, площадки,
монорельсовые дороги и прочие устройства.
В зависимости от массы секций крепи, их
конструктивных особенностей, размеров, способов и технических средств
погрузочно-разгрузочных работ, а также транспортировки все механизированные
комплексы можно разделить на 2 группы:
Первая группа - механизированные комплексы для
тонких и частично средней мощности пластов (0,7-2,0 м.) пологого и наклонного
падения, а также комплексов и агрегатов для других тонких пластов,
транспортирование секций крепи которых к монтажным камерам производится в
собранном виде.
Вторая группа - механизированные комплексы для
пологих и наклонных пластов, мощностью более 2,0 м. секции которых
транспортируются по выработкам в частично разобранном виде. Сборка секций крепи
этих комплексов производится на сопряжении с монтажной камерой или в самой
камере.
После окончания очистных работ в лаве, комплекс
должен быть демонтирован, т.е. извлечен из забоя и выдан на поверхность для
ремонта или перемонтирован в другую лаву. Продолжительность демонтажа
комплексов обычно больше, чем монтажа, хотя трудоемкость работ ниже.
Демонтажная камера либо погашается вслед за извлечением секций, либо
поддерживается индивидуальной крепью.
Литература
Брюховецкий О.С. Основы гидравлики /
О.С. Брюховецкий. - М.: Недра, 2001.- 156с.
Булат А.Ф. Научно-технические основы
создания шахтных когенерационных комплексов / А.Ф. Булат, И.Ф. Чеме. - К.:
Наукова думка, 2006. - 175 с.
Булычёв Н.С. Механика подземных
сооружений в примерах и задачах / Н.С. Булычёв. - М.: Недра, 2009.- 270 с.
Булычёв Н.С. Проектирование и расчёт
крепи капитальных выработок / Булычёв Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. - М.:
Недра, 2006.- 288 с.
Бызов В.Ф. Управление качеством
продукции карьеров / В.Ф. Бызов. - М.: Недра, 2001.- 239 с.
Васючков Ю.Ф. Горное дело / Ю.Ф.
Васючков. - М.: Недра, 2000.- 512 с.
Агошков М.Я., Боов С.С, Боярский В.
А. Разработка рудных и нерудных месторождений. М., Недра, 2003.
Баранов А. О. Расчет параметров
технологических процессов подземной добычи руд. М., Недра, 2005.
Барите Е. Г. Взрывные работы на
подземных рудниках. М., Недра, 2005