Проходка горных выработок

Выбор и обоснование  технологической схемы проведения выработки

     К основным способам проведения горных выработок относятся буровзрывной, комбайновый и ручной.

   Для проходки выработок  в некрепких породах (до f=5 по шкале Протодьяконова) применяют проходческие комбайны, что подходит для условий данной выработки. Комбайновый способ проведения выработок является более безопасным и эффективным, чем буровзрывной; при этом почти не нарушается целостность окружающих выработку пород.

    При комбайновом  способе проведения выработок  технологические схемы включают  следующие операции: разрушение  забоя и погрузка горной массы,  откатка горной массы, крепление  выработки. При блокировке конвейерных  ставов с перегружателем комбайна  вместо технологических операций  «Разрушение забоя и погрузка  горной массы», а также «Удаление  горной массы» фактически имеет  место одна технологическая операция  «Разрушение забоя, погрузка и  удаление горной массы». На этой  операции используют одну систему  машин (комбайн – конвейер), управляемую  машинистом и его помощником.

    Угол наклона  проводимой выработки оказывает  большое значение на выбор  способа и средств погрузки, транспорта  породы и доставки в забой  вспомогательных грузов. Погрузочные  машины на колесно-рельсовом ходу  можно применять без предохранительных  устройств только в выработках  с углами наклона до 3°, на  гусеничном − до 6°. В выработках с углами наклона свыше 6° необходимо оборудование погрузочных машин специальными предохранительными устройствами для удержания их на уклоне. Электровозную откатку можно использовать только при углах наклона выработки до 3°, ленточные конвейеры с гладкой лентой − до 18°, скребковые конвейеры − до 35°, самоходные транспортные установки на пневмоколесном ходу – до 15°, концевую канатную откатку в вагонетках −

до 25 - 30°. В проводимой выработке  будет применяться скребковый конвейер, в качестве перегружателя угля на ленточный конвейер, который предусмотрен в условиях проекта. Доставка к забою штучных, пакетированных и сыпучих материалов и людей будет осуществляться по ходку, который проводится параллельно бремсбергу и оборудуется концевой откаткой.

Выбор вида крепи, формы и размеров поперечного  сечения выработки

     Основными факторами, определяющими форму поперечного сечения выработки, являются физико-механические свойства горных пород, назначение и срок службы выработки, материал крепи, положение выработки в пространстве, размеры поперечного сечения выработки.

    В зависимости  от указанных факторов горные  выработки имеют различные формы  поперечного сечения. В производственной  практике для

горизонтальных и наклонных  выработок наибольшее распространение  получили арочная, трапециевидная, прямоугольная  и сводчатая формы поперечного  сечения. В меньшей степени применяются  круглая, эллиптическая и полигональная  формы.

   Арочная форма  с металлической рамной крепью  применяется при проходке выработок  в породах с коэффициентом  крепости f = 1 ÷ 9, находящихся в зоне установившегося горного давления, а также в зоне влияния очистных работ при отсутствии пучащих пород в почве.

   Достоинство арочной  формы заключается в том, что  по своей конфигурации она  приближается к своду естественного  равновесия, что уменьшает растягивающие  напряжения в кровле и, следовательно,  горное давление. К тому же она является одним из совершенных крепежных материалов, который обладает большой несущей способностью, высокой прочностью, долговечностью, огнестойкостью, значительной деформированностью без потери несущей способности, хорошими конструктивными возможностями, хорошо поддается обработке. Имеет высокие эксплутационные качества. Срок службы 20 – 25 лет.          Металлические крепи применяют в горизонтальных и наклонных выработках с углом падения до 35°. Рамы крепи изготавливают из специального взаимозаменяемого профиля СВП.

  Размеры поперечного сечения горных выработок определяются количеством воздуха, пропускаемого в период её эксплуатации; максимальными размерами транспортных средств, применяемых для транспортирования полезного ископаемого, доставки материалов и оборудования; допустимыми зазорами между наружным размером транспортных средств и внутренней стенкой выработки, предусмотренными правилами безопасности и строительными нормами и правилами по проектированию поперечного сечения.

   Необходимая площадь  поперечного сечения подготовительной  выработки в свету после осадки  по условиям вентиляции:

, где

Q=2750 м³/мин – количество воздуха, проходящего по выработке в период её эксплуатации;

k=0,8 (при конвейерном транспорте) – коэффициент, учитывающий загромождение сечения транспортными средства;

[V_доп]=8м/сек (для капитальных горных выработок) – допустимая по Правилам безопасности скорость движения воздуха по выработке.

   Исходя из расчитанной  необходимой площади сечения  выработки в свету после осадки  по условиям вентиляции, по таблицам  типовых сечений выработок принимается  ближайшее большее типовое сечение  выработки.

   Таким образом  выбирается металлическая арочная  податливая трехзвенная крепь  профиля СВП-17.

Параметры сечения  в свету после осадки:

• Площадь сечения выработки S′=7,3 м²
• Ширина выработки по почве B′_н =3,18 м
• Высота выработки от почвы H′_п =2,66 м
• Периметр сечения выработки без балласта Р′=10,3 м

Параметры сечения  в свету до осадки:

• Площадь сечения выработки S=7,9 м²;
• Ширина выработки по почве В_н =3,27 м;
• Высота выработки от почвы Н_п =2,76 м.

Параметры сечений  в проходке:

• Площадь сечения выработки при коэффициенте крепости до 3 – S=9,5м²;
• Ширина выработки по почве при коэффициенте крепости до 3 – B=3,7м;
• Высота выработки от почвы при коэффициенте крепости до 3 – Н=2,97м;
• Периметр сечения выработки без балласта при коэффициенте крепости

до 3 – Р=11,8 м.

Параметры рам  крепи СВП-17:

• Длина стойки – 2,4 м;
• Радиус изгиба стойки – 1,65 м;
• Масса стойки – 41,54 м;
• Длина верхняка – 3,5 м;
• Радиус изгиба верхняка – 1,65 м;
• Масса верхняка – 59,71 кг.

   Проверка сечения бремсберга по габаритам применяемых транспортных средств (конвейерный транспорт) с учетом зазоров, определяемых Правилами безопасности:

   Необходимая ширина  выработки по почве в свету  после осадки при конвейерном  транспорте:

, где

b_к = 1,4 м – ширина ленточного конвейера 1ЛБ100;

b_т = 0,4 м – зазор между крепью и конвейером   при любых видах крепи по правилам безопасности;

b_л = 0,7 м – зазор между габаритом конвейера и крепью, предназначенный для прохода людей;

а_т – дополнительный зазор со стороны конвейера

а_т = 0 при h_кп ≤ h_и

h_кп – высота конвейера от почвы выработки: h_кп = h_к + 0,15

h_к = 0,85 м – высота ленточного конвейера 1ЛБ100 по технической характеристике

h_кп = 0,85 + 0,15 = 1 м

h_и = H_по – R – расстояние от почвы выработки до начала изгиба стоек

H_по = 2,66 м – высота выработки от почвы в свету после осадки

R = 1,65 м – радиус изгиба верхняка

h_и = 2,66 – 1,65 = 1,01 м

h_кп = 1 ≤ h_и = 1,01; значит а_т = 0 
а_л – дополнительный зазор со стороны людского прохода;

,где

r = 1,65 м – радиус изгиба стоек;

h_и = 2,66 – 1,65 = 1,01 м

h_лп = 1,95 м – высота от почвы выработки, на которой по правилам безопасни измеряется ширина людского прохода при отсутствии балласта на почве выработки и расположении людского прохода над водоотливной канавкой.

м

Размеры данной выработки  удовлетворяют условиям Правил безопасности.

Расчет паспорта крепления выработки

   В соотвествии  с выбранным видом крепи и  формой сечения рассчитывается  паспорт крепления выработки. 

Расстояние между осями  рам металлической крепи:

 где

Q_н = 170 кН (для СВП-17) – несущая способность рамы крепи;

n_y – коэффициент, учитывающий условия работы крепи. Для металлической крепи его значение 0,7-0,9;

n_н=1,2 – допустимый коэффициент перегрузки;

Р – нагрузка на крепь  выработки;

Для наклонных выработок  с углом наклона до 45° P=P_г*cosα

α = 11° - угол наклона выработки;

а = 3,7 м – максимальная ширина выработки в проходке;

= 8 – коэффициент  крепости пород в кровле выработки;

= 2,5 т/м³ – объемный вес пород в кровле выработки.

 МПа

Р=213,91*cos11°=209,98 Мпа

. Ближайшее меньшее  стандартное значение длины межрамной  стяжки . Таким образом, рамы крепи будут устанавливаться в выработке через каждые 0,5 м.

Выбор проходческого  комбайна

   В условиях данной  выработки подходит комбайн ГПСКВ,  так как:

1. Предназначен для проходки горизонтальных и наклонных выработок (наклонная выработка);
2. В породах крепостью ≤ 4 (f = 1,4);
3. Предельный угол наклона выработки при проведении выработки по восстанию 20 °(α = 11°);
4. Площадь сечения выработки в проходке 4,7 – 15 м² (S = 9,5 м²);
5. Высота выработки 1,8-3,6 м (Н = 2,97м);
6. Ширина по почве 2,6 – 4,7 м (B = 3,7 м).

 Технические характеристики  комбайна ГПСКВ:

• Назначение: для проведения горизонтальных и наклонных выработок по углю и смешанному забою;
• Коэффициент крепости пород ≤4;
• Характеристика пород: абразивность до 10 мг;
• Предельный угол наклона выработки при проведении выработки:
• по восстанию 20°,
• по падению 10°;
• Площадь сечения выработки в проходке: 4.7-15.0 м²;
• Размеры сечения выработки в проходке:
• Высота: 1.8-3.6 м,
• Ширина по почве: 2.6-4.7;
• Техническая производительность:
• по углю 1,8 т/мин,
• по породе 1,0 т/мин;
• Тип исполнительного органа избирательного действия;
• Ход телескопа стрелы: 500 мм;
• Мощность электродвигателя исполнительного органа 55 кВт;
• Тип погрузочного устройства: питатель с нагребающими лапами и скребковый подъемно-поворотный конвейер с круглозвенной цепью;
• Фронт погрузки: 2.10, 2.60, 3.10;
• Тип механизма передвижения: гусечный;
• Скорость движения комбайна: 6.6 м/мин;
• Давление комбайна на почву выработки: 0,065 МПа;
• Тип перегружателя: скребковый подъемно-поворотный конвейер с  

      круглозвенной  цепью;

• Система пылеподавления: комбинированная;
• Тип насосной установки: НУМС30;
• Напряжение питания электродвигателей: 380 В, 500 В, 660 В;
• Габариты комбайна:
• Длина (без перегружателя): 10.0 м;
• Ширина (по гусеницам): 1. 60 м;
• Высота (в транспортном положении): 1.5м;
• Ширина с лебедками: 2.23 м;
• Масса комбайна: 20 т.

При проведении выработок  схема работы комбайна ГПСКВ такова:

• комбайн устанавливается по оси выработки и распирается в почву опорным устройством;
• включаются двигатели исполнительного органа и насосной станции, режущий орган направляется в нижний правый или левый угол;
• исполнительный орган с помощью телескопического устройства подается на забой;
• производится внедрение режущего органа, сопровождающееся разрушением забоя на глубину 500 мм;
• производится обработка забоя путем перемещения режущего органа;
• отбитая горная масса захватывается нагребающими элементами питателя и подается на скребковый конвейер с подъемно-поворотной хвостовой частью, позволяющей грузить на различные транспортные средства.

   После обработки  всей площади забоя исполнительный  орган устанавливается в исходное  положение, комбайн гусеничным  ходом продвигается вперед до  контакта режущего органа с  забоем и цикл повторяется.

  Обслуживанием данного  комбайна занимаются два рабочих:  проходчик VI разряда (машинист горных выемочных машин) и проходчик V разряда (помощник машиниста).

Время обработки забоя  комбайном за цикл:

Т_см=360 мин – время смены;

l_ц=1,0 – продвигание забоя за цикл;

K_к – поправочные коэффициенты на норму выработки. При прохождении выработок шириной по почве в проходке более ширины погрузочного органа K_к=0,95; При угле наклона выработки 11-15° K_к=0,90;

Н_к=10,70 м – норма выработки на звено из двух человек.

Трудозатраты за цикл:

;

n_к=2 – количество рабочих, обслуживающих комбайн ГПСКВ

 чел.смен,

Труздозатраты на рабочих  будут следующие:

• проходчик VI разряда 0,1105 чел.смен.
• проходчик V разряда 0,1105 чел.смен.

Откатка горной массы  из забоя

    Погрузка породы является одним из наиболее трудоемких процессов проходческого цикла и занимает 30 – 40 % его продолжительности. Поэтому, большое значение имеет совершенствование механизации этого процесса, что в конечном счёте ведет к повышению производительности труда и увеличению скорости проведения выработок.

   Откатка горной  массы из забоя включает в  себя организацию перегрузки  породы в транспортные средства  и маневры последних в призабойном  пространстве. Откатка  является  одним из основных факторов, влияющих  на производительность погрузки  породы.

   Как было сказано уже ранее, при выборе технологической схемы, применяется скребковый конвейер 1СР70М в качестве перегружателя угля на ленточный конвейер 1ЛБ100, предназначенный для доставки угля из выработки.    

Преимущества ленточных  конвейеров:

1. Простота конструкции;
2. Возможность достижения большой производительности;
3. Высокая надежность.

Недостатки ленточных  конвейеров:

1. Невозможность применения в криволинейных в плане выработках;
2. Высокая стоимость ленты;
3. Ограниченность транспортируемого груза по кусковатости (до 400 мм).

Характеристика скребкового  конвейера 1СP70М:

• Конструктивное исполнение: переносной разборный;
• Максимальный угол наклона выработки: 18°;
• Длина в поставке:
• Количество цепей: 2;
• Скорость движения скребковой цепи: 1.024 м/с;
• Производительность: 500 т/час;
• Тип цепи: круглозвенная;
• Шаг скребков цепи: 1024 мм;
• Ширина става: 600 мм;
• Высота става
• Со стороны погрузки 200 мм;
• С бортами: 400 мм;
• Длина рештака: 1.58 м;

Характеристика ленточного конвейера 1ЛБ100

• Назначение: транспортирование угля и породы по бремсбергам;
• Характеристика установки: стационарный;
• Конструктивное исполнение: жесткий став – исполнение напочвенное. Канатный став – исполнение напочвенное или подвесное;
• Максимальный угол транспортирования: вниз16°;
• Скорость движения ленты: 2.0 м/с;
• Производительность: 590 т/час;
• Максимальный размер куска: 400 мм;
• Ширина ленты: 1000 мм;
• Тип ленты: резино-тканевая;
• Разрывное усилие ленты: 750 кН;
• Тип блока привода: однобарабанный;
• Число блоков: 2;
• Суммарная мощность двигателей: 75 кВт;
• Диаметр приводного барабана: 630 мм;
• Шаг скребков цепи: 1024 мм;
• Ширина става: 1400 мм;
• Длина в поставке: 1000 м;
• Масса конвейера: 80 т.

   Принцип работы системы  скребковый конвейер (в качестве  перегружателя) - ленточный конвейер:

 Осуществляется перемещение  (волочение) горной массы по  неподвижному металлическому желобу-рештаку  скребкового конвейера с помощью  скребков, закрепленных на тяговом  цепном органе. Рабочей будет  верхняя ветвь конвейера. Загрузка  горной массы осуществляется  в любой точке по длине конвейера.  Разгрузка в конвейере с верхней  рабочей ветвью происходит при  сходе груза с головного рештака  на ленточный конвейер. Ленточный  конвейер перемещает уголь на  конвейерной ленте, движущейся  по стационарным роликоопорам. Лента  приводится в движение одним  или несколькими приводными барабанами, связанными через редуктор с  двигателями.

   При проведении горной  выработки комбайном погрузка  горной массы не нормируется.  Время данного процесса определяется  временем работы комбайна. За  транспортированием горной массы  конвейером следит один рабочий,  который также занимается погрузкой  просыпи.

   Время погрузки  горной массы:

  мин

Трудозатраты за цикл:

;

n_к=1 – количество рабочих, занимающихся погрузкой горной массы

 чел.смен

Трудозатраты на проходчика IV разряда 0,112 чел.смен.

   По мере подвигания  забоя скребковый конвейер наращивается тремя рабочими. В состав их работ входит: очистка от угля и породы натяжной головки и места для её установки и укладки рештаков; подноска приспособлений; ослабление и рассоединение конвейерной цепи; раскрепление натяжной головки; отсоединение и передвижка натяжной головки от конвейерного става; подноска рештаков; подноска звеньев конвейерной цепи; укладка наращиваемых рештаков; соединение рештаков с конвейерным ставом и натяжной головкой; укладка дополнительных звеньев конвейрной цепи; соединение и натяжка цепи; закрепление натяжной головки.

    Время наращивания  скребкового конвейера на длину  1-го рештака:

l_р=1,58 м – длина рештака

К_нар – поправочный коэффициент к норме выработки конвейерного става,

При проведени наклонных  выработок снизу вверх К_нар=0,90;

Н_нар=8,39 м – норма выработки на одного рабочего при наращивании скребкового конвейера;

n_нар=3 – количество рабочих, занятых наращиванием скребкового конвейера.

Трудозатраты за цикл:

;

n_нар=3 – количество рабочих, занимающихся наращиванием скребкового конвейера

 чел.смен.,

Трудозатраты на рабочих  будут следующие:

• проходчик IV разряда 0,072 чел.смен.
• проходчик V разряда 0,072 чел.смен.
• проходчик VI разряда 0,072 чел.смен.

    В дальнейшем  для расчета организации работ  потребуется условное время и  трудозатраты на наращивание  скребкового конвейера, то есть  время и трудозатраты на наращивание  1 метра скребкового конвейра.

, где 

l – длина рештака

 мин

 чел.смен.

  Ленточный конвейер  будет наращиваться специализированной  общешахтной бригадой в общий  выходной день, а также будет  демонтирован скребковый конвейер. Ленточный конвейер будет наращиваться  в общий выходной день для  того, чтобы это не влияло на  процесс добычи угля в рабочее  время. Наращивание конвейера  осуществляется не менее чем  на 50 метров. В условиях данной  выработки он будет наращиваться  сразу на 200 метров. То есть наращивать  ленточный конвейер придется  после 4 рабочих недель, когда  за 24 рабочих дня будет пройдено  порядка 200 м. Наращиванием конвейера  будет заниматься 12 человек раз  в четыре недели. Перед тем  как наращивать конвейер, они  занимаются демонтажом скребкового  конвейера.

Возведение постоянной крепи

   Рамные конструкции  крепей состоят из большого  числа элементов с затяжками  (до 50 элементов на 1 м выработки), соединяемых с помощью съёмных  деталей и болтовых или безболтовых  соединений. Существующие средства  механизации возведения крепи  обеспечивают степень механизации  только на 20 - 25%. Таким образом,  многоэлементные конструкции рамных  крепей не соответствуют целям  механизации их возведения и  рассчитаны, в основном, на установку  вручную.

    Возведение податливой  арочной металлической крепи  производят в следующей последовательности:

• После осмотра забоя и оборки заколов породы по периметру выработки под стойки крепи разрабатывают лунки с применением отбойных молотков или лункобура Л-1.
• В лунки устанавливают стойки крепи и ниже соединительных узлов скрепляют их двумя межрамными стяжками с предыдущей аркой.
• Монтируют рабочий полок (подмости) на стойках; с рабочего полка устанавливают в проектное положение верхняк и скрепляют его со стойками с помощью скоб, планок и гаек.
• Затяжку гаек производят стандартным ключом с длиной рукояти 400 мм или гайковёртом до начала изгиба планки.
• По отвесам проверяют вертикальность установки арки, соединяют верхняк межрамной стяжкой с ранее установленной аркой, после чего арку расклинивают в замках с помощью деревянных клиньев.
• По периметру арки устанавливают межрамное ограждение с одновременной забутовкой закреплённого пространства.

    Верхние элементы  крепи, установленные на выдвижные  консольные балки, часто используют, как предохранительную крепь.  В этом случае после погрузки  породы в подготовленные лунки  устанавливают стойки, подводят  под верхняки и скрепляют между собой. Далее работы по креплению проводят в последовательности, рассмотренной ранее.

    При проведении  горных выработок призабойная  часть выработки, т. е. пространство  между забоем и постоянной  крепью, должно быть закреплено  временной предохранительной крепью. Согласно Правилам безопасности в угольных и сланцевых шахтах все работы в забое по разборке и уборке породы и угля после взрывных работ, а также возведению постоянной крепи должны производиться под защитой временной предохранительной крепи. Временная предохранительная крепь применяется и при проведении выработок проходческими комбайнами. Временная крепь должна обеспечить безопасность ведения работ в забое.

    На отечественных  угольных и других шахтах применяют  в основном выдвижные консольные  и подвесные анкерные временные  предохранительные крепи.

    В условиях  данной выработки будет применяться  выдвижная консольная предохранительная  крепь, состоящая из двух выдвижных  балок из спецпрофиля СВП, двутавра или рудничных рельсов, подвешенных скобами на верхняках постоянной крепи, и настила из верхняков и затяжек (обычно одной-двух рам) постоянной крепи, перекрывающих призабойное пространство. Это необходимо для сокращения затрат времени на возведение постоянной крепи и повышения безопасности работ. Элементы постоянной крепи, т. е. верхняки и затяжки, при возведении постоянной крепи не удаляются, а используются как составная часть постоянной крепи. После уборки породы и угля и оформления забоя устанавливают стойки под верхняки, уложенные на выдвинутых балках предохранительной крепи  и расклинивают рамы.

   Креплением выработки занимаются 3 человека.

Время крепления призабойного пространства металлической податливой арочной трехзвенной крепью (мин).

, где 

l=1,0 м – расстояние кратное расстоянию между рамами крепи;

К_кр – поправочный коэффициент к норме крепления выработки. Для выработок, пройденных комбайнами при коэффициенте крепости пород до 2,5 включительно К_кр = 1,1;

Н_кр =2,3 м – норма крепеления выработки на одного рабочего;

n_кр = 3 – количество рабочих, занятых креплением выработки.

Трудозатраты на крепление  призабойного пространства металлической  податливой арочной трехзвенной  крепью.

, где

n_кр – количество рабочих, занятых на креплении призабойного пространства

 чел.смен.

Трудозатраты на рабочих  будут следующие:

• проходчик VI разряда 0,133 чел.смен.
• проходчик V разряда 0,133 чел.смен.
• проходчик IV разряда 0,133 чел.смен.

Проветривание проводимой выработки

   Проветривание выработок  осуществляют для обеспечения  санитарно-гигиенических условий  труда − нормального состава воздуха (содержание

кислорода не менее 20 % по объему и углекислого газа не более 0,5 %) и температуры воздуха не более 26 °С при влажности до 90 %.

   Различают четыре  схемы проветривания горизонтальных и наклонных выработок (рисунок 1): за счет общешахтной депрессии (а), нагнетательную (б), всасывающую (в) и комбинированную (г).

Рисунок 1. Схемы проветривания  тупиковых выработок: 1 - вентилятор; 2 - трубопровод; 3 - перемычка; Sпр - площадь поперечного сечения выработки в проходке; Qн, и Qвс - подача соответственно нагнетательного и всасывающего вентиляторов

   Проветривание за счет общешахтной депрессии применяют редко, в тех случаях, когда проводят две параллельные выработки, которые сбивают между собой через промежутки не более 30 м.

   Наибольшее распространение  получила нагнетательная схема,  при которой свежий воздух  нагнетается вентилятором местного  проветривания по трубам в  забой выработки, происходит его  интенсивное перемешивание с  воздухом, находящимся в призабойной  части выработки, и эта смесь  по выработке перемещается в  исходящую струю. Дальность действия  струи воздуха зависит от поперечного  сечения выработки и скорости, исходящей из труб струи воздуха.  Расстояние от конца вентиляционных  труб до забоя в газовых  шахтах не должно превышать  8 м, а в негазовых − 12 м.

   При нагнетательной  схеме проветривания происходит  энергичное вымывание газов из  забойного пространства и имеется  возможность применять гибкие  трубы. Недостаток схемы заключается  в том, что загазованный воздух  из забойного пространства перемещается  по всей длине выработки.

   При всасывающей  схеме проветривания загазованный  воздух из забойного пространства  вентилятором засасывается в  став вентиляционных труб и  перемещается в выработку со  свежей струёй. Недостаток схемы  − малая эффективность проветривания, так как воздушная среда, находящаяся от конца трубопровода на расстоянии более 1,5 м, практически не засасывается в трубопровод. Кроме того, при такой схеме можно применять только металлические трубы.