Файл: Горные машины и оборудование вв е де н ие в с пе ци а льн о с ть.pdf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
А.Б. Е фременков, А.А. Казанц ев, М.Ю. Блащук
ГОРНЫЕ МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ВВ Е ДЕ Н ИЕ В С ПЕ ЦИ А ЛЬН О С ТЬ
ЧАСТЬ 1
Допущено Учебно-методическим объединением
по образованию в области горного дела
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведе-
ний, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и обору-
дование» направления подготовки «Горное дело»
2-е издание
Издательство
Томского политехнического университета
2009

2
УДК 622.3.05(075)
ББК 33.1я73
Е92
Ефременков А.Б.
Е92
Горные машины и оборудование. Введение в специальность.
Часть 1: учебное пособие / А.Б. Ефременков, А.А. Казанцев,
М.Ю. Блащук. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 152 с.
В первой части пособия освещены общие вопросы об угольной и гор- норудной промышленности. Приводятся краткие сведения о технологии горных работ при подземном и открытом способе добычи полезных ис- копаемых. Рассматриваются виды применяемого оборудования и транс- портных средств при подземном способе добычи.
Предназначено для студентов горных специальностей.
УДК 622.3.05(075)
ББК 33.1я73
Рецензенты
Доктор технических наук, профессор КузГТУ
Г.Д. Буялич
Главный конструктор-начальник ОКБ
ООО «Юргинский машзавод»,
Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники
А.П. Усольцев
ISBN 978-5-98298-537-8
© Ефременков А.Б., Казанцев А.А., Блащук М.Ю., 2008
© Юргинский технологический институт (филиал)
Томский политехнический университет, 2008
© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2009

3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
5
ГЛАВА 1. Общие сведения об угольной и горнорудной про-
мышленности
6 1.1. Общие сведения об истории угольной и горнорудной про- мышленности
6 1.2. Общие сведения о строении и химическом составе земли
9 1.3. Горное производство и горные предприятия
12 1.4. Общие сведения о горных породах и полезных ископаемых
13 1.5. Разработка месторождений полезных ископаемых
20 1.6. Общие понятия о геофизических методах разведки
22 1.7. Состояние и перспективы добычи полезных ископаемых
24
ГЛАВА 2. Технология добычи полезных ископаемых под-
земным способом
26 2.1. Общие сведения
26 2.2. Основные положения при подземном способе добычи
26 2.3. Технология добычи угля на шахтах
28 2.3.1. Горные выработки и их назначение
30 2.3.2. Вскрытие и подготовка шахтного поля
34 2.3.3. Системы разработки
37 2.3.4. Технология очистных работ
40 2.3.4.1. Выемка угля
40 2.3.4.2. Доставка угля
43 2.3.5. Горное давление в очистном забое
44 2.3.6. Крепь очистных выработок
46 2.3.6.1. Призабойная крепь
48 2.3.6.2. Посадочная крепь
51 2.3.6.3. Механизированные крепи
53 2.3.6.4. Щитовые перекрытия
56 2.4. Технология горных работ на рудниках
56 2.4.1. Потери и разубоживание руды
57 2.4.2. Вскрытие и подготовка рудных месторождений
57 2.4.3. Основные производственные процессы
58 2.4.3.1. Способы отбойки руды
59 2.4.3.2. Вторичное дробление руды
61 2.4.3.3. Системы разработки рудных месторождений
62
ГЛАВА 3. Технология добычи полезных ископаемых откры-
тым способом
66 3.1. Общие сведения
66 3.2. Условия залегания месторождений, разрабатываемых от-

4 крытым способом
67 3.3. Основные элементы открытых горных работ
68 3.4. Главные параметры карьера
70 3.4.1. Границы открытых разработок (предельная глубина).
70 3.4.2. Виды коэффициента вскрыши
71 3.5. Производительность карьера
74 3.6. Классификация систем открытой разработки
75 3.6.1. Бестранспортные системы разработки
75 3.6.2. Транспортные системы разработки
77 3.6.3. Комбинированные системы разработки
77 3.7. Основные производственные процессы
80 3.7.1. Подготовка горных пород к выемке
80 3.7.2. Выемочно-погрузочные работы
83 3.8. Прочие способы добычи полезных ископаемых
90
ГЛАВА 4. Горные машины и комплексы, применяемые при
подземном способе добычи полезных ископаемых
91 4.1. Общие сведения
91 4.2. Бурильные машины и установки и буровой инструмент
91 4.3. Проходческие и проходческо-добычные комбайны и ком- плексы
103 4.4. Очистные комбайны
112 4.5. Струговые установки
118 4.6. Концевые операции в лаве
122 4.6.1. Состав концевых операций
122 4.6.2. Варианты выполнения концевых операций комбайном
122 4.7. Конвейеры
124 4.7.1. Скребковые конвейеры
131 4.7.2. Ленточные конвейеры
136 4.8. Погрузочные, буропогрузочные и погрузочно-доставочные машины
142 4.8.1. Общие сведения
142 4.8.2. Погрузка породы ковшовыми погрузочными маши- нами
143 4.8.3. Погрузка породы машинами непрерывного действия
146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
149
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
150

5
ВВЕДЕНИЕ
Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельности, обеспечивающих существование и уровень развития ци- вилизации, дисциплина «Введение в специальность» является одной из первых дисциплин, формирующих профиль подготовки инженера по направлению «Горные машины и оборудование». Задачей ее изучения является получение знаний об основных принципах добычи различных ископаемых подземным, открытым, геотехнологическим и другими спо- собами.
Горная промышленность характеризуется большими масштабами добычи самых разных видов полезных ископаемых. Сегодня по всему миру построены мощные шахты и рудники, карьеры и разрезы, приис- ки и обогатительные фабрики, оснащенные современными машинами и комплексами, проектирование, создание и эксплуатацию которых обес- печивают горные инженеры-механики. Специалисты данного профиля должны иметь соответствующую подготовку, специальные технические знания и навыки и призваны творчески мыслить и решать многочислен- ные и нередко очень сложные вопросы механизации и автоматизации горных работ.
В связи с вышеизложенным очень важное значение имеет изуче- ние в первом семестре курса «Введение в специальность». Изучение данной дисциплины вводит поступивших в ВУЗ студентов в мир их бу- дущих учебных, научных и производственных задач.

6
ГЛАВА 1. Общие сведения об угольной и горнорудной
промышленности
1.1. Общие сведения об истории угольной и горнорудной
промышленности
Горная наука изучает процессы, происходящие в недрах Земли при разработке полезных ископаемых, с целью изыскания методов управления ими и создания научных основ совершенствования техноло- гии добычи полезных ископаемых для повышения производительности и безопасности труда. Горная наука тесно связанна с фундаментальны- ми науками и использует их достижения для исследования природных явлений при разработке месторождений и создании новой техники. На основе ученых исследований осуществляется проектирование горных машин, оборудования, приборов, разрабатывается технология добычи полезных ископаемых, их переработки и обогащения. Всему этому предшествовал длинный путь развития горной науки.
Основоположником отечественной горной науки является М.В.
Ломоносов. Началом его научной деятельности связанно с горным де- лом. Так, его диссертация «О вольном движении воздуха в рудниках примеченном», представленная в 1745 г. на звание профессора, была посвящена вопросам естественного проветривания рудников и шахт.
Своим основным научным трудом «Первые основания металлургии или рудных дел» М.В. Ломоносов заложил основы отечественной науки о добычи полезных ископаемых.
Долгие годы горное дело считалось искусством и передавалось из поколения в поколение. Даже после того, как в некоторых странах были созданы горные учебные заведения (Фрайбергская горная академия в
Германии, Петербургская в России) горное дело еще много лет остава- лось искусством.
Однако, уже в XIX веке запросы производства в энергетическом и химическом сырье потребовали дальнейшего усиления развития горно- го производства. В связи с усложнением горнотехнических условий, дальнейшее развитие горной техники и технологии стало возможным только на широкой научной основе. Все это вызвало необходимость создания горных научных школ, открытия новых научных направлений.
Реально, развитие горной науки как таковой началось с изучения физико-механических свойств горных пород и их изменений с увеличе- нием глубины горных работ (рост горного давления). Большая заслуга в исследованиях физико-механических свойств горных пород принадле- жит проф. М.М. Протодьяконову. Им были разработаны ряд методик

7 определения физико-механических характеристик горных пород, созда- на шкала крепости горных пород.
B XX веке начали развиваться сначала аналитические (проф. В.Д.
Слюсарев), а затем и экспериментальные способы изучения горного давления, разрабатываются приборы и аппаратура для измерения горно- го давления непосредственно в массиве горных пород (струнные датчи- ки, тензометрические и гидравлические датчики и т.п.). В это время создаются научные школы:
 в области разработки месторождений открытым способом под руко- водством акад. Н.В. Мельникова;
 в области технологии и механизации производственных процессов,
 под руководством акад. А.М. Терпигориева;
 в области рудничной аэрологии, под руководством акад. А.А. Ско- чинского;
 в области горной механики, под руководством член-корр. АН А.В.
Докукина;
 в области механики горных пород и науки о физико-механических свойствах горных пород (проф. Б.В. Бокий, М.М. Протодьяконов,
В.Д. Слюсарев).
Существенное влияние на развитие горного дела оказало создание в конце прошлого века врубовых машин, положившее начало механиза- ции горных работ и техническому прогрессу в технологии добычи угля.
В 30-е годы уходящего века был создан очистной комбайн, а в 50-е годы
– механизированный очистной комплекс.
Технология добычи угля не могла развиваться без опережающего развития горно-проходческой технологии и механизации горнопроход- ческих работ и работ по жизнеобеспечению горнодобывающих пред- приятий. В этот период создаются новые буровые молотки и установки, буропогрузочные машины, проходческие комбайны, совершенствуются существующие и разрабатываются новые крепи капитальных и подго- товительных выработок, разрабатываются мощные подъемные установ- ки, средства подземного транспорта и водоотлива.
С увеличением глубины горных работ, протяженности горных выработок, увеличением температуры горных пород возникли пробле- мы создания комфортных и безопасных условий труда шахтеров. Для решения этих проблем начинает развиваться аэрология, кондициониро- вание, создаются мощные вентиляторы общего и местного проветрива- ния, холодильные установки (общешахтные и местные, подземные и поверхностные).

8
История учит, что развитие прикладных наук особенно заметно в те периоды, когда возникают противоречие между потребностью обще- ства и возможностью производства. Красноречивым подтверждением сказанному могут служить отдельные этапы развития горной науки.
В связи с увеличением горного давления при отработке глубоких горизонтов, возникла необходимость разработки способов охраны гор- ных выработок (тампонирование закрепного пространства, проведение выработок под защитой ранее отработанного угольного пласта и др.)
Для проведения выработок в условиях больших водопритоков бы- ли созданы специальные способы проходки горных выработок (замора- живание пород, тампонаж пород и закрепного пространства, водопони- жение и др.).
Особенно большие трудности возникли при проведении горных выработок по выбросоопасным угольным пластам и породам. Для ре- шения этой проблемы в научном плане была создана межведомственная комиссия по борьбе с выбросами угля, породы и газа, которую возгла- вил академик А.А. Скочинский. В дальнейшем в решении этой пробле- мы принимали участие многие видные ученые: академики С.А. Хри- стианович, В.В.Ржевский, Н.С. Поляков, член-корр. А.В. Докукин, проф. В.И.Николин и др. В настоящее время разработана теория выбро- сов угля, породы и газа, созданы методы прогноза выбросоопасности и борьбы с выбросами. Внедрение разработанных противовыбросных ме- роприятий в свою очередь потребовало совершенствования горных ра- бот, модернизации и создания нового добычного и горно-проходческого оборудования (проведение выработок комбайнами с образованием раз- грузочных полостей, образование разгрузочных щелей по длине лавы, создание бурильной установки УЩ-1, комбайнов 4-4ПП-2Щ, К-80Щ
УГВ-1 и др.).
Точную дату начала применения угля человеком установить не- возможно, однако известно, что еще во времена Аристотеля упомина- лось название «горючие камни». В течение нескольких последних сто- летий уголь был практически единственным энергоносителем в мире.
Уголь крайне необходим для нормальной жизни человечества – при- мерно 60% мировой добычи угля расходуется для выработки электро- энергии, коксохимические и металлургические производства расходуют
25%, коммунально-бытовое и другие сектора промышленности расхо- дуют около 15%. Так вот в конце ХХ столетия ежегодное потребление угля в мире превысило 4 млрд. т. Различают несколько видов угля: бу- рый уголь, каменный уголь, антрацит.
Россия располагает всеми видами угля и при этом на Россию при- ходится примерно 40% мировых запасов бурого и 9,8% каменного угля.

9
Доля угля в топливно-энергетическом балансе РФ составляет 12–14%, в производстве тепло- и электроэнергии 24–28%. Ежегодные поставки уг- ля энергетикам составляют от 100 до 120 млн. тонн, коксохимикам и металлургам 32–38 млн. т., причем потребности с каждым годом воз- растают. По некоторым оценкам угля осталось на ближайшие 40 лет, но это спорный вопрос.
Основные угольные бассейны России. Основные угольные бас- сейны страны расположены в европейской части и районах Урала
(9,1%), Западной и Восточной Сибири (73% и 7,6% соответственно), на
Дальнем Востоке и Северо-Востоке (10,3%).
В европейской части располагаются Подмосковный и Печорский угольные бассейны. В пределах Урала расположены Кизеловский, Че- лябинский, и Южно-уральский бассейны, месторождения Свердловской области и Северо-Сосьвинский угленосный район (полностью не изу- чен).
В Западной Сибири разрабатывается Кузнецкий каменноугольный бассейн.
В Восточной Сибири – угольные бассейны Красноярского края,
Иркутской области; в республике Саха – Южно-якутский бассейн.
На Северо-Востоке страны – месторождения Магаданской и Кам- чатской областей.
На дальнем Востоке – ресурсы Хабаровского, Приморского краев,
Амурской области и о. Сахалин.
Открытая разработка угля в России началась в 20-е года ХХ века.
Экономическая эффективность при открытой добыче угля в 2–2,5 раза выше, чем при подземной (шахтной) добыче, что достигается за счет применения мощного добычного и транспортного оборудования и спо- собствует более полной выемке полезного ископаемого. Открытая раз- работка выгодна при глубине карьера до 600 м, более глубокая уже приравнивается к подземной.
1.2. Общие сведения о строении и химическом составе земли
Планета Земля представляет собой тело сферической формы – геоид и состоит из геосфер (концентрических оболочек-слоев, обра- зующих Землю): магнитосферы, атмосферы, гидросферы, земной коры – литосферы, астеносферы, мантии (верхней, средней и нижней) и ядра
(внешнего и внутреннего).
За пределами атмосферы Земля окружена слоем ионизированного газа – ионосферой, а далее, вплоть до физического вакуума космоса, простирается слой ее собственного электромагнитного поля. Атмосфера

10 состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа, гелия, неона, ксе- нона криптона, водорода, озона, аммиака, водяных паров и прочих газо- вых включений. Большую часть объема атмосферы составляют азот
(78,09%) и кислород (20,95%). Литосфера – это твердый внешний слой
Земли толщиной в среднем 25–80 км под континентами и 10–15 км под океанами. За пределами литосферы в направлении к центру Земли распо- лагается мантия и далее ядро. Границы перехода литосферы в мантию впер- вые были установлены югославским геофизиком А. Мохоровичем в 1909 г.
Рис. 1.1. Схема строения земной коры:
М – материковый тип; О – океанический
тип; СО – складчатая оболочка; П – платформа;
1 – граница Мохоровича; 2 – оса-
дочная оболочка; 3 – гранитовая оболочка; 4 – базальтовая оболочка
Исследования недр планеты ведутся с использованием различных ме- тодов и средств; наибольшие успехи достигнуты при использовании сейсми- ческих методов, основанных на исследовании характера и скорости распро- странения сейсмических волн, полученных в результате землетрясений или при помощи проведения специальных взрывов. Однако полной ясности о химическом составе и физическом состоянии вещества планеты и некото- рых других явлениях в настоящее время не имеется, в связи с проблемой про- никновения сквозь толщи земных недр в район мантии и далее к центру
Земли. Это связано прежде всего с высокой плотностью вещества земной коры 2,65–3,3 г/см
3
, которая достигает в нижней части мантии, 6–9 г/см
3
; увеличивается также температура недр в среднем на 1 С через каждые
33 м.