Автоматическое управление забойным оборудованием, получившее распространение во всех основных угледобывающих странах, непрерывно развивается и совершенствуется. Если первые системы предусматривали только регулирование скорости подачи выемочных машин и реализовывались несовершенными средствами, то в настоящее время ведутся разработки по осуществлению автоматического режима работы всего комплекса забойного оборудования, с применением средств вычислительной техники.
В отечественной и зарубежной практике за последнее десятилетие накоплен большой опыт создания и эксплуатации автоматизированных комбайнов, стругов, конвейеров, крепей и комплексных систем. Положенные в их основу теоретические изыскания и технические решения отличаются разнообразием принципов и аппаратуры. Структура и функции систем автоматического управления зависят также от конструкции и компоновки узлов забойных машин.
Автоматизация забойного оборудования охватывает широкий круг задач по улучшению режимов работы привода и трансмиссии, получению оптимальных характеристик и увеличению производительности машин и механизмов, обеспечению их защиты от недопустимых перегрузок и повышению безопасности труда.
Практика выемки тонких и средней мощности пологих угольных пластов шнековыми комбайнами показала ряд недостатков, которые снижают экономичность горных работ и ухудшают условия труда в очистных забоях. К ним относятся сложность автоматизации работ, излишнее переизмельчение угля, связанное с повышенным пылевыделением и усилением риска для здоровья горнорабочих и опасности взрывов угольной пыли.
Как инженерные расчеты, так и мировой опыт работы угольных шахт показывают, что в лавах на пластах мощностью до 1,5–1,6 м следует применять исключительно струги. Выемочные комбайны для отработки маломощных пластов не созданы, и, видимо, не могут быть найдены эффективные конструкции таких комбайнов. Технология струговой выемки позволяет решить все основные проблемы — вывод людей из забоя, повышение производительности и ряд других.
Основные преимущества струговой технологии:
- струговая техника — это испытанная и надежная техника от изобретателей струга с опытом применения более 50 лет;
- высокий технический уровень, интегрированные системы — все «из одних рук», работа всех системных компонентов оптимально согласована;
- струговые системы ДБТ приспосабливаются к колебаниям мощности пласта и к изменениям крепости углей;
- возможна работа в полностью автоматизированном режиме;
- максимальная продуктивность и низкие производственные затраты при отработке пластов мощностью менее 2 м;
- более простой доступ к запасам, сосредоточенным в пластах малых мощностей;
- ремонтные работы всегда могут производиться вне лавы;
- значительная установленная мощность как гарантия высокой производительности;
- не требуется присутствия машиниста в лаве;
- максимально безопасная работа в лаве;
- надежность работы даже при наличии волнистой гипсометрии угольного пласта и геологических нарушений;
- дозированная передвижка с определенной глубиной резания в зависимости от крепости угля постоянно обеспечивает прямолинейность лавы;
- интеллектуальные приводные системы гарантируют оптимальную защиту цепи от порывов.
- Применение струговых установок в последние годы стало наиболее привлекательным способом угледобычи в мире.
Основной экономический показатель, характеризующий эффективность работы лавы, — средняя нагрузка на лаву. Этот показатель для струговых лав в различных странах колеблется в достаточно широких пределах. Об этом свидетельствуют, например, показатели работы струговых лав в США (табл. 1).
Таблица 1
Основные технико-экономические показатели работы струговых лав в США
|
Показатели |
Струговые лавы |
||
|
в среднем |
минимально |
максимально |
|
|
Число учтенных лав Мощность отрабатываемых пластов, м Глубина разработки, м Длина лавы, м Длина выемочного участка (проектная), м Нагрузка на лаву по рядовому углю, т/сут Добычный режим, смен/сут Затраты труда на перевод оборудования в новую лаву, чел. -смен |
1,36 359 144 1000 1600 2,1
1114 |
14 0,86 90 105 540 450 1,0
378 |
1,85 540 180 1700 3000 3,0
3110 |
В ФРГ при выемке тонких и средней мощности пластов достигнуты высокие технико-экономические показатели благодаря наличию в пластах мягких углей, поддающихся строганию, применению высокопроизводительных струговых установок и механизированных крепей, а также современной технологии и организации работ в струговых лавах. Отмечено увеличение коэффициента машинного времени в струговых лавах (из расчета на календарное время), однако этот показатель и величина среднесуточной нагрузки на забой в большинстве лав пока отстают от показателей высокопроизводительных комплексно-механизированных лав (табл. 2).
Повышение суточной нагрузки на все струговые лавы может быть обеспечено в первую очередь за счет увеличения продолжительности работы машин в течение суток, что является одной из неотложных задач угольной промышленности Германии на ближайшую перспективу.
В настоящее время в Донбассе (Украина) разрабатывают более 80 угольных пластов, из которых 73,2 % имеют мощность 0,51–1,20 м и 22 — мощность 1,21–1,80 м. Преобладают углы падения пластов до 35°. Современная механизация очистных работ на таких пластах базируется на применении узкозахватной техники, в том числе струговых установок и комплексов.
В Российской Федерации для Кузбасса, в частности для компании ОАО «Объединенная угольная компания «Южкузбассуголь», шахт «Юбилейная», «Абашевская», а особенно для шахт «Первомайская», «Березовская», «Новая», следует рекомендовать только струговые установки.
Таблица 2
Технико-экономические показатели работы струговых лав в Германии
|
Мощность пласта, м |
Длина лавы, м |
Угол падения, град |
Среднесуточная нагрузка на лаву, т |
Производительность труда рабочего лавы по товарному углю, т/смену |
|
|
товарного угля |
рядового угля |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
До 1,00 |
324 249 256 280 215 196 193 253 257 277 |
9,9 8,1 6,3 21,6 9,9 10,8 0,9 5,4 18,9 36,9 |
2257 2142 1812 1495 1358 1208 1195 1155 1143 1067 |
2708 2355 2392 1500 1494 1208 1205 1155 1200 1067 |
30 25 21 22 24 15 23 23 16 20 |
|
1,00–1,40 |
300 239 227 239 245 179 223 263 284 238 |
7,2 8,1 1,8 5,4 8,1 6,3 2,7 8,1 17,1 3,6 |
2605 2289 2280 1904 1871 1698 1687 1668 1599 1556 |
3543 2426 2462 1950 2507 2207 1957 1768 1887 2116 |
51 28 25 21 19 16 23 27 33 17 |
|
1,40–1,80 |
243 244 241 293 199 251 241 229 185 |
1,8 1,8 9,0 5,4 10,8 2,7 8,1 2,7 1,8 |
3291 2822 2639 2539 2438 2258 2132 2086 2018 |
3554 3894 2800 3656 3510 2662 2814 2920 2139 |
38 27 31 43 24 17 25 19 37 |
|
1,80–2,20 |
250 307 255 241 312 247 259 |
3,6 7,2 5,4 2,7 4,5 16,2 3,6 |
3550 2308 2290 2159 2105 2097 1992 |
5041 3185 2931 2250 3747 2265 2868 |
59 30 23 24 37 22 25 |
Струговая установка, тип «Гляйтхобель» (GН), эксплуатируемая на шахте «Абашевская», ОАО ОУК «Южкузбассуголь», развивает производительность до 790 т/ч. В стадии монтажа находится струговая установка на шахте «Березовская». Поступает струг на шахту «Северная», ОАО «Воркутауголь».
Для струговой лавы в Кузбассе из Германии предлагаются собственно струг, конвейер и система управления, обеспечивающие выемку угля с использованием практически любой крепи. Сотрудничество с конструкторами Юргинского машзавода, Кран-Узловского завода им. И.И.Федунца, Института ПНИУИ доказывает хорошую совместимость немецкой системы управления с российскими крепями, требующую, правда, в некоторых случаях выполнения «стыковочных» доработок. Предлагаемая фирмой «ДБТ ГмбХ» по линии кооперации струговая установка обеспечивает, с учетом сложных условий в забое (обводненность и проч.), высокую среднесуточную нагрузку.
В Казахстане струговая выемка угля нашла распространение на шахте «Казахстанская» угольного департамента АО «Миттал Стил Темиртау». Сейчас в самом молодом — Тентекском районе Карагандинского бассейна действует три шахты: «Казахстанская», им. Ленина и «Тентекская». Они разрабатывают пласты т3, т1 тентекской и пласты д11, д10, д9 и д6 долинской свит и имеют более благоприятные горно-геологические условия, чем шахты в Чурубай-Нуринском районе.
Шахта «Казахстанская» была сдана в эксплуатацию в 1969 г. с годовой проектной мощностью 2,7 млн. т. Высокий уровень технических решений, заложенных в проекте, и благоприятные условия разработки позволили шахте на 2,5 года раньше срока освоить такие показатели, как среднесуточная добыча (9000 т), производительность труда рабочего по добыче (110 т/мес); годовая проектная мощность была достигнута в 1973 г. (2,807 млн. т). В дальнейшем шахта постоянно снижала годовую добычу при значительном ухудшении других технико-экономических показателей.
Ухудшение качества добываемого угля вызвало необходимость в строительстве обогатительной установки мощностью 3,6 млн. т в год. Проектом 2-го горизонта, строительство которого завершено, мощность шахты установлена в 3,6 млн. т в год. Впоследствии проект был пересмотрен, со снижением мощности до 2,7 млн. т в год1.
Таким образом, в начале 90-х годов ХХ столетия шахта «Казахстанская» имела годовую проектную мощность 2,7 млн. т в соответствии с пропускной способностью скипового угольного подъёма. Высокий уровень технических решений и благоприятные горно-геологические условия выводили её в 80–90-х годах в число наиболее перспективных. Разработка пластов Долинской свиты обеспечивает в настоящее время добычу угля коксующихся марок К и КЖ. Промышленные запасы шахты не превышают 55 млн. т, а на глубоких горизонтах резервных полей имеются запасы около 92 млн. т. Резерв использования скиповых подъемных установок, а также достаточные запасы угля позволяют увеличить мощность шахты до 4 млн. т в год2.
Применение струговой установки на шахте позволяет интенсивно добывать многомиллионные запасы коксующегося угля дефицитной марки «КЖ», которые сосредоточены в маломощных пластах. Но пока сдерживают темпы неудовлетворительное состояние вентиляционного штрека и, как следствие, большие трудозатраты на подрывку его почвы и оформление верхней ниши. В настоящее время для ликвидации «узкого места» две бригады ведут проходку нового вентиляционного штрека, расположенного ниже существующего, с оставлением небольшого целика шириной до 3–4 метров. В новых условиях возрастает машинное время струговой установки, что позволит увеличить добычу угля до 4–4,5 тыс.т.
В целом обобщение опыта применения струговой выемки на шахтах многих стран мира и Казахстана позволяет сформулировать научно обоснованные предложения и рекомендации.
1. Струговая выемка, являющаяся в ряде стран одним из основных способов подземной разработки угля, постоянно развивается. Причем на современном этапе четко выделяется ряд направлений, по которым идет совершенствование экономики и техники, технологии и конструкции струговых установок и комплексов.
2. Опыт эксплуатации свидетельствует, что применение струговой выемки наиболее эффективно при отработке тонких пластов, отнесенных к категории особо выбросоопасных, где выполнить существующие противовыбросные мероприятия весьма затруднительно. Однако струговая выемка не исключает возможности возникновения внезапных выбросов угля и газа даже при противовыбросных мероприятиях. Нормативными документами по технике безопасности предусмотрен ряд мер по обеспечению безопасности рабочих в случае возникновения внезапного выброса угля и газа. Одной из наиболее радикальных мер является вывод людей из лавы и выработок с исходящей струей воздуха во время работы струговой установки. В этой связи необходимо средствами автоматического контроля, управления и автоматизации компенсировать потерю непосредственного контакта оператора (и его помощника) с машиной, создать условия для сохранения требуемого объема информации (функционирования электрических и гидравлических систем).
3. Производительность струга зависит от режима работы забойного конвейера, поэтому в системах автоматизации струговых установок часто предусматривается одновременное автоматическое управление конвейером.
При существующих скоростях движения струга и конвейера возможны следующие режимы работы:
1) скорости струга и конвейера постоянны, причем скорость конвейера на 30–40 % больше скорости струга;
2) скорость конвейера постоянна, а скорость струга примерно в 1,5–2 раза больше скорости конвейера при их одностороннем движении и в 2–2,5 раза меньше скорости конвейера — при встречном;
3) скорости конвейера и струга постоянны, причем скорость струга примерно в 3 раза больше скорости конвейера;
4) скорость струга больше скорости конвейера, которая регулируется ступенчато; при одностороннем движении струга и конвейера скорость последнего мала, а при их встречном движении скорость конвейера максимальна.
Третий и четвертый режимы обеспечивают наилучшее использование системы «струг — конвейер». Третий способ реализуется более просто, чем четвертый, так как не требует изменения скорости конвейера и улучшает режим его работы. При постоянной скорости конвейера можно обеспечить его постоянную производительность и исключить большие динамические нагрузки, возникающие при ускорении перегруженного конвейера.
Четвертый режим работы системы «струг — конвейер» может применяться только при выемке тонких пластов или при работе на крепких углях. Изменение скорости конвейера при реверсе струга приводит к неравномерной загрузке транспортных средств, обслуживающих лаву, хотя степень использования системы «струг — конвейер» при применении этого режима максимальна.
4. При решении вопроса применения струговых установок для выемки выбросоопасных пластов наряду с автоматизацией привода, увязкой технологических блокировок намечены дополнительные мероприятия, направленные на решение данной задачи. Так, необходимо разработать систему автоматического управления передвижкой приводной станции с индикацией параметров системы передвижчика конвейера и состояния схемы на лицевой панели пульта управления, обеспечить уменьшение и стабилизацию выбега исполнительного органа (струга) с учетом повышения точности автоматического контроля местонахождения струга по длине лавы (в том числе в ее конечных точках).
5. Наряду с обеспечением нормального технологического режима работы струговой установки контроль прямолинейности особенно необходим на выбросоопасных пластах, где основной причиной выбросов является интенсификация выемки угля на отдельных участках лавы (30–40 м). Такая технология приводит, как правило, к сверхнормативным искривлениям линии очистного забоя, что повышает выбросоопасность призабойной части пласта. Нужно стабилизировать толщину снимаемой стружки, что будет способствовать поддержанию прямолинейности конвейерного става; одновременно следует решить вопрос о его рациональной загрузке, например, путем изменения напорного усилия в линейных гидродомкратах в зависимости от местонахождения струга и направления его движения.
6. Комплекс аппаратов регулирования струговой установкой на выбросоопасных пластах должен предусматривать возможность блокировки с использованием средств непрерывного контроля параметров газовой обстановки, акустического контроля работы машины, пожаро- и выбросоопасности. Современные системы автоматического контроля и управления струговыми установками (комплексами) обусловили необходимость создания телемеханических систем на основе применения микропроцессорных средств вычислительной техники, в том числе однокристалльных микро-ЭВМ. Комбинирование микропроцессорных средств с дисплеем для управления, автоматизации и диагностики состояния механизмов струговой установки (комплекса), позволяющее контролировать многочисленные данные, значительно облегчит работу оператора.
7. Комплекс разрабатываемых средств автоматизации, составляющих единое целое с машиной, будет способствовать коренному усовершенствованию струговой установки (комплекса), даст возможность уверенно управлять установкой (комплексом) дистанционно и следить за протеканием технологического процесса выемки угля по контрольно-измерительным приборам, обеспечит безопасность труда, станет одним из источников повышения надежности и долговечности струговых установок.
Улучшение технико-экономических показателей струговой выемки на современном этапе должно идти в первую очередь за счет комплексной механизации всех взаимосвязанных процессов, автоматизации и внедрения систем управления на базе ЭВМ, сокращения потерь рабочего времени путем совершенствования организации труда, улучшения ремонта и технического обслуживания оборудования, повышения его надежности (и в результате — значительного увеличения коэффициента машинного времени выемочного оборудования).
Список литературы
1. Дрижд Н.А., Баймухаметов С.К., Тоблер В.А. и др. Карагандинский угольный бассейн: Справочник. — М.: Недра, 1990. — С. 299.
2. Сагинов А.С., Дрижд Н.А., Шулятьева Л.И. Эффективность использования и проблемы развития шахтного фонда Карагандинского бассейна // Горный журнал Казахстана. — 2004. — № 5. — С. 5–7.