Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт угля Сибирского отделения Российской Академии наук
Геотехнология
- Обоснована технология одновременной разработки двух слоев мощного полого пласта длинными столбами-камерами. В предлагаемой технологии выемочное поле вскрывают главными и фланговыми уклонами, которые проводят у кровли пласта и в нижних точках сбивают сбойками. От фланговых уклонов к главным проводят подготовительные выработки, в районе которых готовят монтажную камеру, монтируют забойные конвейеры, нишенарезную машину (ННМ), экскаватор, анкероустановщик (рис.1,2).
Выемку угля начинают с забоя верхнего слоя, а отбойку и погрузку угля на забойный конвейер осуществляется шнеком ННМ. Следом за подвиганием забоя верхнего слоя ведут передвижку секций, крепление кровли анкерами, передвижку забойного конвейера. После отхода забоя верхнего слоя от фланговой границы столба на 10 м, ведется отработка нижнего слоя экскаватором, который находится на границе между слоями. Отбитый в нижнем слое уголь грузят ковшом на забойный конвейер, установленный под экскаватором. После выемки первого столба-камеры в блоке оставляют узкий саморазрушающийся целик и вынимают второй столб-камеру и т. д.
Рис.1. Вскрытие, подготовка и отработка мощного пологого угольного пласта
Рис.2. Расстановка оборудования в очистном забое
.
- Обоснована технология разработки мощных крутых пластов подэтажными штреками, в которой пласт рассекается по простиранию на всю длину отрабатываемого блока подэтажными штреками, соединенными между собой углеспускными и ходовыми скатами (рис. 3).
| Рис.3. Система разработки подэтажными штреками с выпуском угля |
Между подэтажными штреками по простиранию проходят промежуточные компенсационные штреки, из которых могут производиться операции по разупрочнению угольного целика, расположенного между подэтажными штреками. Для управляемого площадного выпуска угля используется комплекс оборудования, обеспечивающий механизированный выпуск угля из разрушенного межэтажного целика на подэтажный штрек.
Предложена технологическая схема вентиляции тупикового забоя в условиях высокой газоностности угольных пластов через скважины, пробуренные из подэтажного штрека на предварительно пройденный компенсационный штрек (рис.4).
В лабораторных условиях выполнены исследования процесса выпуска угля при подэтажной системе разработки мощного крутого пласта. Установлено, что при одновременном выпуске угля на конвейер между секциями крепи и через питатели в окнах крепи, контактная граница «уголь-порода» опускается параллельно почве пласта, тем самым обеспечивается регулируемый площадной выпуск угля.
Рис.4. Технологическая схема проветривания тупикового забоя при подэтажном обрушении
Предлагаемые способы позволяет механизировать основные операции технологического цикла, многократно увеличивают нагрузку на очистной забой, обеспечивают более полное извлечение полезного ископаемого из недр, т. е. повышают эффективность и безопасность разработки мощных угольных пластов.
Рудничная аэрогазодинамика и геомеханика
- Экспериментальным методом на пробах бурых и каменных углей месторождений Кузбасса, Красноярского края, Тувы и Монголии различного химического состава, зольности и степени метаморфизма, установлена зависимость краевого угла смачивания от кислотно-щелочных свойств жидкости в диапазоне pH=4,6–10 (рис. 5). Выявлено, что в данном интервале pH показатели технологических процессов, определяемых смачиваемостью угля (пылеподавление, гидроразрыв, «мокрое» обогащение и др.), будут малочувствительны к кислотно-щелочному составу используемой воды.
Рис. 5. Зависимость краевого угла смачивания при различном значении pH жидкости от процентного содержания углерода, водорода и суммы элементов O+N+S.
- Натурными наблюдениями за изменением давления в стойках механизированной крепи движущегося очистного забоя на ш. Алардинская установлено, что в условиях трудно обрушаемой кровли нагрузка на перекрытия секций крепи имеет синусоидальный характер как по направлению подвигания, так и вдоль линии забоя (рис.6)
Рис.6. Схема к расчету давления призабойной части пласта
(график фактических данных получен путем пространственной
аппроксимации результатов измерений)
- Шахтными и лабораторными измерениями термодинамики газоистощения проб газоносных угольных пластов установлено, что в первые 10-15 минут после отбора пробы происходит снижение, температуры выделяющегося газа при свободном газовыделении, а в герметичной колбе, в период 15-200 мин, - ее повышение до 5 0С относительно температуры пласта. При этом давление свободного газа плавно нарастает и приближается к пределу за это же время (рис. 7).
После достижения установившихся значений давления и температуры термодинамика процесса при ступенчатых выпусках газа из объема соответствует известным закономерностям сорбционной метаноемкости каменных углей и по сравнению с начальным периодом характеризуется на порядок меньшим изменением температуры и на порядки большей скоростью газоистощения.
|
|
Рис.7. Изменения давления газа в колбе и его температуры, относительно температуры пласта, при газоистощении пробы газоносного угля |
С учетом полученного результата обоснован метод и оборудование для оперативной оценки газокинетических характеристик пласта в зоне ведения горных работ и уточнен метод регионального прогноза его газодинамической активности по геологоразведочным данным (рис.8).
Рис.8. Карта газодинамической активности пласта 3 Чертинского месторождения |
- Проведена оценка эффективности дегазации угольных пластов для двух угольных шахтах Кузбасса. Газоносность угольных пластов определялась прямыми измерениями десорбции метана в лабораторных условиях на участке десорбционной кривой, соответствующей диффузии метана, с восстановлением упущенного объема газа на линейном участке, описываемом законом Дарси (рис. 9). Установлено, что коэффициент дегазации для рассмотренных шахт изменяется от 10 до 60% в зависимости от фильтрационных свойству угольных пластов.
Рис. 9. Зависимость десорбции f метана из угольного образца от времени x
- Усовершенствована газодинамическая модель расчета нестационарных режимов проветривания угольных шахт за счет построения комплекса двух взаимосвязанных математических моделей, в основу которых положены уравнения нестационарной газовой динамики и современные алгоритмы их решения. Взаимосвязь между ними осуществляется путём использования единой пространственной топологии сети горных выработок, взаимного формирования краевых условий, формирования и поддержки единого банка данных (рис.10).
Рис.10. Схема газодинамической модели расчета нестационарных режимов проветривания угольных шахт
Эффективность такого подхода обусловлена тем, что процессы проветривания, развития пожаров, воспламенения метана и угольной пыли всегда взаимосвязаны и следуют один из другого. Пожар всегда приводит к появлению тепловой депрессии, которая, играя роль источника дополнительной тяги, может изменить направление вентиляционной струи и создать условия для опасного повышения концентрации метана в горных выработках с потенциальной угрозой взрыва. Взрыв, в свою очередь, приводит к разрушению вентиляционных и изолирующих сооружений и резко изменяет режим проветривания аварийного участка и всей шахты в целом. Такой сценарий развития аварийной ситуации требует, чтобы при нестационарных расчётах вентиляции и распространения ударных волн по горным выработкам две объединяемые программы работали как одно целое и информация об изменившемся состоянии горных выработок должна быть доступна каждой из программ.
- Усовершенствована разработанная ранее модель геомеханического состояния породного массива с поверхностями ослабления. В ходе проведенных исследований выявлены следующие закономерности в деформировании вмещающего углепородного массива. Анализ эпюр распределения относительных вертикальных напряжений вдоль кровли пласта в борту подготовительной выработки, показал, что значительная разница в величинах коэффициента Пуассона массива и угольного пласта незначительно изменяет размер зоны отжима пласта и коэффициент концентрации напряжений в ней (рис. 11 а, б. Линия 1 - эпюра вертикальных напряжений σz в зоне отжима угольного пласта, линия 2 - эпюра σz в упругой зоне). Показано, что в бортах очистной выработки размеры отжима угольного пласта с ростом его коэффициента крепости убывают по закону, близкому к закону изменения гиперболической кривой (рис. 12).
а)
υ′=0,45
б)
υ′=0,05
Рис. 11. Распределение вертикальных напряжений вдоль кровли пласта
Рис. 12. Кривые изменения размера отжима угольного пласта в борту очистной выработки в зависимости от коэффициента крепости угольного пласта для ряда глубин H ведения горных работ. 1 – H=200 м, 2 – H=400 м, 3 – H=600 м, 4 – H=800 м
Машиноведение
- Для определения прочности буровой штанги проведены исследования напряжений, возникающих в опасных сечениях под воздействием сил сопротивления перемещению в процессе бурения (рис. 14).
Рис.14. Внешний вид буровой штанги диаметром 50 мм
Установлено, что при бурении скважин с использованием в качестве бурового инструмента шарошечных долот, требующих больших осевых усилий для эффективного разрушения забоя скважины, значительно возрастают нагрузки на буровой став и возникающие в его штангах напряжения выходят за пределы прочности [у]=360 МПа (для стали 45) (рис.15). Это является основной причиной поломок штанг и обрывов бурового става, что подтвердили лабораторные исследования.
Рис. 15. Изменение напряжения в буровой штанге диаметром 50 мм
от усилия подачи: сечение «а-а» (б); сечение «б-б» (а)
- Совместно с КузГТУ разработана методология оценки механической нагруженности несущих металлоконструкций большегрузных карьерных автосамосвалов с учетом данных спутниковой навигационной системы GPS (рис.16). Это позволяет по заданным горно-технологическим и эксплуатационным условиям прогнозировать скорость развития трещин в несущих металлоконструкциях карьерных автосамосвалов. Мониторинг скоростных режимов работы автосамосвалов, на характерных участках карьерных дорог, осуществляемый посредством спутниковой навигационной системы GPS, с последующим факторным анализом комплекса данных показал, что влияние дорожных условий на количество отказов несущих металлоконструкций автосамосвалов в 2,2 раза больше, чем при погрузке взорванной горной массы.
Рис. 16. Схема оборудования карьерных автосамосвалов элементами системы «КАРЬЕР»
- Начаты исследования комплексной оценки технического состояния оборудования горных машин на основе контроля параметров механического колебания.
Методами контроля параметров механических колебаний хорошо диагностируются дефекты подшипниковых узлов. На рис. 17 представлена спектральная обработка параметров виброакустической волны и маркером отмечена группа «подшипниковых» частот. В подшипнике сетевого двигателя со стороны генератора тяги генераторной группы экскаватора ЭШ 11/70 по параметрам механических колебаний диагностировалась группа дефектов – износ внутреннего и внешнего колец подшипника, износ и наклеп сепаратора, изменение формы тел качения (рис. 18).
Рис.17. Развитый дефект подшипника сетевого двигателя экскаватора ЭШ-11/70
А) | Б) |
В)
| Г)
|
Рис. 18. Осповидный износ беговых дорожек (А, Б);
износ сепаратора подшипника качения (В, Г)
(фото соответствует спектру на рис. 17).
Обобщенная статистика проведенных исследований (рис. 19), свидетельствует, что около 28% от общего числа электрических карьерных экскаваторов, эксплуатируемых на предприятиях Кузбасса, находится в недопустимом техническом состоянии. Необходимо осуществлять переход ремонтных служб эксплуатирующих предприятий угольной и горнорудной промышленности на обслуживание техники по фактическому техническому состоянию с применением методов технической диагностики и неразрушающего контроля. Развитие предложенного подхода позволит максимально безопасно эксплуатировать производственное оборудование, обоснованно планировать ремонтные мероприятия, достоверно оценить остаточный ресурс и минимизировать аварийные простои техники, оптимизировать складское хозяйство и логистические издержки предприятий.
Рис. 19. Оценка технического состояния экскаваторного парка Кузбасса( по данным более 300 обследований по параметрам вибраций с 2009 по 2013 гг).
- Впервые разработаны конструктивные решения трансмиссии геохода с волновой передачей с промежуточными телами качения (ВППТК) с полым валом, реализующие необходимый вращающий момент, и обеспечивающие свободное пространство в центральной части геохода. В рамках начатых исследований выполнен поиск схемных и конструктивных решений геохода с ВППТК. Установлено, что исходя из особенностей конструкции и принципа работы, возможны два варианта ее использования в трансмиссии геохода. Первый – сопряжение зубчатого венца и стабилизирующей секции, второй - сопряжение зубчатого венца и головной секции. В первом случае зубчатый венец в передаче неподвижен (выходное звено – сепаратор), во втором, неподвижен сепаратор (рис.20).
|
Рис. 20. Базовые схемные решения трансмиссии геохода с ВППТК |
На основе базовых схемных решений разработан ряд конструктивных решений трансмиссии геохода с ВППТК, наилучшим из которых является решение с зафиксированным сепаратором.
Разработана математическая модель взаимодействия элементов трансмиссии геохода с ВППТК при непрерывном режиме его перемещения, отражающая взаимосвязь силовых и геометрических параметров передачи, с учетом их взаимного влияния, и требуемого вращающего момента в заданных условиях работы геохода.
В рамках реализации совместного комплексного проекта Кемеровского опытного ремонтно-механического завода (), НИ ТПУ и ИУ СО РАН по заказу Министерства образования и науки РФ - «Создание и постановка на производство нового вида щитовых проходческих агрегатов многоцелевого назначения – геоходов» (шифр 2013-218-04-192) подготовлено техническое предложение и эскизный проект (рис.21), а также разработаны и изготовлены макеты основных систем геохода (рис.22). Данный проект один из 30-ти в России победивший в конкурсе Министерства образования и науки по отбору организаций на право получения субсидий на реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства.
