Системы разработки и технологии очистных работ: структура и содержание курсового проекта

Курсовая работа по технологии очистных работ — это не просто очередной реферат, а ваш первый серьезный шаг в мир инженерного проектирования. Ее главная цель — научить вас на основе сухих цифр исходных данных принимать взвешенные технологические решения, обосновывать их и подтверждать расчетами. Этот процесс можно разбить на три ключевых этапа: глубокий анализ исходных данных, грамотный выбор и обоснование технологии разработки, и, наконец, выполнение ключевых инженерных расчетов, подтверждающих безопасность и эффективность вашего проекта. Не стоит бояться этого вызова. Эта статья последовательно проведет вас по каждому шагу, от теории до практики, превратив сложную задачу в понятный алгоритм действий.

Прежде чем приступать к проектированию, необходимо вооружиться теоретическим аппаратом. Рассмотрим ключевые понятия, с которыми предстоит работать.

Раздел 1. Что представляют собой системы разработки угольных пластов

Чтобы ориентироваться в технологиях, важно понимать их классификацию. Система разработки — это установленный порядок ведения подготовительных и очистных работ в пределах выемочного поля. Вся совокупность систем имеет четкую иерархическую структуру.

В основе классификации лежит несколько ключевых признаков, которые делят все системы на классы, группы и виды.

• Классы систем разработки. Основное деление происходит по способу выемки пласта по мощности. Выделяют два главных класса: системы с выемкой на полную мощность (когда вся толщина пласта извлекается за один раз) и системы с послойной выемкой (когда мощный пласт отрабатывается слоями).
• Группы систем разработки. Дальнейшее деление на группы зависит от порядка проведения работ и расположения очистных и подготовительных выработок. К основным группам относятся:
  • Сплошные системы: очистные и подготовительные работы ведутся одновременно и взаимосвязано.
  • Длинностолбовые (столбовые) системы: сначала подготавливается весь выемочный участок (столб), а затем производится его полная выемка.
  • Комбинированные системы: сочетают в себе элементы сплошных и столбовых систем.
  • Короткозабойные (камерные) системы: выемка ведется короткими забоями из специальных выработок — камер.

Понимание этой логики классификации является фундаментом, который позволяет осознанно выбирать технологию, а не действовать по шаблону. Теперь, когда мы понимаем, как в целом может быть организована выемка, сфокусируемся на конкретных процессах внутри очистного забоя.

Раздел 2. Ключевые технологические процессы очистных работ

Термин «очистные работы» описывает не одно действие, а целый комплекс взаимосвязанных технологических процессов, выполняемых непосредственно в забое для извлечения полезного ископаемого. Каждый из этих процессов является звеном в единой цепи, и сбой в одном из них останавливает всю работу.

Основные процессы, составляющие цикл очистных работ, включают:

1. Выемка (отбойка) породы: Непосредственное отделение угля или руды от массива. Наиболее распространенным сегодня является механический способ, где используются комбайны или струговые установки. Также применяются буровзрывной и гидравлический методы.
2. Погрузка и транспортировка: Отбитая горная масса грузится на забойный конвейер и транспортируется из очистного забоя к дальнейшим транспортным артериям шахты.
3. Крепление и управление горным давлением: Это важнейший аспект безопасности. По мере продвигания забоя необходимо устанавливать крепь, которая защищает рабочее пространство от обрушения пород кровли. Управление горным давлением может включать плавное опускание кровли, ее полное или частичное обрушение за крепью.
4. Проветривание: Обеспечение забоя необходимым количеством свежего воздуха для дыхания людей и разбавления вредных газов, таких как метан.

Эффективность всей системы зависит от того, насколько слаженно и синхронно выполняются эти операции. Теоретическая база заложена. Фундаментом любого курсового проекта являются исходные данные. Перейдем к первому практическому шагу — анализу горно-геологических условий.

Раздел 3. Анализ исходных данных, или как «прочитать» горно-геологическую характеристику

Первый и самый важный раздел курсового проекта — это анализ горно-геологических условий. Таблица с исходными данными — это не просто набор цифр, а настоящий «паспорт» выемочного участка, который диктует все последующие инженерные решения. Ваша задача — научиться «читать» этот паспорт и понимать физический смысл каждого параметра.

Рассмотрим на конкретном примере:

Пример горно-геологической характеристики пласта

Наименование показателей	Значение показателей
Марка угля	КС
Угол падения пласта, град.	55
Средняя мощность пласта, м	6,3
Устойчивость непосредственной кровли	устойчивая
Устойчивость почвы	средняя
Опасность по метану	опасен
Опасность по самовозгоранию	весьма склонен

Ключевые параметры, на которые нужно обратить внимание:

• Мощность пласта (6,3 м): Это очень мощный пласт. Сразу возникает вопрос: будем ли мы вынимать его за один раз или послойно? Это напрямую влияет на выбор класса системы разработки.
• Угол падения (55 град.): Это крутое падение. Такой угол серьезно ограничивает применение некоторого оборудования и влияет на способ транспортировки угля из забоя (он может скатываться под собственным весом).
• Устойчивость кровли и почвы: Под кровлей понимают породы, залегающие над пластом, а под почвой (или подошвой) — под ним. В нашем примере кровля устойчивая, что является положительным фактором, а почва — средней устойчивости.
• Опасности: Пласт опасен по метану и пыли, угрожаем по горным ударам, но самое главное — весьма склонен к самовозгоранию. Этот фактор часто становится решающим при выборе технологии, так как требует высокой скорости отработки для минимизации риска эндогенных пожаров.

Мы проанализировали условия. Следующий логический шаг — на основе этого анализа выбрать и обосновать оптимальный способ отработки пласта.

Раздел 4. Обоснование выбора очистной технологии как сердце проекта

Выбор технологии — это не случайность и не предпочтение, а прямое логическое следствие из проанализированных горно-геологических условий. Это центральная часть курсового проекта, где вы должны продемонстрировать инженерное мышление по схеме: «Дано условие -> Это порождает требование -> Поэтому принимается такое решение».

Обоснование выбора должно быть построено на строгой аргументации, связывающей каждый параметр из исходных данных с преимуществами выбранной системы.

Вернемся к нашему примеру. У нас есть три критически важных фактора:

1. Большая мощность пласта (6,3 м).
2. Крутой угол падения (55 град.).
3. Высокая пожароопасность (уголь весьма склонен к самовозгоранию).

Эти условия практически исключают многие классические системы разработки. Например, применение комбайнов на таком угле падения затруднительно. Но главный фактор — пожароопасность. Опыт отработки подобных пластов показывает, что для снижения риска эндогенных пожаров необходимы максимальные скорости подвигания очистного забоя. Чем быстрее мы пройдем выемочный участок, тем меньше времени у угля будет на окисление и самовозгорание.

Именно поэтому для данных условий выбор падает на систему разработки щитами типа КС (щитовая система). Этот выбор основан на многолетнем опыте ведения горных работ в подобных условиях. Щитовая система позволяет вести выемку на полную мощность при крутом падении и, что самое важное, обеспечивает высокую концентрацию работ и высокие скорости подвигания забоя, что и является ключевым требованием для пожароопасного пласта.

Решение принято и обосновано. Теперь его необходимо детально описать в соответствующем разделе курсовой работы.

Раздел 5. Структура и параметры системы разработки

После того как выбор сделан и обоснован, необходимо детально описать саму систему разработки и ее ключевые параметры. Этот раздел курсового проекта структурирует ваше решение и переводит его на язык конкретных цифр и схем.

Здесь необходимо последовательно изложить:

• Порядок подготовки выемочного участка: Как именно был подготовлен участок (столб) к очистной выемке? Какие выработки были пройдены (например, откаточный и вентиляционный штреки, разрезная печь)?
• Схема работы очистного оборудования: Описание технологической схемы выемки. Для щитовой системы это будет описание цикла работ щитового агрегата, порядка передвижки крепи и забойного конвейера.
• Паспорт выемочного участка: Здесь приводятся ключевые геометрические и технологические параметры. Опираясь на данные из таблицы, мы можем указать:
  • Размер участка по простиранию: 155 м.
  • Размер участка по падению (длина лавы): 110 м.
  • Порядок выемки: Например, «столбами по падению».
  • Способ управления кровлей: В случае щитовой системы — полное обрушение пород за щитовым перекрытием.

Этот раздел должен дать полное и ясное представление о том, как именно будет отрабатываться выемочный участок. Описание технологии всегда должно подкрепляться инженерными расчетами, доказывающими ее безопасность и надежность. Переходим к самому сложному этапу — расчетам.

Раздел 6. Управление горным давлением как ключевой аспект безопасности

Любая подземная выработка нарушает естественное равновесие в массиве горных пород. В ответ массив стремится сомкнуться, создавая огромное давление на незакрепленное пространство — это и есть горное давление. Управление им является критически важным аспектом обеспечения безопасности очистных работ.

Величина горного давления зависит от множества факторов, главные из которых:

• Глубина разработки: чем глубже, тем выше давление.
• Плотность и свойства пород: массивные и прочные породы создают иное давление, чем слабые и трещиноватые.
• Начальные напряжения в массиве: природное состояние массива до начала работ.

Цель расчета горного давления в курсовом проекте — определить ожидаемую нагрузку на элементы крепи (в нашем случае, на щитовое перекрытие). Зная эту нагрузку, мы можем проверить, способна ли выбранная конструкция крепи выдержать ее, обеспечив тем самым безопасные условия для работы людей и оборудования в очистном забое. Этот расчет является обязательным и доказывает инженерную состоятельность вашего проекта. Теперь, когда понятна физика процесса, можно перейти непосредственно к методике расчета.

Раздел 7. Пошаговая методика расчета горного давления на крепь

Расчетная часть часто вызывает наибольшие трудности, однако на самом деле она сводится к четкому алгоритму действий. Ваша задача — не просто подставить цифры в формулу, а объяснить значение каждого компонента и логику расчета.

Для щитовой системы разработки давление обрушенных пород на единицу длины щитового перекрытия (Pщ) определяется по следующей формуле:

Pщ = (ρ * m² * (f * cos(α) + sin(α))) / (2 * f * fвн * λср)

Чтобы выполнить расчет, нужно действовать пошагово:

1. Выписать формулу и объяснить переменные:
   • Pщ — искомое давление на щит, т/м.
   • ρ — плотность обрушенных пород, т/м³.
   • m — мощность пласта, м.
   • α — угол падения пласта, град.
   • f — коэффициент трения обрушенных пород о кровлю и почву пласта (принимается по справочным данным).
   • fвн — коэффициент внутреннего трения обрушенных пород (принимается по справочным данным).
   • λср — коэффициент бокового распора, который сам рассчитывается по дополнительным формулам, учитывающим геометрию щита.
2. Определить коэффициенты: Найти значения коэффициентов бокового распора λ и λср, используя соответствующие формулы, которые обычно приводятся в методических указаниях.
3. Подставить значения: Аккуратно подставить все известные значения из исходных данных (m=6,3 м, α=55 град.) и справочных таблиц в основную формулу.
4. Получить результат: Выполнить вычисление и получить итоговое значение нагрузки в тоннах на метр (т/м).

Этот результат сам по себе — просто число. Его истинный смысл раскрывается на следующем этапе — при сравнении с возможностями крепи. Расчет выполнен. Не менее важно правильно его оформить и сделать выводы.

Раздел 8. Как оформить расчетную часть и сделать правильные выводы

Получение числового значения нагрузки — это лишь половина дела. Финальный и самый важный шаг расчетной части — это сделать на его основе грамотный инженерный вывод. Суть этого этапа заключается в сравнении расчетной нагрузки с несущей способностью элементов крепи.

Алгоритм действий следующий:

1. Определить допустимую нагрузку. Для каждого элемента крепи существует паспортная или расчетная величина допустимой нагрузки, которую он может выдержать без разрушения. Например, для деревянного бревна накатника щитового перекрытия допустимая нагрузка (T) может быть рассчитана по формуле сопромата:
   
   T = (σи * W) / l
   
   где σи – предел прочности материала на изгиб, W – момент сопротивления сечения, а l – длина бревна.
2. Сравнить расчетную и допустимую нагрузки. Вы сопоставляете полученное в предыдущем разделе значение давления на перекрытие (Pщ) с несущей способностью его элементов (T).
3. Сформулировать вывод. На основе сравнения делается однозначный вывод об обеспечении безопасности. Формулировка должна быть четкой и уверенной.

Пример вывода: «Полученное значение расчетной нагрузки на щитовое перекрытие составляет X т/м. Допустимая нагрузка на основные несущие элементы крепи составляет Y т/м. Поскольку расчетная нагрузка не превышает допустимую (X < Y), выбранный тип крепи и его конструктивные параметры обеспечивают безопасные условия труда в очистном забое при заданных горно-геологических условиях".

Такой вывод логически завершает всю расчетную часть проекта. Основные разделы проекта готовы. Осталось собрать их воедино и подвести итоги.

Раздел 9. Финальная сборка проекта, или что такое заключение

Заключение — это не формальная отписка, а краткая сводка всей проделанной вами инженерной работы. Его цель — еще раз провести читателя (и проверяющего) по всей логической цепочке вашего проекта и показать, что поставленная задача была успешно решена.

Хорошее заключение не содержит новой информации. Вместо этого оно тезисно повторяет ключевые этапы и результаты работы:

1. Исходная задача: «В рамках курсового проекта стояла задача выбора и обоснования эффективной и безопасной системы разработки для пласта со следующими ключевыми условиями: большая мощность, крутой угол падения и высокая пожароопасность».
2. Принятое решение: «На основе анализа горно-геологических условий была выбрана щитовая система разработки как наиболее отвечающая требованиям по обеспечению высокой скорости выемки для предотвращения эндогенных пожаров».
3. Подтверждение расчетом: «Выполненные расчеты горного давления показали, что ожидаемая нагрузка на крепь составляет X т/м, что не превышает допустимую несущую способность элементов щитового перекрытия».
4. Итоговый вывод: «Таким образом, цель курсового проекта достигнута. Спроектированная система разработки является технологически обоснованной и обеспечивает необходимые требования безопасности для заданных условий».

Такое заключение демонстрирует целостность вашей работы и умение не только выполнять отдельные задачи, но и видеть проект в целом, от постановки цели до ее достижения.

Список использованной литературы

1. ПБ, 2003 год;
2. ЕПБ при ВР; издатель-Москва Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России» 2001г.;
3. «Типовые паспорта креплений подготовительных и очистных работ для крутых пластов Кузбасса», издательство — Прокопьевск 1990;
4. Инструкция по безопасному применению щитовой системы разработки, КузНИУИ 1984 г.
5. Руководство по эксплуатации щитовых крепей на мощных крутонаклонных пластах, Прокопьевск, 1978 г.
6. «Технологические схемы разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами», Прокопьевск 2003г.
7. «Инструкция по безопасному применению технологических схем разработки угольных пластов Прокопьевско-Киселевского месторождения камерными системами», Прокопьевск 2003г.
8. «Инструкции по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (РД 05-328-99).- В сб. док. «Предупреждение газодинамических явлений в угольных шахтах»/ Колл. авт. — М.: Государственное предприятие НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000,- С. 4-119.
9. «Рекомендации по выбору видов и плотности крепи подготовительных горных выработок шахт Прокопьевско-Киселевского района для их безремонтного поддержания», ВНИМИ, Ленинград-Прокопьевск, 1989г.
10. «Подземная разработка пластовых месторождений» издательство-МГоУ 2002г.