1.1 Геологическая характеристика шахты

Поле шахты «Комсомольская» находится на западном крыле Воркутской мульды на расстоянии 11 км от города Воркуты. Объединяет поля бывших шахт №№17, 18 и 25. Его размеры: по простиранию - 12 км и по падению - 3 км. Находится в пределах метановой зоны. Верхняя отметка ее по северному и южному крыльям составляют в среднем соответственно +30 и + 70.

С учетом тектоники, значительных размеров и высокой метаноносности угольных пластов и спутников разделено по простиранию на 4 эксплуатационных блока (с юга на север): «Южный» и 2-й «Южный», «Северный» и 2-й «северный».

Шахта является угольным предприятием второго ряда и имеет следующие границы: по восстанию - с полями отработанных шахт №№26, 25, 18, 17, «Промышленная» и «Центральная» (с юга на север); на юге - с полем действующей ныне шахты «Заполярная»; по падению с полями действующих шахт «Воркутинская» и «Северная».

Связана шахта автодорогой с кольцевой автодорожной магистралью и с поселком Комсомольский, а также железной дорогой с подъездными железнодорожными путями. Шахта «Комсомольская» введена в эксплуатацию в 1949 с проектной мощностью 500 тыс. тонн угля в год (1670 тонн в сутки) - бывшая шахта №18, подвергшаяся в 1959-1976 годах групповой реконструкции. Приемка новой шахты «Комсомольская» после реконструкции шахт №№17, 18 и 25 выполнена в декабре 1976 - январе 1977 года.

Шахта «Комсомольская» как сверхкатегорийная по газу СН₄ и опасная по внезапным выбросам, относится к шахтам с особо вредными и тяжелыми условиями труда. Средняя абсолютная газообильность с учетом каптированного метана составляет 217,9 м³/мин. При этом среднегодовой расход метана, отсасываемого дегазационной установкой - 63,9 м³/мин. Относительная газообильность шахты - 79,6 м³ на тонну угля при среднесуточной добыче 3153 тонны в течение года.

По пыли: опасная, выход летучих составляет 32,5%, 3-я группа пыльности. По содержанию свободной кремнекислоты в образцах породы (20 - 30%), вмещающих пласты угля, забои шахты считаются силикозоопасными.

Рассматривается система вентиляции, как исходные данные для комплексного проекта по следующим причинам:

– для выбора режима работы вентилятора главного проветривания;

– для тупиковых выработок предусматривается схема электроснабжения с резервированием;

– комплексные распределительные устройства (КРУ) на номинальное напряжение 6 кВ должны устанавливаться только на поступающих струях;

– по схеме вентиляции просматривается наилучшие варианты прокладки кабельных линий.

1.2 Вентиляция

Шахта «Комсомольская» отнесена к опасным по внезапным выбросам метана. Средняя абсолютная газообильность с учётом каптированного метана составляет 217,9 м³/мин. При этом среднегодовой расход метана, отводимого дегазационной установкой - 73,9 м³/мин. Относительная газообильность шахты - 79,6 м³ на тонну угля при среднесуточной добыче 4797 т в течение года. Шахта также опасна по пыли и отнесена к 3-ей группе пыльности. Выход летучих составляет 32,5%. По содержанию свободной кремнекислоты в образцах породы (20-30%) забои шахты считаются силикозоопасными. В целом шахта как сверхкатегорная по газу метану и опасная по динамическим явлениям отнесена к шахтам сверхкатегорийным по газодинамическим явлениям.

Все угольные пласты опасные по взрывам пыли и являются высокометаноносными. Пласт Мощный с отметки -350 и пласт Тройной с отметки -500 - опасные, а пласт Четвёртый с отметки -800 - угрожаемый по внезапным выбросам угля и газа. Кроме того, все три пласта опасные по горным ударам соответственно с отметок -65, -270 и -270.

Схема проветривания - комбинированная, центрально-фланговая, способ проветривания - всасывающий. Способ дегазации: каптаж метана из подрабатываемых пластов-спутников в зонах, разгруженных от горного давления, через подземные скважины, пробуренные с фланговых выработок.

Схема проветривания выемочных участков принята с учетом высокой метанообильности, прямоточная с полным обособленным разбавлением метана по источникам его выделения.

Для целей вентиляции пройдены:

- вентиляционный ствол №1 до отметки 1-го откаточного горизонта -620, служащий для подачи свежего воздуха в шахту;

- вентиляционный ствол №2 до отметки 1-го откаточного горизонта, служащий для выдачи исходящей струи воздуха из шахты;

- вентиляционный ствол №3 до отметки вентиляционного горизонта -450, служащий для выдачи исходящей струи воздуха из шахты.

Также исходящая струя воздуха с горизонта -270 м выдается частично по скиповому стволу, через который проветриваются камеры околоствольного двора горизонта -620 м (ДП.180400.01, рис. 1.2.1).

Максимальное количество воздуха в шахту, при вводе вентствола №4 в действие, составит 585 м 3/с.

В блоки «Южный» и «Северный» свежий воздух подается по вентиляционному стволу №1 и вентиляционным квершлагам длиной порядка 480 м, пройденным на горизонте -620, а также по вспомогательному клетевому стволу и по скиповому стволу. Вывод исходящей струи из блоков осуществляется по вентиляционным стволам №2 и №3. При этом вентиляционный горизонт принят на отметках -400 м (северное крыло) и -450 (южное крыло), а также на горизонте -270 м, на котором пройден околоствольный двор при основных стволах, соединенных квершлагами и наклонными вентсбойками с горизонта -400 м.

Общее количество воздуха, поступающее в шахту и выдаваемое из нее, представлено в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Количество воздуха по шахте «Комсомольская»

Количество воздуха, поступающего на добычные и проходческие участки, представлено в табл. 1.2 и 1.3.

Количество воздуха, поступающего на добычные участки

Количество воздуха, поступающего на проходческие участки

Вентиляторные установки размещены в зданиях вентиляторных с вентканалами, оборудованными вентиляторами для проветривания шахты:

- ВЦД - 3,2М - вентиляционный ствол №2;

- ВРЦД - 4,5 - вентиляционный ствол №3.

Способ дегазации - каптаж метана из подрабатываемых пластов спутников в зонах, разгруженных от горного давления через подземные скважины, пробуренные с фланговых выработок.

2. Система разработки и механизация выемки угля

На шахте «Комсомольская» принята система подготовки шахтного поля полевая, блоковая, панельная. Блоки «Северный» и «2-й Северный» представляют собой двухстороннюю панель, а блоки «Южный» и «2-й Южный» - двух- и односторонняя панели. Выемочные столбы подготавливаются одинарными промежуточными штреками с поддержанием их на границе массив - выработанное пространство.

Порядок отработки: шахтного поля - прямой; блоков: «Северный» и «2-й Северный» - лавами по простиранию, нисходящий; блока «Южный» - лавами по простиранию, нисходящий; блока «2-й Южный» - одинарными лавами по падению в северной части блока и по простиранию в южной части; выемочных участков - обратный, с управлением кровлей полным обрушением.

На шахте работает три добычных участка. Данные по структуре и параметрам механизации очистных работ на шахте «Комсомольская» приведены в табл. 2.1.

Для пластов «Мощного», «Тройного» и «Четвертого» при принятой системе разработки в данном проекте принимаем прямоточную схему проветривания отрабатываемого очистного забоя (участка).

Механизация очистных работ на шахте «Комсомольская»

2.1 Расчет суточной нагрузки на забой лавы 312-с

Исходные данные к расчёту нагрузки на забой

Расчет нагрузки на забой производится для конкретных горно-геологических условий на основе определения минутной производительности комбайна с учетом ограничения по скорости крепления забоя, а также по фактору проветривания.

Скорость подачи очистного комбайна (V_П, м/мин):

м/мин (2.1)

где V_П.Тяг - скорость подачи по допустимому тяговому усилию; V_П.ПР - скорость подачи комбайна по мощности привода; V_П.КИН - скорость подачи комбайна по кинематически возможной устойчивой скорости подачи; k_В.П - коэффициент увеличения скорости подачи комбайна при выемке хрупких углей.

Скорость подачи выемочной машины для фактического значения средневзвешенной сопротивляемости пласта резанию (V_п.В, м/мин), согласно рекомендациям по [5], находим по формуле:

м/мин (2.2)

где и - меньшее и большее значения сопротивляемости пласта разрушению, ближайшие к расчетному средневзвешенному значению сопротивляемости , кН/м;

м/мин - скорость подачи при сопротивляемости угля резанию 100 кН;

м/мин - скорость подачи при сопротивляемости угля резанию 200 кН.

Скорость подачи выемочной машины по допустимому значению тягового усилия (V_П.Тяг, м/мин):

м/мин (2.3)

где F_T = 160 кН - тяговое усилие подающей части; G = 30,95 т - масса комбайна; = 6 - угол падения пласта; F_П - составляющая силы резания в направлении подачи комбайна:

кН (2.4)

Скорость подачи комбайна по кинематически возможной устойчивой скорости подачи (V_П.КИН, м/мин):

м/мин (2.5)

где k_УС = 0,9 - коэффициент устойчивой работы.

Производительность комбайна (q_М, т/мин) без учета ограничений по скорости крепления определяется по формуле:

т/мин (2.6)

где Н_р = 2,2 м - вынимаемая мощность пласта; = 1,34 т/м³ - плотность угля в массиве; В_з=0,63 м - ширина захвата комбайна; k_г =1 - коэффициент использования ширины захвата; V_п=5,4 м/мин - скорость подачи комбайна.

Расчёт производительности по скорости крепления (q_кр, т/мин):

т/мин (2.7)

где V_кр - скорость крепления:

м/мин (2.8)

где м/мин - скорость крепления по последовательной схеме передвижки крепи и устойчивых боковых породах; k_СХ =1 - коэффициент, учитывающий схему передвижки крепи; k_УП =1 - коэффициент снижения скорости крепления с увеличением угла падения пласта; k_УСТ =1 - коэффициент снижения скорости крепления при неустойчивых породах кровли.

Так как q_кр < q, т.е. 4 т/мин < 10 т/мин, расчёт ведём по производительности комбайна, рассчитанной по скорости крепления механизированной крепи.

Допустимая нагрузка на очистной забой по фактору проветривания (Q_r, т/сут) определяется по формуле:

т/сут (2.9)

где S_n = 6,55 м² - проходное сечение струи воздуха при минимальной ширине призабойного пространства; V_в = 4,0 м/с - максимально допустимая по ПБ скорость движения воздуха в лаве; d = 1% - допустимая по ПБ концентрация метана в исходящей струе воздуха; k_в = 1,2 1,4 - коэффициент, учитывающий движение части воздуха по выработанному пространству; q_n = 8 м/т - относительная метанообильность шахты; k_мет = 0.7 - коэффициент, характеризующий естественную дегазацию источников выделения метана в период отсутствия очистных работ.

Количество угля вынимаемого за цикл (А_ц, т):

т (2.10)

Сменная нагрузка на забой (А_см, т) без учета ограничений по скорости крепления определяется по формуле:

т (2.11)

Тогда суточная нагрузка на забой (А_сут, т):

т (2.12)

Количество циклов в сутки (N_С):

(2.13)

Принимаем количество циклов в сутки 12.

Расчетная нагрузка на забой составит:

т (2.14)

Сменная нагрузка на забой по (2.11) с учетом ограничений по скорости крепления:

т

Суточная нагрузка на забой (А_сут, т) по (2.12):

т

Количество циклов в сутки (N_С) по (2.13):

Принимаем количество циклов в сутки 4.

Расчетная нагрузка на забой составит по (2.14):

т

Эксплуатационная производительность комбайна (Q_Э, т/см):

(2.15)

где Т - продолжительность смены, час; Т_ВСП - время затраченное на вспомогательные операции, мин:

мин (2.16)

где = 20 мин - затраты времени на пересменку; = 10 мин - затраты времени на осмотр комбайна; = 20 мин - затраты времени на не совмещенные концевые операции.

Время, затраченное на вспомогательные операции (Т_ВСП) найдем через коэффициент машинного времени:

мин (2.17)

где - количества циклов в смену.

При Т_ВСП= 50 мин по выражению (2.15) строим график зависимости Q_Э = f (V_П) - рис. 2.3:

при 0 Q_Э = 2674,4 т/см

При Т_ВСП= 162 мин по выражению (2.15) строим график зависимости Q_Э = f (V_П) - рис. 2.3:

при 0 Q_Э = 825,4 т/см

При анализе полученных данных видно, что дальнейшее увеличение добычи возможно за счет комплекса мер, направленных на: увеличение коэффициента машинного времени:

- уменьшение времени концевых операций;

- увеличение длины лавы;

- снятие ограничений по скорости подачи комбайна (ограничений по креплению, транспортировки угля и проветриванию);

- уменьшение времени на доставку людей к рабочему месту;

- повышение качества текущего ремонта горного оборудования;

- увеличение сечения подготовительных выработок для изменения схемы зарубки комбайна, что будет способствовать увеличению коэффициента машинного времени. Использование схемы «косых заездов» связано с тем, что сечение подготовительных выработок мало для осуществления «прямых заездов» комбайна.

Ограничения по креплению и транспортировки можно снять применением других механизированных комплексов. Далее сравним характеристики механизированного комплекса, работающего на участке №6 шахты «Комсомольская», с другим, работающими на шахтах ОАО «Воркутауголь».

При снятии ограничений по креплению (кривая 2) возможно увеличение производительности за счет увеличения скорости подачи комбайна с 2,1 м/мин до 4 м/мин, дальнейшее увеличение скорости нецелесообразно, из-за малого роста производительности при данном сменном коэффициенте машинного времени (k_М = 0,4). После комплекса мер, ведущих к снижению времени на вспомогательные работы, т.е. к повышению сменного коэффициента машинного времени, возможно дальнейшее увеличение производительности данного участка (кривая 1).

На основе технико-экономических показателей, очистного забоя, можно сделать вывод, что механизированный комплекс ОКП-70, применяемый по пласту Тройному технически и морально устарел, что значительно снижает среднесуточную нагрузку на лаву, затрудняет работу людей в забое, а также приводит к увеличению травматизма.

На участке №10 предлагается заменить устаревший очистной комплекс 2ОКП-70БК на современный КМ-144 второго типоразмера после сравнения некоторых технических данных, приведённых в табл. 2.4.

Некоторые технические данные сравниваемых очистных комплексов

Предлагается также заменить очистной комбайн на более современный, что видно из сравнения некоторых технических данных, приведённых в табл. 2.5.

Технические данные сравниваемых очистных комбайнов

Выбор наиболее рациональной схемы электроснабжения начинаем с составления плана горных работ на участке. На плане горных работ показываем расстановку горного оборудования, подбираем наиболее подходящую типовую схему электроснабжения участка и корректируем ее применительно к нашим условиям, определяем число распределительных пунктов, место установки, шаг перемещения распределительных пунктов.

3. Шахтный подземный транспорт

В пределах блоков от очистных и подготовительных забоев до горизонта -620 м транспортировка угля принята с помощью конвейеров.

На погрузочных пунктах под панельными уклонами имеются аккумулирующие емкости, на перегрузочных пунктах с промежуточных штреков на уклоны - углеспускные гезенки. Откаточные выработки горизонта -620 м пройдены двухпутевыми или парными однопутевыми (главные квершлаги).

По откаточному горизонту -620 м сохраняется электровозная откатка от погрузочного пункта блока «Южный» до разгрузочно-погрузочного комплекса скипового ствола. Откатка осуществляется по «Южному» полевому откаточному штреку и главным откаточным квершлагам горизонта -620 м. В настоящее время порода от проходки и ремонта выработок доставляется на горизонт -620 м раздельно от угля в специально отведённое время и в породных составах ПС - 3,5 электровозами к скиповому стволу и породным скиповым подъемом выдается на поверхность.

Перевод «Южного» крыла шахты на полную конвейеризацию транспортировки угля связан со значительными дополнительными затратами на проходку и оборудование конвейерной магистрали и в условиях шахты представляется перспективным, но долгосрочным. Поэтому доставка угля по откаточным выработкам блока «Южный» - электровозная.

С целью повышения надежности электровозной откатки по горизонту -620 м в данном проекте принимаем:

электровозы АРП7 спаренные - для доставки материалов, грузов и людей;

АРП-14-900 - для доставки горной массы в секционных поездах ПС - 3,5 до разгрузочно-погрузочного комплекса скипового ствола.

Чистое время работы транспорта в смену - 5,5 часов, в сутки - 16,5 часов.

Величина груженого состава определена из условия нагревания тяговых электродвигателей.

Количество вагонеток (платформ) в составе:

для угля - 25-30 вагонеток с донной разгрузкой (секционные поезда ПС - 3,5);

для породы - 15-20 вагонеток с донной разгрузкой (секционные поезда ПС - 3,5);

для материалов и оборудования - платформы;

для людей - не более 15 вагонеток типа ВП-18.

В настоящее время блок «Северный» полностью конвейеризован. Транспортировка угля от лавы пласта мощного осуществляется участковыми конвейерами до конвейерного уклона 12-с, конвейерами уклона 12-с до накопительного бункера северного магистрального конвейерного штрека (СМКШ), конвейером СМКШ до накопительного бункера центрального конвейерного уклона (ЦКУ), конвейером ЦКУ до накопительного бункера главного вентиляционного квершлага (ГВК), конвейером расположенным на ГВК до скипового ствола. Схема транспорта породы осуществляется также, раздельно от угля в специально отведённое время.

В очистных забоях применяются скребковые конвейера типа СП-301М, «Анжера-26» и СП-87ПМ. В выемочных полях пласта «Четвёртого» на конвейерных штреках устанавливаются ленточные конвейеры типа ЛТПП1000, а в выемочных полях пластов «Тройного» и «Мощного» устанавливаются конвейеры 1Л100К1 или 2Л100У. На конвейерном уклоне блока «Южный» применяют конвейеры 1Л120, 2ЛТ100У и 3Л100У. На конвейерном уклоне блока «Северный» применяются конвейеры типа 2ЛТК1000А, 3Л100У и 3Л120В.

В целом конвейерный транспорт отвечает условиям эксплуатации при разработке очистных забоев.

На проходческих участках в подготовительных выработках используются скребковые конвейеры типа СР-70 и далее в транспортных цепочках ленточные конвейеры 1Л80 или 2Л80.

Материалы и оборудование для лавы 212-с доставляются с горизонта -620 м по южному полевому грузовому уклону №1 подъемной машиной БМ-2500 до нижней приемной площадки уклона, откуда, после перецепки, груженые сосуды опускаются дорогой 1ДНГ по грузовому уклону №1 пласта «Тройного» и грузовому уклону 12-ц и по заездам доставляются на вентиляционный и конвейерный штреки 212-с.

По вентиляционному штреку груженые сосуды перегоняются напочвенной дорогой типа ДКН2 от заезда до натяжной станции, а по конвейерному штреку - дорогами типа ДКН2 от заезда до натяжной станции.

Доставка от натяжных станций ДКН2 до лавы производится: по вентиляционному штреку - ручной подноской на расстояние до 50 м, по конвейерному штреку - конвейером СП-202 в реверсивном режиме с ручной подноской на расстояние до 30 м.

Перепуск материалов по лаве от верхнего сопряжения до нижнего осуществляется конвейером «Анжера-26» в обычном режиме, а доставка с конвейерного на вентиляционный штрек производится в реверсивном режиме.

Доставка по уклонам №1 и 12-ц выполняется рабочими ВШНТ по соответствующим проектам.

Доставка напочвенными дорогами ДКН2 производится не менее, чем двумя рабочими, по оборудованию, составу и обязанностям исполнителей и организации работ соответствует технологической карте ТКО-3 «Технологических карт на откатку грузов лебедками по участковым выработкам очистных и подготовительный забоев шахт Печорского бассейна (1984 г.)» и «Инструкции по безопасной эксплуатации рельсовых напочвенных дорог в угольных шахтах» (1986 г.).

Анализ работы транспорта показывает, что одной из причин простоя забоев и лав являются неисправности, связанные с магистральными конвейерами.

Выполним эксплуатационный расчет магистрального ленточного конвейера 2ЛТ100У, установленного между ЮПКУ и К/У 12-Ц (передаточный конвейерный штрек).

Исходные данные к расчету конвейера 2ЛТ100У

Расчет конвейера типоразмерного ряда с лентой шириной 1000 мм производим по ОСТ 12.14.130 - 80.

Максимальная приемная производительность конвейера (Q_МАК.К, т/мин):

т/мин (3.1)

Площадь поперечного сечения (S_П, м²) потока груза на ленте:

(3.2)

Часть ширины ленты (b₁, м), загружаемой углем:

(3.3)

Проверка расчетной и паспортной приемной способности производится из условия Q_ПР  Q_пасп (18 т/мин > 15,7 т/мин - условие выполняется, следовательно, выбранный конвейер 2ЛТ100У соответствует требуемым условиям).

Максимальный часовой грузопоток (QMAX, т/час):