Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых

Донбасский государственный технический университет Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых Профессор Р.А.ФРУМКИН ТЕХНОЛОГИЯ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Конспект лекций для студентов специальности 6.090300 "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых" (часть I) Алчевск – 2006 СОДЕРЖАНИЕ 1 ПОДГОТОВКА ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ………………………………… 4 1.1 Общие вопросы подготовки шахтных полей …………………….. 4 1.2 Способы подготовки шахтных полей и предъявляемые к ним требования……………………………………………………. 20 1.3 Погоризонтная подготовка шахтного поля……………………... 22 1.4 Панельная подготовка шахтного поля…………………………... 26 1.5 Этажная подготовка шахтного поля……………………………... 31 1.6 Определение основных параметров подготовки шахтных полей……………………………………………………………… 38 2 ВСКРЫТИЕ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ …………………………………... 49 2.1 Общие вопросы вскрытия месторождений …………………….. 49 2.2 Вскрытие наклонными стволами ……………………………….. 52 2.3 Вскрытие вертикальными стволами. Расположение стволов в шахтном поле и выбор места их заложения …….……61 2.4 Одногоризонтное вскрытие пологих пластов вертикальными стволами …………………………………….. 71 2.5 Многогоризонтное вскрытие пологих и наклонных пластов вертикальными стволами………………………………………... 80 2.6 Вскрытие крутых пластов………………………………………... 87 2.7 Особенности вскрытия пластов на больших глубинах. Вскрытие при делении шахтных полей на блоки……………… 90 2.8 Вскрытие штольнями…………………………………………….. 96 2.9 Комбинированное вскрытие…………………………………….. 99 2.10 Выбор рационального способа вскрытия шахтного поля методом вариантов……………………………………………...105 2.11 Околоствольные дворы………………………………………… 113 2.12 Поверхностные комплексы шахт…………………………….... 123 Литература ....………………………………………………………....133 3 1. ПОДГОТОВКА ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ 1.1. Общие вопросы подготовки шахтных полей 1.1.1. Стадии разработки месторождений Угольные пласты залегают глубоко под землей. Поэтому, чтобы приступить к добыче полезных ископаемых, необходимо осуществить комплекс работ, который осуществляется в следующие 3 стадии. Вскрытие шахтного поля – обеспечение доступа к месторождению с поверхности с целью создания условия для подготовки и отработки его запасов. Оно осуществляется путем проведения вскрывающих выработок, которые делятся на главные и вспомогательные. К главным относят выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность (стволы, штольни), вспомогательные выработки такого выхода не имеют (квершлаги, гезенки, скаты и др.). Подготовкой шахтного поля называется определенный порядок проведения подготовительных выработок после вскрытия шахтного поля, обеспечивающий ведение очистных работ. Очистная выемка – комплекс работ по извлечение (добыче) полезного ископаемого из очистных забоев. Совокупность работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке называется разработкой месторождений полезных ископаемых. При разработке месторождений полезных ископаемых должны быть обеспечены требования, предусмотренные законодательством Украины "О недрах" и "Правилами технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт". 4 1.1.2. Шахтные поля и их изображение на маркшейдерских планах. Границы шахтных полей Часть месторождения, отведенное для разработки одной шахте, называется шахтным полем. Шахтное поле имеет границы по падению (нижняя) восстанию (верхняя) и простиранию (боковые границы). Границы шахтных полей могут быть фиксированными и условными. Фиксированные границы не могут быть изменены, а условные в процессе эксплуатации месторождения могут быть изменены в соответствии с существующими законодательными положениями. Фиксированные границы образуются контурами месторождения: выходом пластов под наносы, линией кондиционных характеристик полезных ископаемых, крупными геологическими нарушениями, крупными водоемами и др. Условные границы образуются поверхностями, устанавливаемыми ГКЗ, и в случае производственной необходимости, после рассмотрения технического задания, могут быть перенесены. К условным границам относятся также границы соседних шахт. Размеры шахтных полей колеблятся в больших пределах: по простиранию – 3-6-10 км, а на крупных строящихся шахтах – до 20 км, по падению – 4-5 км для условий пологого падения пластов и до 1,5-2 км для крутого. На чертежах и маркшейдерских планах шахтные поля со всеми расположенными в них выработками изображаются при пологом и наклонном залегании пластов как проекции на горизонтальную плоскость, а при крутом – на вертикальную плоскость. Из этого следует, что длина наклонных выработок на планах оказывается 5 уменьшенной, а горизонтальные выработки имеют неискаженную длину. Дается также разрез шахтных полей вкрест простирания пород, где пласты изображаются с соблюдением истинного угла падения. а) 200 100 -100 -200 -300 -400 б) 200 100 -100 -200 -300 -400 а – план; б – вертикальный разрез вкрест простирания; 1 – по линии ББ; 2 – по линии АА; 3 – структурная колонка пласта по скважине 2715; 4 – выход пласта под наносы; 5 – границы шахтного поля Рисунок 1.1 – Шахтное поле Часть недр, предоставляемая шахте для промышленной разработки содержащихся в ней угольных залежей, называется горным отводом. На планах горный отвод изображается в виде проекции границ шахтного поля на земную поверхность. На маркшейдерские планы наносят также изогипсы пласта – линии равных высотных отметок. Они представляют собой линии 6 пересечения почвы или кровли пласта с мысленно проводимыми горизонтальными плоскостями на одинаковом расстоянии одна от другой. Расстояние между плоскостями, а, следовательно, и между изогипсами, по вертикали зависит от угла падения, сложности форм залегания пласта и принятого масштаба. Для месторождений Подмосковного бассейна, например, где пласты имеют волнистое залегание, изогипсы проводят через 1 м, а для Донбасса, где пласты имеют выдержанные углы падения – через 10, 50, 100 м. По изогипсам обычно проводят нижнюю и верхнюю технические границы шахтного поля. 1.1.3. Деление шахтных полей на части Для правильной и последовательной отработки шахтные поля, как правило, делят на более мелкие части: горизонты, крылья, этажи, панели, ярусы, столбы, выемочные поля, блоки и др. (рис.1.2). Горизонтом называется часть шахтного поля, образованная делением его по падению горизонтальными плоскостями. Размеры горизонта обычно не превышают 1000-1200 м, в перспективе, особенно при так называемой погоризонтной подготовке шахтного поля, они будут увеличены до 3000 м. Границей между горизонтами является главный откаточный штрек. Проектная мощность шахты должна обеспечиваться в соответствии с требованиями НТП, как правило, работой на одном горизонте. Срок службы горизонта для шахт, разрабатывающих пологие и наклонные пласты, должен составлять не менее 10-15 лет, а для шахт, разрабатывающих крутонаклонные и крутые пласты – не менее 10 лет. 7 Крылом называют часть шахтного поля, расположенную по одну сторону от шахтного ствола или каких-либо других капитальных вскрывающих выработок. Крылья обычно обозначаются частями света: западное, восточное, южное и т.д. Как исключение, при сложном рельефе местности, бывают однокрылые (односторонние) шахтные поля. Часть шахтного откаточного штрека, поля, расположенную называют полем по выше главного восстанию, а расположенную ниже главного откаточного штрека – полем по падению. Так как каждое из них обслуживается соответствующими бремсбергами и уклонами, то их также называют бремсберговыми и уклонными полями. Отработку уклонами предусматривают при разработке последнего горизонта при длине уклона не более 1000-1200 м. Этот размер определяется возможностями существующих средств транспорта полезного ископаемого. Этажом называют часть пласта в пределах шахтного поля или горизонта, вытянутую по простиранию и ограниченную по восстанию и падению этажными штреками (откаточным и вентиляционным), а по простиранию – границами шахтного поля. Все этажи в пределах горизонта обслуживаются одним бремсбергом или уклоном, называемыми капитальными. Этажи в свою очередь могут делиться на более мелкие части: выемочные поля и подэтажи. Часть этажа, обслуживаемая промежуточным бремсбергом, пройденным в пределах этажа, называется выемочным полем. Выемочные поля, как и шахтные, могут быть однокрылыми и двукрылыми (односторонними и 8 двусторонними). Последние технически более целесообразны и экономически более выгодны. По падению этаж делится на 2-3 подэтажа, а выемочное поле – на выемочные столбы или участки. Размер этажа по падению при разработке пологих и наклонных пластов составляет 200-600 м, крутонаклонных – 145-155 м, крутых – 125-135 м. а) б) в) г) а – на этажи; б – на панели; в – на блоки; г – на столбы, вытянутые по падению (восстанию); 1 – главный ствол; 2 – вентиляционный ствол; 3 – главный откаточный штрек; 4 – капитальный бремсберг; 5 – капитальный уклон; 6 – панельный бремсберг; 7 – панельный уклон; 8 – воздухопадающий ствол Рисунок 1.2 – Деление шахтных полей на части 9 Деление шахтных полей на этажи применяют при разработке пластов с углами падения более 18о, в перспективе > 35о. Панелью называется часть пласта в пределах шахтного поля или горизонта, ограниченная по восстанию и падению главными штреками, либо с одной стороны границами шахтного поля, а по простиранию – границами соседних панелей или границей панели с одной стороны и границей шахтного поля – с другой и обслуживаемая собственной транспортной выработкой – панельным бремсбергом (уклоном). Если бремсберг (уклон) проводится посредине панели, то панель называется двусторонней (двукрылой), а если у одной из границ панели – односторонней (однокрылой). При двукрылых панелях вдвое увеличивается число лав. Поэтому они более выгодны как с технической, так и с экономической точек зрения. Размер панели по простиранию составляет 1500-2000 м при оборудовании лав индивидуальными крепями и 2500-3000 м при оборудовании лав комплексами на базе гидрофицированных крепей, а по падению - 800-1200 м (реже 1500). По падению панель делят на более мелкие части, вытянутые по простиранию – ярусы. Ярус – это часть панели, ограниченная выемочными штреками (конвейерным или вентиляционным). На одном пласте одновременно отрабатывают не более 4-х панелей, а в пределах панели располагают до 4-х лав. По сравнению с этажами при делении шахтных полей на панели технически более просто увеличить нагрузку на пласт. Большая концентрация работ позволяет снизить себестоимость 1 тонны угля. Наряду с этим при делении шахтного поля на панели создаются благоприятные условия 10 для применения прогрессивного конвейерного транспорта от забоя до главного откаточного штрека, а также для отработки ярусов обратным ходом. Деление шахтных полей на панели применяется во всех случаях разработки горизонтальных и слабо пологих пластов (до 5 о), а также пластов с α = 13-18о, когда с одного или ограниченного числа пластов необходимо обеспечить большую добычу угля. При разработке пластов с α до 12о, а в будущем и с большими углами падения (до 18о), шахтное поле делится на столбы, вытянутые по падению или восстанию длиной 1000-1200 м, в пределах которых располагают 1 или 2 лавы, забои которых расположены по простиранию, а перемещаются они по падению или восстанию. НТП рекомендуют при благоприятных горно-геологических условиях принимать размер выемочных столбов до 2-3 км (в перспективе). Деление (восстанию) горизонта обусловлено на выемочные столбы расширением объема по падению применения механизированных комплексов, для которых необходимо иметь стабильную длину лавы, а также увеличением газоносности пластов при переходе горных работ на большую глубину. Такой способ подготовки шахтного поля называется погоризонтным. Он позволяет снизить капитальные затраты на подготовку новых горизонтов в 1,3-1,5 раза и расширить область применения механизированных комплексов, в результате чего себестоимость 1 тонны угля снижается, а нагрузка на лаву увеличивается на 8-14%. При этом упрощается также схема шахтного транспорта. Блок – это часть шахтного поля, имеющая самостоятельную 11 сеть вентиляционных выработок, обеспечивающих независимое (секционное) проветривание очистных и подготовительных забоев, и ограниченная по падению и восстанию нижней и верхней границами шахтного поля или горизонта, а по простиранию – границами соседних блоков или границей соседнего блока с одной стороны и границей шахтного поля – с другой. В блок может входить одна или две смежные панели одного пласта, поэтому различают одно- и двухпанельную конструкцию блоков. При разработке свиты пластов в блок объединяют панели всех пластов шахтного поля, расположенные на одном горизонте, для чего проводится квершлаг посередине панели при однопанельной или стыке двух смежных панелей при 2-х панельной конструкции блоков. Размер блоков по простиранию достигает 2-4 км. Обособленное проветривание обеспечивается проведением в каждом блоке стволов, квершлагов и других выработок для подачи свежего воздуха и удаления отработанного. Объединяет же блоки главный откаточный штрек, предназначенный для централизованной выдачи угля к главным стволам. В пределах блока подготовка может быть любая: погоризонтная, панельная, этажная. Шахтное поле целесообразно делить на блоки при больших размерах шахтного поля по простиранию (≥ 8 км) и при разработке свиты весьма газоносных пластов (q≥ 15 м3/т.с.д.) шахтами большой производственной мощности (8-10 тыс.т в сутки и более). 1.1.4 Порядок отработки частей шахтного поля Отработка отдельных частей шахтного поля осуществляется в определенной последовательности как по падению (восстанию), так и по простиранию пласта. 12 Согласно ПТЭ этажи и ярусы на шахтах Ш категории и выше должны отрабатываться сверху вниз или в нисходящем порядке, что способствует уменьшению содержания метана на вентиляционном штреке, дренирующегося из него в выше расположенное выработанное пространство, через которое уходит часть метана. Восходящий порядок отработки этажей допускается на таких шахтах только при соответствующем технико-экономическом обосновании и по согласованию с органами Госнадзорохрантруда. На шахтах до Ш категории по газу этажи, расположенные в бремсберговой части шахтного поля, могут отрабатываться и в восходящем порядке. Однако практически он применяется редко и только в том случае, когда допускается так называемая возвратноточная схема проветривания, при которой исходящая струя по людским ходкам движется вниз. В уклонной части шахтного поля этажи и ярусы практически всегда отрабатываются в нисходящем порядке. При этом уклон углубляется постепенно на 1 этаж или ярус, что способствует разведке шахтного поля по падению, непрерывной откачке воды в уклоне и лучшему проветриванию выработок (поскольку метан дренируется в выработанное пространство выше отработанных этажей). По простиранию этажи и ярусы в шахтном поле могут отрабатываться прямым или обратным ходом. Прямым ходом называется такой порядок его отработки, при котором этаж (ярус) отрабатывается от главного ствола или другой вскрывающей выработки к границам шахтного поля. Отработка в направлении от границ шахтного поля к стволу или другой вскрывающей выработки называется отработкой обратным ходом. 13 а) б) а – прямой ход; б – обратный ход Рисунок 1.3 – Порядок отработки этажей и ярусов Достоинства прямого хода: - быстрый ввод очистных забоев в работу (штреки необходимо пройти всего лишь на несколько десятков метров от капитальной наклонной выработки и соединить их разрезной печью). Недостатки прямого хода: - штреки находятся в зоне усиленного давления горных пород, вызванного влиянием очистных работ. В итоге затраты на их поддержание в 5-10 раз выше, чем при обратном ходе; - взаимные помехи в работе погрузочного пункта лавы и забоя откаточного штрека и осложнение в его проветривании; - отсутствует разведка условий залеганий пласта и геологических нарушений, что делает проблематичным использование высокопроизводительной техники – комплексов оборудования; - большие утечки воздуха через выработанное пространство, что ухудшает условия проветривания лав и может привести к их остановке; - просачивание воздуха вызывает опасность возникновения пожаров от самовозгорания угля. 14 Недостатки прямого хода являются достоинствами обратного: улучшаются условия поддержания выработок и проветривания участка, уменьшаются утечки, отпадает необходимость в содержании большой резервной линии забоев. Недостатки обратного порядка отработки этажей (ярусов) или обратного хода: - увеличиваются первоначальные затраты и сроки строительства шахты; - увеличиваются объемы проводимых подготовительных выработок, т.к. для обеспечения деятельного проветривания длинных тупиковых выработок необходимо проводить 2 спаренные выработки – штрек и просек, соединяя их между собой печами. Область применения обратного хода: - mу > 0,7 – 0,8 м; крыла - Sш.п. ≤ 2 км; - умеренное выделение метана. Область применения прямого хода: - залегание пластов в породах, обладающих свойствами пучения; - пласты с высокой газообильностью и склонные к внезапным выбросам угля и газа; - полевая подготовка пластов; - mу ≤ 0,7- 0,8 м. Важнейшим условием к переходу на отработку обратным ходом является высокие темпы проведения подготовительных выработок (300 м/мес. и более). Панели в шахтном поле отрабатываются комбинированным способом: в бремсберговой части шахтного поля – от центра шахтного 15 поля к его границам (прямым ходом), а в уклонной части шахтного поля, наоборот, - от границ шахтного поля к его центру (обратным ходом). При таком порядке в период строительства шахты вводят в эксплуатацию ближайшие к стволу панели, чем обеспечиваются минимальные сроки строительства и наименьшие первоначальные капитальные затраты. Обработка же уклонных панелей обратным ходом возможна уже без дополнительных затрат, т.к. к концу работ в бремсберговом поле главный откаточный штрек будет уже полностью проведен. В такой же последовательности, как и панели, обрабатывают блоки. Выемочные столбы в бремсберговой части шахтного поля отрабатываются от центра шахтного поля к его границам, т.е. прямым ходом. При ограниченном числе пластов, когда возникают трудности с размещением действующих и резервно-действующих лав, столбы могут отрабатываться одновременно от центра и от средней части каждого крыла шахтного поля к его границам. Фронт очистных забоев увеличивается при этом вдвое. Однако главные штреки необходимо заранее проводить на значительно большую длину. Отработка столбов в уклонной части шахтного поля производится в той же последовательности, что и в бремсберговой, т.к. воздухоподающий вентиляционный ствол и вентиляционно- дренажный штрек сооружаются у нижней границы в средней части шахтного поля. 1.1.5 Число одновременно разрабатываемых пластов Одновременная разработка большого числа пластов вызывает значительную разбросанность горных работ, приводит к малой нагрузке на пласт и транспортные выработки. Последовательная 16 отработка пластов в свите по одному обеспечивает высокую концентрацию работ, однако не всегда целесообразна, поскольку при этом приходится учитывать их сближенность, марку и качество углей, склонность отдельных пластов к внезапным выбросам угля и газа и прочие факторы. НТП рекомендуют принимать к одновременной отработке не более 2-3-х пологих пластов и 10-12 крутопадающих. В этом случае годовая производственная мощность шахты Агод. должна обеспечиваться одновременной разработкой такого числа пластов, суммарная мощность которых не превышает 75% (коэффициент одновременности 0,75), а при наличии более 50% пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, - 60% от общей мощности пластов в свите (Кодноврем. = 0,6). Большая разница в числе одновременно отрабатываемых пластов на пологом и крутом падении объясняется тем, что на пологих пластах имеются более широкие возможности для размещения фронта очистных забоев, особенно при панельном способе подготовки, чем на крутых. Существенно выше там и нагрузка на очистной забой. При одной и той же добыче число одновременно разрабатываемых антрацитовых пластов меньше, чем каменных, т.к. условия разработки антрацитовых пластов, как правило, более благоприятны, а γ антрацита на 20% больше. В итоге нагрузка на забой, при прочих равных условиях, на антрацитовых пластах на 5070% больше. Антрацитовых пластов одновременно отрабатывается не > 2-х. 1.1.6 Способы подготовки пластов Различают пластовую, полевую, индивидуальную и групповую подготовку пластов. 17 При пластовой подготовке все выработки, включая и основные, проводят и поддерживают по каждому из пластов свиты, охраняя их целиками или массивом угля. Размеры предохранительных целиков между наклонными стволами, капитальным и панельным бремсбергом (уклоном) и ходком принимаются не менее 30 м; между участковым бремсбергом и ходком – не менее 20 м; между наклонным стволом, капитальным или панельным бремсбергом (уклоном) или ходком и разрезной печью – не менее 40 м; между участковым бремсбергом (уклоном) или ходком и разрезной печью – не менее 20 м. При полевой подготовке пластов основные выработки (главные и этажные штреки, бремсберги и уклоны) проводят по пустым породам или пропласткам на некотором удалении от пласта, а вспомогательные – по пласту. Для соединения полевой выработки с пластовыми проводят на некотором расстоянии друг от друга квершлаги или гезенки. В соответствии с требованиями НТП полевые выработки проводятся на расстоянии от пласта не менее 7 м, при этом в кровле и почве толща прочных пород должна составлять не менее 1,5-2 м. Во всех остальных случаях необходимо стремиться располагать полевые выработки в прочных породах вне зоны влияния очистных работ. Область применения полевой подготовки пластов: - срок службы выработки – 10 лет и более; - подготовка пластов, склонных к самовозгоранию, опасных по внезапным выбросам угля и газа, горным ударам; - подготовка мощных пластов (более 3,5 м), особенно склонных к самовозгоранию. Основными преимуществами полевой подготовки пластов 18 являются: - увеличение надежности работы полевых выработок по сравнению с пластовыми (увеличивается время безотказной работы и коэффициент их готовности); - снижение затрат на поддержание выработок; - снижение до минимума потерь угля, т.к. при этом не требуется оставления целиков для поддержания пластовых выработок. Недостатками полевой подготовки являются: - большой объем породы, выдаваемой из шахты, что вызывает необходимость увеличения пропускной способности транспортных звеньев шахты (вспомогательных стволов, бремсбергов, уклонов и др.); - более высокая стоимость проведения выработок по породе по сравнению с пластовыми, что приводит к увеличению первоначальных затрат на подготовку пластов; - недостаточная доразведка горными выработками шахтного поля. Целесообразность полевой или пластовой подготовки в каждом конкретном случае определяется технико-экономическим расчетом с учетом всех видов затрат. При индивидуальной подготовке пласта проводят и поддерживают все горные выработки, необходимые для отработки шахтного поля или его части. Выработки с длительным сроком службы могут быть при этом как пластовыми, так и полевыми. При групповой подготовке пластов часть выработок (особенно с длительным сроком службы) проводят общими для всех разрабатываемых пластов свиты или отдельной ее группы. Они могут быть полевыми или пластовыми. При группировании на всю длину 19 сохраняют лишь групповые штреки, остальные же периодически погашаются. Достоинства групповой подготовки: - сокращается число и протяженность поддерживаемых выработок, а, следовательно, и затраты на поддержание выработок; - повышается эффективность работы транспорта; - уменьшаются утечки воздуха и улучшаются условия проветривания шахты. Групповые выработки, как правило, следует располагать в лежачем боку группы пластов, проводя их по пласту с устойчивыми боковыми породами или же полевыми. В случае отработки нескольких групп пластов групповую выработку можно располагать и между группами, но при этом должна быть исключена возможность ее подработки. Группирование сближенных пологих и наклонных пластов при помощи промежуточных квершлагов и гезенков должно применяться при расстоянии между пластами по нормали до 40 м. При большем расстоянии вопрос должен решаться технико-экономическим расчетом. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже. 1.2 Способы подготовки шахтных полей и предъявляемые к ним требования Подготовка запасов шахтного поля производится по определенной системе, создающей необходимые условия для их отработки с высокой эффективностью. При этом под подготовкой шахтного поля понимается определенный порядок проведения подготовительных выработок в пространстве и во времени. Различают 4 способа подготовки шахтных полей: 20 - погоризонтная подготовка; - панельная подготовка; - этажная подготовка; - комбинированная подготовка. В период строительства шахты подготовка запасов к нарезке полей производится лишь в объемах, предусмотренных проектом для сдачи шахты в эксплуатацию. Подготовка всех остальных запасов и постоянное их возобновление взамен выработанных (воспроизводство очистного фронта) производится в течение всего срока функционирования действующей шахты. Чтобы очистных обеспечить работ определенным эффективное способы требованиям. подготовки В воспроизводство должны частности, по фронта удовлетворять существующим нормативам в любой момент времени действующая шахта должна иметь: - готовых к выемке запасов (для разработки которых пройдены все без исключения подготовительные и нарезные выработки) – не менее, чем на 3 месяца работы; - подготовленных запасов (для разработки которых проведены основные подготовительные выработки) – не менее, чем на полугодовую работу; - вскрытых запасов (к которым обеспечен доступ с поверхности земли через капитальные выработки: стволы, штольни, этажные, погоризонтные или капитальные квершлаги) – не менее, чем на год работы шахты. Превышение этих минимальных норм способствует устойчивой 21 работе шахты. Однако заблаговременное проведение большого объема выработок может привести к неоправданно большим затратам на их поддержание. Отсюда видно, что выбор целесообразной системы подготовки шахтного поля для конкретных условий является оптимизационной многовариантной задачей, которая решается с учетом большого числа факторов. 1.3 Погоризонтная подготовка шахтного поля 1.3.1 Сущность погоризонтной подготовки Сущность погоризонтной подготовки заключается в том, что пласт в пределах шахтного поля между горизонтами делят на выемочные участки, в каждом из которых размещают одну или две лавы. Очистные забои поставлены при этом по простиранию пласта, а перемещаются они по падению или восстанию. 1.3.2 Погоризонтная подготовка для индивидуальной отработки пластов (рис.1.4) Подготовка пласта начинается с проведения главных штреков, один из которых целесообразно проводить полевым, а другой – пластовым, т.к. срок службы этих штреков равен сроку службы шахты. Полевой штрек служит для транспорта полезного ископаемого, а пластовый – для вспомогательного транспорта (оборудования, вспомогательных грузов и т.п.). Они периодически соединяются между собой квершлагами или скатами. От пластового штрека проводятся наклонные выработки (конвейерные бремсберги и ходки), которые соединяются у верхней границы горизонта разрезной печью. Главный вентиляционный штрек также проводится полевым и соединяется со стволом вентиляционным проветривания выработок – прямоточная. 22 квершлагом. Схема Подготовка уклонной части шахтного поля производится путем проведения по нижней границе шахтного поля штреков для вентиляции, водоотлива и вспомогательных операций. Штреки соединяются с углубленным до нижней границы шахтного поля вспомогательным стволом посредством вентиляционного квершлага, специально пройденного для этих целей. 1 – квершлаг; 2 – главный штрек; 3 – пластовый штрек; 4 – вентиляционный ходок; 5 – конвейерный бремсберг; 6 – разрезные печи; 7 – ствол; 8 – квершлаг; 9 – штрек; 10 – короткий квершлаг Рисунок 1.4 – Погоризонтная подготовка шахтного поля 23 1.3.3 Погоризонтная подготовка для групповой отработки пластов (рис.1.5) При отработке сближенных пластов пластовые выработки одного из пластов используются для совместной отработки посредством групповых бремсбергов (уклонов) и гезенков. Групповые сборные выработки проводятся при этом полевыми. Они соединяются с пластовыми гезенками или квершлагами. Гезенки используются только для передачи углепотока с верхнего пласта на групповую выработку, а квершлаг – для проветривания, вспомогательных операций и передвижения людей. 1 – вспомогательный ствол; 2 – главный ствол; 3 – полевой конвейерный штрек; 4 – вентиляционный штрек; 5 – групповой полевой сборный уклон; 6 – пластовые сборные бремсберги; 7 – гезенк Рисунок 1.5 – Погоризонтная подготовка с групповым полевым уклоном 24 1.3.4 Область применения погоризонтной подготовки - α ≤ 120, в перспективе – до 180; - пласты со сложной гипсометрией, когда при других способах подготовки невозможно выдержать постоянство длины лавы; - пласты с высокой газообильностью и водообильностью; в первом случае используется отработка по падению (метан, будучи легче воздуха, поднимается в выработанное пространство лавы), во втором – по восстанию (вода стекает в выработанное пространство); - наличие нарушений, направленных по падению пласта. Применение этой подготовки позволяет также (достоинства): - упростить подготовку шахтного поля и схему транспорта угля в шахте; - уменьшить удельную протяженность и объем проводимых выработок по подготовке шахтного поля; - уменьшить поступление метана в рабочее пространство лавы из выработанного, сократить приток воды в призабойное пространство, увеличить безопасность работ, особенно на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. Недостатки погоризонтной подготовки: - ограниченность области применения по углу падения пластов (до 120); - сложности в организации вспомогательного транспорта (материалов, людей, оборудования) выработкам. 25 по длинным наклонным 1.4 Панельная подготовка шахтного поля 1.4.1 Сущность панельной подготовки Сущность заключается в том, что на уровне нижней границы горизонта проводится квершлаг, вскрывающий все пласты свиты, от которого по каждому из пластов проводятся главные откаточные штреки, а в пределах каждой панели – бремсберги (уклоны) с двумя ходками. Панели отрабатываются частями по простиранию - ярусами. 1.4.2 Панельная подготовка для индивидуальной отработки пластов (рис.1.6) При индивидуальной отработке пластов по каждому из них от капительного или погоризонтного квершлага в оба крыла шахтного поля до середины панели проводят главные (откаточные и вентиляционные) штреки, а от них – комплекс наклонных выработок (бремсберг или уклон с ходками). От наклонных выработок проводят ярусные штреки различного назначения, которые у границ панели соединяются между собой разрезной печью. Проветривание осуществляется через вентиляционные стволы на каждом пласте или через вентиляционные квершлаги (капитальные или погоризонтные) и центральный ствол. Проветривание каждой из бремсбер говых па нелей пр и небо льшо й глубине р азрабо тки осуществляется через шурфы. Уклонные панели проветриваются через центрально-сдвоенные стволы. В этом случае на каждом пласте необходимо иметь кроме главного откаточного штрека еще и главный вентиляционный штрек, который проводится параллельно главному (на расстоянии 30-50 м от него). Если он не был пройден одновременно с откаточным в процессе отработки бремсберговых панелей, то его проводят во второй период отработки шахтного поля – в процессе подготовки уклонных панелей. 26 К ПП П 1 – главный откаточный штрек; 2 – главный вентиляционный штрек; 3 – транспортный ходок (для спуска-подъема материалов и оборудования); 4 – людской ходок; 5 – конвейерный бремсберг; П – посадочная площадка; ПП – промежуточная площадка для транспортной свиты между крыльями панели; 6 – людской ходок; 7 – грузовой ходок; 8 – ярусный штрек для вспомогательного транспорта; 9 – конвейерный ярусный штрек; 10 – разрезная печь; 11 – вентиляционный ярусный штрек; 12 – приемо-отправительные площадки (промежуточная и верхняя); 13 – шурф; К – камеры Рисунок 1.6 – Панельная подготовка шахтного поля 27 1.4.3 Панельная подготовка для групповой подготовки пластов Группирование при панельной подготовке может осуществляться на горизонте ярусных штреков и на горизонте главных штреков (рис.1.7 и 1.8) 1 – ярусные квершлаги; 2 – групповые панельные бремсберги Рисунок 1.7 – Панельная подготовка пластов с группированием на горизонте ярусных штреков В первом случае (группирование на горизонте ярусных штреков) на нижнем пласте в каждой панели проводят групповые панельные бремсберги (уклоны), а на другой пласт проводят откаточные и вентиляционные ярусные квершлаги, от которых на верхнем пласте проводят откаточные и вентиляционные ярусные штреки, которые соединяют между собой только ходками (бремсберги или уклоны по верхнему пласту не проводят, а, следовательно, и не поддерживают). 28 1 – главный откаточный штрек; 2 – промежуточный квершлаг Рисунок 1.8 – Панельная подготовка пластов с группированием на горизонте главного откаточного штрека Во втором случае (группирование на горизонте главных штреков) у каждого панельного бремсберга (уклона) на уровне верхней и нижней границы горизонта проводят промежуточные квершлаги – откаточный и вентиляционный. Панельные бремсберги и уклоны проводят здесь по каждому пласту, а главные штреки – по одному из них. Проветривание сгруппированных панелей осуществляется через самостоятельные стволы или шурфы, по которым отводится отработанная струя воздуха с обоих пластов. Группирование на горизонте ярусных штреков применяется при горизонтальном расстоянии между пластами до 100 м и неустойчивых боковых породах. 29 Группирование на горизонте главных штреков предпочтительно при большом расстоянии между пластами (в пределах панели проходится всего два групповых квершлага) и в тех случаях, когда пропускная способность одного группового бремсберга или уклона недостаточна для выдачи угля и проветривания выработок на обоих пластах. 1.4.4 Область применения панельной подготовки - α – от 120 до 180 ( в перспективе до 350); - на крупных шахтах (Агод. = 6 млн.т и более) и когда с ограниченного числа пластов необходимо получить большую добычу. Достоинства панельной подготовки: - создаются прогрессивного благоприятные поточного условия конвейерного для транспорта применения и полной конвейеризации шахты; - малый объем, а, следовательно, и затраты постоянно поддерживаемых выработок; - большая нагрузка на пласт и панель, способствующая высокой концентрации горных работ; - значительная высота горизонта (1000-1200 м) сокращает число углубок стволов и удельную стоимость подготовленных к отработке запасов (по сравнению с этажным). Недостатки панельной подготовки: - ограничение области применения углом падения пласта (до 180); - сложность эксплуатации длинных наклонных выработок; - сложность в обеспечении надежного проветривания длинных бремсберговых и уклонных полей при наличии в них в одновременной работе большого числа очистных и подготовительных забоев. 30 1.5 Этажная подготовка шахтного поля 1.5.1 Сущность этажной подготовки Сущность этажной подготовки заключается в том, что от околоствольного двора или места пересечения пласта квершлагом проводится главный откаточный штрек (пластовый или полевой) на длину 150-200 м, от которого вверх по восстанию пласта проводят капитальный бремсберг с ходками (рис.1.9). От наклонных выработок в обе стороны проводят этажные откаточные, вентиляционные и промежуточные штреки. В зависимости от принятого порядка отработки этажа разрезные печи проводят на расстоянии не менее 40 м от ходков (прямой порядок) или у границ шахтного или выемочного поля (обратный порядок). По мере отработки запасов первого этажа очистные работы ведут на втором этаже. При этом в качестве вентиляционного штрека используется этажный откаточный или параллельный штрек вышерасположенного этажа. По мере отработки запасов в бремсберговой части шахтного поля производят подготовку этажей в уклонной части, для чего проводят капитальный уклон с ходками на длину этажа, а также остальные выработки по изложенной схеме. 1.5.2 Этажная подготовка для индивидуальной отработки пластов При этажной подготовке для индивидуальной отработки пластов по каждому из них проводят комплекс капитальных наклонных выработок (бремсберги или уклоны с ходками), а от них - этажные штреки. Бремсберговую часть шахтного поля проветривают при этом, как правило, через шурфы, проводимые к каждому пласту. При переходе к работам в уклонной части шахтного поля проветривание 31 производят через центрально-сдвоенные стволы, для чего параллельно откаточному капитальному или погоризонтному квершлагу проходят вентиляционный квершлаг, по которому отработанная струя воздуха отводится к стволу со всех пластов свиты. I – IX – этажи; 1 – капитальный квершлаг; 2 – главный откаточный штрек; 3 – капитальный бремсберг; 4 – ходки; 5 – этажный откаточный штрек; 6 – параллельный штрек; 7 – этажный вентиляционный штрек; 8 - шурф Рисунок 1.9 – Этажная подготовка шахтного поля Разновидностью этажной подготовки для индивидуальной отработки выемочными пластов является полями, подготовка отрабатываемые этажа на отдельными промежуточные (участковые) бремсберги. При этом этаж делится на подэтажи промежуточными штреками. Проветривание 32 выемочных полей производится путем подачи свежего воздуха по этажному откаточному штреку, который, омыв лавы, поступает на вентиляционный штрек и далее направляется по вентиляционному квершлагу к стволу или шурфу. 1.5.3 Этажная подготовка для групповой отработки пластов При групповой отработке пологих пластов капитальный бремсберг с ходками проводится только по нижнему пласту, а на второй пласт на уровне этажных штреков проводятся промежуточные квершлаги – откаточный и вентиляционный (рис.1.10). На групповой бремсберг и квершлаги концентрируется добыча со всех пластов. 5 1 – групповой пластовый бремсберг; 2 – групповые пластовые штреки; 3 – групповой полевой бремсберг; 4 – групповые полевые штреки; 5 – пластовые штреки; 6 – промежуточные квершлаги Рисунок 1.10 – Группирование пологих пластов при этажной подготовке шахтного поля Уголь из верхнего пласта транспортируется по квершлагу на этажный штрек нижнего пласта и по капитальному бремсбергу вместе с углем нижнего пласта доставляется на главный откаточный штрек, околоствольный двор и направляется к стволу. Проветривание 33 осуществляется в направлении, обратном движению груза: сначала по откаточным выработкам вентиляционному к штреку очистным верхнего промежуточному квершлагу, забоям, пласта, а затем по вентиляционному вентиляционному штреку нижнего пласта и к шурфу или вентиляционному стволу. При небольшом расстоянии между пластами откаточный и вентиляционный штреки можно поддерживать только на одном пласте, периодически соединяя пласты промежуточными квершлагами вблизи забоев и погашая штреки на другом пласте. Этажная подготовка с группированием на полевые бремсберги (уклоны) предусматривает проведение группового полевого бремсберга, который с помощью полевых групповых штреков и промежуточных квершлагов концентрирует весь добываемый уголь. Для этого он должен иметь достаточно большую пропускную способность и сечение для пропуска воздуха в забои всех обслуживаемых пластов. При разработке крутых пластов применяется два варианта групповой подготовки: с группированием на участковые задние или передние промежуточные квершлаги и с группированием на блоковые квершлаги (участки-блоки), представленные на рис.1.11. По первому варианту на уровне каждого этажа все пласты свиты вскрываются этажными квершлагами (откаточным и вентиляционным), от которых в оба крыла проводят этажные штреки и начинают вести очистные работы. На каждом пласте имеется только 2 очистных забоя (по одному на крыло). Этот вариант характеризуется ограниченным количеством забоев, большой пространственной разбросанностью и большим количеством участковых квершлагов. 34 Пласты могут отрабатываться при этом как совместно, так и раздельно. а) 4 5 3 1 2 б) в) г) д) x а, б – на задние квершлаги; в, г – на передние квершлаги; д – на двусторонние квершлаги (участки-блоки); 1 – этажный квершлаг; 2, 3, 4 – пластовые штреки; 5, 6 – промежуточные квершлаги Рисунок 1.11 – Группирование крутых пластов 35 По второму варианту свита пластов делится на двухсторонние участки-блоки, которые подготавливаются самостоятельными блоковыми квершлагами. Разработка каждого пласта в пределах блока ведется в двух направлениях, что позволяет иметь в 2 раза больше очистных забоев по сравнению с 1-ым вариантом. В результате двухсторонней отработки блоков срок поддержания выработок сокращается в 2 раза, а, следовательно, сокращается стоимость их поддержания. Повышается концентрация работ, улучшается тепловой режим в шахтах и снижаются затраты на транспорт. На обычных глубинах разработки (до 600-700 м) наиболее прогрессивным является вариант группирования крутых пластов на передний промежуточный квершлаг. При разработке запасов на глубинах свыше 600-700 м более прогрессивным является вариант группирования пластов участками-блоками с размерами по простиранию до 1500 м, при котором обеспечивается высокая концентрация горных работ благодаря удвоенному фронту очистных забоев и экономия средств на подготовку горизонтов на 4-15% в зависимости от глубины работ. Достоинства группирования на передний промежуточный квершлаг: - сокращается протяженность поддерживаемых штреков; -возможность отработки пластов без оставления предохранительных целиков (кроме пласта, на котором расположен групповой штрек); -уменьшаются утечки воздуха через выработанное пространство; - повышается надежность 36 работы транспорта и схемы проветривания, так как рабочая часть этажных штреков находится в нетронутом массиве; - возможность изоляции выработанного пространства при возникновении в нем пожара; - благоприятные условия для применения механизированных комплексов (осуществляется детальная разведка пласта, вентиляционный штрек по мере подвигания забоя лавы обрушается и т.п.). Недостатки группирования на передний промежуточный квершлаг: - трудности в проведении длинных тупиковых выработок, особенно по пластам с большим выделением метана; - перепробег грузов. Требования, предъявляемые к проведению и расположению групповых штреков: - групповые штреки следует располагать на нижних пластах (в лежачем боку свиты) с устойчивыми боковыми породами, а при отсутствии таковых – на нерабочем пласте или в устойчивых боковых породах; - для уменьшения влияния опорного давления пластовые и полевые групповые штреки следует располагать под выработанным пространством вышележащих пластов, а не под целиками или массивом угля, полевые штреки располагаются в крепких породах на расстоянии не менее 8-20 м от пласта; - запрещается проведение групповых штреков по пластам угля, склонным к самовозгоранию, выбросам угля, газа и горным ударам. При подготовке свиты мощных 37 пластов, как правило, применяется этажная полевая подготовка. При этом этажи разделяются на выемочные поля длиной 200-350 м, отделенные друг от друга барьерными целиками. 1.5.4 Область применения этажной подготовки - α > 180 ( а в перспективе > 350); - на пологих пластах при вскрытии их наклонными стволами; - при вскрытии шахтных полей вертикальными стволами с ограниченными размерами по простиранию (Sкр.≤ 2 км); - при разработке сильно газоносных пластов. Этажная подготовка применима при любых вариантах вскрытия, допускает широкое варьирование в сочетании с системами разработки и пригодна для подготовки отдельных пластов или их свит. 1.6 Определение основных параметров подготовки шахтных полей Действующими называются забои, работающие полное число смен в сутки (обычно 3 смены по 6 часов, реже – 2 смены). Резервно-действующими называются забои, которые работают для компенсации потерь добычи угля при выходе из строя или вынужденных простоев части действующих лав. Резервными называются оборудованные и подготовленные к работе, но не работающие или периодически вводимые в работу очистные забои. В благоприятных горно-геологических условиях необходимо планировать работу в одну смену одного резервно-действующего забоя из 5-6 действующих, при разработке пластов в сложных и изменяющихся горно-геологических условиях – одного забоя в одну смену из 3-4 действующих (§ 76 ПТЭ). 38 Резервные лавы необходимо принимать на пластах с низким уровнем механизации (при выемке угля отбойными молотками, буровзрывным способом, с креплением забоев индивидуальными стойками). Действующая линия очистных забоев – это суммарная длина действующих лав, обеспечивающих проектную мощность шахты. Действующая линия очистных забоев по каждому из принятых к одновременной разработке пластов определяется по формуле: . h пл д  где А год.  К оч.  К д. (1.1) Vдгод.   Р  С Агод. – годовая производственная мощность шахты; Коч. - коэффициент, учитывающий добычу угля из очистных забоев; для тонких и средней мощности пластов, разрабатываемых длинными очистными забоями с проведением подготовительных выработок узким забоем Коч. = 1, широким ходом Коч. = 0,9; Кд – коэффициент добычи угля из действующих очистных забоев в общешахтной добыче; при благоприятных горно- геологических условиях в соответствии с требованиями ПТЭ Кд= 0,920,94, при неблагоприятных горно-геологических условиях Кд = 0,860,90; Vдгод. – годовое подвигание действующей линии очистных забоев по шахте, м: Vдгод.  N  r  n ц  К 39 (1.2) где N – число рабочих дней в году, N = 300 дней; r - ширина вынимаемой полосы за один цикл; nц – количество циклов в сутки; К - коэффициент, учитывающий влияние горно-геологических условий на ритмичность работы лавы, К = 0,85-0,95. Если шахта разрабатывает одновременно несколько пластов с различными скоростями подвигания забоев по пластам, то необходимо принимать средневзвешенное подвигание забоев по шахте: Vдгод  где Vд1  m1  Vд 2  m 2  ...Vд n  m n m1  m 2  ...  m n (1.3) Vд1, Vд2, Vn – годовое подвигание действующих лав по одновременно разрабатываемым пластам соответственно с мощностью m1, m2…mn, м; ∑Р – суммарная производительность одновременно разрабатываемых пластов, тс/м2. ∑Р = ∑mγ где (1.4) γ – объемная масса угля, т/м3; С – коэффициент извлечения угля в очистных забоях; С = 0,95-0,97. Действующая линия очистных забоев по шахте определяется по формуле: пл hш д  n пл  h д , м 40 (1.5) где - nпл – число одновременно разрабатываемых пластов. Число действующих лав по шахте определяется по формуле: nш л .д .  где hш д l (1.6) l – средняя длина лавы, м. Суммарная длина резервно-действующей линии очистных забоев равна произведению числа резервно-действующих лав, принимаемых в соответствии с требованиями § 76 ПТЭ, на их длину h рез.д.  n л.рез.д  l (1.7) Число лав и длина общей линии очистных забоев по шахте представляет собой сумму соответствующих показателей действующих и резеревно-действующих очистных забоев: Годовая n л.об.  n л.д.  n л.рез.д. (1.8) . ш. ш. hш об.  h д.  h рез.д. (1.9) добыча действующих забоев равна проектной мощности шахты за вычетом годовой добычи резервно-действующих лав: д. рез.д. А год .  А год.  А год , т 41 (1.10) рез.д. А год определяется при этом по формуле: рез.д. cут.. А год .  h рез.д.  N  Vрез.д..  К  Р ср.  С где (1.11) сут. Vрез .д.. - суточное подвигание резервно-действующих забоев: сут. 1 Vрез .д..  r  n ц.  n см.рез.д. где (1.12) n1ц – число циклов по выемке угля в смену в резервно- действующих забоях; nсм.рез.д. – число смен работы резервно-действующих лав, nсм.рез.д =1; Рср. – средняя производительность пласта в группе одновременно разрабатываемых пластов: Р ср.  Р (1.13) n пл. Коэффициент резерва производственной мощности шахты по очистным работам представляет собой частное от деления максимально возможной суточной добычи шахты (при условии одновременной работы всех действующих и резервно-действующих лав полное число смен) на ее проектную мощность; К рез.  max А сут . А сут. 42  1,2  1,25 max ш. сут. А сут  Р ср.  С .  h об.  Vд где Vдсут.  . Vдгод V год. .  д. N 300 (1.14) (1.15) Расчетное значение коэффициента резерва должно составлять не менее 1,2-1,25, т.е. планируемый резерв добычи должен быть не менее 20-25%. Среднегодовое подвигание общей линии очистных забоев по шахте определяется по формуле: ср.г . Vоб .  . N  Vдсут . ,м К рез. (1.16) При составлении календарного плана отработки шахтного поля необходимо учитывать подвигание общей линии очистных забоев, так как при его разработке не учитывается конкретное размещение лав (считается, что все лавы подвигаются равномерно). Основное требование к размещению резервных и резервнодействующих лав сводится к тому, чтобы панель, этаж или горизонт отрабатывались равномерно. Наклонная высота этажа (яруса) определяется по формуле (рис.1.12) H эяр.  n л.  l   h ц.   h ш.   h пр. 43 (1.17) где nл. – число лав в этаже (ярусе), расположенных друг под другом по линии падения; ∑hц. – суммарная высота целиков по линии падения, м; Hш. - суммарная высота штреков, м; hпр hш hш hш hпр hц l Hэ(яр) hц l hц ∑hпр. – суммарная высота просеков, м. Рисунок 1.12– Схема к определению наклонной высоты этажа 44 Вертикальная высота этажа на тонких и средней мощности крутых пластах определяется по эмпирической формуле проф.Г.И.Гойхмана: Hвэ  0,0182   3,2  260, м где (1.18) α – угол падения пласта, град. Наклонная высота этажа для рассматриваемых условий равна Hэ  Н вэ sin  (1.19) Полученная расчетным путем наклонная высота этажа должна быть увязана с годовой производственной мощностью шахты, которая определяется по следующей зависимости: А год.   Р  С  Vоб.  (Н э   h ц )  n кр.  n в. , м где (1.20) nкр. – число крыльев в этаже; nв - число выемочных участков, одновременно разрабатываемых в крыле. Полученная по этой формуле годовая добыча шахты округляется до типовой (нормативной) проектной мощности шахты, а затем определяется скорректированная наклонная высота этажа: Нэ  А год.   hц  Р  С  Vоб.  n к  n в 45 (1.21) Наивыгоднейшим промежуточными (оптимальным) квершлагами является расстоянием такое, при между котором суммарные удельные (на 1 т запасов) расходы на проведение промквершлага, поддержание погашаемых вентиляционных штреков транспортирование и откаточных и полезного ископаемого на участке «перепробега» грузов будут минимальными: С = Ск + Сп.ш. + Ст → min где Ск – (1.22) затраты на проведение промквершлага; Сп.ш. – затраты на поддержание погашаемых штреков; Ст – затраты на транспортирование грузов на участке «перепробега». Затраты на поддержание погашаемых штреков определяются следующим образом (рис.1.11): Сп.ш.   r  l  t где (1.23) ∑r – суммарные затраты на поддержание 1 м погашаемых откаточных и вентиляционных штреков в год, грн./м.год; l - средняя длина погашаемых штреков, м; l 2х х 2 t - время поддержания погашаемых штреков, лет: 46 t где x V V – скорость подвигания очистного забоя, м/год. Сп.ш.  Тогда  r  x2 V (1.24) Затраты на транспорт угля на участке «перепробега» грузов равны: Ст  q  x  Z где (1.25) q – стоимость транспорта угля по штрекам на участке «перепробег», грн./тм; z - запасы полезного ископаемого между промквершлагами по пластам, по которым погашаются штреки, т; n 1 Z  z  x; z   P  C  ( H э  h ц ) (1.26) i 1 где z – запасы угля, приходящиеся на 1 м простирания пластов, по которым погашаются штреки, т/м; n 1 Р - суммарная производительность пластов, по которым i 1 погашаются штреки, т/м2; С - коэффициент извлечения угля из лав; 47 Нэ - наклонная высота этажа; - ширина предохранительных целиков, м. hц Ст  q  z  x 2 Итак (1.27) Суммарные удельные (на 1 т запасов) затраты составляют: С Cк  r  x 2  q  z  x 2  Cк    r  q   x   zх Vxz zx z  x  V  z  Определение оптимального расстояния между (1.28) передними промежуточными квершлагами производится путем исследования полученной стоимостной функции на минимум. Приравнивая первую производную приведенной функции к нулю, получим: х по  Ск ,м r  qz V (1.29) Оптимальное расстояние между задними промежуточными квершлагами определяется аналогичным образом с учетом отсутствия затрат на транспортирование угля на участке «перепробега». Поэтому х оз  48 Ск ,м r V (1.30) 2 ВСКРЫТИЕ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ 2.1 Общие вопросы вскрытия месторождений Способ вскрытия – это качественная характеристика шахты, отражающая особенности вида и взаимного расположения главных и вспомогательных вскрывающих выработок, проводимых в период эксплуатации горного предприятия для создания доступа к месторождению или его части с поверхности земли. Схема вскрытия – это графическое изображение способа вскрытия. Она представляется в виде проекции горных выработок на вертикальную, горизонтальную (или наклонную) плоскости. К способам вскрытия месторождений предъявляются следующие требования: - наличие не менее двух отдельных выходов на поверхность, приспособленных для передвижения (перевозки) людей; - планомерная разработка шахтного поля в течение всего срока службы шахты и обеспечение стабильной проектной мощности; - высокая производительность труда при минимальной себестоимости; - минимальный объем вскрывающих горных выработок; - минимальные первоначальные капитальные затраты на вскрытие и строительство шахты; - однотипность транспорта; - бесступенчатость транспорта; - периодическое обновление горного хозяйства шахты; - возможно больший срок существования горизонта или этажа (10-15 лет при разработке пологих и наклонных пластов и не менее 10 лет при разработке крутых пластов); 49 - надежное проветривание шахты и выемочных полей; - максимальное извлечение полезного ископаемого; - минимальные эксплуатационные расходы (на подъем, транспорт, поддержание выработок, водоотлив и проветривание). К числу основных геологических факторов, оказывающих влияние на выбор способа вскрытия, относятся: - мощность и угол падения пластов; - число рабочих пластов в шахтном поле и расстояние между ними; - глубина залегания пластов от поверхности и ее рельеф; - мощность наносов и их водонасыщенность; - нарушенность месторождения и газоносность пластов; - физико-механические свойства вмещающих пород; - марочный состав добываемого угля. К числу основных горнотехнических и экономических факторов, оказывающих влияние на выбор способа вскрытия, относятся: - форма и размеры шахтного поля; - производственная мощность и срок службы шахты; - способ подготовки, система разработки и схема вентиляции; - уровень развития горнодобывающей техники; - стоимость и сроки сооружения различных объектов шахты. Учет влияния перечисленных факторов должен быть комплексным. К главным вскрывающим относятся выработки, имеющие выход на земную поверхность (вертикальные и наклонные стволы, штольни), к вспомогательным – выработки, не имеющие выхода на поверхность: 50 квершлаги, гезенки, скаты, слепые стволы или сочетания из различных выработок. В зависимости от того, какую часть шахтного поля обслуживают вспомогательные вскрывающие выработки, они подразделяются на капитальные, панельные, погоризонтные и этажные. Если гезенк или квершлаг обслуживает все шахтное поле и, следовательно, срок его службы равен сроку службы шахты, его называют капитальным независимо от способа подготовки шахтного поля. Если квершлаг обслуживает одну или две смежные панели, он называется панельным. Аналогично погоризонтными и этажными будут называться квершлаги или другие выработки, обслуживающие соответственно горизонт и этаж. Существующие способы вскрытия шахтных полей классифицируются по следующим признакам: - по виду применяемых для вскрытия главных вскрывающих выработок; - по количеству транспортных (подъемных) горизонтов; - по количеству вскрывающих пластов и углу их падения. По виду применяемых для вскрытия главных вскрывающих выработок различают следующие способы вскрытия: - вскрытие вертикальными стволами; - вскрытие наклонными стволами; - вскрытие штольнями; - комбинированные способы вскрытия, при которых применяют разнотипные главные вскрывающие выработки, например, вертикальные и наклонные стволы. По количеству транспортных (подъемных) горизонтов способы 51 вскрытия шахтных полей делятся на одногоризонтные и многогоризонтные. При одногоризонтных способах запасы шахтного поля отрабатываются на один транспортный горизонт, время службы которого соответствует сроку службы шахты. Многогоризонтные способы вскрытия предусматривают наличие двух и более транспортных горизонтов. По количеству вскрываемых пластов различают вскрытие пласта и свиты пластов, а по углу падения – вскрытие пологих и горизонтальных пластов и вскрытие крутых пластов. Наклонные пласты занимают промежуточное положение между пологими и крутыми. При угле падения до 350 их вскрывают как пологие, а при углах падения более 350 – как крутые. Наиболее универсальным и распространенным является вскрытие вертикальными стволами, которое применяют независимо от числа рабочих пластов в шахтном поле, мощности и угла падения этих пластов, мощности наносов и глубины залегания пластов, производственной мощности шахты и других факторов. 2.2 Вскрытие наклонными стволами 2.2.1 Сущность вскрытия одиночного пологого пласта наклонными стволами Сущность вскрытия одиночного пологого пласта наклонными стволами заключается в том, что с поверхности до нижней границы 1-го этажа по падению пласта примерно в центре шахтного поля проводятся стволы – главный и вспомогательные (рис.2.1). На уровне границ кондиционного угля в обе стороны от стволов проводятся этажные вентиляционные штреки, а у нижней границы этажа – этажные откаточные штреки. В зависимости от принятого порядка 52 отработки этажа с откаточного до вентиляционного штрека проводятся разрезные печи. При отработке этажа прямым ходом для проведения разрезных печей штреки достаточно пройти на длину 40-50 м от стволов, при отработке этажа обратным ходом они должны быть пройдены до границ шахтного поля. По мере отработки запасов 1-го этажа заблаговременно подготавливаются к отработке запасы 2-го этажа, для чего стволы углубляются до горизонта откаточного штрека 2-го этажа. Откаточный штрек выше расположенного этажа используется при этом в качестве вентиляционного для нижележащего и т.д. Главный наклонный ствол предназначен для подъема полезного ископаемого и, как правило, оборудуется ленточными конвейерами. Вспомогательные стволы используются для подъема породы из шахты, спуска-подъема людей, материалов, оборудования и вентиляции. Они оборудуются одноконцевым подъемом, ленточными конвейерами и специальными пассажирскими вагонетками для перевозки людей. Для перевозки людей по наклонным стволам допускается применение ленточных конвейеров, однако они должны быть оборудованы при этом в соответствии с «Требованиями безопасности при перевозке людей ленточными конвейерами», утвержденными Минуглепромом Украины. При вскрытии наклонными стволами, как правило, проходится 3 ствола, потому что при наличии двух стволов практически трудно выдержать требование ПБ о необходимости расположения людских подъемов в отдельных выработках. Поэтому, как правило, проводится два вспомогательных ствола: людской и для транспорта породы, материалов и оборудования. 53 По главному наклонному стволу подавать свежую струю воздуха запрещается по причине предотвращения поступления в шахту угольной пыли, сдуваемой с ленты воздухом. Поэтому чаще всего его используют для отвода отработанной (исходящей) струи воздуха или же его делают нейтральным в вентиляционном отношении. A д вн A шэ A–A I этаж II этаж Рисунок 2.1 – Схема вскрытия одиночного пласта наклонными стволами На рис.2.2 показаны центральная и диагональная схемы проветривания при вскрытии одиночного пласта наклонными стволами. В настоящее время преобладает тенденция закладки наклонных стволов в пустых породах (рис.2.3), потому что при этом улучшаются условия их поддержания в процессе эксплуатации, снижаются потери 54 угля в околоствольных целиках и исключается опасность их самовозгорания. Положительное влияние этих факторов полностью компенсирует увеличение трудоемкости при проходке стволов по пустым породам. а) б) а – центральная; б – диагональная Рисунок 2.2 – Схемы проветривания выработок при вскрытии одиночного пласта наклонными стволами впол н шэ кэ a) 15-18° впол н шг б) а – пологого; б – горизонтального Рисунок 2.3 – Схемы вскрытия одиночного пласта полевыми наклонными стволами 55 Достоинствами схемы вскрытия горизонтального пласта наклонными стволами являются: - наиболее наклонного полно ствола, используется оборудованного основное преимущество конвейерами: полная конвейеризация шахты от забоя до погрузки угля в железнодорожные вагоны при практически неограниченной пропускной способности главного ствола; - подачу электроэнергии, материалов и откачку воды с выемочных участков возможно осуществлять по скважинам, пройденным с поверхности, что уменьшает потребность в кабелях и трубах, упрощает надзор, повышает безопасность и в значительной степени снижает нагрузку со вспомогательного наклонного ствола. 2.2.2 Вскрытие свиты пластов При вскрытии свиты пологих пластов наклонные стволы целесообразно проходить по нижнему пласту с устойчивыми боковыми породами. Если же боковые породы нижнего пласта слабые или склонны к пучению, то стволы могут быть пройдены по одному из верхних пластов, а на нижних пластах во избежание подработки стволов под ними должны быть оставлены целики угля. На пластах, расположенных над наклонными стволами, целиков оставлять не следует, так как они будут передавать дополнительное давление на стволы. Схема вскрытия свиты пологих пластов наклонными стволами, пройденными по пласту угля, и капитальными квершлагами, показана на рис.2.4. Вскрытие свиты пологих пластов наклонными стволами, пройденными по пласту угля, и капитальными квершлагами 56 15-18° 15-18° Рисунок 2.4. – Схема вскрытия свиты пластов наклонными стволам и капитальными квершлагами применяется в тех случаях, когда вначале предполагалось разрабатывать только один пласт, а со временем в силу различных причин принимается решение разрабатывать соседние пласты. Выбор горизонтального или наклонного квершлага зависит от расстояния между пластами и угла их падения. Горизонтальные квершлаги оправдывают себя при расстоянии между пластами до 150 м и углах падения более 80. При меньших углах падения и значительном расстоянии между пластами (150-200 м) вскрытие дополнительных пластов может Горизонтальные осуществляться квершлаги более наклонными удобны и квершлагами. экономичны в эксплуатации даже при значительной их длине. Схема вскрытия свиты пологих пластов наклонными стволами, пройденными по породам вкрест простирания пластов, и капитальным квершлагом, приведена на рис.2.5. 57 15-18° Рисунок 2.5 – Вскрытие свиты пластов наклонными стволами, пройденными вкрест простирания пластов, и капитальным квершлагом Вскрытие наклонными стволами, пройденными по породам вкрест простирания пластов, и капитальным квершлагом не нашла широкого применения на практике потому, что при отработке нижних горизонтов стволы почти полностью находятся в зоне, подверженной влиянию очистных работ, и под ними необходимо оставлять целики угля больших размеров. Вскрытие свиты пологих пластов наклонными стволами и этажными квершлагами представлено на рис.2.6. кэ шэ вн кэ шэ Рисунок 2.6 – Вскрытие свиты пластов наклонными стволами и этажными квершлагами 58 Схема вскрытия двух пластов наклонными стволами и этажными скатами (гезенками) показана на рис.2.7. Рисунок 2.7 – Вскрытие двух пластов наклонными стволами и этажными скатами При вскрытии пластов наклонными стволами и этажными скатами (гезенками) откатка грузов концентрируется на нижнем пласте. При этом схема транспорта становится ступенчатой: штрек верхнего пласта – скат- штрек нижнего пласта. Скаты периодически заменяются по простиранию новыми, расположенными ближе к очистным забоям. Транспортные штреки верхних пластов оборудуют скребковыми конвейерами, доставляющими уголь к скату. Их поддерживают только до ближайшего от забоя ската. Материалы и оборудование на верхние пласты доставляются с откаточного штрека по угольным скатам или с вентиляционного штрека по вентиляционным шурфам с помощью лебедок. С этой целью скаты должны иметь специальное отделение. Достоинства вскрытия пластов наклонными стволами: - возможность полной конвейеризации доставки угля от забоя до мест погрузки его потребителям; - большая производительность главного ствола, оборудованного конвейером для выдачи угля; 59 - сокращение срока строительства шахты и меньшие, чем при вскрытии вертикальными стволами, первоначальные капитальные затраты (упрощенный поверхностный комплекс, несложное оборудование, меньшая стоимость проведения 1 м стволов и т.д.); - осуществляется дополнительная детальная разведка пласта и условий его залегания; - возможность получения попутной добычи угля, используемой для нужд строительства, что особенно важно для малообжитых и труднодоступных районов местности; - простота схем транспорта, вентиляции и технологии проведения стволов. Недостатки вскрытия пластов наклонными стволами: - большая длина наклонных выработок по сравнению с вертикальными, пройденными на ту же глубину; - небольшая пропускная способность вспомогательных стволов при канатной откатке; - большая, чем у вертикальных стволов, стоимость поддержания и обслуживания; - большое сопротивление наклонных стволов движению воздуха и значительные утечки его между главным и вспомогательными стволами. Область применения вскрытия пластов наклонными стволами: - незначительная мощность наносов и отсутствие в них плывунов; - спокойное залегание пластов; - размер шахтных полей по падению до 2000 и (длина наклонных стволов не должна превышать 1500-1800 м, так как при 60 больших размерах проветривание и шахтного работа поля по падению вспомогательного осложняется канатного подъема, который становится ступенчатым); - число пластов в шахтном поле – до 3-4-х. При большем числе пластов трудно вести разработку с одинаковой интенсивностью, что и приводит к усложнению схем подземного транспорта и вентиляции. В СНГ наклонными стволами вскрыто около 38% шахтных полей, в Донецком бассейне – ≈ 45%. 2.3 Вскрытие вертикальными стволами. Расположение стволов в шахтном поле и выбор места их заложения В СНГ вертикальными стволами вскрыто около 56% шахтных полей, в Донбассе – около 50%. Широкому переходу на вскрытие вертикальными стволами способствовали следующие прогрессивные технические решения, используемые при проектировании новых и реконструкции действующих шахт: - индустриальный метод крепления вертикальных стволов монолитным бетоном, при котором резко снижается трудоемкость работ и стоимость поддержания стволов; - сооружение многоканатных подъемных установок, способных выдавать уголь с больших глубин (1500 м и более); - деление шахтных полей, представленных весьма газоносными пластами, на блоки с независимым (секционным) их проветриванием; - изобретение реактивно-турбинного метода бурения скважин большого диаметра (стволов). Наиболее рационально в экономическом и техническом отношении расположение главного ствола приблизительно в центре 61 шахтного поля, при котором оно делится по падению на два примерно равных горизонта, т.е. размеры бремсбергового и уклонного полей примерно равны и имеют длину (1000-1200 м). Если же шахтное поле по падению делят на три и более горизонтов, то стволы первоначально проходятся до первого горизонта. Проходить главный ствол у нижней границы шахтного поля нецелесообразно по следующим причинам: - максимальная глубина стволов, а следовательно, и наибольшие первоначальные капитальные затраты при строительстве шахты; - более длительные сроки строительства предприятия; - дополнительные расходы на подъем и водоотлив по вертикальному стволу. Проходить главный ствол у верхней границы шахтного поля целесообразно по следующим причинам: - при размерах шахтного поля по падению более 1200 м ходки, оборудованные подъемом для вспомогательного транспорта и для спуска – подъема людей, придется проводить ступенчатыми; - необходимо будет иметь более двух подъемных установок и передавать груз с одного ходка на другой, что еще более усложнит работу подземного транспорта и сделает его более дорогим; - увеличатся затраты на поддержание уклонов и ходков; ухудшаются условия проветривания очистных и подготовительных забоев вследствие большой длины выработок, по которым должен пройти воздух до выхода на поверхность, а также в результате его утечек через сбойки и другие выработки. По отношению к простиранию главный ствол должен располагаться на линии, делящей шахтное поле по простиранию на две 62 примерно равные части. Проведение главного ствола с отклонением от средней линии на 5-8% существенно не повлияет на суммарные расходы на транспорт грузов и поддержание выработок. Располагать главный ствол у одной из границ шахтного поля по простиранию нецелесообразно потому, что оно будет однокрылым. При этом значительно снизится концентрация горных работ, увеличится объем работ на подземном транспорте и возрастут расходы на поддержание горизонтальных выработок. Рациональным местом заложения главного ствола является область в виде прямоугольника со сторонами 0,1S и 0,15Н, где S – размер шахтного поля по простиранию, а Н – по падению. На выбор места заложения главного ствола вкрест простирания пород оказывают влияние следующие основные факторы: - затраты на транспортирование полезного ископаемого к стволу и на проветривание горных выработок; - длина квершлагов; - потери полезного ископаемого в охранных целиках; - устойчивость пересекаемых стволами пород; - расположение старых горных выработок; - рельеф и застроенность земной поверхности; - удобство укладки железнодорожного пути, наличие водоемов, карстовых пустот и др. Учет перечисленных факторов должен быть совместным, так как они могут оказывать противоречивое влияние на выбор места заложения главного ствола вкрест простирания. Главный ствол нецелесообразно закладывать в висячем боку свиты потому, что даже при отработке запасов первых этажей и 63 оставления охранных целиков больших размеров стволы при этом попадут в зону влияния очистных работ и получат опасные деформации. При расположении стволов в лежачем боку свиты требуется проводить более длинные этажные квершлаги, в результате чего затраты на их проведение и на транспортирование угля по ним больше, чем при расположении стволов внутри свиты. Однако при этом отсутствуют потери полезного ископаемого в целиках, оставляемых для охраны стволов и квершлагов, а сами стволы не подвергаются деформации под влиянием очистных работ. A A-A δ δ A І – в висячем боку свиты, П – внутри свиты, Ш – в лежачем боку свиты Рисунок 2.8 – Возможные варианты расположения главного ствола При вскрытии мощных крутых пластов стволы закладываются в лежачем боку свиты потому, что потери полезного ископаемого в охранных целиках достигают при этом весьма значительных размеров, 64 а влияние подработки сказывается исключительно сильно. Сущность выбора наивыгоднейшего места заложения главного ствола вкрест простирания пород методом Л.Д.Шевякова – Р.А.Селецкого заключается в определении такого места его заложения, в котором суммарная работа транспорта по квершлагам является наименьшей (рис.2.9). Метод сводится к решению 2-х неравенств (неравенств Л.Д.Шевякова-Р.А.Селецкого), представленных на рис. 2.9. ∑qл + qn > ∑qпр ∑qпр + qn > ∑qл ∑qл qn ∑qпр Рисунок 2.9 – Схема к определению места заложения главного ствола где ∑qпр. – сумма грузов, расположенных правее пункта своза всех грузов; qn - груз в точке n, которая является пунктом своза грузов; ∑qл - сумма грузов, расположенных левее пункта своза всех грузов. Правило выбора наивыгоднейшего места заложения главного 65 ствола по неравенствам Л.Д.Шевякова-Р.А.Селецкого формулируется следующим образом. Если существует груз qn, расположенный в точке n, который, будучи прибавлен к грузам, расположенным от него слева, дает сумму, большую суммы правых грузов, а будучи прибавлен к сумме грузов, дает сумму, большую суммы левых грузов, то оптимальный пункт своза грузов совпадает с точкой n. Сущность графического метода определения наивыгоднейшего места заложения главного ствола вкрест простирания заключается в том, что все грузы выражаются соответствующими векторами в масштабе, которые затем суммируются в последовательности расположения их слева направо или наоборот. Полученная сумма векторов делится пополам. Тот вектор, на который приходится точка деления, является грузом qn, определяющим наивыгоднейшее место заложения главного ствола. 1,3 1,3 0,7 ∑ qл 1,0 qn 1,2 ∑ qпр 0,7 ∑ 1,0 1,2  2  2 Рисунок 2.10 – Определение места заложения главного ствола графическим методом При вскрытии месторождений неправильной формы для нахождения наивыгоднейшего места расположения главного ствола шахтное поле делится на участки, представленные геометрическими 66 фигурами правильной формы. Центры приложения грузов соответствующих запасов проектируются на оси координат. Затем по неравенствам Л.Д.Шевякова - Р.А.Селецкого находят положение груза qn на каждой оси. Координаты точки пересечения этого груза и определяют наивыгоднейшее место расположения ствола (рис.2.11). Y qn qn X Рисунок 2.11 – Схема к определению места заложения главного ствола при вскрытии месторождений неправильной формы Сущность определения наивыгоднейшего места заложения главного ствола методом вариантов заключается в определении затрат по 2-3-м моментом сравниваемым является здесь промплощадкам. определение Наиболее места сложным сравниваемых промплощадок. В практике проектирования для выбора наивыгоднейшего места заложения главного ствола чаще всего пользуются комбинированным методом: сочетанием аналитического и метода вариантов. При этом конкурирующие площадки выбираются в окрестности точки, найденной аналитическим методом. Рельеф местности и расположение населенных пунктов при выборе места заложения главного ствола должны отвечать следующим требованиям: 67 - незатопляемость при паводках; - удобный и надежный сток воды; - минимальный объем земляных работ при планировке промплощадки; - минимальный снос зданий и сооружений; - недосягаемость для горных и снежных обвалов. Варианты расположения отношению к главному: отнесенное (рис.2.13), вспомогательного центральное фланговое (рис.2.12), (диагональное) ствола по центрально(рис.2.14), комбинированное и секционное (рис.2.15, 2.16). Рисунок 2.12 – Центральное расположение стволов в шахтном поле Рисунок 2.13 – Центрально-отнесенное расположение стволов в шахтном поле 68 Рисунок 2.14 – Фланговое (диагональное) расположение стволов в шахтном поле Рисунок 2.15 – Комбинированное расположение стволов в шахтном поле Рисунок 2.16 - Секционное расположение стволов в шахтном поле 69 Достоинства центрального расположения стволов: - единая компактная поверхность; - минимальные потери угля в охранных целиках; - быстрое соединение (сбойка) стволов; - простая схема проветривания уклонного поля; - возможность использования вспомогательного ствола для выдачи угля. Недостатки центрального расположения стволов: - большие капитальные затраты на проходку стволов; - сложная и ненадежная схема проветривания бремсберговой части шахтного поля. Достоинства центрально-отнесенного расположения стволов: - незначительные затраты на прохождение вспомогательного (вентиляционного) ствола; - простая схема проветривания бремсберговой части шахтного поля. Недостатки центрально-отнесенного расположения стволов: - необходимость поддержания в течение всего срока службы шахты в выработанном пространстве бремсбергового поля длинной вентиляционной выработки; - рассосредоточение шахтной поверхности; - большие потери угля в охранных целиках; - невозможность использования вспомогательного ствола для спуска-подъема грузов. Достоинства флангового (диагонального) стволов: - простая схема проветривания; - стабильность депрессии. 70 расположения Недостатки флангового расположения стволов: - необходимость проведения вентиляционных штреков на всю длину шахтного поля до ввода шахты в эксплуатацию; - необходимость поддержания в выработанном пространстве 2-х наклонных вентиляционных выработок значительной протяженности в течение всего срока службы шахты; - разбросанность поверхностного комплекса шахты; - большие потри в охранных целиках; - невозможность использования вспомогательных (вентиляционных) стволов для спуска-подъема грузов. При строительстве современных крупных шахт, как правило, применяется комбинированное и секционное расположение стволов, сочетающие в себе преимущества центрально-отнесенного и флангового их расположения. 2.4 Одногоризонтное вскрытие пологих пластов вертикальными стволами При вскрытии одиночного пологого пласта с использованием одного горизонта проводят два ствола (главный и вспомогательный) так, чтобы они пересекали пласт. Около стволов в породах почвы пласта на уровне запроектированного транспортного горизонта сооружают околоствольный двор. Нижнюю часть стволов (зумпфы) располагают ниже горизонта околоствольного двора (глубина зумпфа главного ствола составляет 20-40 м, вспомогательного 5-7 м). Стволы через выработки околоствольного двора или через квершлаг соединяются с пластом. Дальнейшее развитие сети подготовительных выработок зависит от принятой подготовки шахтного поля. Углубка стволов не производится, а груз поднимается с одного и того же 71 транспортного горизонта в течение всего срока службы шахты (рис.2.17). A A-A A Рисунок 2.17 – Одногоризонтное вскрытие одиночного пологого пласта с этажной (І), панельной (П) и погоризонтной (Ш) его подготовкой Схема одногоризонтного вскрытия горизонтального пласта показана на рис.2.18. Рисунок 2.18 – Одногоризонтное вскрытие горизонтального пласта с панельной его подготовкой 72 Так как пласты обычно имеют некоторую волнистость, стволы должны пересекать пласт по-возможности в пониженной его части, чтобы обеспечить естественный сток воды к водосборникам центрального водоотлива. Схема подготовки шахтного поля, как правило, панельная; порядок отработки панелей – комбинированный; способ проветривания шахты – нагнетательный (свежий воздух подается по вентиляционным штрекам, а исходящая струя отводится по откаточным); транспорт угля в пределах выемочного поля производится конвейерами, по панельным штрекам и штрекам главного направления – электровозами. Применяются следующие разновидности одногоризонтного вскрытия свиты пологих и наклонных пластов вертикальными стволами в зависимости от наличия дополнительных вскрывающих выработок: вертикальными стволами и капитальным квершлагом, этажными (ярусными) квершлагами, капитальным гезенком, этажными (ярусными) гезенками, этажными скатами и др. Вскрытие свиты пластов вертикальными стволами и капитальным квершлагом приведено на рис.2.19. ф вв в в кк шг Бк э шэ ш к к Рисунок 2.19 – Одногоризонтное вскрытие свиты пологих пластов вертикальными стволами и капитальным квершлагом 73 Достоинства способа вскрытия вертикальными стволами и капитальным квершлагом: - большой срок службы рабочего горизонта; - незначительные капитальные затраты будущих лет. Недостатки способа вскрытия вертикальными стволами и капитальным квершлагом: - отсутствие обновления горного хозяйства; - необходимость широкого применения наклонных выработок, условия эксплуатации которых хуже, чем горизонтальных (этот недостаток особенно ощутим, когда уклоны становятся ступенчатыми). Область применения вскрытия вертикальными стволами и капитальным квершлагом: - угол падения пластов от 8 до 18 – 200; - размеры шахтного поля по падению – до 2500 м, при погоризонтной подготовке – до 4000 м (в перспективе). Сущность одногоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) квершлагами (рис.2.20) состоит в том, что стволы проводятся до отметки откаточного горизонта нижнего пласта, в почве которого оборудуется околоствольный двор (проведение стволов возможно и до середины соответствующего квершлага). По верхнему пласту, в отличие от предыдущей схемы, наклонные выработки не проводятся, а вскрывают его в зависимости от принятой подготовки шахтного поля с помощью этажных или ярусных квершлагов, проводимых от этажных (ярусных) штреков нижнего пласта. При увеличении расстояния между пластами длина квершлагов возрастает, а, следовательно, увеличиваются и затраты на их 74 проведение и поддержание. При некотором предельном расстоянии более выгодным становится проведение и поддержание наклонных выработок по каждому из пластов вместо проведения и поддержания этажных (ярусных) квершлагов, т.е. способ трансформируется в рассмотренный ранее – вертикальными стволами и капитальным квершлагом. шэ(я) кэ(я) Рисунок 2.20 – Одногоризонтное вскрытие свиты пластов вертикальными стволами и этажными (ярусными) квершлагами Достоинства одногоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) квершлагами: - уменьшаются затраты на проведение и обслуживание наклонных выработок; - уменьшаются потери угля в предохранительных целиках. Недостатки одногоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) квершлагами: - большой объем выработок, проводимых по породе; - усложненная схема транспорта. Область применения вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) квершлагами: - при совместной разработке главным образом двух сближенных 75 пластов; - расстояние между смежными пластами по горизонтали – 70100 м; - размер шахтного поля по падению – до 2400 – 2500 м; - угол падения пластов – 12-200 и более. Сущность вскрытия свиты пластов вертикальными стволами и капитальным гезенком (рис.2.21) заключается в том, что стволы проходятся до отметки откаточного горизонта нижнего пласта, в почве которого сооружается околоствольный двор. Для вскрытия и обслуживания верхнего пласта снизу вверх проводятся капитальный гезенк и окологезенковый двор. Горные работы по каждому пласту ведутся независимо, т.е. по каждому из них проводится комплекс наклонных выработок в зависимости от принятой подготовки шахтного поля и т.д. A A В В A-А В-В Рисунок 2.21 – Одногоризонтное вскрытие свиты пологих пластов вертикальными стволами и капитальным гезенком 76 Достоинства способа вскрытия вертикальными стволами и капитальным гезенком: - небольшая длина капитального гезенка по сравнению с квершлагом; - бункеризация угля, обеспечивающая независимость работы подъема от работы подземного транспорта; - функционирование одного околоствольного двора. Недостатки способа вскрытия вертикальными стволами и капитальным гезенком: - переизмельчение угля при транспортировании его в гезенке под действием собственного веса; - появляется дополнительная ступень в транспорте; - увеличиваются затраты на обслуживание верхней и нижней приемных площадок; - сложный режим работы вспомогательного подъема. Область применения вскрытия вертикальными стволами и капитальным гезенком: - угол падения пластов – до 6-80; - расстояние между пластами по вертикали – 50-120 м; - размер шахтного поля по падению – до 2500 м. При одногоризонтном вскрытии вертикальными стволами и этажными (ярусными) гезенками (рис.2.22) расстояние между пластами, в отличие от вскрытия капитальным гезенком, должно быть небольшим (30-50 м), а подготовка пластов – совместная (групповая). В зависимости от принятой подготовки шахтного поля по нижнему пласту проводится комплекс наклонных выработок (капитальный или панельный бремсберги или уклоны с ходками), верхний же пласт 77 вскрывается этажными или ярусными гезенками, от которых по нему проводятся соответствующие штреки (этажные или ярусные). Грузы с верхнего пласта передаются на нижний по этажным или ярусным гезенкам. ф в в вв гэ шг э ш шэ Бк д Рисунок 2.22 – Одногоризонтное вскрытие пологих пластов вертикальными стволами и этажными гезенками Достоинства одногоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) гезенками: - незначительные затраты на проведение и поддержание наклонных выработок; - осуществляется бункеризация угля, способствующая бесперебойной работе очистных забоев и подземного транспорта. Недостатки вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) гезенками: - большой объем выработок, проводимых по породе; - сложность организации вспомогательного транспорта (обеспечение верхнего пласта материалами и оборудованием). Область применения одногоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными (ярусными) гезенками: - расстояние между пластами по вертикали – до 50 м; 78 - угол падения пластов – до 80; - число пластов в эксплуатационной свите – 2-3; - размер шахтного поля по падению – до 2500 м. Достоинства одногоризонтных способов вскрытия вертикальными стволами: - отсутствие крупных капитальных работ (углубки стволов и установки новых подъемных машин, подготовки новых горизонтов, переоборудования поверхности и т.д.); - меньшая, чем при многогоризонтных способах, потребность в крупных капитальных вложениях. Их недостатки: - моральное старение стационарного оборудования и горного хозяйства в результате длительной их эксплуатации без обновления; - ограниченность размера шахтного поля по падению (при достижении уклонами предельной длины необходимо закладывать уклоны второй ступени, что ведет к уменьшению пропускной способности транспорта шахты, увеличению затрат на поддержание выработок, ухудшению вентиляции шахты и т.д.). Область применения одногоризонтных способов вскрытия вертикальными стволами: - размер шахтного поля по падению – до 2500 м, а в перспективе при погоризонтной подготовке – до 4000 м; - шахты сравнительно небольшой производственной мощности; - неблагоприятные условия для закладки шахты с наклонными стволами; - число пластов в шахтном поле – 2-4. 79 2.5 Многогоризонтное вскрытие пологих и наклонных пластов вертикальными стволами Применяются следующие разновидности многогоризонтного вскрытия пологих и наклонных пластов вертикальными стволами в зависимости от наличия дополнительных вскрывающих выработок: вертикальными стволами и капитальными квершлагами на двух горизонтах, погоризонтными и этажными квершлагами, слепыми стволами и др. Сущность вскрытия вертикальными стволами и капитальными квершлагами на двух горизонтах (рис.2.23) состоит в том, что при значительном удалении отдельных групп пластов в свите каждая из них вскрывается самостоятельным квершлагом с околоствольным двором. При этом возможна одновременная и последовательная разработка горизонтов. При последовательной разработке горизонтов стволы первоначально проходятся до уровня первого горизонта, а затем по мере его отработки углубляются до уровня 2-го горизонта. При одновременной разработке горизонтов стволы сразу проходятся до отметки 2-го горизонта и на каждом из них сооружаются самостоятельные околоствольные дворы. В работе при этом одновременно находятся оба горизонта. Для их обслуживания необходимо оборудовать два самостоятельных подъема. При небольшой производственной мощности шахты оба подъема могут располагаться в одном стволе увеличенного сечения. Вспомогательный ствол в этом случае также может быть один, но он должен обслуживать два горизонта. 80 в в вв ф кк кк Рисунок 2.23 – Вскрытие свиты пластов вертикальными стволами и капитальными квершлагами на двух горизонтах Достоинства вскрытия пластов вертикальными стволами и капитальными квершлагами на двух горизонтах: - возможность достижения высокой концентрации работ (при последовательной разработке горизонтов); - отсутствие дополнительных вскрывающих выработок; - простота схем транспорта. Недостатки вскрытия пластов вертикальными стволами и капитальными квершлагами на двух горизонтах: - сохраняются длинные бремсберги и уклоны со всеми их недостатками; - сложный режим работы подъемов при одновременной работе горизонтов; - при последовательной разработке горизонтов переход на новый горизонт часто требует смены и реконструкции подъемной машины. Область применения вскрытия вертикальными стволами и капитальными квершлагами на двух горизонтах: 81 - месторождение представлено свитой пластов, состоящей из двух групп на значительном удалении друг от друга (120 м и более); - при реконструкции шахты, на которой вначале не предполагалось отрабатывать нижние пласты; - угол падения пластов – 6-180; - размер шахтного поля по падению – до 2500 м. Сущность вскрытия вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами (рис.2.24) состоит в том, что шахтное поле по падению делится на 3-4 горизонта. Размер горизонта по падению не должен быть более 1000-1200 м, а его запасов для разработки должно хватать не менее чем на 15 лет. Стволы первоначально проходятся только до отметки первого откаточного горизонта, а пласты вскрываются откаточным квершлагом. По мере отработки запасов 1-го горизонта стволы заблаговременно углубляются до 2-го горизонта, а пласты вновь вскрываются откаточным квершлагом. погоризонтный квершлаг При отработке первый пластов используется на в второй качестве вентиляционного. ф в в вв к к кпог Рисунок 2.24 – Вскрытие свиты пластов вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами 82 Достоинства вскрытия вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами: - отсутствие многоступенчатых уклонов; - повышается пропускная способность бремсбергов и уклонов; - уменьшается общая протяженность поддерживаемых выработок с соответствующим снижением расходов на поддержание; - возможность оборудования каждого нового горизонта новой техникой, в результате чего шахта периодически «обновляется»; - возможность отработки шахтных полей больших размеров по падению, а, следовательно, иметь шахты с большим сроком службы; - улучшается проветривание шахты. Недостатки вскрытия вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами: - сохраняются бремсберги и уклоны, усложняющие вспомогательный транспорт; - необходимость периодических углубок стволов и оборудования новых подъемных горизонтов, что трудно осуществимо в условиях действующей шахты; - увеличиваются капитальные затраты в связи с углубкой стволов и сооружением околоствольных дворов. Область применения вскрытия вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами: - угол падения пластов – 8-18-200; - размер шахтного поля по падению – 2500-4000 м; - производственная мощность шахты – 1,8 млн.т в год и более. Схема вскрытия свиты пластов вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами с 83 околоствольными дворами, обслуживающими два горизонта, приведена на рис.2.25. Б.П. У.П. Б.П. У.П. Рисунок 2.25 – Схема вскрытия свиты пластов вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами с околоствольными дворами, обслуживающими два горизонта Основными недостатками вскрытия вертикальными стволами и погоризонтными обслуживающими квершлагами два с горизонта, околоствольными является отработка дворами, нижнего горизонта как уклонного поля со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями (необходимость организации дополнительного водоотлива, сложность проветривания, организации вспомогательного транспорта и т.д.). Поэтому более прогрессивным следует считать вариант, при котором все горизонты, за исключением последнего, отрабатываются на соответствующие бремсберги. Сущность многогоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными квершлагами (рис.2.26) заключается в том, что для вскрытия свиты пологих и наклонных пластов проходятся стволы до откаточного горизонта первого этажа и оборудуется два околоствольных двора – на откаточном и вентиляционном горизонтах. От стволов проходятся этажные квершлаги – откаточный и вентиляционный. В отличие от аналогичного одногоризонтного 84 способа вскрытия, этажные квершлаги имеют здесь непосредственный выход к стволам. К моменту окончания выемки запасов 1-го этажа должен быть подготовлен второй этаж, для чего стволы углубляются до откаточного горизонта 2-го этажа, а пласты вновь вскрываются этажным квершлагом и т.д. При этом откаточные квершлаги и штреки первого этажа используются в качестве вентиляционных для второго этажа. ф вв в в к э к э кэ Рисунок 2.26 – Многогоризонтное вскрытие свиты пластов вертикальными стволами и этажными квершлагами Достоинства многогоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными квершлагами: - отсутствие капитальных бремсбергов и уклонов; - бесступенчатость транспорта от участка до ствола; - простая схема проветривания; - небольшие первоначальные капитальные затраты и срок строительства шахты; - периодическое обновление горного хозяйства шахты. Недостатки многогоризонтного 85 вскрытия пластов вертикальными стволами и этажными квершлагами: - частая углубка стволов в условиях действующей шахты; - большая длина этажных квершлагов, особенно на первых и последних этажах; - необходимость сооружения и оборудования околоствольных дворов на каждом этаже; - необходимость замены подъемных машин в связи с углубками стволов; - одновременная работа двух – трех горизонтов; - большие капитальные затраты за весь период работы шахты и небольшой срок службы горизонта. Область применения многогоризонтного вскрытия вертикальными стволами и этажными квершлагами: - угол падения пластов – 200 и более; - большое число вскрываемых пластов; - высокая угленасыщенность месторождения; - размер шахтного поля по падению – 2500-4000 м; - повышенная производственная мощность шахты (1,8 млн. т в год и более). Многогоризонтное вскрытие свиты пластов вертикальными и слепыми стволами представлено на рис.2.27. Достоинства многогоризонтного вскрытия вертикальными и слепыми стволами: - небольшие затраты на поддержание выработок. Недостатки многогоризонтного вскрытия вертикальными и слепыми стволами: - большой объем выработок, проводимых по породе; 86 Рисунок 2.27 – Многогоризонтное вскрытие свиты пластов вертикальными и слепыми стволами - многоступенчатость транспорта; - значительный объем выработок около слепых стволов; - сложность схемы и организации работы транспорта. Область применения многогоризонтного вскрытия пластов вертикальными и слепыми стволами: - большая угленасыщенность месторождения; - сложная тектоника месторождения; - неустойчивые боковые породы. 2.6.Вскрытие крутых пластов Для вскрытия крутых пластов, как правило, используют многогоризонтные схемы с применением вертикальных стволов и этажных квершлагов. И только в порядке исключения применяют вскрытие наклонными стволами, пройденными по пласту угля (при небольших размерах шахтного поля по падению или отработке верхних горизонтов), и штольнями (при залегании пластов в гористой местности). При вскрытии крутых пластов вертикальными стволами и этажными квершлагами существует две разновидности: донецкий и немецкий способы. 87 При установлении вертикальной высоты этажа на крутом падении необходимо учитывать следующие противоречивые факторы: чем больше высота этажа, тем меньше будет проходиться квершлагов, околоствольных дворов, штреков и других выработок в пределах шахтного поля и, следовательно, сократятся расходы на их проведение и поддержание, отнесенные на 1 т добычи. Однако чрезмерное увеличение высоты этажа вызовет затруднения в передвижении людей по лаве, увеличит степень дробления угля, усложнит проветривание и т.д. Поэтому в соответствии с НТП при разработке тонких и средней мощности пластов вертикальная высота этажа принимается в пределах 120-130 м, а при разработке мощных пластов – не более 80-100 м. Сущность Донецкого способа вскрытия (рис.2.28) заключается в том, что для вскрытия свиты крутых пластов стволы проходятся сразу до уровня откаточного горизонта 2-го этажа, а околоствольный двор и этажные квершлаги проводятся на уровне первого этажа. К моменту окончания выемки запасов первого этажа должен быть подготовлен 2-й этаж и т.д. При этом откаточные квершлаги и штреки первого этажа используются в качестве вентиляционных для второго этажа. вв к э в в кэ Рисунок 2.28 – Донецкий способ вскрытия крутых пластов 88 Сущность немецкого способа вскрытия (рис.2.29) состоит в уменьшении капитальных работ за счет увеличения вертикальной высоты этажей до 200 м с разделением их на подэтажи. Отдельные группы пластов разрабатываются при этом с проведением полевых штреков. По простиранию эти группы пластов делятся на участкиблоки, посредине каждого блока от полевого штрека проводится блоковый квершлаг, а от него – гезенк до вентиляционного горизонта. Для подготовки подэтажей от гезенков проходятся подэтажные квершлаги и штреки. в в вв г кпэ кэ шп 200 м шп к э Рисунок 2.29 – Немецкий способ вскрытия крутых пластов При немецком способе вскрытия сокращается количество углубок стволов со всеми вытекающими из него положительными моментами: уменьшается количество околоствольных дворов с большим объемом и сложной конфигурацией выработок, уменьшаются крупные капитальные работы по подготовке горизонтов и т.д. Однако при этом значительно увеличивается число других выработок, проводимых, в основном, по породе: гезенков, полевых штреков, блоковых и подэтажных квершлагов и штреков. Для условий Донецкого бассейна более целесообразен донецкий 89 способ вскрытия, так как в этом бассейне сравнительно простая тектоника и невысокая угленасыщенность месторождения. Широкому применению немецкого способа в Рурском бассейне способствует создание высокопроизводительного промышленностью серийного оборудования – ФРГ винтовых углеспусков и малогабаритных клетевых подъемных установок. При вскрытии мощных крутых пластов стволы проходятся в лежачем боку свиты (рис.2.30), а располагаются за пределами зоны сдвижения пород; закругления с квершлагов на вскрываемые пласты проводятся только по породе. в в вв кэ Рисунок 2.30 – Схема вскрытия мощных крутых пластов 2.7 Особенности вскрытия пластов на больших глубинах. Вскрытие при делении шахтных полей на блоки. Глубокими считаются шахты с начальной глубиной разработки свыше 600 м при пологом и наклонном залегании пластов и 700 м при крутом. Понятие глубокой шахты является в известной степени условным. Ежегодно уровень ведения горных работ в Донбассе понижается на 10-13 м. Самой глубокой в мире угольной шахтой была (сейчас уже 90 закрыта) шахта Рю-де-кер-Квареньон (1700 м, Бельгия), в СНГ – шахта «Прогресс» (1300 м, Донбасс). За последние годы в Донецком бассейне построен ряд шахт с проектной глубиной разработки 12001500 м. В настоящее время более 130 шахт Донбасса разрабатывают пласты на глубине свыше 700 м, около 80 – на глубине 800 м, на 35 шахтах глубина разработки достигла 1000 и более метров. С увеличением глубины разработки возрастает интенсивность проявлений особых горно-геологических явлений и изменяются условия протекания физических процессов: - увеличивается частота и интенсивность внезапных выбросов угля и газа, породы, горных ударов. В настоящее время более 90% шахт – газовые, 45% - опасные по внезапным выбросам и горным ударам, 70% - взрывоопасные; - изменяются физико-механические свойства боковых пород в направлении снижения их устойчивости и увеличения пластичности; - повышается температура горных пород и рудничного воздуха (в настоящее время 73 шахты требуют искусственного охлаждения воздуха); - увеличивается естественная газоносность угольных пластов; - возрастает напряженное состояние горных пород. Для нейтрализации вредного влияния роста величины и интенсивности проявлений горного давления, снижения устойчивости пород и увеличения их пластичности рекомендуется: - выработки околоствольных дворов и протяженные полевые выработки располагать в прочных, преимущественно вкрест простирания пород; 91 монолитных породах, - при интенсивном пучении пород разрабатываемого пласта главные откаточные штреки и наклонные выработки проводить полевыми в почве на расстоянии не менее 10 м по нормали от пласта в мощном слое песчаников и разгружать их от горного давления путем надработки, т.е. выемки над выработкой полосы угля шириной 100-150 м до начала ее проведения; - при разработке одиночных пластов, залегающих в неустойчивых породах, для эффективной охраны основных выработок проводить их вслед за разгрузочной лавой и охранять бутовыми полосами в сочетании с бортовыми целиками, которые отделяют бутовые полосы от обрушенных пород выработанного пространства; - размеры бутовых полос должны быть при этом порядке 30-40 м, бортовых целиков – 20-90 м; - сечение горных выработок, рассчитанные по фактору транспорта и вентиляции, увеличивать в зависимости от условий поддержания на 20-50%. Фактическая величина газообильности на глубине 1000 м, как правило, превышает 30-40 м3 на 1 т суточной добычи, ожидаемая ее величина на глубине 1500 м – 40-75 м3 на 1 т суточной добычи. Для снижения вредного влияния газоносности и снижения концентрации метана до допустимых пределов рекомендуется: - увеличивать объем подаваемого в шахту воздуха, что, в свою очередь, требует резкого увеличения сечения выработок или проведения их в виде двух параллельных выработок; - производить предварительную дегазацию разрабатываемого и сближенных с ним пластов и спутников; - применять секционную, прямоточную схему проветривания с 92 целью сокращения протяженности вентиляционной сети; - осуществлять отсос метано-воздушной смеси из выработанного пространства; - обеспечивать гладкую поверхность крепи выработок. На глубине 1000 м температура вмещающих пород составляет 40-430С и на каждые 30 м увеличивается на 10С (геотермический градиент). Для нейтрализации вредного влияния высокой температуры и снижения степени нагревания рудничного воздуха необходимо предусматривать: - максимально возможную подачу свежего воздуха в отдельные забои; - сокращение длины (пути) его движения к забоям; - подачу воздуха с максимально возможной скоростью движения по выработкам; - применение искусственного охлаждения воздуха путем его кондиционирования. Сущность вскрытия при делении шахтного поля на блоки (рис.2.31) заключается в том, что шахтное поле по падению делится на 3-4 горизонта размером до 1200 м, а каждый горизонт – на 3-7 блоков размером по простиранию от 2000 до 4000 м. Все блоки на откаточном горизонте соединены между собой единой транспортной магистралью (как правило, полевыми штреками большого сечения), по которой добываемый во всех блоках уголь поступает к главному стволу, пройденному в центре шахтного поля. В вентиляционном же отношении блоки изолированы друг от друга. Каждый блок проветривается свежей струей воздуха и не связан ни с одной выработкой, расположенной за его пределами. При этом используется 93 секционная схема проветривания, при которой свежая струя воздуха подается по одному из блочных стволов, а отработанная, омыв очистные забои, отводится по другому блочному стволу. cБ cг A cв A шп A-А кБ С кБ хБ ББ хБ кБ вв пол вв Ю шм Рисунок 2.31 – Схема вскрытия свиты пологих пластов при делении их на блоки Вскрытие при делении шахтного поля на блоки сочетается со всеми известными способами подготовки, т.е. в пределах блока может быть как панельная, так и этажная и погоризонтная подготовка. При разработке по простиранию с углом падения пластов до 180 преимущественное распространение получила панельная подготовка. При этом в пределах блока может размещаться 1 или 2 панели (одно- и двухпанельная конструкция блока). При углах падения до 12 0 блок рекомендуется делить на выемочные столбы, отрабатываемые по 94 падению или восстанию, а на крутом падении – на участки-блоки. Достоинства вскрытия при делении шахтных полей на блоки: - достигается независимая разработка и проветривание каждого блока; - большая производственная мощность шахты, которая достигается путем включения в работу нескольких блоков; - простота схемы транспорта на основе высокой концентрации работ; - значительно снижаются затраты на поддержание выработок, т.к. выработки с большим сроком службы проходятся полевыми, а пластовые быстро погашаются; - обеспечивается быстрый рост производительности труда за счет концентрации горного производства; - повышается безопасность работ благодаря изолированному проветриванию выработок в блоке и наличию нескольких выходов на поверхность. Недостатки вскрытия при делении шахтных полей на блоки: - высокие первоначальные капитальные затраты и капитальные затраты будущих лет, связанные с прохождением и углубкой большого числа вертикальных стволов, проведением главных откаточных штреков, квершлагов, околоствольных дворов и других выработок, причем, большинство из них проходятся по породе; - большой срок строительства шахты и подготовки горизонтов. Расширению области применения при делении шахтного поля на блоки способствует применение прогрессивного и эффективного способа реактивно-турбинного бурения скважин (блочных стволов) диаметром до 2-2,3 м. 95 Область применения вскрытия шахтных полей при делении их на блоки: - высокая газообильность шахт – 15 м3 на 1 т суточной добычи и более; - размеры шахтных полей по простиранию – 8000 м и и более; - независимо от глубины разработки и числа пластов в свите; - большая производственная мощность шахты. При реконструкции шахт описанное вскрытие реализуется путем объединения горными выработками нескольких мелких шахт в одну крупную шахту. 2.8 Вскрытие штольнями Вскрытие шахтных полей штольнями является одним из самых экономичных и простых и поэтому рекомендуется к применению во всех случаях, когда для этого имеются необходимые предпосылки. В СНГ около 6% шахтных полей вскрыто штольнями. Сущность вскрытия пологих пластов штольнями (рис.2.32) состоит в том, что с уровня долины проходят капитальную штольню, которая делит шахтное поле на две части: бремсберговую и уклонную. Бремсберговая расположена выше штольневого горизонта, уклонная – ниже него. Дальнейшее развитие горных работ зависит от угла падения пластов и принятой подготовки шахтного поля. Кроме откаточной капитальной штольни проходится также вентиляционная на отметках более высоких, чем откаточный горизонт. 96 ф э ш вг шэ шг Рисунок 2.32 – Вскрытие пологого пласта штольнями Вскрытие свиты крутых пластов штольнями показано на рис.2.33. гк вг кэ сс Рисунок 2.33 – Вскрытие свиты крутых пластов штольнями При крутых пластах, кроме капитальной и вентиляционной штолен, в качестве дополнительных вскрывающих выработок используются гезенки и этажные квершлаги (для вскрытия пластов, расположенных выше штольневого горизонта) или слепые стволы и этажные квершлаги (для вскрытия пластов, расположенных ниже него). 97 При выборе места расположения штольни необходимо учитывать следующие обстоятельства: - устье штольни должно располагаться выше максимально возможного уровня ливневых и паводковых вод во избежание подтопления шахты; - около устья штольни должна быть промышленная площадка, достаточная для размещения технических зданий и сооружений; - штольню следует проводить на такой высотной отметке, чтобы возможно большая часть запасов месторождения находилась выше откаточного горизонта и могла быть отработана без подъема и механического водоотлива. Для обеспечения стока воды штольни должны проводиться с подъемом 0,001. При больших притоках воды проходится специальная дренажная штольня на 5-7 м ниже уровня капитальной. Достоинства вскрытия штольнями: - простое оборудование поверхности; - отсутствие необходимости подъема угля на поверхность и механических средств для водоотлива во время отработки запасов выше уровня штольни; - высокие технико-экономические показатели. Недостатки вскрытия штольнями: - сложность строительства поверхностного комплекса в гористой местности; - необходимость закладки ступенчатых уклонов при размерах шахтного поля по падению более 2500 – 3000 м; - необходимость сооружения и эксплуатации слепых стволов при разработке пластов крутого падения. 98 Область применения вскрытия штольнями – пласты, залегающие в районе с сильно пересеченной гористой местностью, когда вскрытие их вертикальными или наклонными стволами технически невозможно или экономически нецелесообразно. 2.9 Комбинированное вскрытие К комбинированным относятся способы, представленные комбинацией главных или вспомогательных вскрывающих выработок. Их применение вызвано сложностью условий залегания угольных месторождений: изменяющимися углами падения пластов, наличием сбросов, надвигов и других крупных геологических нарушений. Наибольшее распространение получили в настоящее время способы вскрытия с главными наклонными и вспомогательными вертикальными стволами, т.к. в такой комбинации наиболее полно используются главные преимущества этих комбинация (главный вертикальный стволов. Обратная ствол и наклонный вспомогательный) используется редко, т.к. при этом не в полной мере используются достоинства этих стволов. Шахтное поле самой крупной в СНГ шахты «Распадская» в южном Кузбассе вспомогательными вскрыто двумя вертикальными главными стволами в наклонными и сочетании с квершлагами. Наклонные стволы заложены в центре шахтного поля, вертикальные – в центре и у нижней технической границы каждого блока (шахтное поле разделено по простиранию на 5 блоков). Запасы блоков вскрыты соответствующими квершлагами. Комбинированное вскрытие свиты пластов главным наклонным, вспомогательным вертикальным стволами и этажными гезенками показано на рис.2.34. 99 в в гэ Бк шэ Рисунок 2.34 – Комбинированное вскрытие свиты пластов главным наклонным, вспомогательным вертикальным стволами и этажными гезенками Область пластов применения главным комбинированного наклонным, вскрытия вспомогательным свиты вертикальным стволами и этажными гезенками: Н ≤ 2500 м, наличие двух сближенных пластов, α ≤ 18-200. Комбинированное вскрытие вертикальными стволами, капитальным и этажными квершлагами показано на рис.2.35). Область применения рассматриваемого способа – пласты с переменным углом падения. Крутая часть вскрывается этажными квершлагами, нижний из которых превратился в капитальный и предназначен для отработки пологой части месторождения. Такой способ применяется для вскрытия полей шахт «Романовская» ГП Луганскуголь, «Миусинская» ГП Донбассантрацит и др. Комбинированное вскрытие свиты пластов главной штольней и вспомогательным вертикальным стволом приведено на рис.2.36. Комбинированное вскрытие главной штольней вспомогательным наклонным стволом показано на рис.2.37. 100 и сг св кэ кк Рисунок 2.35 – Комбинированное вскрытие вертикальными стволами, капитальным и этажными квершлагами в в к к вг Рисунок 2.36 – Вскрытие свиты пластов главной штольней и вспомогательным вертикальным стволом шэ вв Бк шг Рисунок 2.37 – Комбинированное вскрытие главной штольней и вспомогательным наклонным стволом 101 Комбинированное вскрытие свиты пологих пластов вертикальными стволами, капитальным и этажными (ярусными) квершлагами приведено на рис.2.38. в в вв кк к к кэ Рисунок 2.38 – Вскрытие свиты пологих пластов вертикальными стволами, капитальным и этажными (ярусными) квершлагами Способ применяется в тех случаях, когда свита состоит из двух групп пластов – одиночного и сближенных, расположенных на значительном удалении друг от друга, а размер поля по падению не превышает 2500 м, α ≤ 18-200. Комбинированное вскрытие свиты пологих пластов вертикальными стволами, погоризонтными и этажными (ярусными) квершлагами показано на рис.2.39. вв к к в в кпог ф кэ кпог кэ Рисунок 2.39 – Вскрытие свиты пологих пластов вертикальными стволами, погоризонтными и этажными (ярусными) квершлагами 102 Применяется в тех же условиях, что и предыдущая схема, но при размере шахтного поля по падению более 2500 м. Комбинированное вскрытие свиты пластов вертикальными стволами, самостоятельными околоствольными дворами, капитальным, этажными гезенками и капитальным квершлагом показано на рис.2.40. вв в в ф кк гк гэ Рисунок 2.40 – Вскрытие свиты пластов вертикальными стволами, самостоятельными околоствольными дворами, капитальным, этажными гезенками и капитальным квершлагом Способ применяется, когда шахтное поле представлено двумя группами пластов, удаленных друг от друга на большом расстоянии. Нижняя свита, в свою очередь, представлена пластами, два из которых сближены, а верхний удален от них на расстоянии ≥ 100-150 м, Н < 2500 м, α ≤ 18-200. Комбинированное вскрытие шахтного поля с большим числом дизъюнктивных геологических нарушений показано на рис.2.41. 103 в в вв г ф кэ сс сс гк г к Рисунок 2.41 – Комбинированное вскрытие свиты пластов с большим числом дизъюнктивных нарушений Комбинированное вскрытие чаще всего встречается на старых шахтах в результате неоднократной их реконструкции, а также при вскрытии нарушенных месторождений. Ниже представлена схема привязки вертикального ствола к наклонным в процессе реконструкции шахты с целью улучшения ее проветривания и выполнения вспомогательных функций. Рисунок 2.42 – Схема привязки вертикального вспомогательного ствола к главным наклонным 104 2.10 Выбор рационального способа вскрытия шахтного поля методом вариантов Рациональный способ вскрытия шахтного поля выбирается с учетом большого числа факторов, главными из которых являются: геологические, топографические, горнотехнические и экономические. Выбранный вариант вскрытия шахтного поля должен удовлетворять требованиям безопасности, быстрого введения шахты в эксплуатацию, обеспечивать заданную производственную мощность шахты, а также удобству ведения работ и соответствовать принятому способу подготовки пластов. Выбор рационального способа вскрытия шахтного поля производится методом технико-экономического сравнения вариантов, состоящего из двух последовательно выполняемых этапов: на первом этапе намечаются возможные варианты вскрытия, которые в данных горно-геологических условиях могут рассматриваться как конкурирующие. На втором этапе производится выбор одного варианта вскрытия путем сравнительной технико-экономической оценки конкурирующих вариантов. В качестве используются критерия удельные выбора приведенные рационального затраты варианта (капитальные и эксплуатационные). При этом наиболее экономичным вариантом вскрытия считается тот, при котором общая сумма приведенных затрат, отнесенная на 1 т промышленных запасов, будет наименьшей. К капитальным относятся затраты, финансирование которых осуществляется за счет средств капитального строительства: инвестором, государством. Капитальные затраты делятся на первоначальные и затраты будущих лет. 105 К первоначальным относятся затраты, которые производятся в период строительства шахты до сдачи ее в эксплуатацию: затраты на подготовку поверхности, строительство поверхностных зданий и сооружений; проведение стволов, квершлагов и других выработок, сооружение приемных площадок, околоствольных дворов, узлов сопряжений выработок и т.д. со стоимостью оборудования всех объектов. К затратам будущих лет относятся капитальные затраты, которые производится в период эксплуатации шахты: углубка стволов, сооружение околоствольных дворов, квершлагов и других выработок на новых горизонтах, проведение уклонов с ходками со стоимостью оборудования этих выработок и т.д. Для правильной оценки капитальных затрат их необходимо приводить к единому моменту времени. Это связано с тем, что первоначальные затраты по вариантам вскрытия могут значительно отличаться друг от друга, а затраты будущих лет могут производиться в разное время после пуска шахты в эксплуатацию. При приведении капитальных затрат к единому моменту времени за базовый принимается год освоения проектной мощности шахты, реже – год пуска шахты в эксплуатацию Приведенные капитальные затраты рассчитываются по формуле t стр. К пр.  К перв. (1  Е) где 2   К буд. , грн. (1  Е) t Кперв., Кбуд. – капитальные затраты соответственно первоначальные и будущих лет, грн.; 106 (2.1) Е – нормативный коэффициент приведения разновременных затрат, Е=0,1; tстр. – время строительства шахты, лет; t – период приведения капитальных затрат, лет. К эксплуатационным относятся затраты на проведение выработок (относимые на себестоимость угля), на поддержание выработок, подземный транспорт и подъем по стволам, водоотлив главный и вспомогательный и вентиляцию (для весьма газообильных шахт). Удельные приведенные затраты по варианту вскрытия определяются по формуле: t стр.  Ен   К буд.   К пер. (1  Е) 2  А год.  (1  Е) t    К перв.   К буд.  К пров.  К под.  К тр.  К воб.  К вент. Спр.   где Zпром. (2.2) , грн. / т Агод. – годовая производственная мощность шахты, т; Ен – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Ен=0,15); Кпров. – затраты на проведение выработок, грн.; Кпод. – затраты на поддержание выработок, грн.; Ктр. – затраты на транспорт и подъем по стволам, грн.; Квод. – затраты на водоотлив главный и вспомогательный, грн.; Квент. – затраты на вентиляцию (для весьма газообильных шахт), грн.; Zпром. – промышленные запасы, т. 107 Для определения установлены tстр. следующие нормы продолжительности строительства и освоения проектной мощности шахт глубиной до 300 м включительно. Производственная Нормы продол- Освоение проектной мощность жительности мощности по годам, % шахты, тыс.т строительства, лет 1 2 3 4 1500 5,0 65 85 100 - 1800 5,0 65 85 100 - 2400 5,3 60 80 95 100 3000 5,3 60 80 95 100 3600 5,5 Определяется проектом Для шахт с глубиной стволов более 300 м сроки строительства увеличиваются на каждые 100 м на 3 месяца. Нормы продолжительности строительства для шахт, опасных по внезапным выбросам угля и газа, увеличиваются на 10%. Для шахт с глубиной стволов более 1200 м продолжительность строительства устанавливается проектом. Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат определяется по формуле: Т ок.  где К1  К 2 , лет С 2  С1 (2.3) К1 и К2 – капитальные затраты по сравниваемым вариантам вскрытия, грн.; 108 С1 и С2 – себестоимость готовой продукции по учтенным затратам по этим вариантам, грн./т. Себестоимость готовой продукции по учтенным затратам и сравниваемым вариантам ориентировочно определяется по формуле: Ci  где  C эксп.   К пр.кап. , грн. / т (2.4) Т служ. ∑Сэксп. – сумма эксплуатационных затрат по варианту, грн.; ∑Кпр.кап. – сумма приведенных капитальных затрат по вариан- ту, грн.; Тслуж. – срок службы шахты, лет. Срок окупаемости капитальных затрат в угольной промышленности рекомендуется принимать равным 7-и годам. Более выгодным следует считать тот вариант, который имеет меньший срок окупаемости. Удельные затраты на 1 т запасов не являются себестоимостью добываемого угля, так как они не учитывают все затраты (например, на очистные работы). Определение экономии за счет более быстрого ввода шахты в эксплуатацию производится по формуле: оп .  100    Э оп.   А t    Ц , грн.  100  t 1 t где (2.5) tоп. – время опережающего пуска шахты (разница в сроках ввода шахты в эксплуатацию по сравниваемым вариантам), лет; 109 Аt – годовая добыча шахты в t-ом году по варианту с ускоренным вводом (определяется на базе сроков освоения проектной мощности), т; Ц – оптовая цена угля по варианту с ускоренным сроком сдачи, грн., (по данным выполненных проектов); η - % полной себестоимости 1 т угля от отпускной цены, по данным проектов строительства новых шахт для условий Донбасса η = 90-95%. При сравнении различных вариантов вскрытия необходимо учитывать только отличающиеся затраты. Одинаковые затраты учету не подлежат. Учитываются только существенные затраты, причем, мерой существенности является их относительная, а не абсолютная величина. Варианты считаются экономически равноценными, если суммарные приведенные затраты по вариантам различаются не более чем на 10%. В этом случае предпочтение следует отдать варианту более приемлемому в техническом отношении. Разница в 10% лежит в пределах точности расчетов и степени точности исходных величин (главным образом, стоимостных параметров). Рекомендации по практическому применению метода вариантов: - выбрать технически целесообразные для данных условий схемы вскрытия; - определить наивыгоднейшие параметры для каждой из выбранных схем вскрытия, включая количество вскрывающих выработок, их сечения, вид крепи, транспорт по ним; - вычертить в масштабе отобранные для сравнения варианты вскрытия (в вертикальном разрезе и в плане); 110 - определить по отобранным вариантам отдельно объемы первоначальных работ (на момент пуска шахты в эксплуатацию) и работ будущих лет для каждого последующего этажа, горизонта, блока, а также объемы работ по эксплуатационным расходам; - на основании рассчитанных объемов работ подсчитать по стоимостным параметрам капитальные затраты первоначальные и будущих лет, а также эксплуатационные расходы; - определить время сооружения тех объектов шахты, по которым отличаются сравниваемые варианты вскрытия, и рассчитать экономию по тому варианту, при котором шахта сдается в эксплуатацию быстрее; - рассчитать суммарные и удельные (на 1 т запасов) приведенные затраты по вариантам; - на основании экономического сравнения принять наивыгоднейший вариант вскрытия. Обобщенный следующие сечения проектный опыт вертикальных позволяет стволов, рекомендовать удовлетворяющие требованиям скорости движения воздуха, депрессии и размещаемых в них габаритов транспортных средств: - площадь поперечного сечения главного скипового вертикального ствола в свету принимать равной 23,8-38,5 м2 при 6000 ≤ Асут. ≤ 15000 т/сут. и 44 – 56,5 м2 при Асут. > 15000 т/сут; - площадь поперечного сечения вспомогательных клетевых стволов в свету достаточно принимать равной 28,4 м 2 при Асут. ≤ 10000 т/сут.; 38,5 м2 при 10000≤ Асут. ≤ 15000 т/сут. и 57 – 63,5 м2 при Асут.> 15000 т/сут. Капитальные и блоковые квершлаги, а также магистральные, главные и коренные штреки рекомендуется принимать двухпутевыми 111 на всем протяжении при креплении металлическими арками или бетоном (квершлаги) с ориентировочной площадью сечения 11,4 м 2. Вентиляционные квершлаги и штреки, по которым транспортируют вспомогательные грузы, достаточно принимать однопутными (площадь сечения 5,7-7,7 м ) с устройством разминовок при длине 2 выработки более 1000 м. Площадь сечения в свету панельных бремсбергов (уклонов), оборудованных одноконцевой откаткой для транспортирования угля, может быть принята равной 6 м2, а рельсовых ходков при них – 5,2 м2. Рекомендуются следующие площади сечения выработок, оборудованных ленточными конвейерами, при различной суточной нагрузке на выработку. № п/п Выработка Наклонный ствол, капиталь- 1. ный (погоризонтный), блоковый квершлаг, магистральный штрек 2. Участковый квершлаг Нагрузка на Площадь выработку, сечения т/сут. в свету, м2 Менее 7000 12 Более 7000 16 Менее 2500 5,2 2500-7000 8,9 Более 7000 12-16 - 5,2 3. Ярусный (этажный) штрек 4. Панельный (этажный) брем- Менее 5000 7,2 сберг (уклон) Более 5000 12,5 112 2.11 Околоствольные дворы Околоствольным двором называется совокупность протяженных выработок и камер, примыкающих к шахтным стволам и предназначенных для обслуживания подземного хозяйства шахты. Околоствольный двор выполняет роль подземной узловой станции, на которую поступает весь груз, подлежащий выдаче на поверхность, и с которой отправляются составы порожних вагонеток, материалы и оборудование к обычным и подготовительным участкам. Требования, предъявляемые к околоствольным дворам: - обеспечение проектной мощности шахты; - минимальная продолжительность маневровых работ; - компактность выработок и крепление их долговременной и прочной крепью; - минимальная трудоемкость работ при максимальной их энерговооруженности; - минимальная стоимость сооружения; - безопасность и комфортность работ; - экономичность привязки. Околоствольные дворы классифицируются по следующим признакам. 1.По типу применяемых вагонеток: - с обычной технологией (глухие вагонетки); - с новой технологией (вагонетки с донной разгрузкой). 2.По количеству обслуживаемых стволов: - при одном стволе; - при двух стволах; 113 - при трех стволах. 3.По типу обслуживаемых стволов: - при вертикальных стволах; - при наклонных стволах. 4.По виду подъемов: - с клетевым подъемом; - со скиповым подъемом; - с клетевым и скиповым подъемом; - с клетевым и гидроподъемом. 5.По принципу движения грузовых и порожняковых составов: - круговые; - петлевые; - челноковые; - тупиковые. 6.По расположению ветвей двора к главной откаточной выработке: - параллельные; - перпендикулярные; - диагональные. Круговой околоствольный двор отличается от челнокового тем, что в первом вагонетки движутся вперед все время одной и той же лобовой стенкой, в то время как в челноковом они меняют направление своего движения: движутся вперед вначале одной лобовой стенкой, а затем другой. Круговой и челноковый околоствольные дворы предназначены для приема грузов с двух сторон ствола, 114 петлевые и тупиковые – с одной стороны. Круговой односторонний двор называется петлевым, а челноковый односторонний – тупиковым. Технологические схемы перечисленных околоствольных дворов с указанием направлений движения в них груженных и порожних составов представлены на рис. 2.43 – 2.48. С Ю направление движения груженных составов; направление движения порожних составов Рисунок 2.43 – Круговой параллельный околоствольный двор С Ю Рисунок 2.44 – Петлевой околоствольный двор 115 С Ю Рисунок 2.45 – Челноковый околоствольный двор С Ю Рисунок 2.46 – Тупиковый околоствольный двор 55 С 50 Ю Рисунок 2.47 – Перпендикулярный околоствольный двор 116 С 55 50 Ю Рисунок 2.48 – Диагональный околоствольный двор Достоинства круговых и петлевых околоствольных дворов: компактное расположение выработок, простые маневры с составами, простая привязка к конкретным горно-геологическим условиям. Их недостатки: большое количество криволинейных выработок и закруглений пути, сложность проведения и эксплуатации криволинейных выработок, недостаточное использование главной откаточной выработки. Достоинства челноковых и тупиковых околоствольных дворов: прямолинейность выработок, удобное расположение оборудования, максимальное использование главной откаточной выработки. Их недостатки: сложные маневры с составами, невысокая пропускная способность, сложная привязка к конкретным горногеологическим условиям из-за большой длины прямолинейных выработок (500-700 м). Ветви околоствольных дворов: - скиповые угольные и порожняковые; - скиповые породные грузовые и порожняковые; 117 - клетевые входные (для составов, поступающих с участков) и выходные (для составов, отправленных на участки); - обгонные. В околоствольных дворах с новой технологией скиповые ветви являются общими для угля и породы. Вагонетки с углем и породой разгружаются над угольными и породными ямами, расположенными на одной прямой на некотором расстоянии друг от друга. Основным достоинством околоствольных дворов с новой технологией является их увеличенная пропускная способность за счет резкого сокращения маневровых работ (электровоз движется в голове состава над разгрузочными ямами). Расположение камер и протяженных выработок в околоствольных дворах представлено на рис.2.49. Выработки околоствольных дворов должны быть закреплены такими видами крепи, которые не требуют существенного ремонта в течение всего срока службы: монолитным бетоном, сборным железобетоном, реже – металлом, а отдельные сопряжения – железобетоном. Камеры центральной электроподстанции и главного водоотлива располагаются, как правило, у клетевого ствола и примыкают друг к другу. Между ними устанавливается герметическая противопожарная дверь. Камера главного водоотлива в соответствии с требованиями действующих ПБ должна быть оборудована тремя насосными агрегатами, один из которых находится в работе, другой – в резерве и третий – в ремонте. Она соединяется с клетевым стволом водотрубным ходком, служащим одновременно запасным выходом. Угол наклона 118 С 14 20 15 17 13 4 3 16 5 1 6 18 19 2 9 8 12 7 10 11 Ю 1 – скиповой ствол; 2 – клетевой ствол; 3 – угольная разгрузочная яма; 4 – породная разгрузочная яма; 5 – камера ожидания; 6 – камера медпункта; 7 – камера центральной электроподстанции; 8 – камера главного водоотлива; 9 – водотрубный ходок; 10 – водосборники; 11 – камера осветляющих резервуаров; 12 – камера обезвоживающей установки; 13 – депо противопожарного поезда; 14 – гараж-зарядная; 15 – ремонтная мастерская; 16 – камера выпрямительной подстанции; 17 – склад взрывчатый материалов; 18 – путь для стоянки пассажирского состава; 19 – санузел; 20 – вентиляционная сбойка. Рисунок 2.49 – Камеры и выработки околоствольных дворов ходка должен быть не более 300, его сопряжение с клетевым стволом располагается выше пола насосной камеры не менее, чем на 7 м. С клетевой ветвью околоствольного 119 двора камеры центральной электроподстанции и главного водоотлива соединяются горизонтальными ходками с герметической и решетчатой дверьми. В соответствии с требованиями действующих ПБ водоотливные установки должны иметь водосборники, состоящие не менее чем из двух выработок. Емкость водосборников главного водоотлива должна быть рассчитана не менее чем на 4-часовой нормальный приток. Склад ВМ камерного типа должен располагаться не ближе 100 м от стволов. Он и зарядная камера электровозного депо должны проветриваться обособленной струей воздуха за счет общешахтной депрессии. В камере противопожарного поезда находится состав (поезд) со средствами и материалами для тушения и локализации подземных пожаров. На шахтах, особо опасных в пожарном отношении, устраивается камера горноспасательного пункта, которая располагается вблизи депо противопожарного поезда. Объем околоствольных дворов состоит из объема протяженных выработок и объема камер и колеблется от 5 до 40 тыс.м 3 в свету, что составляет 7-15% общего объема горных выработок, проводимых на момент сдачи шахты в эксплуатацию. Продолжительность же строительства околоствольных дворов составляет в среднем 60% от продолжительности строительства шахты (из-за сложной конфигурации выработок и большого числа камер, для проходки которых не создано средств комплексной механизации). Объем околоствольного двора в свету для шахт, вскрытых вертикальными стволами, при ориентировочных расчетах может быть определен по формуле Ф.Т.Скуйбина: 120 Vдв..  2  3 А 2 год.  0.001А год. , м3 где (2.6) Агод. – годовая проектная мощность шахты, т. Для шахт, вскрытых наклонными стволами, ее можно определить по формуле: Vдн..  6 Агод.  Агод 3 ,м 200 (2.7) Схемы привязки кругового перпендикулярного (а), петлевого (б) и кругового параллельного (в) околоствольных дворов при вскрытии свиты пластов представлены на рис.2.50. а) б) в) Рисунок 2.50 – Схемы, поясняющие экономичность привязки ОКД к конкретным горно-геологическим условиям Экономичность привязки околоствольного двора оценивается степенью использования транспортной вскрывающей выработки как его части. В большинстве случаев наиболее экономичным является параллельный круговой околоствольный двор, так как вся его грузовая 121 ветвь является частью главной вскрывающей выработки. Однако при вскрытии свиты пластов с незначительным расстоянием между ними более экономичным может оказаться петлевой или круговой перпендикулярный двор. Это связано с тем, что параллельный околоствольный двор в этом случае пересечет своими выработками отдельные пласты. С квершлага при этом необходимо будет проводить дополнительные заезды, объем которых может быть очень большим, а их прохождение экономически невыгодным по сравнению с петлевым или перпендикулярным двором, которые не требуют большого расстояния между пластами. При вскрытии крутых и крутонаклонных пластов, когда стволы располагаются в лежачем боку свиты, наиболее экономичны и целесообразны петлевые околоствольные дворы. При вскрытии горизонтального пласта наиболее экономичным является параллельный околоствольный двор, при котором участки штреков главных направлений используются в качестве грузовых и порожняковых ветвей. Околоствольные дворы при наклонных стволах дешевле, чем при вертикальных, так как они меньше по объему и закреплены более дешевой крепью (в силу меньшего срока их службы). Околоствольный двор на шахте с гидравлической добычей угля представлен на рис.2.51. Особенностями околоствольных дворов на шахтах с гидродобычей являются: - большой удельный вес камер; - меньший суммарный объем околоствольного двора; - уголь поступает в околоствольный двор в виде пульпы по 122 желобам; - рельсовый транспорт выполняет вспомогательные операции по доставке оборудования и материалов; С 1 2 3 6 Ю 5 4 1 – главный ствол; 2 – вспомогательный ствол; 3 – пульповодосборник; 4 – камера электроподстанции; 5 – камера дугового сита Рисунок 2.51 – Схема околоствольного двора на шахтах с гидравлической добычей угля - камеры главного водоотлива заменены камерой центрального гидроподъема, водосборники-пульпосборниками 2.12 Поверхностные комплексы шахт Поверхностный комплекс шахты – это комплекс зданий, сооружений и оборудования, находящихся на поверхности и предназначенных: для подъема и приема полезного ископаемого, приема и складирования породы, обеспечения (и производства) электроэнергией и сжатым воздухом, проветривания шахты, обслуживания трудящихся и для очистки шахтных вод. Трудоемкость работ на поверхности составляет 20-25% общей трудоемкости добычи 1 т угля, на обслуживании поверхностных комплексов занято до 22% от общего количества трудящихся, а 123 капитальные затраты на строительство поверхностного комплекса составляют до 30% общей стоимости строительства шахты. Требования, предъявляемые к поверхностным комплексам шахт, делятся на производственно-технологические и архитектурностроительные. К первым относятся: - бесперегрузочная доставка грузов к пунктам переработки и хранения; - непосредственная погрузка угля в подвижный состав из погрузочных бункеров; - максимальная механизация и автоматизация погрузочноразгрузочных работ; - бесперегрузочная транспортировка грузов в околоствольном дворе. К архитектурно-строительным требованиям относятся: - соответствие размеров, конфигурации и взаимного расположения зданий и сооружений принятой для шахты технологии производственных процессов и безопасным условиям труда; - экономная застройка территории с соблюдением противопожарных и санитарно-гигиенических норм; - возможность дальнейшего расширения производственной мощности шахты; - соответствие условиям индустриального строительства. Индивидуальные поверхностные комплексы старых шахт характеризуются большим количеством (до 30 и более) зданий и сооружений, что требует большой площади для промплощадки (до 10 га). Это предопределяло оставление охранных целиков больших размеров, значительную протяженность и сложность подземных и 124 наземных коммуникаций, невозможность применения современных индустриальных методов строительства. В типовых проектах поверхностных комплексов новых шахт все здания и сооружения основного и вспомогательного назначения сведены в три крупных вспомогательного ствола блока: и блок главного ствола, административно-бытовой блок комбинат (АБК). Блок главного ствола включает в себя: копер, подъемные машины, дробильно-сортировочное отделение, эстакады, обогатительную фабрику, котельную. Блок вспомогательного ствола включает в себя: копер, подъемные машины, материальный склад, склад горючесмазочных материалов (ГСМ), сыпучих материалов, компрессорную, холодильную установку, электроподстанцию, ремонтные мастерские, калорифер. АБК включает в себя: контору, нарядную, ламповую, душевую, гардероб, фотарий, медпункт, учебный пункт, библиотеку, парикмахерскую, столовую (кафе). Объекты, которые по своим технологическим особенностям и специальным требованиям не могут быть сблокированы и являются отдельно стоящими зданиями и сооружениями: лесной склад (крепежный и строительный лес, пилорама, столярная мастерская, пропиточная), террикон, аварийный склад угля, склад привозных углей, приемо-отправочный путь, вентилятор, крановая эстакада, резервуар технической воды, градирня, насосная станция и хлораторная, подземный переход, живая ограждение. 125 изгородь, искусственное Типовой поверхностный комплекс шахты представлен на рис.2.52. С 11 12 10 Ю 1 2 3 БГС 13 14 6 4 5 БВС 7 БАБК 9 8 1 – здание главного ствола; 2 – сортировка; 3 – котельная; 4 – вспомогательный ствол; 5 – блок вспомогательного ствола; 6 – лесной склад; 7 – бытовой комбинат; 8 – электроподстанция; 9 – административный комбинат; 10 – подъездные пути; 11 – аварийный склад угля; 12 – породный бункер; 13 – склад материалов; 14 – склад оборудования Рисунок 2.52 – Схема типового технологического поверхностного комплекса шахты В зависимости от принятой технологии переработки угля, типа применяемой энергии и горно-геологических условий имеется 3 варианта типовых поверхностных комплекса шахт: 1) отсутствует лесной склад, обогатительная фабрика, аварийный склад угля, мастерские среднего и капитального ремонта; 2) имеется лесной склад; 3) имеется индивидуальная обогатительная фабрика. Лесной склад отсутствует при потреблении шахтой лесоматериалов менее 50 м3 в сутки или при удалении базового склада менее 20 км. 126 Обогатительная фабрика отсутствует при наличии вблизи ЦОФ и в тех случаях, если добываемый уголь по зольности не требует обогащения. Мастерские среднего и капитального ремонтов отсутствуют при наличии вблизи ЦЭММ и рудоремонтных заводов. К промплощадке поверхностного комплекса предъявляются следующие требования: - размеры промплощадки должны быть минимально необходимыми с учетом рациональной плотности застройки и блокировки зданий; - положение промплощадки должно обеспечивать возможность расселения трудящихся невдалеке от шахты; - планировка промплощадки не должна вызывать больших объемов земляных работ; - грунты должны допускать строительство зданий без сооружения дорогостоящих оснований; - промплощадка не должна затопляться паводковыми водами; - промплощадка должна иметь возможность удобного присоединения к железнодорожной магистрали; - площадку следует располагать вне зоны подработки (за выходами пластов) или оставлять охранные целики; Нельзя располагать промплощадку на оползневых и закарстованных участках. Различают 3 компоновочные схемы технологического комплекса: - высотную, при которой материал в процессе приемки и переработки движется под действием собственного веса; 127 - горизонтальную, при которой материал от приемных до погрузочных устройств перемещается конвейерами или элеваторами. При высотной схеме достигается максимальная компактность промплощадки и с этой точки зрения она наиболее целесообразна. Однако этой схеме присущ и крупный недостаток: образуется большое количество угольной мелочи в результате дробления при транспортировании угля под действием собственного веса (высота надшахтных сооружений достигает 100 м). Поэтому окончательный выбор компоновочной схемы при проектировании определяется технико-экономическим расчетом. Территория промплощадки шахты делится на чистую и черную зоны (где выделяется пыль, дым, газ), разделенных между собой полосой зеленых насаждений. Наиболее целесообразна так называемая безбункерная погрузка угля. Безбункерная погрузка угля – это погрузка непосредственно из приемного бункера скипового вертикального ствола или с ленточного конвейера наклонного ствола в железнодорожные вагоны. В СНГ такой вид погрузки применяется редко (при подаче угля на обогатительную фабрику и только на новых шахтах) из-за суровых климатических условий и необходимости иметь на шахтных погрузочных путях неснижаемый запас порожних вагонов. Аварийный угольный склад устраивается с целью складирования угля при длительных задержках железнодорожных вагонов. Наибольшее распространение получили скреперные склады емкостью, равной 5-12 суточной добычи шахты. Терриконники (породные отвалы) бывают конические и плоские. В настоящее время в СНГ насчитывается более 2100 отвалов, 128 из них около 700 горящих. Основной причиной самовозгорания терриконников является значительное содержание в породе сернистых соединений и угля, способных к окислению под воздействием атмосферы. Под отвалами только в Донбассе занято 50 тысяч га земель. Недостатки конусных терриконников: - большая трудоемкость работ по обслуживанию, так как требуется постоянное наращивание откаточных путей и разгрузочной фермы; - самовозгораются, в результате чего выходят их строя откаточные пути и требуются большие затраты на их ремонт; - самовозгорание может приводить к взрывам терриконников с тяжелыми последствиями; - вызывают запыление и загрязнение воздуха в районе шахтной поверхности; - при транспортировании мокрой породы в зимнее время рельсовые пути и разгрузочные фермы обмерзают и терриконники выходят из строя; - занимают большие площади плодородной земли, которая могла бы использоваться в сельском хозяйстве. Наиболее прогрессивными считаются плоские отвалы, вынесенные далеко за пределы шахтной территории и жилых массивов, засыпающие балки, овраги и другие участки, не пригодные для сельскохозяйственных работ. При этом необходимо ориентироваться на создание центральных (групповых) отвалов. Высота породных отвалов определяется проектом с учетом устойчивости их откосов и несущей способности основания и должна 129 быть не более 60 м. Выбор площадки под террикон производится из расчета размещения породы за весь срок службы. Вид транспорта для доставки породы в отвал (автомобильный, канатный, конвейерный, железнодорожный или гидравлический) определяется технико-экономическим расчетом. На лесном складе применяются следующие средства механизации работ: - мостовой кран для разгрузки и складирования леса; - автопогрузчики; - механизированные линии удаления коры и распиловки леса; - механизированный узел антисептирования. В лесопропиточной и крепезаделочной выполняются следующие виды работ: - удаление коры; - пропитка деревянной крепи и шпал антисептиками; - заделка замков крепи. На поверхности шахт размещается также калориферная – помещение, оборудованное агрегатами (калориферами) для подогрева воздуха, поступающего в шахту в зимнее время, с тем, чтобы предотвратить обмерзание стволов. Кондиционеры сооружаются на шахтах, в выработках которых температура воздуха превышает санитарные нормы (260С). Градирни сооружаются на шахтах, имеющих компрессорное хозяйство, для охлаждения воды. Поверхностный комплекс и околоствольный двор взаимно увязаны между собой: откаточные выработки должны быть ориентированы по направлению продольных осей клетевых подъемов, 130 которые, в свою очередь, зависят от компоновки технологического комплекса на поверхности и расположения железнодорожной станции. Продольные оси клетей могут располагаться параллельно или перпендикулярно к железнодорожным путям шахтной станции. В первом случае стволы располагают на линии, параллельной железнодорожным путям, на расстоянии 80 м друг от друга, во втором случае расстояние между взаимно перпендикулярными осями стволов составляет – 70 и 20 м или же 50 и 55 м. Обязательным условием является ориентирование поверхностного комплекса и околоствольного двора по частям света, для чего стрелку «север – юг» необходимо проводить так, чтобы она на обоих чертежах проходила через ось главного (скипового) ствола. Совмещенный план поверхности и околоствольного двора приведен на рис.2.53. С Ю Рисунок 2.53 – Совмещенный план поверхности и околоствольного двора 131 Рекомендации НТП по проектированию поверхностных комплексов шахт: - на промплощадке шахты должны предусматриваться необходимые автопроезды и рабочие площадки с твердым покрытием, а также тротуары и озеленение; - склады угля, угле- и породопогрузочные пункты и другие объекты с интенсивным пылеобразованием необходимо располагать от воздухозаборных сооружений шахты с подветренной стороны на расстоянии не менее 100 м; - вблизи АБК необходимо предусматривать площадки для общественного и индивидуального транспорта из расчета обеспечения работающих двух максимальных смен; - склады из леса следует размещать на расстоянии не менее 80 м от воздухоподающих стволов; - предусматривать механизированную уборку территории и уход за зелеными насаждениями; - территорию поверхностного комплекса, как правило, ограждать живой изгородью из кустарников и деревьев, входящей в общую систему озеленения; заборы устраивать только вокруг территории лесного склада и крепежных материалов, вакуумнасосной, открытой электроподстанции, складов ВВ и ГСМ. 132 ЛІТЕРАТУРА 1. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов / Под общ. ред. В. И. Бондаренко. – Днепропетровск: НГУ, 2003. – 708 с. 2. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов / Под общ. ред. А. С. Бурчакова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1987. – 487 с. 3. Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов / Под общ. ред. Д. В. Дорохова. – Донецк: ДГТУ, 1997. – 385 с. 4. Бурчаков А. С., Жежелевский Ю. А., Ярунин С. А. Технология и механизация подземной разработки пластовых месторождений: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1989. – 431 с. 5. Технология подземной разработки пластовых месторождений: Учебник для вузов / Под общ. ред. А. А. Борисова. – М.: Недра, 1972. – 536 с. 6. Килячков А. П. Технология горного производства: Учебник для вузов / - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1992. – 415 с. 7. Савенко Ю. Ф. и др. Вскрытие и подготовка шахтного поля: Учеб. пособие по программному обучению / Савенко Ю. Ф., Фрумкин Р. А., Тищенко В. А. – Тула: ТПИ, 1981. – 97 с. 8. Задачник по подземной разработке угольных месторождений: Учебн. пособие для вузов / Сапицкий К. Ф., Дорохов Д. В., Зборщик М. П., Андрушко Н. Ф. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1981. – 311 с. 9. Комплексная механизация и автоматизация очистных работ в угольных шахтах / Под общ. ред. Братченко В. Ф. – М.: Недра, 1977. – 416 с. 133 10. Прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах. – М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1989. – 580 с. 11. Правила безпеки вугільних шахт. НПАОП 10.0-1.01-05. Затв. Держнаглядохоронпраці України. - Київ, 2005. - 398 с. 12. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. – М: Недра, 1976. – 303 с. 13. Основные направления и нормы технологического проектирования угольных шахт, разрезов и обогатительных фабрик. – М.: ИГД им. А. А. Скочинского, 1973. – 119 с. 14. Рекомендации по прогнозированию условий отработки лав пологих пластов Донбасса и выбору рациональных параметров их крепления / Сост.: Р. А. Фрумкин, В. Н. Окалелов и др. - Коммунарск: КГМИ, 1980. – 63 с. 15. Методические указания к лабораторному практикуму "Стоимостные параметры на горные работы" / Сост.: Фрумкин Р. А., Коробко В. И. – Алчевск: ДГМИ, 1998. – 32 с. 16. ДСТУ 3008-95. Документація, звіти у сфері науки та техніки. – Київ: Держстандарт України, 1995. – 37 с. 134