Гидроимпульсная струя на крутопадающих пластах

Аннотация

Коломиец В. С., Зуйков А. Л. Выбор оптимальных параметров струеформирующего ствола Рассмотрены варианты применения гидроимпульсной струи для ведения очистных, подготовительных и проходческих работ на тонких крутопадающих, в том числе и выбросоопасных пластах. Описан принцип действия генератора импульсных струй, положенный в основу гидроимпульсных установок.

Высокоэффективное функционирование экономики любой страны невозможно без широкого использования собственных топливноэнергетических ресурсов. На уровне с природным газом и нефтью, запасы которых недостаточны для удовлетворения собственных нужд, важную роль в топливно-энергетическом балансе Украины играет уголь, роль которого в ближайшем будущем будет повышаться [1].

Учитывая это, не вызывает сомнений актуальность проблемы поиска новых путей существенного повышения эффективности угледобычи. Решение ее, по мнению многих исследований [2], неразрывно связано с созданием и освоением технологий и оборудования более высокого уровня для всех звеньев технологической цепочки подземной угледобычи, обеспечивающих как высокие технико-экономические показатели, так и получение качественного топлива, и улучшение условий труда горняков.

Особенно актуальным является создание эффективных технологий и средств выемки тонких (в особенности крутопадающих) пластов. По данным [2, 3, 4] крутопадающие пласты в Украине, Российской Федерации, Германии, Франции, Испании и др. странах содержат большие скрытые запасы угля ценных марок. Так в Донбассе на тонкие и весьма тонкие пласты приходится около 45–50% всех запасов. Только ЦРД во вскрытых пластах мощностью 0,3–0,6 м содержит более 900 млн, т. коксующегося угля. Тем не менее, удельный вес добычи из них не превышает 13% [7], и и последние десятилетия этот показатель непрерывно сокращается как в Украине, так и за рубежом.

Одна из причин этого в том, что из-за неблагоприятных условий развитие средств механизации выемки этих пластов значительно отстает от развития выемочных средств для пластов пологого и наклонного падения. Отработка тонких крутопадающих пластов, в основном, ведется отбойными молотками, реже комбайнами с индивидуальной крепью, чаще всего с присечкой боковых пород, что приводит к ухудшению качества угля и снижению нагрузки на забой при высокой трудоемкости процесса угледобычи.

Из-за низкого уровня механизации угледобычи технико-экономические показатели и безопасность работ на шахтах с крутопадающими пластами низкие. Так, на шахтах Центрального района производительность труда подземного рабочего на выход составляет 3,5–4,8 т, затраты пневмоэнергии на 1т добытого угля 100–120 кВтч, расход леса около 65 м³ на 1000 т. Эти показатели находятся в прямой зависимости от горно-геологических условий.

Необходимо также отметить, что механическое воздействие на пласт провоцирует внезапные выбросы на пластах, опасных по выбросам угля и газа, в незащищенных зонах [5].

Разработка способов выемки крутопадающих пластов, которые обеспечивали бы эффективную и безопасную их отработку, в том числе и опасных по внезапным выбросам и с включающими породами средней и ниже средней крепости, является актуальным инженерно-техническим заданием.

Анализ состояния отечественных и зарубежных работ по созданию средств выемки крутопадающих пластов показывает, что решить эту проблему только с помощью механического разрушения исполнительными органами режущего действия не удается.

Большие резервы успешного решения поставленных задач кроются в расширении подземной гидравлической отбойки угля, технико-экономические показатели которой выше, чем при традиционной технологии [2, 4]. При гидравлическом способе отбойки полезного ископаемого, особенно в случае применения высоконапорных импульсных струй, затраты энергии на 1 т отбитого угля можно довести до уровня лучших показателей при механическом разрушении (0,5–1,0 кВтч/т), а производительность труда рабочего по добыче увеличить в 1,5 раза и более в сравнении с показателями механизированных забоев. Гидравлические технологии и средства их реализации успешно применяются как в странах СНГ, так и за рубежом (в Японии, КНР, Австрии, Канаде, Германии) [7]. Добившись значительных успехов при разработке средних и мощных пластов, гидромеханизация имеет более скромные достижения при отработке тонких пластов.

Мировой научный опыт свидетельствует, что важнейшими положительными качествами, в случае применения их при выемке тонких и весьма тонких пластов, будут обладать выемочные машины с гидроимпульсными исполнительными органами [2, 6, 8]. Они при малых габаритных размерах и массе, производя разрушение угольного массива импульсной струей воды, обеспечат гарантированную взрывобезопасность, почти полное пылеподавление и хорошую приспосабливаемость к изменяющейся гипсометрии пласта. Однако в настоящее время в мировой практике машин, осуществляющих выемку тонких крутопадающих пластов угля импульсными струями воды в условиях шахт с традиционной технологией, нет.

Результатом многолетней работы сотрудников Донецкого национального технического университета в области разработки гидроимпульсных устройств, обеспечивающих принятую для шахт обычной технологии влажность отбитого угля, стало создание генератора импульсных струй (ГИС). Обеспечивающего преобразование малорасходного (до 0,0015 м³/с) стационарного потока рабочей жидкости высокого давления (до 12,0 МПа) в импульсный повышенных мгновенных расходов (до 0,025 м³/с) того же давления.

В схему ГИС входят струеформирующий ствол с рабочим насадком, балластный гидропневмоаккумулятор, распределитель (главный клапан), поршневой накопитель, рабочий гидропневмоаккумулятор и управляющий клапан.

Работа ГИС заключается в том, что распределитель периодически подключает к рабочему аккумулятору через накопитель либо насосную установку с балластным аккумулятором (фаза накопления), либо струеформирующий ствол с рабочим насадком (фаза выстрела). В начале осуществляется накопление в поршневом накопителе некоторого объема воды (около 300–350 мл), направляемой от высоконапорного питающего насоса малорасходным потоком. В фазу выстрела через насадок диаметром 10–12 мм истекает большерасходный импульсный поток (частота следования 2–7 Гц) почти того же давления, который и разрушает горный массив. Мощность потока в период выстрела воды составляет около 500–700 кВт. Именно большая мощность потока обеспечивает значительную разрушающую способность струи.

Генератор импульсных струй был положен в основу ряда гидроимпульсных установок, предназначенных для выполнения различных технологических процессов в условиях шахт, отрабатывающих как крутые, так и пологие пласты.

Гидроимпульсная выемочная установка ГИУВм-1 (рис. 1) предназначена для выемки угля на весьма тонких крутопадающих пластах без постоянного присутствия рабочих в очистном пространстве. Технологией работ с применением комплекса оборудования ГИУВм-1 предусматривается выемка угля импульсной высоконапорной струей воды по традиционной схеме с применением комбайна [2].

Комплекс оборудования ГИУВм-1 состоит из гидроимпульсного исполнительного органа с габаритами 0,29 0,4 2,0 м (рис. 2), лебедки подачи исполнительного органа, высоконапорной насосной установки, приборов контроля положения исполнительного органа в лаве.

Подвод рабочей жидкости к исполнительному органу от высоконапорной насосной установки, питаемой от противопожарно-оросительной сети, осуществляется по гибким рукавам с внутренним диаметром 12–20 мм. В качестве питающей установки при работе ГИУВм-1 использовали серийно выпускаемый ОАО «Новгородский машзавод» трехплунжерный насос СНТ.01.010, приводимый в движение пневмомотором К-75. Перемещение исполнительного органа ГИУВм-1 вдоль забоя с рабочей скоростью 6 ... 10м/мин осуществлялось серийной шахтной лебедкой 1ЛГКНм с пневмоприводом, обеспечивающей тяговое усилие не менее 50 кН. Возможен вариант применения электропривода на высоконапорном насосе и лебедке подачи при условии их расположения на откаточном штреке.

Управление всем комплексом оборудования, входящего в состав ГИУВм-1, осуществлялось дистанционно с пульта, смонтированного на вентиляционном щтреке.

Выемку угля ГИУВм-1, перемещаемой вдоль забоя по челноковой схеме, обслуживали четыре человека: машинист и помощник машиниста, управляющие работой насосной установки и лебедкой подачи исполнительного органа, и двое рабочих, которые выгружали уголь а вагоны на откачном штреке.

Технологический цикл выемки гидроимпульсной установкой ГИУГМ-1 состоял из следующих основных процессов: отбойка угля исполнительным органом путем образования импульсной струей врубовой щеки вдоль всего забоя по линии контракта почва-пласт; доставка леса; зачистка забоя; крепление лавы; подготовка оборудования ГИУВм-1 к очередной выемке угля.

В результате приемочных испытаний опытного образца ГИУВм-1 получены следующие показатели:

• за период испытаний из опытных лав добыто около 26,0 тыс. тонн угля. Максимальная техническая производительность при диаметре насадка 10 мм, величине подводимого к ГИС давления воды 27,0 МПа и расходе 5,4 м³/ч составила 1,4 т/мин (пл. «Толстый», мощность 0,7 м) и 3,0 т/мин (пл. «Мазурка», мощность 1,3 м). Эксплуатационная производительность составила в среднем 55;

• 100 т/сутки и 170–200 т/сутки, соответственно. Эти показатели зависели, в основном, от квалификации рабочих, согласованности операций выемочного цикла и обеспеченности крепежным материалом;

• влажность отбитой горной массы не превышала 10%;

• пробы воздуха на исходящей струе, отобранные в период выполнения основной операции цикла, показали их качественное улучшение по сравнению с пробами из молотковой и щитовой лавы;

• установлено, что эффективность приведенной технологической схемы выемки тонких крутопадающих выбросоопасных угольных пластов гидроимпульсной установкой ГИУВм-1 без постоянного присутствия людей в очистном забое достаточно высока.

Машина буровая гидроимпульсная МБГИ-1 (рис. 3), в комплекте с дополнительным оборудованием (высоконапорной насосной установкой, подводящим высоконапорным ставом, средствами подачи на забой) предназначена для прохождения с помощью высоконапорных импульсных струй воды восстающих скважин по углю на крутопадаюших пласт мощностью свыше 0,4 м;

Питание МБГИ-1 рабочей жидкостью и комплектующего оборудования энергией, осуществляется аналогично установке ГИУВм-1.

Схема расположения оборудования в забое приведена на рис. 4.

Порядок выполнения нарезных работ следующий: после того, как МБГИ-1 подготовлена к выполнению очередного рабочего цикла (наращен став подачи, исполнительный орган находится вблизи забоя), открывается вентиль подвода воды к высоконапорному насосу и вентиль подвода воздуха к пульту управления пневмомоторами станка подачи и высоконапорного насоса. При запуске высоконапорного насоса автоматически происходит ввод ГИС в автоколебательный режим работы. После достижения его устойчивого режима работы (в течение 10–15 с. после запуска насоса) включается мотор на медленную подачу става вверх. После выдвижения става на длину секции производилось отключение подачи воздуха и воды на высоконапорный насос или переключение воды на сброс. Затем, с помощью захвата и манипуляций системой подачи станка, осуществлялась фиксация става подачи в захвате, отсоединение последней секции става от задней обоймы, спуск каретки станка подачи в нижнее положение, установка и фиксация следующей секции става подачи на задней обойме, соединение ее с зафиксированной в захвате секцией, снятие захвата и отключение воздуха, питающего моторы станка подачи.

На этом завершилась подготовка МБГИ-1 к выполнению следующего цикла.

При выполнении работ по прохождению скважины после того, как Пыли произведены операции по соединению секций става и снятие захвата без отключения воздуха от пневмомоторов станка подачи возобновлялся подвод высоконапорной воды к задней обойме и выполнение выше описанных операций.

Вытекающая из скважины пульпа попадала на штрек в специально изготовленный деревянный короб, из которого вода вытекала в канаву штрека, а уголь в конце смены убирался в вагонетку.

В результате шахтных испытаний машины буровой гидроимпульсной получены следующие показатели:

• за период испытаний в условиях пластов «Кулага» и «Соленый» пройдено 9 скважин диаметром 400 мм максимальной длины 106 м и общей около 500 м.

• отклонение скважины от заданного направления за счет отсутствии непосредственного контакта исполнительного органа с забоем составило не более 1м.

• при эквивалентном диаметре рабочих насадков 12 мм и давлении на выходе высоконапорного насоса 24,0–28,0 МПа техническая производительность МБГИ-1 составила 25–40 м/час, эксплуатационная – 4–6 м/час.

По результатам проведенных испытаний гидроимпульсных установок на ОАО «Днепропетровский агрегатный завод» изготовлена установочная серия ГИУВм-1 в количестве 4 штук и образец МБГИ-1, которые предназначены для отработки технологии комплексного использования в различных горно-геологических условиях и решения вопроса серийного производства.

Кроме того, в настоящее время ведутся работы по созданию устройств, использующих импульсные струи для образования разгрузочных пазов с последующей выемкой оставшейся пачки угля при проведении подготовительных выработок по выбросоопасным пластам.

Литература

1. Сургай Н. С. Разработка и реализация перспективных программ развития угольной промышленности Украины: Автореф. дис. канд. техн. наук, – Донецк, 1992. – 21 C.
2. Основы проектирования технологии безлюдной выемки угля: Учеб. пособие. К. Ф. Сапицкий, В. Д. Мороз. – К.: УМК ВО, 1991. – 132 C.
3. Новые направления технологии разработки крутых пластов Донбасса /Липкович С. М, Братишко А. С., Кучер А. Т., Цяпа Н. А. в кн.: Безлюдная выемка угля. – Сб. научн. тр. – Киев: Наук. думка, 1980. – С. 119–123.
4. Новые направления технологии разработки крутых пластов Донбасса /Липкович С. М, Братишко А. С., Кучер А. Т., Цяпа Н. А. в кн.: Безлюдная выемка угля. – Сб. научн. тр. – Киев: Наук. думка, 1980. – С. 119–123.
5. Нетрадиционные технологические процессы добычи угля /В. Н. Потураев, С. А. Полуянский и др. – Киев: Техника, 1986. – 214 C.
6. Жуков В. В., Малюга М. Ф., Лунев С. Г. Концепция формирования нового направления выемки крутых пластов //Уголь Украины, 1993. – №11. – С. 3–5.
7. Коломиец В. С. Создание гидроимпульсного органа разрушения выемочной машины для шахт обычной технологии: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Донецк, 1984. – 23 с.
8. Мучник В. С, Маркус М. Н., Голланд Э. Б. Подземная гидравлическая добыча угля. – М.: Недра, 1986. – 223 с.
9. Тимошенко Г. М, Гулин В. В. Способ и средства гидроимпульсной отбойки угля для шахт «сухой» технологии /Донецк, политех. ин-т. – Донецк, 1994. – Деп. в ГНТБ Украины, №1276. – У к. 94.