Способ разработки крутозалегающих угольных пластов и устройство для его реализации
Группа изобретений относится к горному делу и может быть использована при разработке крутозалегающих пластов полезных ископаемых, главным образом на угольных месторождениях, находящихся на завершающей стадии открытой разработки и на уже отработанных карьерных полях. Техническим результатом является повышение эффективности отработки крутопадающих угольных пластов и экологической безопасность ведения горных работ. Это достигается путем зачистки угольного пласта или пластов по простиранию открытыми горными работами и установкой на пласт бурового агрегата, для выбуривания угля под углом от 60 до 90°, относительно оси простирания пласта, и на глубину 100 и более метров. Для повышения производительности выемки угля, а также снижения нагрузки на режущий рабочий орган при возникновении аварийных ситуаций, ковшебур выполнен из двух частей, а именно режущего рабочего органа и лифтового цилиндрического ковша, соединенных между собой сцепным устройством. Причем внутри ковшебура установлен шнековый элемент для загрузки полезного ископаемого в лифтовый цилиндрический ковш. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
Заявляемая группа изобретений относится к горному делу и может быть использована при разработке крутозалегающих пластов полезных ископаемых, главным образом на угольных месторождениях, находящихся на завершающей стадии открытой разработки и на уже отработанных карьерных полях.
Известен метод и устройство для выемки угля из угольного пласта путем его выбуривания прямоугольными выработками и транспортировки угля при помощи шнека на дневную поверхность, с последующей перегрузкой на непрерывный транспортер, который перегружает уголь на самосвал или удаленное место складирования (см. патент США №4059163, М.кл. E21C 25/58, E21C 27/22 от 16.08.76 г.).
Недостатками данного способа и устройства являются отсутствие возможности изменения угла наклона шнека для выбуривания наклонных угольных пластов, отсутствие возможности автономного передвижения данного устройства для производства выбуривания угля в шахте или по карьеру, высокие затраты на его транспортировку и монтаж, что в совокупности указанных недостатков приводит к низкой производительности и эффективности данного способа и устройства для его осуществления.
Известен способ шнекобуровой разработки тонких пластов угольных месторождений путем выбуривания угля шнекобуровой машиной с открытой поверхности и его выдачу с использованием драглайна (см. патент США №4589700, МПК. кл. E21C 41/31, E21C 47/00, E21C 41/26 от 20.05.1986 г.).
Недостатком способа является низкая производительность, значительные потери полезного ископаемого, ограниченное применение для разработки угольных месторождений, а также возможность применения данного способа только в качестве вспомогательного процесса.
Известен также способ выемки запасов полезного ископаемого с помощью разработчиков тонких пластов с секционной конвейерной установкой и многозвенным шнековым транспортером (см. патент WO 95/02746, МПК Кл. E21C 41/28 от 12.07.2004 г.).
Недостаток этого способа заключается в том, что он имеет ограниченную область применения, так как предусматривает отработку полезного ископаемого только после достижения открытыми горными работами предельного коэффициента вскрыши, и только маломощных, одиночных, горизонтальных или слабонаклонных пластов. Кроме того, в данном способе практически не уделено внимание технологии и технологическим параметрам добычи полезного ископаемого, а в основном представлены конструктивные особенности агрегатов и механизмов устройства, в связи с его очередной модификацией.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ разработки полезных ископаемых из бортов карьеров, траншей или иных выработок путем открытой разработки и выемки полезного ископаемого выемочными камерами, с оставлением между ними предохранительных целиков и последующей закладкой камер, реализуемый с использованием комплекса открыто-подземной разработки (см. патент РФ №2247241, МПК. кл. E21C 41/00 от 20.06.2003 г.).
Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает возможность отработки крутопадающих пластов, а также требует сохранение предохранительных целиков между выемочными камерами, образующихся при работе комплекса открыто-подземной разработки (далее - КОПР). В результате это приводит к необходимости перехода от открытой и открыто-подземной разработки пластов, проводимой с использованием КОПР, к добыче полезных ископаемых подземным способом. При этом сохранение предохранительных целиков приводит к существенным потерям полезного ископаемого, что все в целом значительно снижает экономическую эффективность освоения месторождения.
Наиболее близким решением для осуществления способа является буровое устройство и метод бурения, включающее режущий рабочий орган, выполненный с возможностью жесткого крепления на нижнем конце штанги, крановую подвеску, предназначенную для удержания бурового инструмента со штангой на крановом канате, привод для приведения во вращение штанги (см. патент США №6814167 B2, МПК. кл. E21B 7/02 от 9.11.2001 г.).
Недостатком данного устройства является его низкая производительность, за счет регулярного вытаскивание бура для опорожнения от горной породы, что также требует значительных временных и эксплуатационных затрат. Кроме того, данное устройство не адаптировано к выемке полезных ископаемых на дневную поверхность при освоении месторождений минерального сырья, применяется для бурения скважин.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности отработки крутопадающих угольных пластов, путем применения открытого способа в сочетании с буровым устройством для проведения опережающей выемки угля и доработки угольных пластов до лицензионных границ без выемки вскрышных пород.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе разработки крутозалегающих угольных пластов, включающем открытую разработку и выемку угля выемочными камерами, по возвратно-поступательной траектории, с оставлением между ними предохранительных целиков и последующей закладкой камер, выбуривание угля производится буровым устройством, размещенным на головке угольного пласта, при этом угол наклона бурового инструмента соответствует углу падения угольного пласта и может находиться в диапазоне от 60 до 90° к горизонтали.
Способ также заключается в том, что выбуривание угля из выемочной камеры производится скважинами диаметром от 0,5 до 4 м, по падению пласта, на глубину до 100 м и более. Выемочная камера формируется по простиранию угольного пласта, размеры выемочной камеры, по простиранию, определяются устойчивостью кровли и почвы пласта, при этом длина выемочной камеры может находиться в диапазоне от 6 до 30 м, а ширина выемочной камеры определяется мощностью угольного пласта. Между выемочными камерами оставляется целик шириной 0,5-1,0 м, выполняющий барьерную и предохранительную функции.
В способе также проводится предварительное упрочнение стенок выемочной камеры по ее периметру при помощи инъекционных скважин диаметром 75-250 мм и упрочняющих составов, а после отработки выемочной камеры производится закладка выработанного пространства вскрышными породами.
Буровое устройство для выемки полезного ископаемого содержит буровой инструмент, выполненный с возможностью жесткого крепления на нижнем конце штанги, крановую подвеску, предназначенную для удержания бурового инструмента со штангой на крановом канате, привод для приведения во вращение штанги, отличающееся тем, что буровой инструмент выполнен виде ковшебура, состоящего из режущего рабочего органа и лифтового цилиндрического ковша, внутри которого дополнительно установлен шнековый элемент для загрузки угля в лифтовый цилиндрический ковш.
При этом внешняя штанга выполнена полой, внутри которой установлена независимо перемещающаяся внутренняя штанга, при этом внутренняя штанга жестко закреплена в нижней своей части с лифтовым цилиндрическим ковшом, а подъем ее осуществляется за счет кранового каната. Причем сама внешняя штанга служит направляющей для лифтового цилиндрического ковша.
Кроме того, ковшебур и лифтовый цилиндрический ковш снабжены сцепным устройством для соединения верхней части режущего рабочего органа с нижней частью лифтового цилиндрического ковша.
Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность отработки крутопадающих угольных пластов и экологическую безопасность ведения горных работ за счет использования открытого способа в сочетании с буровым устройством, что позволяет проводить опережающую добычу угля и доработку угольных пластов до лицензионных границ без выемки вскрышных пород.
Это достигается путем зачистки угольного пласта или пластов по простиранию открытыми горными работами и установкой на пласт бурового устройства, для выбуривания угля под углом от 60 до 90°, относительно оси простирания пласта, и на глубину до 100 м и более с диаметром скважин от 0,5 до 4 м. Выбуривание угля производится выемочными камерами, размеры которого определяются устойчивостью кровли и почвы пласта, и находятся в диапазоне от 6 до 30 м. Между выемочными камерами оставляется барьерный целик шириной 0,5-1,0 м, выполняющий барьерную и предохранительную функции, который предварительно упрочняется до начала отработки выемочной камеры, путем создания специальных скважин диаметром 75-250 мм и использования упрочняющих составов, а после отработки выемочной камеры производится закладка выработанного пространства вскрышными породами.
Для повышения производительности выемки угля, а также снижения нагрузки на режущий рабочий орган при возникновении аварийных ситуаций, ковшебур выполнен из двух частей, а именно, режущего рабочего органа и лифтового цилиндрического ковша, соединенных между собой сцепным устройством. Причем внутри ковшебура установлен шнековый элемент для загрузки полезного ископаемого в лифтовый цилиндрический ковш.
Вышеуказанный способ и устройство для его осуществления позволяют решить проблемы разработки крутозалегающих угольных пластов без значительных экономических затрат на производство работ и рекультивацию месторождения, сопровождаемых при открытой и подземной разработки месторождений полезных ископаемых. Кроме того, данное изобретение позволяет повысить безопасность жизнедеятельности при выемке полезных ископаемых, а также экологическую безопасность окружающей среды.
На фиг.1 изображена схема технологии разработки крутозалегающих угольных пластов полезных ископаемых: а) вид сбоку, разрез А-А, б) вид сверху; в) вид спереди, разрез В-В; на фиг.2 - схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг 3 - схема устройства ковшебура, разрез С-С.
Технология разработки крутозалегающих угольных пластов содержит борт карьера 1, угольный пласт 2, выемочную камеру 3, буровое устройство 4, добычную скважину 5, барьерный целик 6, инъекционные скважины 7, отработанную выемочную камеру 8, закладочный материал 9, крановый канат 10, электропривод 11, ковшебур 12, режущий рабочий орган 13, шнековый элемент 14, лифтовый цилиндрический ковш 15, внешнюю штангу 16, внутреннюю штангу 17, малую крановую подвеску 18, большую крановую подвеску 19, сцепное устройство 20.
Способ технологии разработки крутозалегающих угольных пластов осуществляется следующим образом. Открытыми горными работами производится предварительная зачистка угольного пласта 2 по простиранию, которая представляет собой горизонтальную ровную площадку. Затем на выровненную площадку устанавливается буровое устройство и производится выбуривание угля на глубину до 100 м и более скважинами диаметром от 0,5 до 4 м.
Процесс выбуривания производится по простиранию угольного пласта выемочными камерами 3, размер которых определяется устойчивостью вмещающих пород кровли и почвы, а также мощностью (b) угольного пласта 2 и составляет от 6 до 30 м. При этом ось хода бурового устройства 4 может располагаться в диапазоне от 60 до 90° относительно оси простирания пласта (α).
Посредством электропривода 11 для приведения во вращение внешней штанги 16, подвешенной на большой крановой подвеске 19, предназначенной для удержания бурового инструмента со штангой на крановом канате 10, ковшебур 12 выбуривает уголь при помощи режущего рабочего органа 13. Затем уголь при помощи шнекового элемента 14 поступает в лифтовый цилиндрический ковш 15. После заполнения внутреннего пространства лифтового цилиндрического ковша 15 углем, ковшебур 12 поднимается на дневную поверхность, где затем разгружается на транспортерное устройство для его перемещения на место складирования.
Причем для повышения эффективности производительности работы, а также снижения нагрузки на режущий рабочий орган 13 при возникновении аварийных ситуаций, ковшебур 12 выполнен из двух частей, а именно, режущего рабочего органа 13 и лифтового цилиндрического ковша 15, соединенных между собой сцепным устройством 20. Режущий рабочий орган 13 жестко закреплен на внешней штанге 16, выполненной полой внутри и приводящейся в движение посредством электропривода 11. Внутри внешней штанги 16 установлена внутренняя штанга 17 для подъема лифтового цилиндрического ковша 15, при помощи малой крановой подвески 18. При подъеме лифтового цилиндрического ковша 15 происходит размыкание сцепного устройства 20 и разъединение шнекового элемента 14. Затем лифтовый цилиндрический ковш 15, соединенный через малую крановую подвеску 18 с крановым канатом 10, по направляющей внешней штанге поднимается на дневную поверхность, где происходит выгрузка угля.
После отработки выемочной камеры 8, производится ее закладка закладочным материалом 9, например, вскрышными породами. Затем буровое устройство 4 перемещают на следующую выемочную камеру 3, которая отделяется от отработанной выемочной камеры 8 барьерным целиком 6. Использование барьерного целика 6 позволяет исключить попадание закладочного материала 9, размещенного в отработанной выемочной камере 8, в пространство ведения добычных работ, а также предотвратить обрушение пород висячего и лежачего бортов выработанного пространства. Причем для придания необходимой прочности барьерный целик 6 предварительно укрепляют при помощи инъекционных скважин 7 диаметром 75-250 мм и упрочняющих составов. Размеры барьерного целика 6 зависят от мощности угольного пласта 2 и типа упрочняющих составов и находятся в диапазоне от 0,5 до 1 м.
1. Способ разработки крутозалегающих угольных пластов, включающий открытую разработку и выемку угля выемочными камерами, создание барьерных целиков, закладку выемочных камер, отличающийся тем, что выбуривание угля производится под углом от 60 до 90°, относительно оси простирания угольного пласта, и на глубину 100 м и более.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры выемочной камерой определяются устойчивостью кровли и почвы пласта и находятся в диапазоне от 6 до 30 м, а между ними сохраняется барьерный целик шириной от 0,5 до 1,0 м.
3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что упрочнение барьерного целика производится до отработки выемочной камеры при помощи инъекционных скважин диаметром 75-250 мм и упрочняющих составов.
4. Устройство для выемки угля, содержащее буровой инструмент, выполненный с возможностью жесткого крепления на нижнем конце штанги, крановую подвеску, предназначенную для удержания бурового инструмента со штангой на крановом канате, привод для приведения во вращение штанги, отличающееся тем, что буровой инструмент выполнен в виде ковшебура, состоящего из режущего рабочего органа и лифтового цилиндрического ковша, внутри которого дополнительно установлен шнековый элемент для транспортировки угля в лифтовый цилиндрический ковш.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внешняя штанга выполнена полой, внутри которой установлена независимо перемещающаяся внутренняя штанга, при этом внутренняя штанга жестко закреплена в нижней своей части с лифтовым цилиндрическим ковшом, а подъем ее осуществляется за счет кранового каната.
6. Устройство по пп.4, 5, отличающееся тем, что внешняя штанга является направляющей для лифтового цилиндрического ковша, для направления и удержания бурового инструмента под углом, соответствующим углу падения угольного пласта, в нижней части агрегата устанавливается специальное направляющее устройство.
7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ковшебур и лифтовый агрегат снабжены сцепным устройством для соединения верхней части режущего рабочего органа с нижней частью лифтового цилиндрического ковша.
