Способы проведения горных выработок

 Способы  проведения горных выработок

 

Горные  работы – это работы по проведению, креплению и поддержанию в рабочем состоянии горных выработок, производимые для разведки или добычи полезных ископаемых из недр Земли. По расположению различают:

- открытые горные работы - проводимые под открытым небом;

- подземные - в недрах Земли;

- подводные.

По  способу осуществления и применяемым  средствам горные работы подразделяют на:

- машинные (наиболее распространённые; ведутся с помощью горных машин и механизмов;

- буровзрывные (основной вид - взрывание помещённых в предварительно пробурённые скважины, шпуры или горные выработки зарядов взрывчатых веществ);

- гидравлические;

- геотехнологические (добыча полезных ископаемых подземной возгонкой, выщелачиванием, растворением и выпариванием и т. п.);

- буровые (применяются для добычи нефти, горючих газов, рассолов, растворов минералов и т. д.

По  производственному назначению горные работы подразделяют на:

- вскрытие месторождения,

- подготовительные (для подготовки вскрытой части месторождения к разработке - разделении её на выемочные поля или блоки горными выработками, обеспечивающими транспортировку горных пород, материалов, оборудования, перемещение людей),

- нарезные (для разделения выемочных полей или блоков на выемочные участки нарезными горными выработками);

- очистные, или добычные (для извлечения полезного ископаемого).

 

Выбор технологии и оборудования для проведения горных работ в  выработках зависит как от размеров их поперечных сечений, устанавливаемых в зависимости от назначения выработки, так и от крепости и устойчивости пород.

Так для проходки горизонтальных и наклонных (до 35°) выработок в  некрепких породах применяют проходческие комбайны, которые разрушают породу и грузят её в вагонетки или на конвейер. Комбайновый способ проведения выработок является более безопасным и эффективным, чем буровзрывной; при этом почти не нарушается целостность окружающих выработку пород. Для крепких пород наиболее часто используется буровзрывной способ проходки.

 

 Буровзрывной способ проведения выработок

 

Буровзрывной способ применяется для выработки по породам с коэффициентом крепости более 8. При этом эффективность буровзрывных работ зависит от многих факторов:

   -     физико-механических свойств пород

-      типа и расхода ВВ;

-      диаметра и глубины шпуров;

-      конструкция заряда и способа его инициирования;

-      схемы расположения шпуров и очередности взрывания зарядов;

-      типа бурового оборудования; организации работ и т.п.

Степень влияния указанных  факторов на эффективность буровзрывных работ различна и определяется комплексом параметров. Поэтому буровзрывной комплекс включает в себя работы по бурению и заряжанию шпуров, а так же взрыванию зарядов и т.д.

Качественное производство буровзрывных работ во многом определяет эффективность и экономичность строительства горных выработок. Правильное определение и рациональный выбор элементов буровзрывного комплекса должны обеспечить следующее: разрушение породы в объеме проектного сечения без “недоборов” и “переборов” на максимально возможную глубину шпуров; равномерное дробление породы до определенной фракции, при которой достижима максимальная производительность погрузки разрушенной массы; минимальный разброс взорванной породы по выработке, уменьшающий трудоемкие работы по подгребанию породы; кучное расположение взорванной породы у забоя; максимальную механизацию всех работ.

Основными технологическими операциями при буровзрывном способе прохождения горных выработок являются:

1. бурение шпуров;
2. заряжание шпуров взрывчатыми веществами, монтаж взрывной сети, выполнение правил техники безопасности;
3. подрыв взрывной сети, проверка детонации всех зарядов взрывчатого вещества и сечения полученной выработки;
4. уборка породы из забоя;
5. транспортирование породы до откаточных штреков;
6. крепление горной выработки
7. вспомогательные операции по обеспечению функционирования забоя (проведение водосточной канавки; наращивание вентиляционной трубы, водного и воздушного ставов и др.).

Вышеперечисленные технологические  операции: монтаж взрывной сети и ее подрыв, являются очень опасными и требуют выполнения целого комплекта мер техники безопасности, которые являются очень продолжительными; в соответствии с чем - важнейшим минусом буровзрывного способа добычи полезного ископаемого в подземных условиях является сложность и опасность технологической схемы, а также длительность рабочего цикла.

 

  Комбайновый способ проведения выработок

Научно-технический  прогресс в области проведения горных выработок, являющихся важнейшим элементом  современной технологии добычи полезных ископаемых, в основном реализуется путем развития комбайнового способа проведения. Последний, по сравнению с буровзрывным способом, обеспечивает более высокие темпы проходки и производительность труда.

Парк проходческих комбайнов в угольной отрасли составляет около 360 штук (порядка 240 из них находятся в Кузбассе). Основой этого парка являются комбайны типа ГПКС производства Копейского машиностроительного завода (по Кузбассу, например, 97%). Анализ состояния проходческих комбайнов указывает на неуклонное снижение парка новых машин.

Сейчас в  России, вместо ранее выпускавшихся  заводами СССР для нужд угольной промышленности, других горнодобывающих отраслей и  подземного строительства шести  моделей комбайнов весом от 12 до 80 т, на потоке единственный массовый комбайн 1ГПКС (масса 24 т) и ставится на промышленное производство базовая модель комбайна среднего класса КП-25 (масса 52 т) и комбайн КП-21.

 

При комбайновом  способе проведения горных выработок  существенно сокращается число основных процессов проходческого цикла по сравнению с буровзрывной технологией. Вспомогательные процессы остаются такими же, как и при буровзрывной технологии. Большое внимание следует уделять пылеподавлению. По существу технология строительства сводится к механическому разрушению массива, погрузке и транспортировке породы, что можно выполнять одновременно с возведением постоянной крепи. Такие процессы, как бурение шпуров, заряжание и взрывание, проветривание и приведение забоя в безопасное состояние после взрывания, исключаются из проходческого цикла. Для комбайновой, технологии строительства характерна циклично-поточная организация труда.

Поэтому большое  значение приобретает своевременность  выполнения вспомогательных процессов (настилка рельсовых путей, увеличение длины конвейеров, прокладка труб и кабелей, устройство водоотводной канавки и др.), относительная трудоемкость которых в связи с недостаточным уровнем их механизации значительно возрастает.

Основными достоинствами  комбайнового способа проведения горных выработок являются:

- полная механизация и совмещение по времени основных процессов выемки и погрузки горной массы, при применении временных передвижных крепей с этими работами совмещают также возведение постоянной крепи;

- выемка породы производится в пределах проектного контура выработки без нарушения сплошности окружающего массива;

- увеличение темпов проходки и производительности труда рабочих в 2-2,5 раза по сравнению с буровзрывным способом:

- снижение стоимости строительства;

- повышение безопасности и улучшение санитарных условий работ.

В качестве одного из основных критериев оценки сопротивляемости пород разрушению механическим способом принят предел прочности пород при одноосном сжатии. Эффективность работы проходческих комбайнов зависит не только от прочностных свойств пород, но и в значительной степени от их абразивности, так как последняя изнашивает породоразрушающий инструмент, изменяя его геометрию, обусловливает рост усилий, действующих на комбайн в целом.

Параметры режима разрушения выбирают с учетом хрупкости и вязкости пород. Эти характеристики определяют как частное от деления пределов прочности пород на одноосное сжатие и растяжение.

Нарушенность  и трещиноватость массива также  оказывают существенное влияние на сопротивляемость его разрушению механическими способами.

  Крепление горных выработок

 

Горная крепь — искусственное сооружение, возводимое в горных выработках для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых размеров поперечных сечений, а также для управления горным давлением.

Горные крепи подразделяются:  
по основному материалу — на деревянные, металлические (из стали, легких сплавов), каменные (из естественных и искусственных камней), бетонные, железобетонные (монолитные, из отдельных блоков или элементов), смешанные;  
по роду выработок — на крепь капитальных, подготовительных, нарезных и очистных, горизонтальных, наклонных и вертикальных выработок; 
по сроку службы — на временные и постоянные;  
по форме — на трапециевидные, прямоугольные, арочные, кольцевые;  
замкнутые и незамкнутые по периметру выработки;  
по характеру работы — на жесткие, податливые (постоянного и нарастающего сопротивления), шарнирные, комбинированные (шарнирно-податливые).

Анкерная (штанговая) крепь — крепь в виде металлических, деревянных или железобетонных стержней (анкеров, штанг), закрепленных в шпурах или скважинах и прижимающих при их натяжении к поверхности обнажения пород верхняки или шайбы (плиты). Концы анкеров, как правило, закрепляются в крепких и устойчивых породах. При натяжении анкеров слои пород прижимаются друг к другу и образуют устойчивую, монолитную толщу. Поэтому анкерная крепь увеличивает устойчивость обнаженного массива и удерживает его от расслоения и обрушения.

При работе комбайнов  избирательного действия по мере подвигания забоя возводят временную или постоянную крепь в зависимости от устойчивости пород кровли.

В качестве постоянной крепи  в выработках, в большинстве случаев, применяют крепи металлическую, арочную из спецпрофиля, рамную смешанную  из железобетонных трубчатых стоек  и металлических верхняков, анкерную, деревянную рамную и различные виды бетонной крепи.

При неустойчивой кровле по мере подвигания забоя возводят постоянную крепь. В этот период комбайн  не работает. При устойчивой кровле по мере подвигания забоя рекомендуется возводить крепь у забоя с большим расстоянием между рамами, чем предусматривает паспорт постоянного крепления.

Значительно усложняется  производство работ по креплению, если в качестве постоянной крепи принята  арочная крепь спецпрофиля, причем с бетонными затяжками. Механизировать установку арок сложно и еще сложнее механизировать закладку бетонных растяжек. По этим причинам возведение такого вида крепи, как правило, сопровождается полной остановкой комбайна и приводит к существенным потерям времени.

Как показывает опыт, на возведение крепи с рамными металлическими конструкциями при применении комбайнов избирательного действия приходиться до 40% времени проходческого цикла.

Указанные недостатки могут  быть устранены заменой деревянных и бетонных затяжек тканевыми или металлическими сетчатыми затяжками, а также применением временной гидрофицированной металлической передвижной крепи или установкой на комбайне специального навесного оборудования для механизации монтажа элементов крепи.

 

 

 

 

Классификация проходческих комбайнов

 

Применяемые в настоящее время в промышленных условиях проходческие комбайны делятся на две группы: бурового действия (роторные) и избирательного действия (стреловидные).

 

 

  Проходческие комбайны бурового действия

 

Комбайны бурового действия могут разрушать породы прочностью до 150 МПа и более. Они работают по принципу распорно-шагающих механизмов и обеспечивают проведение выработок круглой формы. Проходческие комбайны бурового действия имеют роторный исполнительный орган, объединяющий функции разрушения породы, погрузки и транспортировки, снабженный шарошками лобового резания, погрузочными ковшами и ленточным конвейером. Роторный исполнительный орган разрушает породу шарошками одновременно по всей площади забоя, поэтому требует усилия подачи 1400-1600 кН и выше, а также большой мощности электродвигателей: 440-540 кВт - для исполнительного органа, 660-850 кВт - для всего комбайна и 900-1100 кВт - для комбайна со вспомогательным оборудованием.

Структурно-компоновочная  схема проходческого комбайна с  буровым исполнительным органом  представлена на рис. 1.

Рис. 1. Роторный проходческий комбайн.  1 – роторный исполнительный орган, состоящий из одной или двух соосно расположенных планшайб; на их забойной стороне расположен рабочий инструмент (резцы, шарошки), а с внутренней, как правило, размещаются ковши погрузочного устройства;  2 – бермовые фрезы, осуществляющие оформление забоя до арочной формы;  3 – привод роторного исполнительного органа и бермовых фрез, состоящий из электродвигателя и редуктора;  4 – щит ограждения, препятствующий проникновению пыли из зоны работы исполнительного органа в выработанное пространство;  5 – несущая рама комбайна с расположенным на нем электро- и гидрооборудованием;  6 – ходовая часть гусеничного или распорно-шагающего типа;7 – конвейер ленточного типа.

 

Недостатками  комбайнов бурового действия являются:

-ограниченная мобильность из-за сложного распорно-шагающего устройства;

-   большие масса и длина комбайна (масса 90-250 т, длина 15-16 м);

-  проведение выработок только круглого сечения с большим радиусом искривления (100-140 м);

- необходимость замены роторного исполнительного органа при изменении размеров выработки;

-  громоздкость комбайна, затрудняющая его осмотр, ремонт и выполнение работ по креплению выработок;

- высокая трудоемкость монтажных работ (на доставку и монтаж затрачивается 1000-2500 чел/смен без учета устройства специальной камеры объемом до 1200-1500 м ).

В связи с  высокой стоимостью и большими затратами  времени на монтажные работы комбайны бурового действия целесообразно применять только при проведении длинных малоискривленных выработок. В настоящее время их, как правило, применяют для проведения длинных тоннелей и реже - выработок в шахтах.

 

 

 

 

  Проходческие комбайны избирательного действия

 

Практический  интерес для горнодобывающих предприятий представляют стреловидные проходческие комбайны, или, как их еще называют, комбайны избирательного действия, которые позволяют полностью механизировать процесс отбойки и погрузки горной массы. Эти мощные самоходные агрегаты снабжены режущей головкой и погрузочным органом. Как правило, комбайны имеют гусеничный ход, но существуют модификации на пневмоколесном и рельсовом ходу. Погрузочный орган обычно представляет собой комбинацию нагребающих лап или нагребающего ковшового органа со скребковым или цепным конвейером.

Комбайны  избирательного действия по сравнению с комбайнами бурового действия имеют следующие преимущества:

- более маневренны, их можно монтировать в выработках небольшой площади сечения (8-10 м) без применения специального оборудования;

- обеспечивают раздельную выемку горной массы в смешанных забоях в выработках любой формы;

- после окончания проведения выработки переводятся в другой забой без перемонтажа;

-имеют меньшую массу и стоимость.

Имея перечисленные  преимущества, стреловые комбайны значительно (в 2-4 раза) уступают комбайнам бурового действия по производительности.

Комбайны  избирательного действия выпускаются  двух типов: тяжелого (масса более 40 т) и легкого (масса до 20 т). В настоящее время в РФ основном применяют комбайны легкого типа (более 85 %) с резцовыми исполнительными органами. За рубежом находят применение (около 70 %) комбайны тяжелого типа в породах с прочностью на сжатие более 60 МПа. В породах меньшей прочности используют комбайны легкого типа, как при проведении выработок, так и при добыче полезных ископаемых.

Большинство проходческих комбайнов избирательного действия работают с поворотными круглыми резцами. Эта конструкция в настоящее время используется всеми изготовителями проходческих комбайнов.

По сути дела, структурно-компоновочная схема  рассматриваемого класса машин имеет практически один и тот же состав для большинства моделей (см. рис. 2).

Рис. 2.  1 – стреловидный исполнительный орган, включающий собственно исполнительный орган обычно корончатого типа, а также его привод, т. е. электродвигатель и редуктор;  2 – система подвески стреловидного исполнительного органа, состоящая, как правило, из стрелы, шарнирно связанной с поворотной рамой, а также нескольких пар гидроцилиндров, изменяющих положение исполнительного органа в горизонтальной и вертикальной плоскостях;  3 – корпус машины или несущая рама, на которой базируется все основное оборудование комбайна;  4 – ходовая часть, как правило, гусеничного типа;  5 – погрузочный орган, в качестве которого преимущественное распространение получили парные нагребающие лапы;  6 – конвейер, обычно скребкового типа;  7 – гидро- и электрооборудование комбайна, включающее маслостанцию, станцию управления, пульт управления и т. д.

 

Комбайны  избирательного действия обладают следующими основными достоинствами:

- возможность обработки забоя выработки любой формы, кроме круглой, с площадью поперечного сечения от 4 до 30 м и более;

- обеспечение селективной выемки;

- возможность установления крепи в непосредственной близости от забоя;

- высокая маневренность и относительно малая масса.

К основным недостаткам комбайнов избирательного действия относят:

- цикличное действие при разработке породы на части забоя, что снижает эксплуатационную производительность комбайна;

- неуравновешенность в продольном и поперечном направлении и конструктивная сложность исполнительного органа, связанная с возникновением динамических нагрузок;

- более сложная конструкция погрузочных устройств;

- невозможность проведения выработок по крепким абразивным породам;

- пылеобразование и низкая эффективность средств борьбы с пылью,

 

 

  Дополнительное оборудование проходческих комбайнов

 

При проведении подготовительных выработок комбайновым способом все более широкое применение как у нас в стране, так и за рубежом находят средства механизации установки постоянной крепи, навешиваемые на проходческие комбайны. Средства механизации монтируют на стреле и корпусе комбайна.

Существующие средства механизации возведения металлической арочной крепи подразделяют на предназначенные для установки крепи непосредственно у забоя и для её возведения вне зоны работы проходческого комбайна.

К первым относят навесное оборудование, подвесные крепеустановщики и портальные тележки, ко вторым – переносные инвентарные и шагающие проходческие крепи.

Навесное оборудование: кронштейны, смонтированные на исполнительных органах комбайнов, и стреловые  краны, устанавливаемые на корпусе  комбайна, служат для подъема и транспортирования верхняков рамной и верхних элементов арочных крепей.

В отечественной и  зарубежной практике получили распространение  устройства для крепи в виде кронштейнов, устанавливаемых на исполнительном органе комбайна. Верхняк укладывают на кронштейн вручную, поднимают на место установки и удерживают там стрелой комбайна. Описанное навесное оборудование конструктивно просто и надежно.

Передвижные крепеустановщики  работают независимо от проходческих комбайнов, что позволяет выполнять  большую часть работ без перерывов. Применение крепеустановщиков позволяет механизировать установку как отдельных верхняков, так и всех элементов крепежных рам, собранных в пакеты.

Анализ существующих и вновь разрабатываемых конструкций  средств механизации возведения металлической арочной крепи показывает, что работы ведутся в направлении создания автоматических устройств, обеспечивающих механизированное возведение в зоне работы исполнительного органа проходческого комбайна временной крепи, которая является элементом постоянной крепи, монтируемой вне опасной зоны, что создает условия для достижения максимально возможного коэффициента использования проходческого комбайна.

 

 

 

  Расчет производительности проходческого комбайна 1ГПКС

   

         Производительность проходческих комбайнов зависит от типа исполнительного органа, условий его работы, конструктивных параметров комбайна, горно-геологических условий, организации труда и ряда других факторов.

         Согласно методике, разработанной  кафедрой горных машин Московского Государственного Горного Университета, производительность определяют следующим образом.

 

Теоретическая производительность комбайна - это максимально возможная производительность для соответствующих горно-геологических условий, выражается количеством отделяемого от массива угля или горной породы при непрерывной часовой работе исполнительного органа.

 

Эксплутационная производительность комбайна характеризует фактическое количество добытого полезного ископаемого в единицу времени, и определяется с учетом всех видов простоев в работе комплекса.

 

                Технические данные, необходимые для расчета:

 

коэффициент крепости                                           f = 2

площадь сечения, м² (S)                                        17

тяговое усилие, кН(Т)                                           30

мощность номинальная, кВт                                75

частота вращения шнека, об/мин                        55

тип режущего инструмента                                  РКС -1 или РКС-2

Исходя из данных, необходимо рассчитать теоретическую, техническую и эксплуатационную производительность проходческого комбайна и время необходимое для проведения заданного количества времени.

 

 

Дано:

 коэффициент готовности                                  Кг=0,9

ширина захвата коронки                                    В=0,5

средний диаметр исполнительного  органа      dcр=0,5В

время простоев по тех.причинам                     Тэо=12мин/ч

время на вспомогательные  операции              Тр,в % от Тво 30

заданная длина проведения выработки           L=3м

 

Скорость перемещения  коронки :,ЮД

 

 

Решение:

1. Крутящий момент  от сил резания Мкр

Мкр = N / 2 · π · n = 75 / 2 · 3,14 · 0,91 =13,13

 

1.Теоретическая производительность Q

2.Техническая   производительность Qт

Эти затраты времени  учитываются коэффициентом технически возможной непрерывности работы очбистной машины Кт.

 

где:

 -время работы комбайна, мин

-затраты времени на устранение  отказов, мин

-затраты времени на вспомогательные  операции, мин

 

 

 

 

Техническая производительность комбайна

 

3.Эксплутационная   производительность Qэ

Снижение производительности по сравнению с теоретической  учитывается коэффициентом непрерывности  работы комбайна в процессе эксплуатации Кэ.

 

 

где Тэо-время простоев по эксплуатационным причинам, мин

 

 

Эксплуатационная производительность характеризует фактическое количество разрушаемой породы, т/мин

 

 

V,м/с	Q,	Qт,	Qэ,
0,02	0,15	0,105	0,1
0,03	0,225	0,157	0,15
0,04	0,3	0,21	0,19

 

 

 

 

 

График зависимости  производительности от скорости