5.3 Способы и средства выемки угля в очистных забоях
Технологические схемы очистных работ
Под очистными работами понимают собственно выемку полезного ископаемого, крепление забоя и управление кровлей. Очистная выемка — это совокупность процессов отбойки, погрузки на забойный конвейер и доставки угля до ближайшей транспортной выработки (конвейерного штрека, бремсберга, уклона и др.). Названные процессы очистных работ характерны для пологих и наклонных пластов, где широко применяется комплексная механизация. В других условиях могут отсутствовать такие процессы, как крепление и управление кровлей, погрузка и механизированная доставка угля в забое.
Очистная выемка является главным процессом очистных работ. Крепление забоя и управление кровлей должны обеспечить нормальное выполнение работ по очистной выемке.
Очистной забой— забой, в котором осуществляется массовая добыча полезного ископаемого. По технологическому принципу очистные забои подразделяются на длинные и короткие. Принято забои длиной более 20 м считать длинными, менее — короткими.
В длинных очистных забоях, называемых лавами, применяют две схемы выемки: фланговую и фронтальную. При фланговой схеме(рис. 5.1, а) отделение угля от массива осуществляется выемочной машиной, перемещающейся вдоль забоя перпендикулярно к направлению его подвигания.
В зависимости от ширины захвата выемочной машины различают широкозахватную, узкозахватную и струговую выемку угля. При широкозахватной выемкеширина захвата более 1 м,узкозахватной— 0,5-1,0 м,струговой— 0,1—0,2 м. Широкозахватная выемка в настоящее время не применяется. Основными выемочными машинами в длинных очистных забоях на современном этапе развития технологии угледобычи являются узкозахватные комбайны и струги.
При фронтальной выемке(рис. 5.1, б) отделение угля от массива осуществляется выемочным агрегатом одновременно по всей длине очистного забоя. Такая технология позволяет осуществлять добычу угля без постоянного присутствия людей в очистном забое. Испытаны отдельные опытные образцы.
В СНГ выемка угля короткими очистными забоями широкого применения не имеет. Выемку угля короткими очистными забоями применяют, в частности, при гидродобыче (рис. 5.1, в).
Рис 5.1. Технологические схемы очистных работ: а — фланговая (1 — выемочная машина; 2 — забойный конвейер; 3 — штрековый перегружатель; r— ширина захвата выемочной машины); б — фронтальная (3 — перегружатель; 4—выемочная машина); в — в коротком очистном забое (7 — гидромонитор; 2 — высоконапорный трубопровод)
Основную добычу дают длинные очистные забои. Они могут быть расположены относительно элементов залегания пласта по падению (рис. 5.2, а) или простиранию (рис. 5.2, б, в) пласта и перемещаться по простиранию, падению или восстанию. Иногда они могут располагаться диагонально.
Рис. 5.2. Схемы подвигания очистных забоев: а — по простиранию; б — по падению; в — по восстанию
Свойства угля как объекта разрушения
На выбор способов и средств разрушения угля оказывают решающее влияние его механические свойства: петрографическое строение, степень метаморфизма, трещиноватость угля, наличие породных прослойков и твердых минеральных включений. Прочностные свойства угля оцениваются показателями на сжатие, сдвиги и растяжение.
При механическом разрушении важно знать связь между механическими прочностными свойствами угля и характеристиками процесса разрушения — сопротивляемостью углей разрушению и резанию.
Под сопротивляемостью разрушению понимается способность углей противостоять различного рода механическим воздействиям.
Сопротивляемость углей резанию — характеристика сопротивления, оказываемого углем разрушению режущим инструментом. За показатель сопротивляемости резанию (А, кН/м) принято приращение силы резания на 1 м толщины стружки. Величина А для углей составляет 25—450 кН/м.
При ведении очистных работ изменяется напряженно-деформированное состояние угольного пласта. Происходит снижение прочности угля в призабойной зоне и нарушение сплошности, связанное с ведением горных работ, т. е. его отжим. Степень нарушения сплошности угля уменьшается от кромки забоя в глубь массива и зависит от характеристики угольного пласта и боковых пород, мощности и угля падения пласта, скорости подвигания очистного забоя, ширины полосы, вынимаемой комбайном или стругом и т. д.
В зоне отжима фактический показатель сопротивляемости угля резанию уменьшается.
Механизированная выемка угля в длинных очистных забоях
Отделение угля от массива и его дробление может осуществляться комбайнами, стругами, агрегатами, гидромониторами, механогидравлическими машинами и буровзрывными работами. Основным средством механизированной выемки угля на пологих и наклонных пластах являются очистные комбайны. Очистной угольный комбайн— машина, одновременно выполняющая в забое операции по механическому отделению угля от массива, дроблению его до кусков транспортабельного размера и навалке на забойный конвейер. Угольный комбайн как выемочная машина состоит из электродвигателя, механизма подачи, исполнительного органа, погрузочного устройства и систем управления и пылеподавления.
Большинство современных узкозахватных комбайнов оснащены шнековыми исполнительными органами. Основное их достоинство заключается в том, что шнеками осуществляется погрузка угля на конвейер. Обычно узкозахватные комбайны оснащены двумя шнеками. Они располагаются либо с одной, либо с обеих сторон корпуса комбайна (рис. 5.3). Положение шнеков легко регулируется по высоте гидродомкратами, что позволяет осуществлять выемку угля при различной мощности пласта.
Конструкция комбайнов допускает возможность фронтальной зарубки шнеков в пласт и механизированную выемку угля на концевых участках лавы без ниш. При этом приводная и концевая головки забойного конвейера должны быть вынесены в прилегающие к очистному забою выработки. Узкозахватные комбайны перемещаются по раме забойного конвейера с помощью приводной звезды и калиброванной цепи, растянутой вдоль забоя и закрепленной по концам на головках забойного конвейера. Но наиболее совершенными являются комбайны с бесцепной передачей, при которой комбайн перемещается с помощью зубчатого колеса по цевочной рейке, закрепленной на раме конвейера.
Рис. 5.3. Узкозахватный комбайн со шнековым исполнительным органом: 1 — шнеки; 2—конвейер; 3 — пульт управления; 4 — механизм подачи; 5 — электродвигатель; 6 — погрузочный щиток
В настоящее время промышленностью выпускаются различные типы узкозахватных комбайнов, предназначенные для работы в разнообразных горно-геологических условиях. Наибольшая эффективность работы комбайнов достигается в комплексе с механизированными крепями, исключающими трудоемкие работы по креплению и управлению кровлей.
Важной эксплуатационной характеристикой комбайна является его производительность. Под производительностью комбайна понимают количество угля, добываемого в единицу времени. Производительность выемочной машины определяет нагрузку на очистной забой и уровень технико-экономических показателей.
Кроме комбайнов выемка угля в длинных очистных забоях может осуществляться струговыми установками. Струговая установка— выемочная машина, предназначенная для механической отбойки, погрузки и доставки угля в очистных забоях. Струговая выемка является одним из наиболее прогрессивных способов добычи угля. Она имеет ряд существенных преимуществ перед комбайновой:
улучшается сортность добываемого угля и уменьшается пылевыделение;
более простое оборудование;
низкая энергоемкость процесса разрушения и погрузки угля на конвейер;
простой способ погрузки угля;
возможность применения на весьма тонких пластах;
наибольшая пригодность для полной автоматизации технологического процесса выемки угля в длинных очистных забоях.
Наибольшее применение получили быстроходные струговые установки статического действия. Исполнительным органом струговой установки является струг, при движении которого вдоль забоя снимается стружка угля толщиной 50—150 мм. Отбитый таким образом уголь корпусом струга, грузится на конвейер. Кроме статических созданы динамические струги для разрушения крепких и вязких углей. Струговая выемка требует определенных условий применения:
спокойное, выдержанное залегание пласта;
кровля не ниже средней устойчивости;
крепкая почва, не разрушающаяся при работе струга;
уголь не выше средней крепости;
отсутствие в пласте угля крепких включений колчедана и породных прослойков;
отсутствие крепких пачек угля у кровли и почвы пласта;
преимущественно пласты тонкие и средней мощности (до 2,0 м).
Струговые установки применяются с механизированными крепями, на базе которых созданы струговые механизированные очистные комплексы и струговые агрегаты, позволяющие осуществлять комплексную автоматизацию добычи угля в забое.
Струговая установка статического действия (рис. 5.4) состоит из передвижного скребкового конвейера 2, струга 4 с зубьями и лемехом. Струг перемещается по направляющей 3 и прижимается к забою вместе с конвейером домкратами 1. Тяговым органом струга является калиброванная цепь 5 и привод 6. Забойный конвейер приводится в движение приводом 7. Электрооборудование струговой установки располагается на концах забоя.
Рис. 5.4. Общий вид струговой установки
Доставка угля в очистных забоях
На угольных шахтах для доставки угля в длинных очистных забоях на пологих и наклонных пластах применяют скребковые конвейеры. Они относительно просты по конструкции, пригодны к тяжелым условиям эксплуатации, приспособлены для работы с очистными комбайнами, стругами и механизированными крепями. Они являются базой современных механизированных комплексов.
Скребковый конвейер(рис. 5.5) состоит из верхнего и нижнего металлических желобов, по которым перемещается бесконечная цепь со скребками, состоящая из грузовой и порожняковой ветвей. По концам конвейера располагаются приводная и натяжная головки. Желоб конвейера собирают из отдельных секций (рештаков), соединяемых быстроразъемными замками. Цепь конвейера легко разбирается на отдельные отрезки. Благодаря этому конвейерный став можно быстро разобрать или собрать на новом месте, укоротить или удлинить его.
Скребковые конвейеры, применяемые для транспортирования угля в лавах, необходимо периодически перемещать вслед за подвиганием очистного забоя. Перемещение скребковых конвейеров может быть двояким: путем полной разборки на части, переноски их на новое место и сборки; путем передвижки конвейера без разборки или по всей его длине, или последовательно частями за счет изгиба конвейерного става в горизонтальной плоскости.
Достоинства скребковых конвейеров:
высокая прочность конструкции;
небольшая высота погрузки;
возможность движения выемочной машины по ставу конвейера, а также механизированной передвижки конвейера гидродомкратами без разборки;
возможность изменения направления грузопотока.
Недостатки:
быстрый износ желобов, цепей и скребков вследствие трения перемещаемого по желобу угля;
возможность заклинивания цепей на звездочках;
высокий расход энергии;
значительное измельчение угля.
Рис. 5.5. Схема передвижного скребкового конвейера: 1 — головной привод; 2—натяжной привод; 3, 5 — головной и хвостовой рештаки; 4 — рештачный став; 6 — скребковая цепь; 7 — лемех для зачистки почвы в забое от угля; 8 — направляющая для комбайна; 9,10—борта для кабелеукладчика
Доставка угля в коротких очистных забоях осуществляется самоходными вагонетками на пневматическом ходу или погрузочно-доставочными машинами.
В очистных забоях крутонаклонных и крутых пластов доставка угля осуществляется по почве пласта под действием собственного веса. В тех случаях, когда угол падения пласта не позволяет осуществить самотечную доставку угля по почве пласта, в очистном забое укладывают специальные желоба.