1. Схемы и способы вскрытия
1.1. Факторы, определяющие выбор схемы и способа вскрытия
Вскрытием месторождения или шахтного поля называют проведение комплекса вскрывающих выработок, которые открывают доступ с поверхности к полезному ископаемому и обеспечивают возможность проведения основных подготовительных выработок.
Различают схему и способ вскрытия шахтного поля.
Схемой вскрытия называют пространственное расположение сети вскрывающих выработок (стволы, штольни и др.) относительно границ шахтного поля.
Способ вскрытия – расположение системы вскрывающих выработок в шахтном поле относительно горизонтальной плоскости с учетом их функционального назначения.
Основными факторами, определяющими выбор схемы и способа вскрытия шахтного поля или его части, являются: число вскрываемых пластов, угол падения пластов, свойства вмещающих пород, расстояние между пластами, мощность наносов или покрывающей непродуктивной толщи, наличие плывунов и других водоносных пород, нарушенность месторождения, глубина разработки, газоносность пластов, рельеф местности, производственная мощность шахты, размер шахтного поля, срок службы шахты, уровень развития горнодобывающей техники, подготовка шахтного поля, системы разработки и схемы вентиляции и др.
Схема и способ вскрытия должны обеспечивать: рациональную разработку шахтного поля в течение всех этапов работы шахты и получение стабильной проектной добычи угля на каждом этапе; минимальный объем вскрывающих горных выработок; минимальные первоначальные капитальные затраты на вскрытие месторождения и строительство шахты; однотипность транспорта по всем горным выработкам; возможность периодического обновления горного хозяйства шахты; выемочный горизонт с достаточно большими запасами угля, чтобы промежутки между углубками стволов или изменениями элементов схемы были по возможности более длительными; концентрацию производства и грузопотоков и преимущественное применение конвейерного транспорта; максимальную производительность труда при минимальной себестоимости 1 т угля; эффективное проветривание горных выработок.
Основная задача, которая ставится перед проектировщиками угольных шахт при определении способа вскрытия месторождения и выбора места заложения стволов (вертикальных и наклонных) или штолен, – обеспечение наибольшей экономичной эффективности. Этой задаче подчинен также выбор схемы подготовки, системы разработки, средств механизации выемки и подземного транспорта.
1.2. Вскрывающие выработки
Горные выработки, используемые для вскрытия шахтных полей, делятся на главные и вспомогательные.
К главным вскрывающим выработкам относятся выработки, которые проводят с поверхности земли (вертикальные и наклонные стволы, штольни). С их помощью осуществляется вскрытие шахтного поля с поверхности. Они служат для транспортирования полезного ископаемого и породы, доставки материалов и оборудования, спуска-подъема людей, а также целей вентиляции.
К вспомогательным вскрывающим выработкам относятся слепые стволы, наклонные квершлаги, квершлаги, гезенки, скаты и другие выработки, которые служат для вскрытия пласта или свиты пластов от главных вскрывающих выработок, а также вскрытия нижних горизонтов шахтного поля.
Главные вскрывающие выработки располагаются относительно элементов залегания пласта самым различным образом.
Вертикальные стволы, как правило, пересекают пласты полезного ископаемого или размещаются в породах лежачего либо висячего бока вскрываемых пластов.
Вертикальные стволы применяют для вскрытия месторождений практически при любых мощностях и углах падения пластов независимо от мощности наносов, глубины разработки, размеров шахтного поля и производственной мощности шахты. В России примерно две трети шахтных полей вскрыто вертикальными стволами, в Германии, Великобритании и Франции – более 80%. Вскрытие вертикальными стволами получило преимущественное распространение также в Польше.
Наклонные стволы проводят обычно по пласту полезного ископаемого или параллельно ему в породах лежачего бока; в некоторых случаях они проходятся по вмещающим породам под некоторым углом к напластованию. Вскрытие наклонными стволами применяют в основном при разработке неглубоко залегающих месторождений. С ростом глубины горных работ наблюдается тенденция уменьшения доли такого вскрытия (Великобритания, Россия). В США удельный вес вскрытия наклонными стволами довольно значителен (около 20%), что объясняется благоприятными условиями залегания месторождений.
Штольни, как и наклонные стволы, можно проходить по пласту или под углом к нему в породах лежачего либо висячего бока. Горно-геологические условия угольных месторождений и рельеф местности в США позволили около 79% шахтных полей вскрыть штольнями. В США считается, что до глубины 210–240 м целесообразность вскрытия штольнями или наклонными стволами не вызывает сомнения. Только при мощности покрывающих пород свыше 210–240 м окончательное решение может быть принято после тщательного технико-экономического анализа различных вариантов вскрытия, при котором учитываются как первоначальные капитальные затраты, так и эксплуатационные расходы. В Великобритании вскрытие свит пластов штольнями получило наибольшее распространение при разработке неглубоко залегающих угольных месторождений. Пласты, залегающие на глубине до 150–180 м и пригодные для вскрытия штольнями, имеются в Шотландии.
Стволы проходят или сразу на всю глубину шахтного поля, или постепенно углубляют по мере развития горных работ. В первом случае имеет место одногоризонтное вскрытие, во втором – многогоризонтное.
Преимуществами вертикальных стволов по отношению к остальным главным вскрывающим выработкам являются: большая площадь поперечного сечения, что особенно важно при необходимости подачи в шахту большого количества свежего воздуха; меньшие расходы по обслуживанию и поддержанию; возможность совмещения в одном стволе всех необходимых транспортных операций. Недостатки вертикальных стволов: большая стоимость проходки; цикличность подъемных операций; сложность процесса углубки, создающая значительные затруднения для использования ствола в эксплуатационных целях даже при наличии специального углубочного отделения.
Наклонные стволы по типу применяющихся в них транспортных устройств подразделяются на два вида: с канатным подъемом и с конвейерной доставкой.
Ствол с канатным подъемом может иметь угол наклона в пределах 10–60°. Ниже и выше этих пределов следует проходить соответственно горизонтальные или вертикальные вскрывающие выработки.
Наклонные стволы с конвейерной доставкой имеют большую пропускную способность, лимитируемую лишь производительностью установленных конвейеров и временем их непрерывной работы. К недостаткам наклонных стволов, оборудованных конвейерами, относятся большая, чем у вертикальных стволов, протяженность и значительная трудоемкость проходки в сложных горно-геологических условиях, а также ограничения максимально возможного угла наклона стволов по условиям транспортирования конвейерами. В последнее время делаются попытки увеличить угол наклона конвейерных стволов за счет применения специальных типов конвейеров.
Направление и расположение главных вскрывающих выработок устанавливаются с учетом рельефа местности, глубины залегания пластов, их мощности и угла падения, а также свойств вмещающих пород.
Выработки, а иногда и целая сеть горных выработок от околоствольного двора до первого пересечения с вскрываемыми пластами образуют совокупность вспомогательных вскрывающих выработок. По размерам запасов, вскрываемых с помощью вспомогательных выработок, а соответственно и сроку их отработки все вспомогательные вскрывающие выработки делятся на: капитальные, служащие в течение всего срока отработки запасов шахтного поля; погоризонтные, служащие в течение времени отработки запасов горизонта; этажные, служащие в течение времени отработки запасов этажа.
Выбор вспомогательной вскрывающей выработки определяется конкретными горно-геологическими условиями (число вскрываемых пластов, угол их падения и величина междупластья).
1.3. Классификация схем и способов вскрытия шахтных полей
Классификация схем и способов вскрытия шахтных полей пластовых месторождений при подземной их разработке приведена на рис. 2.1.
Схемы вскрытия различаются:
по расположению главных вскрывающих выработок относительно границ шахтного поля;
по числу откаточных горизонтов, вскрываемых главными и вспомогательными вскрывающими выработками.
По месту расположения стволов относительно границ шахтного поля на горизонтальной плоскости различают следующие группы схем вскрытия: с центральными (центрально-сдвоенными) стволами; с центрально-отнесенными стволами; с фланговыми стволами; с отнесенными стволами; с секционными стволами.
В вертикальной плоскости главные вскрывающие выработки могут располагаться у верхней и нижней границ шахтного поля, в середине шахтного поля вкрест простирания, на каждом горизонте или этаже, через горизонт или этаж.
По числу откаточных (транспортных) горизонтов, вскрываемых главными и вспомогательными вскрывающими выработками, каждую группу схем вскрытия также можно разделить на две подгруппы: одногоризонтное вскрытие, позволяющее отрабатывать шахтное поле с одного откаточного горизонта, и многогоризонтное вскрытие с проведением вскрывающих выработок на нескольких горизонтах. Под откаточным (транспортным) горизонтом условимся подразумевать совокупность выработок, расположенных на одном уровне и предназначенных для осуществления транспортных и других операций, необходимых для ведения горных работ.
В зависимости от числа откаточных горизонтов и взаимного расположения главных вскрывающих выработок относительно границ шахтного поля можно выделить следующие схемы вскрытия:
одно- или многогоризонтные схемы вскрытия центральными стволами;
одно- или многогоризонтные схемы вскрытия центрально-отнесенными стволами;
одно- или многогоризонтные схемы вскрытия фланговыми стволами;
одно- или многогоризонтные схемы вскрытия отнесенными стволами;
одно- или многогоризонтные схемы вскрытия секционными стволами.
Подобное разделение позволяет охарактеризовать схемы вскрытия по общему виду, форме общей конфигурации и расположению главных вскрывающих выработок относительно границ шахтного поля. Однако для полного представления о вскрытии шахтного поля надо знать, что представляют собой вскрывающие выработки и какие они функции выполняют, т.е. надо знать направление вскрывающих выработок относительно горизонтальной плоскости, характер и сочетание этих выработок и их расположение по отношению к вскрываемому пласту или вскрываемым пластам, а также их функциональное назначение – способ вскрытия.
Все способы вскрытия шахтного поля можно разделить на четыре группы:
вертикальными стволами для выполнения всех транспортных и вспомогательных операций (способ вскрытия вертикальными стволами);
наклонными стволами для выполнения всех транспортных и вспомогательных операций (способ вскрытия наклонными стволами);
штольнями для выполнения всех транспортных и вспомогательных операций (способ вскрытия штольнями);
наклонным стволом (штольней) для выдачи угля и вертикальным стволом для выполнения вспомогательных операций (комбинированный способ вскрытия).
Кроме перечисленных выработок во вскрытии, как было отмечено выше, участвуют вспомогательные вскрывающие выработки. В зависимости от их направления относительно элементов залегания пластов и горизонтальной плоскости различают горизонтальные, наклонные и вертикальные вспомогательные вскрывающие выработки. По функциональному назначению они делятся на транспортные и вентиляционные.
В соответствии с классификационным признаком – направление вспомогательных вскрывающих выработок относительно горизонтальной плоскости и их функциональное назначение – каждую группу способа вскрытия можно разделить на пять подгрупп:
с горизонтальными вспомогательными вскрывающими выработками;
с наклонными вспомогательными вскрывающими выработками;
с вертикальными вспомогательными вскрывающими выработками;
без вспомогательных вскрывающих выработок;
с горизонтальными и вертикальными (наклонными) вспомогательными вскрывающими выработками.
Наличие вспомогательных вскрывающих выработок и их количество в шахтном поле определяются схемой вскрытия.
1.4. Число стволов в шахтном поле
По Правилам безопасности (ПБ), действующим в России и других странах, необходимо, чтобы на каждой эксплуатационной шахте было не менее двух отдельных выходов на поверхность, приспособленных для передвижения по ним людей. В зависимости от условий на шахте может быть также три, четыре и больше стволов. Для определения потребного числа стволов на шахте необходимо знать производственную мощность шахты, количество выдаваемых углей разных марок, газоносность угольных пластов, размеры шахтного поля, глубину разработки, схемы вскрытия и подготовки шахтного поля.
На шахтах небольшой производственной мощности может быть один ствол с одним или двумя подъемами, причем обязательно должен иметься клетевой подъем для спуска и подъема людей, транспортировки оборудования, материалов, породы. В качестве второго выхода на поверхность достаточно иметь вентиляционный шурф.
Крупные шахты обычно оборудуют скиповыми подъемами для выдачи угля, а иногда и для породы; оба подъема размещают в одном стволе. Второй ствол оборудуют клетевым подъемом для выполнения всех вспомогательных операций. При вскрытии по многогоризонтной схеме с периодической углубкой стволов и подготовкой новых горизонтов целесообразно иметь во втором стволе дополнительный подъем (клеть с противовесом) и использовать его для подготовки новых горизонтов.
На крупных шахтах, разрабатывающих значительное число пластов с углями различных марок, проводят большее количество стволов. Главный ствол оборудуют двумя скиповыми подъемами для выдачи угля. Два скиповых подъема необходимо также иметь на крупных шахтах при многогоризонтной схеме вскрытия (например, с этажными квершлагами), так как на таких шахтах в течение длительных промежутков времени возможна одновременная работа двух горизонтов. Второй ствол оборудуют скиповым подъемом для выдачи породы и лестничным отделением. В этом же стволе также можно разместить, еще резервный подъем – клеть с противовесом. В третьем стволе оборудуют двухклетевой подъем и дополнительный подъем – клеть с противовесом. Первый из них необходим для обслуживания рабочего горизонта, второй – для обслуживания вентиляционного горизонта, а также в период подготовки нового горизонта для углубки стволов.
На число стволов существенное влияние оказывают условия вентиляции, особенно на крупных шахтах. По ПБ запрещается использовать один и тот же ствол шахты или штольню для одновременного пропуска свежей и исходящей струй воздуха. Это запрещение не распространяется на время проходки стволов (штолен) и околоствольных выработок для соединения с другим стволом или вентиляционной сбойки. При большой потребности в воздухе число центральных стволов может быть увеличено до трех. Помимо этого, при разработке пологих пластов может потребоваться также вентиляционный ствол у верхней границы шахтного поля. На шахтных полях больших размеров по простиранию (особенно на глубоких шахтах) во многих случаях целесообразно иметь вентиляционные стволы на флангах.
Если шахтное поле состоит из нескольких блоков, то каждый блок или группу блоков проветривают с помощью самостоятельных стволов.
1.5. Связь схем вентиляции и вскрытия
В зависимости от числа и взаимного расположения главных вскрывающих выработок, по которым подается свежий и отводится загрязненный воздух, различают центрально-сдвоенную, центрально-отнесенную, фланговую, секционную и отнесенную схемы вентиляции (рис. 2.2).
Рис.2.2. Схемы вентиляции при различном расположении стволов в шахтном поле
При схеме I с центрально-сдвоенными вертикальными стволами (наклонными стволами или штольнями) все стволы располагаются примерно посередине длины поля по простиранию и имеют чаще всего общую промплощадку. При этом воздух поступает в шахту по вспомогательному стволу, разветвляется на крылья шахты, омывает подготовительные и очистные забои, возвращается к центру шахтного поля и отводится на поверхность по главному стволу. Расстояние между стволами 30–100 м. По ПБ запрещается подача свежей струи воздуха по стволам, оборудованными подъемами со скипами или опрокидными клетями, а также по оборудованными ленточными конвейерами наклонным стволам и выработкам за пределами выемочного участка. Эта схема применяется при незначительной глубине разработки. Ее достоинства: компактность размещения технологического комплекса на поверхности; меньшие потери угля в целике, оставляемом для охраны стволов, зданий и сооружений поверхностного комплекса; меньшие затраты времени на обеспечение проветривания за счет общешахтной депрессии; возможность использования второго ствола для углубки. Основным недостатком центрально-сдвоенной схемы проветривания являются затруднения с надежной вентиляцией выработок при разработке весьма газоносных пластов и пластов, опасных по внезапным выбросам или суфлярным выделениям метана.
В схеме II с фланговым расположением вентиляционных стволов главный подъемный и воздухоподающий вертикальные (наклонные стволы или штольни) располагаются примерно посередине длины поля по простиранию, а вентиляционные для исходящей струи воздуха – на крыльях шахтного поля у границы поля по простиранию или на некотором расстоянии от них по верхней границе. При этой схеме свежий воздух подается по центральному воздухоподающему стволу и движется по выработкам основного горизонта к очистным забоям; исходящая струя поступает в выработки вентиляционного горизонта и отводится по фланговым стволам (шурфам) на поверхность. Она обеспечивает большую безопасность ведения горных работ в связи с наличием трех и более выходов на поверхность и двух главных вентиляторов, меньшей протяженностью вентиляционной струи и меньшей общешахтной депрессией. Эта схема применяется чаще всего при неглубоком залегании месторождения и при отработке верхних горизонтов.
В зависимости от того, обслуживает вентилятор целое крыло или несколько пластов, или только один участок, различают следующие фланговые схемы: крыльевую (III), групповую (IV) и участковую (V). Недостатки фланговых схем: большие капитальные затраты, значительное удлинение сроков ввода шахты в эксплуатацию, разбросанность вентиляционных сооружений.
В схеме VI с секционным расположением стволов, применяемой при блоковом вскрытии, в качестве воздухоподающих используются обычно центральные (главные) и блоковые стволы, воздухоотводящих – центральные и фланговые блоковые стволы. Использование секционной схемы проветривания позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление шахты и площади поперечного сечения основных воздухоподающих выработок, облегчить управление распределением воздуха и проведение мероприятий по борьбе с рудничными газами и пожарами.
При схеме с центрально-отнесенным расположением стволов (схема VII) главные стволы находятся в центре шахтного поля, вентиляционный – у верхней его границы и его используют главным образом для отвода исходящей струи воздуха из шахты на поверхность. Центрально-отнесенное расположение имеет тот недостаток, что вентиляционный ствол невозможно использовать для спуска – подъема и компактно расположить технические здания на поверхности. Положительным является возможность применения рациональной прямоточной схемы проветривания выработок в бремсберговой части шахтного поля.
По схеме VIII с отнесенным расположением стволов все вертикальные и наклонные стволы располагаются примерно посередине длины поля по простиранию за пределами шахтного поля, как правило, в породах лежачего бока вскрываемых пластов. Подобная схема широко применяется при разработке крутых и крутонаклонных пластов.