Средства механизации выемки угля, применяемые в Германии при разработке пластов малой и средней мощности

Директор шахты «Проспер-Ханиель», дипл. инж. Хайнц-Вернер Фосс, Боттроп, и руководитель группы машинного оборудования отдела ХТТ/^А компании «Дойче Штайнколе АГ» (ДСК) дипл. инж. Манфред Биттнер, Херне

Добыча каменного угля в Германии, в районах Рура, Саара и Иббенбюрена, осуществляется более 150 лет. С начала 70-х годов хх в. добыча угля производится исключительно в длинных очистных забоях (лавах), оборудованных очистными комбайнами или стругами. В течение последних 15 лет выемка угля в таких лавах была полностью механизирована при постоянно возрастающей тенденции к полной автоматизации. Массивный натиск цен в немецкой каменноугольной промышленности в последние годы привел к целенаправленному отбору месторождении, обеспечивающих сокращение издержек добычи каменного угля в Германии. Важной целью при оптимизированной нарезке выемочных полей является повышение содержания в них товарного угля до 500 тыс. т в каждом выемочном участке. Наряду с увеличением длины выемочных участков, средняя длина которых составляет 1,3 км, это достигается сегодня и с помощью увеличения длины лавы.

Целесообразность такого развития, осуществляемого уже более десяти лет акционерным обществом «Дойче Штайнколе АГ» (ДСК), Херне, и его предприятиями-предшесгвенниками, объясняется следующими двумя основными причинами.

Снижением трудоемкости и общих издержек на проходку подготовительных выработок путем сокращения их количества, а также на монтаж и демонтаж очистного оборудования лав.

Повышением производительности труда благодаря сокращению технологических простоев выемочных машин на концевых участках лав.

Если рассматривать проектируемую динамику изменения средней мощности пластов и длины лав на ближайшие годы (рис. 1), то становится ясно, что высокопроизводительная выемочная система потребуется в первую очередь для пластов мощностью от 1 до 1,6 м. Это относится, в частности,

Исследования показали, что для повышения производительности труда в лавах компании ДСК, с углем повышенной крепости и мощностью пластов до 2 м, наилучшим техническим и экономическим решением является дальнейшее развитие хорошо зарекомендовавшей себя техники выемки угля стругами типа Гляйтхобель. Результаты расчетав свидетельствуют, что струговая установка с установленной мощностью привода 2 х 800 кВт и диаметром прутка цепи 42 мм при выемке угля II и III категорий крепости позволяет резко повысить производительность труда по сравнению с используемыми в настоящее время стандартными струговыми установками. Такая улучшенная конструкция выемочной системы была разработана и заказана акционерным обществом ДСК. Новая струговая установка скользящего типа, названная вН 42, будет сдана в эксплуатацию в августе 2003 г. на шахте Проспер-Ханиэль».

к пластам угля повышенной крепости, которые разрабатываются и сегодня, а в ближайшие годы, как ожидается, будут разрабатываться более часто. Уже только эти обстоятельства свидетельствуют о необходимости надежного повышения нагрузки на добычные участки.

Шнековые комбайны используются в Германии в настоящее время только для выемки угольных пластов мощностью от 1,8 м. Так как полностью автоматизированная работа таких добычных машин пока еще невозможна, то максимальная рабочая скорость подачи зависит от скорости передвижения по лаве машиниста комбайна. С уменьшением высоты свободного пространства скорость передвижения машиниста значительно снижается. Альтернативным решением является увеличение присечки боковых пород для увеличения высоты прохода для людей в лаве, что приводит к снижению выхода товарного продукта. Поэтому такая комбайновая выемка не является серьезной альтернативой автоматизированным струговым установкам, которые успешно используются в Германии уже в течение нескольких лет при отработке угольных пластов мощностью от 0,6 до почти 2 м.

Развитие механизации выемки угля с 1991 по 1994 гг.

Струговая техника была разработана в Германии в начале 40-х годов XX в. и внедрена в качестве одного из основных методов выемки угля в лавах. В то время как принцип действия

этой системы на протяжении многих лет не изменился, установленная мощность, диаметр прутка цепи струга и скорость его движения ВДОЛЬ ЛОВЫ постоянно увеличивались. В течение десятилетий наряду друг с другом существовали многочисленные типы струговых установок, которые использовались с большим или меньшим успехом. После 1991 г. ввиду закрытия шахт и последовавшего за этим слияния различных поставщиков горно-шахтного оборудования остались только следующие два типа струговых установок с двумя моделями для каждого типа.

> Струговые установки с направляющей струга и струговой цепью, расположенными со стороны забоя:

□ струг скользящего типа (Гляйтхобель) фирмы «Вестфалия-Бекорит» (рис. 2),

□ компактный струг Компактхобель фирмы «Хальбах унд Браун» (рис. 3).

> Струговые установки с направляющей струга и струговой цепью, расположенными со стороны выработанного пространства:

С! струг отрывного действия фирмы «Вестфалия-Бекорит» (рис. 4),

1 струг фирмы «Хальбах унд Браун» с подкон-вейерной роликовой плитой (рис. 5).

В декабре 1994 г. компания «Рурколе Бергбау АГ» (ЯВАС), предшественник ДСК, приняла решение о стандартизации конструкции струговых установок. В качестве критериев был использован, в основном, производственный опыт, например, эксплуатационная надежность, управляемость, производительность, а также срок службы и рентабельность. Оценивались также распространенность данной конструкции и достигнутая ею наивысшая суточная добыча на предприятиях КВАО (табл. 1),

На основе проведенных детальных исследований выбор пал, в конечном счете, на струговую установку скользящего типа 9-38 уе с однокорпусным исполнительным органом 5.7, который как раз был успешно опробован в подземных условиях. В табл. 2 приведены основные критерии, использованные при принятии данного решения, и оценки стругов типа Гляйтхобель и Компактхобель.

Значительная часть результатов испытаний была получена на шахте «Проспер-Ханиель»,

Таблица 1. Стяїмсїико струговых установок, применявшихся в Германии в омябрв 19*34 г.

Боттроп, где струговые установки использовались в течение многих лет в сложных горно-геологических условиях при выемке твердых углей.

Этот тип струга с цепью, расположенной со стороны выработанного пространства, вследствие очень малой мощности пласта (от 0,7 до 0,8 м) использовался только на шахте «Нидерберг», Нойкирхен. В связи с небольшой высотой загрузки и лучшей доступностью струговой цепи со стороны выработанного пространства здесь в качестве стандарта был выбран струг отрывного типа. Эта шахта была позднее соединена с шахтой «Генрих/Рей нланд» в объединенную шахту «Вест», Камп-Линтфорт, Вся активная добыча на бывшем выемочном поле шахты «Нидерберг» с тех пор была прекращена.

Наряду с перечисленными конструктивными разновидностями стругов необходимо упомянуть также так называемый очистной агрегат фронтального действия «Континиус Лонгволл Майнер» (С1.М) фирмы «Бохумер Айзенхютте Хайнтцманн ГмбХ & Ко. КГ», Бохум (рис. 6).

Эта система была апробирована в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских исследований в трех лавах компании ДСК. Агрегат СЬМ объединяет в единую систему процессы резания, погрузки и транспортировки отбитого полезного ископаемого из забоя. Теоретическими преимуществами, ожидаемыми от этой техники, были, в основном, следующие:

□ непрерывная добыча (всегда от головного к концевому приводу),

□ раздельные усилия резания,

£3 использование только одной цепи для добычи и транспортировки отбитого ископаемого из забоя.

Таблица 2. Критерии и оценка струговых установок по состоянию на декабрь 1994 г.

Компактхобель

Направляющая корпуса струга

Переетааляемость высоты резания

Прицепное устройство цепи струга

Использование на крепких углях

Использование портала Высота направляющей струга

Разрушающая нагрузка соединительных элементов

Оперстив для закладки

Трение скольжения на больших поверхностях, заменяемые изнашивающиеся детали. Надежная апробированная система.

Плавная

В нижней ветви цепи вблизи почвенного резца, где действует до 70 % всех сил.

Используемый в качестве одиночного струга (в распоряжении имеется 60 кВт дополнительной мощности для выемки).

Необходим начиная с 1,6 м Большая, меньшие реакции опоры, небольшой износ, минимальная потребляемая мощность.

Минимум 2 ООО кН

Нижняя ветвь направляющей струга открыта в сторону угольного забоя, верхняя ветвь закрыта. Отоодэ не происходит выхода угольной мелочи на дорогу для струга. V    .

Струги с новыми роликами в отношении потребляемой мощности идентичны скользящим стругам, но быстро загрязняются и блокируются. Поэтому повышенный износ из-за небольших контактных поверхностей.

Только ступенями

В верхней ветви цепи, может вызвать дополнительные силы. Нижний элемент (узкий) часто ломается.

Сдвоенный струг настоятельно необходим, из-за этого потери мощности (приблизительно 60 кВт).

Необходим начиная с 1,5 м Небольшая, ббльшие реакции опоры, больший износ, ббльшая потребляемая мощность.

Ограничивается ДО 1 800 кН

Нижняя ветвь направляющей струга открыта в сторону закладки (отсюда повышенный выход угольной мелочи на дороге струга), верхняя ветвь открыта в сторону угольного забоя.

повышения производительности участков путем повышения темпов подвигания очистного забоя. Повышения показателей интенсивности выемки можно добиться только путем увеличения длины лавы.

Мощности пластов, которые предстоит разрабатывать в последующие годы, развиваются в таком направлении, что добыча угля в 2008 г. должна будет вестись полностью струговыми установками. Крепость угля является решающим для производительности фактором, прежде всего, в длинных лавах. В более чем в двух третях всех лав разрушаемость резанием будет больше двух, что означает, что добываемый там уголь следует отнести к категориям III и IV. Одна из таких лав подготовлена на выемочном участке 258 по пласту Н выемочного поля «Ханиэль-Вест» (рис. 11).

Эта лава (регулярная добыча угля намечена на 1 сентября 2003 г.) будет ограничена по скорости подвигания забоя. Поэтому, несмотря на крепкий уголь категории IV (разрушаемость резанием > 2,5), запроектирована длина лавы 400 м. Применение новой добычной техники дает возможность довести суточную добычу до более чем 5000 т товарного угля. Опыт работы в этой лаве важен, прежде всего, для шахты «Проспер-Ханиэль», так как только новая, высокопродуктивная

Рис. 11. Нарезка оысмочного участил 258, пласт Н

и надежная добычная техника может обеспечить долгосрочное будущее шахты.

Наряду с высокопроизводительными лавами особое значение имеет производительная и надежная инфраструктура для массовых грузов. В этом отношении на шахте «Проспер-Ханиэль» параллельно с увеличением добычи лавы путем различных мер по оптимизации работ была приспособлена к изменившимся рамочным условиям транспортировка добытого угля (рис. 12).

Рис. 10. Расположение выемочных полей

Достижимая глубина резания и производительность струговой установки

Совместно с исследовательским центром ДМТ, фирмами «Айкхофф Бергбаутехник ГмбХ», Бохум, и «ДБТ ГмбХ», Люнен, а также «ТУ Бергакадеми Фрайберг» компания ДСК приступила к проведению научно-исследовательских и опытно-конструкторских мероприятий «Струговая техника 2000» и «Высокопроизводительная добычная техника для тонких пластов». Эти работы подтвердили мнение, что разработка современной,более производительной системы стругов скользящего типа представляет собой наилучшее техническое решение, которое позволяет ожидать минимальных производственных затрат при работе в пластах средней и малой мощности.

Для струга скользящего типа был выполнен расчет с целью определения увеличения производительности резания и продуктивности в пластах категорий II и III посредством более высокой установленной мощности и, вследствие этого, более высокой достижимой глубины резания. Для расчета величин достижимой толщины стружки и производительности резания были использованы параметры согласно опыту ДСК и ДМТ. Наиболее важные параметры в кратком виде приведены на рис. 13, Для достижения большого диапазона применения для струговой установки все расчеты проводились всегда для угля категорий II и III.

Что касается технологии, то для расчетов был использован исключительно опережающий режим работы струговой установки (струг движется всегда быстрее лавного конвейера в соотношении 3 :1), что особенно благоприятно для случаев маломощных пластов с крепким углем. С помощью вышеуказанных параметров было рассчитано, что посредством имеющихся в настоящее время струговых установок скользящего типа при мощности привода 2 х 400 кВт и 38-мм струговой цепи можно достичь глубины резания приблизительно 7,2 см в угле категории II и около 4,3 см в угле категории III. При такой толщине стружки производительность добычных работ ограничивается для категории II до 850 т/ч, а для категории III только до 500 т/ч.

Производительность добычных работ можно продолжать наращивать только путем использования более мощных приводов и более прочной цепи струга. С помощью приводов мощностью 2 х 800 кВт и 42-мм цели при угле катерии II можно достичь глубины резания 16 см. Для угля категории III глубина резания составляет приблизительно 9,7 см. При такой глубине резания и мощности привода в 2 х 800 кВт, - которая обеспечивается посредством преобразователя частоты, - можно достичь производительности добычи для угля категории II на уровне 1 890 т/ч, а для угля категории III - 1146 т/ч. Результат делает ясным, что путем удвоения приводной

мощности с 2 х 400 кВт до 2 х 800 кВт можно повысить производительность добычи более чем на 100 % (рис. 14).

Результаты расчетов по определению необходимой производительности лавного конвейера в качестве функции установленной приводной мощности показывают, что пропускная способность возрастает в линейной зависимости от установленной приводной мощности. Согласно окончательному расчету установленная приводная мощность лавного конвейера, равная 2 х 1000 кВт, обусловливает достижение пропускной способности 2126 т/ч. Использованный режим работы струговой установки для определения пропускной способности (опережение 3:1) ведет к утроенной нагрузке лавного конвейера. При использовании этого режима работы струга и при имеющемся максимальном загрузочном сечении конвейера 0,56 м^г требуемая пропускная способность будет ниже имеющейся максимальной, которая задается уст^ новленной мощностью. Другими словами, лавный конвейер обладает «встроенным» резервом надежности относительно пропускной способности.

Новая система стругов скользящего типа была специфицирована на основе вышеназванных параметров и заказана. Она называется 6Н 42.

Резюме

Как показали результаты исследований, для повышения производительности принадлежащих компании ДСК лав с крепкими углями и мощностью пластов до 2,2 м, лучшим техническим и экономическим решением является дальнейшее раз^ витие хорошо зарекомендовавшей себя струговой техники скользящего типа, которая уже в конце 1994 г. была признана лучшей техникой для добычи угля на пластах средней и малой мощности.

Результаты исследований показывают, что струговая установка с установленной приводной мощностью, равной 2 х 800 кВт, и с 42-мм цепью при ре боте с углем категорий II и III позволяет достичь резкого повышения производительности по сравнению с сегодняшней стандартной струговой установкой. Достигаемая с помощью новой струговой Установки глубина резания 16 или 9,7 см означает

Повышение производительности более чем на 100

Рис. 13. Параметры для расчета новой струговой установки

Такая улучшенная система уже специфицирована компанией ДСК и заказана. Новая струговая установка скользящего типа называется ЄН 42 и введена в эксплуатацию на шахте «Проспер-Ха-ниэль» в августе 2003 г. Регулярная добыча угля

Рис. 12. Транспортировка угля с выемомного участка 258

Рис. 14. Повышение производительности

составила 18000 т/сутки.    ■