Процеси кріплення та керування покрівлею

В очисних вибоях

4.3.1. Вимоги щодо кріплення, типи кріплення

 

Одним з основних процесів в очисному вибої є процес кріплення. Від якості виконання цього процесу залежить не тільки продуктивність праці, але й безпека людей. Кріплення очисних вибоїв має задовольняти ряд вимог, які можна розподілити на три групи: технічні, технологічні та економічні.

До технічних вимог належать міцність, стійкість і достатня жорсткість кріплення. Технологічні (виробничі) вимоги пов’язані з наданням можливості нормального виконання процесів виймання, вантаження, транспортування, перепускання достатньої кількості повітря, безпечного пересування людей. До економічних вимог належить оптимальна величина матеріальних та трудових витрат, надійність, довговічність.

За характером роботи та принциповими конструкційними особливостями все кріплення очисних вибоїв поділяють на індивідуальне та механізоване. Індивідуальне кріплення залежно від виконуваних функцій поділяється на привибійне і посадкове. Привибійне кріплення призначене для запобігання обвалів покрівлі в очисному вибої, де розташовується техніка, переміщуються люди. Призначення посадкового кріплення – забезпечення періодичного обвалення (посадки) покрівлі за межами очисного вибою. Це кріплення повинно сприймати набагато більше навантаження, ніж привибійне. Індивідуальне кріплення більш просте, мобільне і на відміну від механізованого може застосовуватися практично в будь-яких гірничогеологічних умовах, однак потребує значних трудових витрат.

Механізоване кріплення потребує набагато менше фізичних зусиль, трудових витрат. В очисних вибоях знайшли застосування здебільшого два види цього кріплення: комплектне і агрегатоване. Комплектне кріплення складається з окремих секцій, що не мають постійних силових та кінематичних зв’язків між собою та іншим устаткуванням. Кожний комплект включає дві і більше секцій, що пов’язані між собою. Пересування здійснюється автоматично за допомогою гідродомкрата самого комплексу (кріплення МК-97).

Агрегатоване кріплення складається з окремих секцій, що мають постійний силовий і кінематичний зв’язок з іншим устаткуванням очисного вибою (кріплення “Донбас”, М-87 та інше).

 

4.3.2. Індивідуальне кріплення

 

Індивідуальне кріплення складається із стояків та верхняків. Верхняк збільшує площу передачі тиску порід до стояків. Залежно від матеріалу, конструкції, принципу дії стояки бувають дерев’яними, гідравлічними, металевими розсувними, в яких використовуються сили тертя елементів замків для забезпечення піддатливості.

Залежно від конструкції гідросистеми живлення ці стояки розподіляються на стояки з внутрішнім і стояки із зовнішнім живленням. В стояках першого типу при опусканні стояка перекачування робочої рідини з поршневої в штокову частину і у зворотному напрямку (при розсуванні стояка) здійснюється за допомогою внутрішнього насосу і фізичних зусиль робітника. Стояк розпирається між підошвою і покрівлею пласта.

В стояках із зовнішнім живленням відповідні підведення рідини з напорної магістралі та відведення її до зливної магістралі, прокладеної вздовж лави, виконують за допомогою перемикання відповідних клапанів, рукояток і перемикачів.

Для промислового використання останнім часом випускають індивідуальні стояки з індивідуальним живленням першої групи типу 2ГСК та з зовнішнім живленням типу 2ГВТ, ГВ-30 з робочим опором 250...300 кН і масою від 23 до 85 кг. Використовують стояки при кутах нахилу до 35° і потужності пласта від 0,7 до 3,4 м. Процес кріплення в лаві досить трудомісткий. Застосування гідравлічних стояків із зовнішнім живленням дає можливості частково механізувати цей процес. Для кріплення привибійного простору використовують також і стояки тертя типу ТУ, Т з робочим опором 150....250 кН.

В комплекті привибійного кріплення використовують часто шарнірні верхняки типів СВ-В, BB2 та ін.

При застосуванні індивідуального привибійного кріплення та керуванні покрівлею способом обвалення часто використовують металеві посадкові стояки тертя ОКУМ, що складаються з трьох розсувних частин та верхньої насадки. Дві гвинтові частини дозволяють встановити стояк відповідно до потрібної потужності пласта, а клин забезпечує створення відповідного опору, величина якого становить 1000...2000 кН. Маса стояків від 95 до 361 кг, застосовують їх, переважно, при кутах нахилу до 25°. Пересування таких стояків здійснюється за допомогою гачків, талей, лебідок. На більш похилих пластах при використанні стояків ОКУМ їх з’єднують між собою запобіжними канатами.

Набагато меншу трудомісткість мають посадкові гідравлічні стояки типу “Супутник” (2СПТ) з робочим опором 800 та 1000 кН. Використовують їх на пластах потужністю 0,6... 1,8 м при кутах падіння до 15°. Переміщення стояків здійснюється за допомогою домкратів, прикріплених до вибійного конвеєра. З іншого боку, ці стояки відіграють роль опори для домкратів при пересуванні конвеєра після проходу комбайна. Живлення стояків і домкратів здійснюється за допомогою двох гідравлічних трубопроводів від маслостанцїї.

 

4.3.3. Механізоване кріплення

 

Суттєвого зниження трудомісткості процесу кріплення вдалося досягти при використанні різного типу конструкцій механізованого кріплення, для якого основні операції кріплення (розвантаження стояків, переміщення їх на нове місце, встановлення в робочий стан) здійснюється за рахунок гідравлічної енергії від маслостанції.

Механізоване кріплення виконує функції безпосереднього підтримання покрівлі у привибійному просторі, керування покрівлею, а також забезпечує за допомогою гідродомкратів переміщення конвеєра. В будь-якому положенні кріплення в очисному вибої повинен залишатись прохід для людей розміром не менше 700×400 міліметрів.

За характером взаємодії з породами покрівлі все механізоване кріплення ділять на чотири типи. Кріплення підтримуючого типу забезпечує підтримання покрівлі над очисним вибоєм. Головну роль в ньому відіграють підтримуючі елементи 4 та стояки 5 (рис. 4.7, б). При потужності пластів до 1,2 м використовують тільки цей тип кріплення.

 

Рис. 4.7. Основні типи механізованого кріплення: а – огороджуюче; б – підтримуюче; в – огороджувально-підтримуюче; г – підтримуючо-огороджувальне; д – характеристика роботи стояків 1 – підвалина; 2 – важелі; 3 – задня огорожа; 4 – підтримуючий елемент (верхняк); 5 – стояки; 6 – домкрат

 

В кріпленні огороджуючого типу головним є огороджуючий елемент 3, який перешкоджає переміщенню обвалених порід покрівлі в привибійний простір (рис.4.7, а).

В огороджуючо-підтримуючому кріпленні головну роль виконує огороджуючий елемент 3. Підтримуючий елемент 4 відіграє допоміжну роль. В підтримуючо-огороджуючих типах кріплення функції головного і допоміжного елементів міняються місцями.

Кріплення першого типу має найбільший діапазон застосування: за потужністю пластів – від 0,7 до З,2 м; за кутами падіння – від 0 до 35°; за стійкістю порід покрівлі – від стійких до середньої і навіть меншої стійкості.

Кріплення другого типу самостійно використовують рідко. Значне застосування знайшло кріплення третього огороджуючо-підтримуючого типу (рис. 4.7, в) на пологих пластах потужністю 1,8...4,5 м з породами нестійкими

або ж з породами середньої стійкості, які легко обвалюються. Мала ширина виробленого простору, менший тиск порід для цього типу кріплення дає можливість мати лише один несучий стояк на секцію.

 

4.3.4. Механізовані комплекси

 

На базі механізованого кріплення створені механізовані комплекси. Назви комплексу походять, зазвичай, від назви механізованого кріплення. Так, на базі кріплення ІМ-ІОЗ розроблено комплекс ІКМ-ІОЗ, на базі кріплення 2М-87УМН розроблено комплекс КМ-87УМН (рис. 4.3). До складу комплексу входять відповідні типи комбайнів (один або декілька), конвеєри, насосні станції, кабелеукладачі, а інколи і кріплення сполучення лави з штреком. Основною структурною одиницею механізованого кріплення є лінійна секція. В агрегатованих типах кріплення секції мають між собою силовий кінематичний зв’язок.

Розглянемо деякі найбільш перспективні типи механізованого кріплення і сконструйованих на їх базі комплексів. Кріплення ІМ-ІОЗ підтримуючого типу, агрегатоване, призначене для вибирання пластів потужністю під 0,7 до 0,95 м., з кутами нахилу до 35° практично для будь-якої стійкості покрівлі при площі оголення до 5,5 м². Секції переміщуються зразу після проходу комбайна. Керування черговою секцією здійснюють від сусідньої закріпленої секції, яку ще не пересували. Крок пересування дорівнює ширині захвату комбайна – 0,8 м. Кожна секція кріплення за допомогою направляючої балки і гідродомкрата з’єднана з вибійним конвеєром. Кожна пара секцій об’єднана в комплект.

Кріплення М-ІОЗ входить до складу комплексу ІКМ-ІОЗ, до якого, крім кріплення, входять: комбайн ІК-ІОЗ з виносною системою подачі, скребковий конвеєр СП-202-ВІ-21, дві насосні станції СНУ-7, кріплення сполучення лави зі штреком КСШ, кабелеукладач КЦ та відповідне електрообладнання. Кріплення ОКП випускають декількох типорозмірів для потужності пластів від 2,0 до 3,3 м і складається з кінцевих та лінійних секцій. До складу лінійної секції входять: підвалина 1 (рис. 4.7, в), гідростояк 5, огороджуюче перекриття 3 з підтримуючим козирком 4. Підвалина з’єднується з конвеєром за допомогою гідродомкрата 6. Цей тип кріплення засотосовують для безпосередніх порід покрівлі середньої стійкості з легкообвалюваною основною покрівлею для пластів з кутами нахилу до 12°.

Більш широкий діапазон застосування мають комплекси типу ОКП (від 1 ОКП до 4 ОКП 70). Вони можуть працювати на пластах з безпосередньою покрівлею середньої і нижче середньої стійкості та з середньообвалюваною основною покрівлею.

В усіх цих комплексах, що використовують на пологопадаючих та похилих пластах, з’єднуючою ланкою є конвеєри, які слугують опорою для комбайнів і для гідродомкратів кріплення. При кутах нахилу З5°...90°, де потреба в конвеєрах відпадає, такою зв’язуючою ланкою є направляючі балки (комплекси КГУ), призначені для групи секцій.

Очисний комплекс КГУ призначений для механізації та автоматизації виймання вугілля на пластах потужністю 0,6...І,5 м при кутах нахилу більше 35°. До складу його входить кріплення КГУ-Д з дистанційно-автоматизованим керуванням, комбайни “Поіск-2” або “Темп-І” з лебідкою подачі ІЛГКН. Блок керування секціями кріплення дозволяє забезпечити автоматизоване, дистанційне (з сусідньої секції) та ручне керування процесом кріплення.

Агрегати щитові ІАЩМ, ІАНЩ, 2АНЩ призначаються для механізації виймання вугілля на пластах з кутами нахилу 35...90° при стовпових системах розробки з вийманням широкими смугами у напрямку падіння (рис. 4.8). Виймання вугілля і доставка його до вуглеспускного гезенку проводиться конвеєростругом фронтальної дії. Агрегати АНЩ дозволяють проводити виймання вугілля без постійного перебування людей в очисному вибої.

 

4.3.5. Керування гірським тиском

При вийманні вугілля в очисному вибої оголюється певна площа покрівлі, збільшується тиск на кріплення, на вугільний масив. Для забезпечення нормальних, безпечних умов праці проводиться комплекс заходів з регулювання прояву гірського тиску в робочому просторі очисного вибою. Цей комплекс заходів дістав назву керування гірським тиском. В лавах з пологими і похилими пластами керування тиском зводиться до управління покрівлею.Керування гірським тиском здійснюють декількома способами.

1) Керування гірським тиском способом повного обвалення.

Це найбільш поширений спосіб керування покрівлею, його застосовують практично в усіх вибоях з механізованим і в багатьох вибоях – без механізованого кріплення (рис. 4.3...4.8). Сутність цього способу полягає в періодичному обваленні нависаючих порід покрівлі за межами очисного вибою в міру його посування, що забезпечує зменшення тиску на привибійне кріплення.

Після виймання комбайном чергової західки (смуги) привибійне кріплення переставляють або пересувають на ширину західки. Для забезпечення додаткового опору з боку звільненого простору встановлюють спеціальне посадкове кріплення у вигляді посадкових стояків та додаткового ряду кріплення – органного. При досить слабких породах покрівлі можна обійтись без цього ряду органного кріплення. Тоді має місце “безорганна” посадка. При використанні механізованого кріплення, яке витримує набагато більше навантаження, ніж індивідуальне, також не застосовують додаткового посадкового кріплення. Характер розподілу гірського тиску навколо очисного вибою розглядався раніше (див. рис. 3.3).

2) Плавне опускання покрівлі.

Цей спосіб керування гірським тиском застосовують при наявності в покрівлі (а на крутопадаючих пластах і в підошві) досить пластичних порід, здатних прогинатись без значних порушень. Потужність пласта при цьому не повинна перевищувати І м при похилому падінні та 0,7 – при крутому. У цьому випадку роль спеціального кріплення виконують дерев’яні “костри”, які викладають в один або два ряди вподовж очисного вибою і переносять після просування вибою на 1–2 західки. На крутопадаючих пластах Донбасу цей спосіб використовували в 30 % очисних вибоїв.

Замість дерев’яних “кострів” в Національній гірничій академії свого часу було запропоновано і досить широко використано пневмобалонне кріплення. Після встановлення на робоче місце балон заповнюється стисненим повітрям від магістралі, прокладеної вздовж лави. Робочий тиск у балонах дорівнює І,2...2,0 МПа. Розрядження балону здійснюється дистанційно за допомогою спеціального тросу. Трудомісткість робіт по встановленню і перенесенню пневмобалонних кострів на 30...40 % нижча ніж дерев’яних, а сама робота більш безпечна.

Рис. 4.8. Щитовий агрегат 1АЩ (а) і його розташування (б): 1 – при монтажі, 2 – в роботі, 3 – при демонтажі, 4 – підвалина, 5 – роздвижна рама, 7– накатник, 8 – телескопічний важіль, 9 – гідродомкрат качання, 10 – конвеєроструг, 11 – гідростояк

 

3) Повне закладання відпрацьованого простору.

Процес закладання включає, крім безпосередніх робіт по укладанню порід у відпрацьований простір, також приготування, складування і транспортування матеріалу до місця закладання.

Для закладання використовують породи від проходження та ремонту гірничих виробок, відходи збагачувальних фабрик, шлак металургійних заводів, старі відвали порід, а також пісок, гравій та інші породи, спеціально видобуті в кар’єрі. З урахуванням розпушення порід на 1 т добутого вугілля треба подати 1 т закладного матеріалу. Щодо якості матеріалу ставиться ряд вимог, в тому числі по розміру кусків, абразивності, наявності горючих домішок та інші.

У практиці знайшли застосування такі варіанти закладання: самоплинне, гідравлічне і пневматичне. Самоплинне закладання широко використовують при крутому падінні пластів. Матеріал у вироблений простір лави подають з верхнього, вентиляційного штрека, а переміщається він вниз під дією власної ваги. Перед засипанням у лаві споруджують смуги–засіки шириною 6...10 м. Трудомісткість такого закладання більш низька порівняно з іншими способами закладання і становить З0...60 % від трудомісткості видобування вугілля. Величина усідання становить 20...40 %. Область застосування – пласти з кутами нахилу вище 40°.

Технологія гідравлічного закладання виробленого простору включає наступні процеси: подавання закладного матеріалу і води в змішувальну камеру; транспортування пульпи до місця закладання по пульпопроводу; доставка звільненої води по трубі до відстійника, перекачування освітленої води насосом на поверхню від підземного відстійника.

Перевагами цього варіанту закладання є велика щільність (усідання складок 7…15 %), високий рівень механізації, невелика трудомісткість робіт. До недоліків способу відносять великі капітальні витрати, неможливість сумісництва робіт з виймання і закладання, великі витрати води, складність гідроізоляції очисного вибою, необхідність в допоміжних виробках, а також неможливість застосування у виробках з породами, здатними до розмокання.

Пневматичне закладання забезпечує досить значну щільність закладеного масиву. Матеріал для закладання повинен відповідати певним вимогам і подається до місця укладання струменем стисненого повітря, а перед закладанням породи в лавах відшивають полоси шириною 1,4...2 м. Перевагами пневматичного способу є відносна простота виконання робіт і досить висока щільність утвореного масиву (усідання до 20…30 %).

Недоліки способу: значне пилевиділення, значні капітальні витрати, високі вимоги щодо якості матеріалу, швидке спрацьовування трубопроводу.

З точки зору охорони навколишнього середовища найбільш ефективним є керування покрівлею шляхом застосування повного закладання виробленого простору.