5. Выбор схемы подготовки и определение ее

основных параметров

5.1. Действующая, резервная и общая линия очистных забоев, ее расчет и размещение в шахтном поле

Для обеспечения запланированной добычи угля, устойчивой и ритмичной работы шахты необходимо иметь определенную линию очистных забоев, под к оторой понимают суммарную длину всех лав в шахте. Она состоит из действующих, резервно-действующих и резервных забоев.

Под действующими забоями понимают такие, которые работают полное число смен по добыче угля в сутки.

Резервно-действующими называют забои, которые работают неполное число рабочих смен в сутки. Они предусматриваются для компенсации потерь добычи угля при выходе из строя или вынужденных простоях части действующих лав. По действующим в России нормам для обеспечения устойчивой и ритмичной работы шахты число резервно-действующих забоев, работающих одну смену в сутки, должно приниматься:

при разработке пластов в благоприятных горно-геологических условиях – один забой на пять-шесть действующих;

при разработке пластов в сложных и изменяющихся горно-геологических условиях – один забой на три-четыре действующих;

Резервными называют забои, оборудованные и подготовленные к работе, но не работающие и периодически вводимые в работу лишь для обновления очистной линии. Резервные забои необходимо принимать при низком уровне механизации очистных работ (отбойные молотки, буровзрывной способ с креплением забоев индивидуальной крепью).

Пологие и наклонные пласты тонкие и средней мощности. Пусть в шахтном поле одновременно разрабатывается несколько пластов и вся добыча обеспечивается только действующими очистными забоями. Тогда годовая добыча шахты будет выражаться формулой, которую можно вывести на основании рис. 3.30:

, (3.1)

где F – годовая площадь выемки на одном пласте, м²; – суммарная мощность одновременно разрабатываемых пластов, м; – средняя плотность угля в массиве, т/м³; с – коэффициент извлечения угля в очистном забое, ; h_д – действующая линия очистных забоев на каждом пласте, м; V_д – годовое подвигание линии действующих очистных забоев, м; – суммарная производительность пластов, т/м².

, (3.2)

где N – число рабочих дней в году; r – ширина вынимаемой полосы угля в забое за цикл, м; n_ц – число циклов в сутки; к – коэффициент, учитывающий влияние горно-геологических условий, . Из формулы (3.1)

, (3.3)

Если часть добычи поступает из резервно-действующих забоев, то в формулу (3.3) необходимо ввести поправочный коэффициент, т.е.

, (3.4)

где – коэффициент добычи угля из действующих забоев в общешахтной добыче, который может быть выражен как отношение числа лаво-смен в сутки действующих забоев к числу лаво-смен всех очистных забоев (действующих и резервно-действующих).

(3.5)

где n_см.д и n_см.рез – число смен по добыче в сутки соответственно действующих и резервно-действующих забоев (лав); и – соответственно число действующих и резервно-действующих забоев на шахте; – общее число очистных забоев на шахте, .

При трех сменах по добыче угля в благоприятных горно-геологических условиях , в неблагоприятных – . В расчетах следует принимать большие значения .

В случае, если часть добычи поступает из подготовительных забоев, формула для определения действующей линии очистных забоев будет иметь вид

, (3,6)

где к_оч – коэффициент, учитывающий добычу угля из очистных забоев.

При отработке тонких и средней мощности пластов длинными забоями с проведением подготовительных выработок узким забоем к_оч=1, широким – к_оч=0,9.

При лавах небольшой длины

,

где l_л – длина лавы, м; – суммарная ширина штреков (или других выработок), примыкающих к лаве, в плоскости пласта, м.

Если скорости подвигания очистных забоев по пластам различны, то необходимо принимать средневзвешенное годовое подвигание забоев в группе одновременно разрабатываемых пластов:

, (3.7)

где V_д1, V_д2, ..., V_дn – годовое подвигание действующих забоев по пластам соответственно с мощностью m₁, m₂, …, m_n, м.

После определения действующей линии очистных забоев по каждому пласту расчет продолжают в следующей последовательности.

Действующая линия очистных забоев (м) по шахте

, (3.8)

где – число одновременно разрабатываемых пластов.

Число действующих забоев по шахте при средней длине лавы l_л

. (3.9)

Суммарная длина резервно-действующих забоев на шахте

. (3.10)

Общее число забоев по шахте

. (3.11)

Длина общей линии очистных забоев по шахте

. (3.12)

Максимально возможная суточная добыча шахты (т) при условии одновременной работы всех действующих и резервно-действующих забоев с полным числом смен по добыче угля

, (3.13)

где V_сут – суточное подвигание действующего забоя, м; р'_ср – средняя производительность пласта в группе одновременно разрабатываемых пластов, т/м², .

Коэффициент резерва производственной мощности шахты по очистным работам

, (3.14)

где А_ш – суточная добыча угля на шахте, т.

Среднегодовое подвигание общей линии очистных забоев на шахте

. (3.15)

Такое подвигание надо принимать при построении календарных планов разработки пластов.

Для весьма газоносных пластов суточная нагрузка на очистной забой может ограничиваться по фактору проветривания. В этом случае расчет длины линии очистных забоев выполняют в следующей последовательности. Вначале определяют возможную по фактору проветривания суточную нагрузку на забой А_лi по каждому пласту группы. Далее принимают нормативную или рассчитывают оптимальную длину лавы l_лi по пластам. Если расстояние между пластами невелико и возможна групповая отработка пластов, то следует по возможности принимать одинаковую длину лавы по всем пластам группы. При значительных расстояниях между пластами, а также в случае подвигания по восстанию (падению) длина лав может быть различна в зависимости от горно-геологических и горнотехнических условий.

Затем рассчитывают суточное подвигание действующих забоев по пластам по формуле

(3.16)

и годовое подвигание действующей линии очистных забоев

. (3.17)

Если длина лав по пластам принята одинаковой, то расчет продолжают в следующем порядке: определяют длину действующей линии забоев по пластам h_д по формуле (3.6) и по шахте по формуле (3.8); устанавливают общее число действующих забоев по шахте по формуле (3.9), принимают число резервных забоев по шахте и т.д., как изложено выше.

Если длина лав по пластам различна, то прежде всего определяют годовые нагрузки на каждый пласт группы по формуле (при условии их равномерной отработки)

. (3.18)

Далее определяют длину действующей линии очистных забоев и число действующих забоев по пластам и шахте в целом, решают вопрос о числе резервно-действующих забоев и т.д.

В более сложных случаях, например при резком различии пластов по зольности или содержанию серы, расчет добычи по пластам производится из условия обеспечения задаваемого потребителем допустимого содержания золы или серы в отгружаемом шахтой угле.

После определения общего числа очистных забоев по шахте приступают к размещению их в пределах этажа, яруса или выемочной ступени (при погоризонтной подготовке), учитывая в каждом конкретном случае особенности вскрытия, подготовки и системы разработки.

Высоту этажа или яруса устанавливают по формуле

, (3.19)

где п_л – число лав в этаже или ярусе по линии падения; – суммарная ширина целиков в этаже или ярусе по линии падения, оставляемых у транспортных и вентиляционных штреков, а также между этажами и подэтажами или ярусами и подъярусами, м; – суммарная ширина штреков, просеков и раскосок в этаже или ярусе в плоскости пласта, м.

Схема к расчету высоты этажа (яруса) приведена на рис. 3.31.

Рис. 3.31. К расчету высоты этажа (яруса)

Пример. Определить длину линии очистных забоев, произвести ее размещение в шахтном поле и рассчитать наклонную высоту этажа (яруса) для следующих условий: производственная мощность шахты А_ш = 3 млн.т/год; число разрабатываемых пластов 3, мощностью m₁ = 0,9 м; m₂ = 1,2 м и m₃ = 1,6 м; средняя плотность угля в массиве  т/м³; угол падения пластов ; ширина захвата комбайна r = 0,63 м; число циклов в сутки n_ц = 6; число смен по добыче угля 3; длина лавы l_л = 180 м; горно-геологические условия разработки благоприятные; газоносность пластов незначительная; коэффициент извлечения угля в очистном забое с = 0,97.

Поскольку производственная мощность шахты достаточно велика, принимаем к одновременной разработке все три пласта.

Суммарная производительность пластов

 т/м².

Годовое подвигание действующих очистных забоев по формуле (3.2)

 м.

Коэффициент добычи угля из действующих очистных забоев , определяемый по формуле (3.5), принимаем равным 0,94.

Действующая линия очистных забоев:

на каждом пласте по формуле (3.6).

 м,

по шахте по формуле (3.8)

 м.

Число действующих забоев по шахте по формуле (3.9)

.

Принимаем .

Суммарная длина действующей линии очистных забоев (принятая)

 м.

Принимаем два резервно-действующих забоя, т.е.

.

Суммарная длина резервно-действующей линии забоев

 м.

Общее число забоев по шахте

.

Длина общей линии очистных забоев по шахте по формуле (3.12)

 м.

Максимально возможная суточная добыча шахты при условии одновременной работы всех действующих и резервно-действующих забоев с полным числом смен по добыче угля

 т.

Коэффициент резерва производственной мощности шахты по очистным работам по формуле (3.14)

.

Среднегодовое подвигание общей линии очистных забоев по шахте по формуле (3.15)

 м.

Поскольку число забоев на каждом пласте составляет 4, то при этажной подготовке в этаже необходимо разместить две лавы путем разделения этажа на два подэтажа. Приняв столбовую систему разработки с доставкой угля на передний участковый бремсберг, при ширине целиков над этажным транспортным и под вентиляционным штреками 25 м, между подэтажами 15 м, между этажами 20 м и средней ширине штреков 3,5 м найдем по формуле (3.19)

 м.

Округлив, принимаем  м.

При панельной подготовке все четыре забоя на пласте можно разместить в одной панели с одновременной отработкой двух ярусов, т.е. без разделения яруса на подъярусы. Приняв столбовую систему разработки лава-ярус и ширину междуярусного целика 20 м, получим

 м.

Округлив, принимаем  м.

Вопрос о том, какую же схему размещения забоев принять окончательно, необходимо решать путем экономического сравнения вариантов подготовки и системы разработки в каждой схеме.

Тонкие и средней мощности крутые пласты. Расчет длины линии очистных забоев для крутых пластов, характеризующихся специфическими особенностями разработки, следует начинать с выбора высоты этажа, которая не рассчитывается, как для пологих и наклонных пластов, а принимается из условия безопасности работ, передвижения людей и удобства обслуживания забоев. Как правило, вертикальная высота этажа Н_эт.в на практике принимается в пределах 100–130 м и редко бывает большей. Наклонная высота этажа определяется по формуле

, (3.20)

где α – угол падения пластов, градус.

Поскольку известна высота этажа, то можно легко определить длину действующей линии очистных забоев на каждом пласте. При этажной подготовке шахтного поля

, (3.21)

где – суммарная ширина целиков в этаже по падению, оставляемых у откаточного и вентиляционного штреков, м.

Ширина целиков по отдельным пластам может существенно отличаться, а в некоторых случаях целики вообще могут отсутствовать. Поэтому в расчетах следует принимать средневзвешенную ширину целиков

, (3.22)

где , , …, – суммарная ширина целиков по отдельным пластам соответственно мощностью т₁, т₂, ..., т_п, м. Если задана производственная мощность шахты, то раньше находят суммарную производительность одновременно разрабатываемых пластов, а затем из формулы (28.3) устанавливают

. (3.23)

Далее расчет продолжают в следующей последовательности.

Коэффициент одновременности разработки пластов

. (3.24)

Число одновременно разрабатываемых пластов

. (3.25)

Суммарная длина действующей линии очистных забоев

. (3.26)

Число действующих забоев

. (3.27)

Число резервных забоев

, (3.28)

где – коэффициент резерва очистных забоев, принимаемый в России равным 1,15–1,2.

Суммарная длина резервной линии забоев

. (3.29)

Суммарная длина общей линии забоев по шахте

. (3.30)

Общее число забоев по шахте

. (3.31)

Фактический коэффициент резерва очистных забоев

. (3.32)

Среднегодовое подвигание общей линии очистных забоев

. (3.33)

В том случае, если производственная мощность шахты не задана, необходимо ее определить проектом. На крутых пластах она может ограничиваться нормативным сроком службы горизонта (не менее 10 лет), а также регламентированным числом одновременно разрабатываемых пластов, которое должно составлять не более 70–75% их общего числа, а при наличии более 50% пластов, опасных по выбросам угля и газа, – не более 60% их числа.

Возможная производственная мощность шахты (т/год) из условия обеспечения нормативного срока службы горизонта t_гop.н (лет)

, (3.34)

где Z_гop – промышленные запасы горизонта, т; t_разв и t_зат – соответственно длительность развития и затухания добычи угля на горизонте, лет; суммарно она ориентировочно может быть принята равной 2–3 года, более точно устанавливается путем построения календарного плана разработки пластов на горизонте.

Возможная производственная мощность шахты из условия ограничения числа одновременно разрабатываемых пластов

, (3.35)

где к'_од – регламентированный коэффициент одновременности разработки пластов, .

Рассчитанную по формулам (3.34) и (3.35) возможную производственную мощность шахты округляют в меньшую сторону до ближайшей стандартной А_ш.г.

Пример. Определить действующую, резервную и общую длину линии очистных забоев для следующих условий: число разрабатываемых пластов п_пл = 14; их мощности т₁ = = т₃ = т₉ = т₁₃ = 0,9 м, m₂ = m₇ = m₈ = 1,2 м, т₄ = т₅ = т₁₀ = т₁₄ = 0,8 м, m₁₂ = т₆ = m₁₁ = = 1,5 м; угол падения пластов α = 65°; средняя плотность угля в массиве γ = 1,3 т/м³; ширина целиков угля над откаточными штреками пластов т₂, т₃, т₄, т₆, т₁₀ и т₁₄ равна 8 м, под вентиляционными штреками пластов т₂, т₅, т₈, т₁₁, т₁₂ и т₁₃ – 6 м; коэффициент извлечения угля в очистных забоях с = 0,94, а по шахте с_ш = 0,85; среднегодовое подвигание действующей линии очистных забоев V = 580 м; размер шахтного поля по простиранию S = 6000 м, по падению (по вертикали) – Н_в = 1200 м; восемь пластов опасны по выбросам угля и газа; подготовка шахтного поля – этажная.

Принимаем вертикальную высоту этажа Н_эт.в = 120 м, увязав ее с размером шахтного поля по падению.

Число этажей в шахтном поле

.

Наклонная высота этажа

 м

Суммарная производительность пластов

 т/м².

Суммарная средневзвешенная ширина целиков в этаже

Поскольку в условиях не задана производственная мощность шахты, определим ее.

Промышленные запасы горизонта

 тыс.т.

Возможная производственная мощность шахты:

из условия обеспечения нормативного срока службы горизонта по формуле (3.34)

 тыс.т/год;

условия ограничения числа одновременно разрабатываемых пластов по формуле (3.35)

 тыс.т.

Принимаем ближайшую меньшую стандартную мощность шахты

А_ш.г = 1500  тыс.т/год или А_ш = 5 тыс.т/сут.

Длина действующей линии очистных забоев на каждом пласте по формуле (3.21)

 м.

Суммарная производительность одновременно разрабатываемых пластов по формуле (3.23)

 т/м².

Коэффициент одновременности разработки пластов по формуле (3.24)

.

Число одновременно разрабатываемых пластов по формуле (3.25)

.

Суммарная длина действующей линии очистных забоев по формуле (3.26)

 м.

Число действующих забоев по формуле (3.27)

.

Число резервных забоев по формуле (3.28)

;

.

Суммарная длина резервной линии забоев по формуле (3.29)

 м.

Суммарная длина общей линии очистных забоев по шахте по формуле (3.30)

 м.

Общее число забоев по шахте по формуле (3.31)

.

Фактический коэффициент резерва очистных забоев по формуле (3.32)

.

Среднегодовое подвигание общей линии очистных забоев по формуле (3.33)

 м.

5.2. Определение размера панели по простиранию

Для расчета размеров панели по простиранию применяются различные методы. Наиболее распространенный из них – метод вариантов, сущность которого заключается в следующем.

Для конкретного месторождения намечается несколько технически приемлемых размеров панели по простиранию, отличающихся на 300–500 м. Далее по всем вариантам определяются затраты на проведение комплекса выработок в пределах панели, монтажно-демонтажные работы, поддержание ярусных штреков в период их проведения и во время ведения очистных работ, а также затраты на транспортирование угля по штрекам. Затраты на проведение ярусных штреков, поддержание наклонных выработок и транспортирование угля по наклонным выработкам к расчету не принимаются, так как они практически не зависят от размеров панели по простиранию.

В общем виде сумма учтенных затрат, отнесенных на 1 т промышленных запасов в пределах панели, как функция размера панели по простиранию выражается уравнением

,

где С₁, С₂, ..., С_п – затраты на проведение комплекса выработок в пределах панели, монтажно-демонтажные работы и т.д.

По данным расчета строится график зависимости суммарных затрат, отнесенных на 1 т промышленных запасов, от длины панели (рис. 3.32). Оптимальным размером панели по простиранию считается тот, при котором сумма учтенных затрат, отнесенная на 1 т промышленных запасов, будет наименьшей. Окончательно размер панели корректируется так, чтобы в шахтном поле можно было разместить целое число панелей.

Рис. 3.32. Зависимость суммарных учтенных затрат, отнесенных на 1 т промышленных запасов, от длины панели

5.3. Выбор схемы подготовки шахтного поля

Выбор схемы подготовки шахтного поля, ее параметров и конструктивных элементов относится к основным технико-экономическим вопросам, решаемым при проектировании новых шахт и горизонтов и планировании горных работ на действующих угольных шахтах. Неправильное решение этого вопроса ведет к удорожанию добычи 1 т угля, значительному увеличению первоначальных капитальных затрат на строительство шахт, ухудшению условий поддержания выработок, увеличению пожароопасности и другим неблагоприятным последствиям.

Решение задачи предполагает определение экономически целесообразной схемы подготовки и порядка отработки частей шахтного поля и пластов при рациональных схемах и параметрах технологического участка, а также установление влияния последних на характер изменения приведенных затрат. Наряду с этим требуется найти такую рациональную высоту выемочной ступени (горизонта), при которой сумма приведенных затрат на проведение выработки, их поддержание, транспортирование угля и другие работы минимальна.

Рациональная высота выемочной ступени (горизонта) шахтного поля находится путем исследования на минимум стоимостной нелинейной функции вида

где – вектор горно-геологических и горнотехнических характеристик; – вектор оптимизируемой характеристики, в данном случае высоты выемочной ступени (горизонта) шахтного поля.

Выбор схемы подготовки и порядка отработки частей шахтного поля осуществляется исходя из горно-геологических и горнотехнических условий месторождения, схемы технологического участка, способа транспортирования угля, материалов, оборудования и людей и задач по обеспечению заданного объема добычи.

Приведенные затраты по подготовке шахтного поля включают затраты:

эксплуатационные – на работы в очистном забое, проведение и поддержание горизонтальных и наклонных участковых подготовительных выработок, транспортирование по ним угля, материалов, оборудования и людей, на вентиляцию и др.;

капитальные – на оборудование и его монтаж в очистных забоях, проведение горизонтальных и наклонных выработок, оборудование подготовительных выработок, проводимых в период эксплуатации шахты, оборудование подземного транспорта (локомотивный транспорт, концевая откатка, монорельсовый транспорт, конвейерный транспорт), на транспортирование породы в период строительства шахты, горные работы исключительно или преимущественно для целей вентиляции и др.

Экономико-математическая модель задачи выбора схемы подготовки шахтного поля и ее параметров может быть охарактеризована как математическое выражение суммы учитываемых затрат, которые зависят от схемы подготовки и определяются за весь срок существования шахты, отнесенных к 1 т угля.

Задача выбора подготовки шахтного поля решается методом системно-структурного поиска рациональной схемы подготовки шахтного поля.

Первоначально ведется конструирование допустимых вариантов схем подготовки из элементов, совместимых с горно-геологическими условиями (за исключением вариантов комбинаций, в которые входят несовместимые сочетания качественных решений).

После этого ведется технико-экономическая оценка допустимых вариантов с применением ЭВМ, на основании чего устанавливается рациональная схема подготовки шахтного поля с оптимальными характеристиками.