Управление кровлей полной закладкой

I. Закладочные материалы

Для закладки применяют песок, гравий или коренные скальные породы, добытые на поверхности в специальных карьерах. Закладоч­ный материал может быть получен и непосредственно в шахте, причем он обходится в 4 раза дешевле материала, добытого в карье­рах. Однако закладочным материалом, добытым в шахте, можно обеспечить лишь отдельные добычные участки. В качестве закладоч­ного материала могут быть использованы шлак металлургических заводов, отходы обогатительных фабрик, а также порода шахтных отвалов. Использование последней, наряду со снижением расходов на закладку, позволяет очистить воздух, в который выделяются продукты горения отвалов, и освободить большие площади земли на поверхности.

Добываемые в карьерах песок и гравий используют без допол­нительной обработки. Скальные же породы на дробильной фабрике подвергают дроблению и грохочению, чтобы придать им необходи­мый гранулометрический состав.

От дробильной фабрики закладочный материал транспортируется к шахтам в большегрузных саморазгружающихся вагонах. Для этого фабрика связывается с шахтой железнодорожными путями. На шахте оборудуются специальные бункера или склады емкостью, обеспечи­вающей сменную потребность в закладочном материале. Дальнейшее перемещение закладочного материала зависит от технологической схемы применяемого вида закладки.

Закладочный материал должен удовлетворять следующим ocновным требованиям:

содержание горючих в нем не должно превышать 20%; кроме того, он не должен выделять вредных газов в выработанное про­странство;

после укладки в выработанное пространство он должен давать минимальную усадку под давлением и обладать по возможности связностью;

он должен быть дешевым, поэтому необходимо ориентироваться на местные закладочные материалы, чтобы исключить дорогостоя­щие их перевозки.

Для заполнения определенного объема выработанного простран­ства необходимо иметь закладочного материала в 1,5—2,5 раза меньше того объема, который занимал уголь в нетронутом массиве. Если считать по массе, то сугубо ориентировочно на 1 т добытого угля расходуется 1 т закладочного материала.

Будучи помещенным в выработанное пространство, закладочный материал под влиянием горного давления и собственного веса с тече­нием времени уплотняется и уменьшается в объеме, т. е. дает усадку. Величина его усадки зависит как от свойств самого матери­ала, так и от степени первоначального уплотнения его в период укладки.

Кроме общих требований к закладочному материалу предъяв­ляется ряд требований, связанных с видом применяемой закладки:

при гидравлической, пневматической и механической закладке он должен обладать минимальной абразивностью, что уменьшает износ металлических труб и резиновой ленты;

при пневматической и механической закладке закладочный мате­риал должен содержать минимальное количество пылеватых фрак­ций для снижения пылеобразования;

при гидравлической закладке закладочный материал должен хорошо отдавать воду и не размокать в ней; содержание глинистых фракций в закладочном материале не должно превышать 10%, так как они выносятся водой в виде шлама и загрязняют выработки ускоряют заполнение водоотстойников и т. д.

Большое содержание глины нежелательно при всех способах закладки. При увлажнении глина приобретает свойства пластич­ности и текучести, что вызывает значительное давление закладоч­ного массива на перемычки и отшивку и может привести к прорыву закладочного материала из выработанного пространства в горные выработки. Однако добавление глины в ограниченном количестве (в пределах 10%) способствует повышению качества закладочного массива, так как повышает его воздухонепроницаемость, увеличи­вает плотность, слеживаемость.

Максимально допустимый размер кусков закладочного материала при пневматической и гидравлической закладке — 60—80 мм, а при самотечной и механической — 200—250 мм.

При самотечной закладке наибольший размер кусков опреде­ляется главным образом условиями безопасности работ, так как при кусках более 200—250 мм наблюдаются случаи повреждения обшивки и крепи в выработанном пространстве.

При пневматической закладке куски закладочного материала размером более 60 мм и мелкие фракции (от 0 до 3—5 мм) приводят к частой закупорке закладочного трубопровода.

Содержание в закладочном материале при гидравлической за­кладке кусков породы более 60 мм вызывает увеличение усадки закладочного массива, резкое повышение удельного расхода воды, повышенный износ труб и требует увеличения диаметра закладоч­ного трубопровода.

Оптимальные размеры кусков закладочного материала: при само­течной закладке — до 100 мм, при пневматической и механиче­ской — 20—50 мм, при гидравлической — менее 20 мм. Лучшим для гидравлической закладки является чистый кварцевый песок.

В естественном состоянии закладочный материал редко удовлет­воряет указанным требованиям. Поэтому кроме обычной его пере­работки (дробление, рассев) производят шихтовку, т. е. образуют смесь из закладочных материалов, имеющих различные физико-ме­ханические свойства. На практике пользуются и таким приемом, как закладка особо ответственных участков и узлов около горных выработок более качественным материалом.

Выбор закладочного материала, его фракционного состава, способа транспортирования и возведения зависит от требуемого качества закладочного массива, которое характеризуется усадкой. Усадка может изменяться в широких пределах. Минимальная усадка (5—15%) может быть получена при применении твердеющей (упроч­ненной) или бетонной закладки, однако это значительно увеличи­вает себестоимость угля. Для получения усадки 20—25% рекомен­дуется применять следующие фракционные смеси:

7,4% фракции 20—40 мм + 19,6% фракции 5—20 мм + 29% фракции 1,25—5 мм + 28,8% фракции 0,63—1,25 мм + 15,2% фрак­ции 0,1—0,63 мм;

6,2% фракции 40—80мм + 16,5% фракции 10—40 мм + 19,9% фракции 2,5—10 мм + 36,5% фракции 0,63—2,5 мм + 20,9% фрак­ции 0,1—0,63 мм.

 

 

Самотечная закладка

 

При самотечной закладке закла­дочный материал поступает в выработанное пространство и распределяется в нем под действием собственного веса. Уплотнение закладочного мас­сива в начальной стадии его возведения происходит за счет силы тяжести падающих или скатывающихся кусков закла­дочного материала, а в дальней­шем — под действием веса вы­шележащих слоев закладочного массива.

Самотечная закладка нашла широкое распространение на крутых пластах.

Если закладочные мате­риалы доставляются с поверх­ности, то технологическая схема предусматривает следующие звенья их транспортирования: спуск в шахту, откатка по горным выработкам и самотеч­ная доставка в пределах очи­стного забоя.

Закладочный массив возво­дится в отработанной полосе шириной 6—10 м после ее от­шивки. Наряду с отшивкой воз­водится вспомогательная крепь, на сооружение которой затра­чивается при слоевой выемке мощных пластов до 25— 30 чел.-смен на 1000 т добытого угля. В среднем же на под­готовку выработанного про­странства к закладке затра­чивается 30—60% времени, расходуемого на выемку угля.

При разработке тонких кру­тых пластов закладочный мас­сив может располагаться либо под углом естественного откоса, либо параллельно забою лавы. В последнем случае применяют специальные жесткие или пере­движные ограждения.

 

Рис. 5.15. Технология возведения за­кладочного массива при жесткой огра­ждающей крепи:

1 — призабойные стойки; 2 — усиливающие стойки в оградительном ряду крепи; 3 — об­шивка; 4 — возводимый закладочный массив; 5 — ранее возведенный закладочный массив

Рис. 5.16. Возведение закладочного массива в потолкоуступном забое при наличии передвижного ограждения:

1 — призабойные стойки; 2 — якорное устрой­ство; 3 — распорные стойки на ограждении; 4 — ограждение; 5 — направляющие рештаки для угля

 

Жесткое ограждение представляет собой стенку из стоек и об­шивки из досок или проволочной сетки (рис. 5. 15). Жесткое огра­ждение сооружается на полную мощность пласта.

Процесс возведения закладочного массива с применением пере­движного ограждения заключается в периодическом перемещении ограждения по мере подвигания забоя и засыпке закладочного материала за ограждение. Ограждение выполняется из металличе­ской сетки и конвейерной ленты, длина его на 2—4 м меньше длины уступа (рис. 5. 16). Передвижка ограждения может производиться одновременно в нескольких уступах, а при прямолинейном забое оно передвигается последовательно сверху вниз. Выработанное прост­ранство у вентиляционного штрека и в самом штреке закладывается механическим или пневматическим способом.

Самотечную закладку рекомендуется применять при разработке пластов с углами падения более 40°, когда не подрабатываются ответственные объекты.

Достоинства самотечной закладки: невысокие затраты на работы; небольшое количество применяемого оборудования, что позволяет организовать закладочные работы в короткие сроки с небольшими капиталовложениями; сравнительно нежесткие требования к закла­дочному материалу.

Затраты на самотечную закладку определяются расходами на транспортирование закладочных материалов, а также стоимостью самих закладочных материалов. Трудоемкость работ при самотечной закладке не превышает 50 чел.-смен на 1000т добычи. Затраты на возведение 1 м³ массива составляют от 0,75 до 1 руб.

По данным A. E. Смолдырева, затраты на 1м³ уложенного в выработанном пространстве массива складываются из следующих элементов (в процентах):

Транспортирование по выработкам..... 25

Лесные и другие материалы............... 25

Сооружение обшивки и т. д................ 30

Возведение массива.................... 10

Прочие расходы..................... 10

Недостатками самотечной закладки являются ограниченная об­ласть ее применения и невысокая плотность закладочного массива (усадка его достигает 20—40%).

 

 

Механическая закладка

 

При механической закладке закладочный материал распределяется в выработанном пространстве с помощью скреперных установок или метательных закладочных машин ленточно-барабанного типа (рис. 5.17). В настоящее время применяются метательные машины МЗ-1.

Машины забрасывают закладочный материал в выработанное пространство, сообщая ему кинетическую энергию для свободного полета на определенное расстояние (обычно 6—10 м). Закладочный материал поступает на ленту, в специальную воронку, а затем в за­зор между лентой и нажимным барабаном. Под действием собственного веса и центробежных сил куски закладочного материала прижи­маются к бесконечной ленте, движущейся с большой скоростью, и приобретают кинетическую энергию, необходимую для полета в выработанное пространство. На сбрасывающем барабане лента меняет свое направление, а закладочный материал по инерции про­должает двигаться в прежнем направлении.

Рис. 5.17. Метательная машина ленточно-барабанного типа:

а — с нижним выбросом; б — с верхним выбросом; 1 — питающий кон­вейер; 2 — загрузочная воронка; 3 — приводной барабан; 4 — огиба­ющий барабан; 5 — нажимной барабан; 6 — сбрасывающий барабан; 7 — лента

 

Наибольшей дальностью полета обладают фракции закладочного материала крупностью 40—70 мм. Ближе всего из струи закладоч­ного материала выпадают фракции крупностью более 60 мм. Мелкие и крупные фракции, выпадая, могут преградить путь основной части закладочного материала. Чтобы избежать этого, закладочный материал должен содержать 85—90% фракций крупностью 40—70 мм.

К достоинствам механической закладки метательными машинами можно отнести возможность подбучивания кровли закладываемого пространства, а также сравнительно небольшие затраты энергии (0,4—0,5кВт×ч/м³ закладочного материала). Недостатками механи­ческой закладки являются: небольшая дальность метания, большой износ резиновой ленты, сравнительно небольшая плотность закла­дочного массива (усадка достигает 20—30%), а также значительное пылеобразование.

Механическая закладка метательными машинами применяется при разработке мощных пластов горизонтальными слоями с выемкой их в нисходящем порядке. В сочетании с самотечной она применяется для подбучивания потолочин.

При проведении выработок вслед за очистным забоем при сплош­ной системе разработки применяют скреперную закладку. При этом используют закладочный материал, получаемый от подрывки кровли или почвы выработок.

Схема возведения бутовой полосы при проведении выработки по тонкому пласту с подрывкой кровли приведена на рис. 5. 18. При проведении вентиляционного штрека бутовая полоса выклады­вается с нижней стороны. Скреперная лебедка устанавливается на штреке у места подрывки кровли. Порода в выработанное простран­ство подается скрепером. Если подрывается почва, то породу на берму или полок подают с помощью перегружателей.

Рис. 5.18. Схема проведения штрека с подрывкой породы и скреперной закладкой:

1 — костры; 2 — конвейер; 3 — скреперная установка

Скорость движения груженого скрепера зависит от мощности лебедки и составляет обычно от 1 до 1,3 м/с, а при холостом ходе — 1,2—1,5м/с. При такой скорости движения обеспечивается укладка до 15—20 м³/ч закладочного материала.

Наиболее широкое применение при скреперной закладке полу­чили специальные двухбарабанные лебедки, монтируемые на салаз­ках и перемещающиеся вслед за подвиганием забоя. Крупность кусков породы не должна превышать 300 мм. Если скрепер забирает породу непосредственно с места подрывки, то последнюю выполняют в два-три приема. Уплотнение закладочного материала производят толчками скрепера. Незаложенное пространство шириной 1,5—2м, остающееся у бортов штрека, закладывают вручную. Наблюдения показывают, что на возведение 1 м бутовой полосы с помощью скре­пера при мощности пласта 0,65—0,75 м расходуется 4,2 мин.

Для закладочных работ на пластах мощностью до 0,6 м приме­няют совковые скреперы с навешенной на шарнирах задней стенкой, а при мощности пласта 0,6—1,3 м — гребковые скреперы, опроки­дывающиеся в обоих направлениях. На более мощных пластах применяют как совковые, так и гребковые скреперы емкостью 0.,5 м³. В зависимости от мощности скреперной лебедки используют канаты диаметром 12; 16; 20,5 и 24 мм.

Затраты на скреперную закладку определяются в основном расходами на транспортирование закладочного материала и обслужи­вание скреперной установки. Без учета стоимости закладочного материала расходы на возведение 1 м³ закладочного массива обычно не превышают 0,4 руб. При хорошей организации работ по транс­портированию закладочного материала до забоя и самих закладоч­ных работ в забое достигается производительность 90—100 м³/смену.

При скреперной закладке трудоемкость работ по укладке породы, получаемой с 1 м штрека, составляет 3—5 чел.-смен. Усадка закла­дочного массива в зависимости от вида закладочного материала и тщательности ведения работ изменяется от 30 до 40%.

Основные недостатки скреперной закладки: небольшая произво­дительность, недостаточная плотность закладочного массива и не­обходимость ручной закладки последнего (верхнего) слоя, а также частично выработанного пространства в каждом слое на контакте с боковыми породами.

 

 

Пневматическая закладка

 

Пневматическая закладочная установка состоит из закладочной машины и закладочного трубопровода. Закладочные материалы с помощью пневматических закладочных машин вводятся в струю сжатого воздуха, движущегося в трубопроводе со значительной скоростью. Перемещаясь в трубопроводе, куски породы приобре­тают большую скорость вылета (30—40 м/с при размере кусков 30 мм), что обусловливает сравнительно высокую плотность закла­дочного массива.

Технологическая схема пневмозакладочных работ включает в себя следующие производственные процессы: добычу пустых пород для закладки, подготовку закладочного материала (дробление, грохочение и шихтовка), транспортирование закладочного материала до закладочной машины, пневмотранспортирование и возведение закладочного массива.

При пневматической закладке возможны различные схемы ра­боты:

закладочная машина может располагаться на поверхности или под породоспускными устройствами и иметь трубопровод значитель­ной протяженности; в этом случае машина имеет большой срок службы;

закладочная машина может располагаться вблизи очистных забоев и иметь сравнительно короткие трубопроводы; срок работы машины из одного положения небольшой;

машина может располагаться вблизи очистного забоя или не посредственно в нем и передвигаться по мере возведения закладоч­ного массива. Такие установки соответственно называются стацио­нарными, полустационарными и передвижными.

Стационарные и полустационар­ные установки применяют в усло­виях сложной гипсометрии выра­боток и большой загруженности общешахтного транспорта.

В настоящее время наибольшее распространение получили пневмо-закладочные машины камерного (од­нокамерные и двухкамерные) и ба­рабанного типов. В камерную пневмозакладочную машину (рис. 5. 19) закладочный материал подается через приемную воронку 1, откуда через периодически открывающийся кла­пан 2 поступает в верхнюю камеру 3. Затем закладочный материал через воронку и клапан 4 перепускается в нижнюю камеру 5. Так как кла­паны 2 и 4 сблокированы, то они открываются по очереди. В нижней камере постоянно поддерживается давление воздуха 3—4 кгс/см². За­кладочный материал равномерно по­дается к горловине 6 с помощью дозирующего устройства 7. Упра­вление механизмами и движением клапанов 2 и 4 осуществляется ав­томатически с помощью распредели­тельного устройства и пневматиче­ских цилиндров 8.

При барабанной пневмозакладочной машине (рис. 5.20) закладочный материал поступает в приемную во­ронку, попадает в ячейки дозиру­ющего колеса барабана 1 и подается в смесительную камеру 2. Эта камера с одной стороны соединена с трубопроводом сжатого воздуха, а с другой — с закладочным трубопроводом. Струя воздуха захватывает закладочный материал и увлекает его в трубопровод.

В табл. 5.3 приведены технические характеристики машин ДЗМ-2 (двухкамерная) и ПЗБ (барабанная).

Однокамерные закладочные машины применяют в стационарных установках; они обычно обслуживают несколько забоев. Обычно установку размещают под бункером емкостью 150 м³ и более. Произ­водительность машины достигает 110 м³/ч при удельном расходе воздуха 80—100 м³ на 1 м³ породы. Длина пневмотранспортирования достигает 1100м. Удельный расход воздуха 100—120м³ на 1м³ породы.

 

Рис. 5.20. Схема барабанной пневмозакладочной машины

 

Таблица 5.3

Показатели	ДЗМ-2	ПЗБ
Производительность, м^3/ч Дальность транспортирования закладоч­ного материала по трубам, м Диаметр закладочного трубопровода, мм Максимальное давление воздуха, посту­пающего в машину, кгс/см^2 Основные размеры, мм: высота ширина длина Масса, т	175—200   3,7	175—200   4,9

 

Машины барабанного типа применяют при простых трассах трубо­провода. Производительность этих машин от 25 до 160 м³/ч. Сред­няя длина транспортирования по трубам составляет 400 м.

Трубопроводы для пневмотранспортирования закладочного ма­териала собирают из отрезков стальных труб длиной 2—6 м с тол­щиной стенок 8—10 мм. Диаметр трубопроводов принимают в 2,5— 3 раза больше максимального размера кусков (150—250 мм).

Производительность пневмотранспортирования может быть уве­личена путем увеличения диаметра трубопровода, однако при этом повышается расход сжатого воздуха. Установлено, что при произ­водительности закладочной машины до 60—70 м³/ч следует применять трубы диаметром 150 мм; при производительности 70—125 м³/ч — диаметром 175 мм; 125—150 м³/ч — диаметром 200 мм; более 150 м³/ч — 225 мм.

Производительность пневмозакладочной установки выбирается с учетом технологии и механизации работ в очистном забое (мето­дика Донгипроуглемаша).

При выполнении закладочных работ в отдельную смену за отве­денное время производительность пневмозакладочной установки определяется по формуле

, м³/ч (5.12)

 

где L — длина очистного забоя, м;

т — вынимаемая мощность пласта, м;

у — объемная масса угля, т/м³;

d — коэффициент извлечения угля, d = 0,42 ¸ 0,97;

b₃ — шаг закладки, м;

n_П — число породных полос, выкладываемых в забое за сутки;

Z₃ — удельный расход закладочного материала, м³/т угля,

Z₃ = 0,7 ¸0,85;

k_р — коэффициент, учитывающий резерв производительности нневмозакладочной установки (для камерных пневмозакладочных машин при расчете параметров на максимальную длину транспортирования k_р = 1, для барабанных k_р = 1,1 ¸1,3);

T₃ — время, выделяемое на закладку выработанного простран­ства в течение суток;

k_М.3 — коэффициент машинного времени пневмозакладочной уста­новки;

k_М — коэффициент, учитывающий качество закладочного мате­риала (для условий Донецкого бассейна принимается равным 0,8—1).

При совмещении работ по выемке и закладке скорость возведения закладочного массива должна быть не меньше скорости движения комбайна. С учетом того, что последняя ограничивается сопротивля­емостью угля резанию и газовыделением в призабойное простран­ство

(5.13)

или

(5.14)

где Q_Э — производительность комбайна, т/мин;

k_М.В — коэффициент машинного времени комбайна;

r — полезный захват комбайна, м;

v_В — скорость движения воздуха по лаве, допускаемая Пра­вилами безопасности, м/с;

S_Л — площадь сечения пространства лавы, свободного для прохода воздуха, м²;

d_М — допустимое содержание метана в исходящей струе лавы;

q — относительная метанообильность призабойного простран­ства лавы, м³/т.

Значения k_М.3 принимаются: при разборном трубопроводе и де­ревянной крепи в забое 0,2—0,75; при разборном трубопроводе и металлической индивидуальной крепи 0,2—0,4.

В соответствии с установленной необходимой производитель­ностью закладочной установки и максимальной длиной транспорти­рования закладочного материала подбирается гневмозакладочная машина и выбирается место ее установки.

Закладочные работы в забое начинают с подготовки выработан­ного пространства к закладке узкими полосами (1,5—2м). Вначале сооружают временную обшивку и частично извлекают крепь. Дере­вянную крепь полностью не извлекают.

Вдоль лавы, примерно посередине закладываемой полосы, про­кладывают пневмозакладочный трубопровод. Конец его распола­гают на расстоянии 3—5 м от закладочного массива. Закладочный материал первоначально направляют к почве. По мере возведения полосы став труб укорачивают, снятые звенья труб укладывают на новой дороге и монтируют новый пневмозакладочный трубопро­вод (рис. 5.21).

При металлической призабойной крепи ее перед извлечением заменяют деревянной.

Для обеспечения безопасности работ и уменьшения запылен­ности воздуха рабочее пространство отделяют от закладываемого перегородками. Для этого применяют деревянные или металлические щиты с рифленой поверхностью. Наиболее эффективной является резиновая перегородка 1 (рис. 5.22, а), которая перемещается лебедкой 2. Рама этой перегородки изготовляется из труб диамет­ром 50 мм и устанавливается под углом 60° к почве; на раме натянут резиновый мат.

 

Рис. 5.22. Пневматическая закладка в лаве:

а — с применением резиновой перегородки; б — с отшивкой из воздушных подушек

 

Рис. 5.23. Пневматическая закладка в лавах с меха­низированными комплексами:

а — на наклонных пластах; б — на крутых пластах; 1 — огра­ждение; 2 — трубопровод; 3, 4 — консоли и опоры крепи; 5 — выемочная машина

 

На крутых пластах в качестве отшивки применяют иногда воз­душные подушки (рис.5.22, б). Давление воздуха в них 0,5 кгс/см². По мере извлечения стоек подушки передвигают вперед. Они соеди­нены между собой цепью 2 или канатом. Стыки между подушками заполняют кусками резины 3.

Уменьшение трудоемкости закладочных работ достигается при­менением трубопроводов с боковым выносом закладочного материала. Для этого применяют специальные отклоняющие стрелочные или поворотные колена. В этом случае трубопроводный став располагается у почвы пласта на специальных лыжах-опорах и передвигается к забою с помощью домкратов, соединенных с конвейером. Отшивка закладочного массива не производится.

В лавах с механизированными комплексами применяется фрон­тальный выпуск закладочного материала по мере передвижения крепи (рис. 5.23). Закладочный трубопровод передвигается без разборки вместе с крепью. Шаг подтягивания трубопровода равен шагу пере­движки крепи.

Пневматическая закладка может применяться для закладки по­роды в бутовые полосы при проведении выработок вслед за лавой с подрывкой пород почвы и кровли.

Для этого используется дробильно-закладочный комплекс «Титан-1». Комплекс состоит из дробильно-закладочной машины «Титан-1», воздуходувки BП-70, закладочного трубопровода, передвиж­ного распределительного пункта, породопогрузочной машины (ППМ-4П или 1ПНБ-2, 2ПНБ-2) и ленточного перегружателя.

Область применения комплекса — штреки с площадью сечения 7—15 м² в свету, проводимые в породах с коэффициентом крепости до 8 по шкале M. M. Протодьяконова при мощности пласта до 1,5 м и угле наклона при выкладке бутовой полосы по падению до 25°, а по восстанию до 6°.