3. Вскрытие шахтных полей наклонными стволами и штольнями

3.1. Вскрытие наклонными стволами

Первоначально, когда угольные пласты имели выход на поверхность и залегали на небольшой глубине, вскрытие шахтных полей наклонными стволами применялось довольно широко. В дальнейшем, с ростом глубины разработки, этот способ вскрытия стал терять свое значение в связи с заменой его вскрытием вертикальными стволами.

В последнее время интерес к вскрытию наклонными стволами вновь возрос, чему способствовали увеличение производственных мощностей шахт, концентрация и интенсификация горных работ, потребовавшие внедрения непрерывного вида транспорта угля – конвейерного, от очистного забоя до поверхности.

На шахтах с большими размерами полей обычно проходят три наклонных ствола – один главный и два вспомогательных. С увеличением размеров полей и производственной мощности шахты число стволов возрастает. Проведение значительного числа наклонных стволов обусловлено, как правило, необходимостью эффективного проветривания горных выработок. При разработке свиты пластов в качестве вспомогательных вскрывающих выработок чаще всего используются капитальные или этажные квершлаги.

Стволы проходятся в основном по пласту. При угле его падения до 18° главный ствол оборудуют конвейерами, при большем угле – скиповым подъемом. В последнем случае одноступенчатый транспорт возможен на расстоянии до 1000 м. При конвейерном транспорте наклонный ствол может иметь практически любую длину.

Последовательность отработки шахтного поля, вскрытого наклонными стволами, показана на рис. 2.19. К сдаче шахты в эксплуатацию стволы должны быть пройдены на расстояние, равное наклонной высоте первого этажа. По мере его отработки стволы углубляют до откаточного горизонта следующего этажа. Откаточный штрек первого этажа после его отработки служит в качестве вентиляционного для второго этажа.

Рис.2.19. Последовательность отработки шахтного поля, вскрытого наклонными стволами:

1 – наклонные стволы; 2, 3 – соответственно вентиляционный и откаточный штреки; 4 – лавы; I – II – этажи

При пологом или горизонтальном залегании пластов и небольшой глубине от поверхности вскрытие можно осуществлять двумя наклонными стволами, пройденными по породам. Один ствол оборудуют конвейером, другой – канатной откаткой.

В горной местности с большим перепадом абсолютных отметок рельефа в пределах шахтного поля наклонными стволами вскрывают также верхние этажи при наклонных и крутых пластах, добиваясь полной конвейеризации транспорта угля от забоя до места погрузки в железнодорожные вагоны.

Наклонными стволами может быть вскрыто также шахтное поле, включающее свиту пластов. Наклонные стволы проходят по нижнему пласту свиты, а вышележащие пласты вскрывают квершлагами или гезенками. Подобный способ вскрытия имеет довольно широкое распространение на шахтах Великобритании. При этом во многих случаях наклонные стволы начинают проходить со дна ранее действовавших разрезов (карьеров).

Широко применяется вскрытие наклонными стволами в США, чему способствуют неглубокое залегание месторождений и благоприятный рельеф местности. Как правило, стволы оборудуют конвейерами, в связи с чем угол их наклона не превышает 18°. Наиболее распространенная форма поперечного сечения стволов – арочная. Поперечное сечение ствола разделено на два отделения: верхнее и нижнее. В верхнем отделении располагают конвейер, в нижнем – рельсовые пути. Такое техническое решение позволяет уменьшить ширину ствола и повысить тем самым его устойчивость. Стволы крепятся анкерами и бетоном.

Достоинства вскрытия наклонными стволами: возможность полной конвейеризации транспортирования угля от забоя до мест отгрузки его потребителям; большая пропускная способность ствола, оборудованного конвейером для выдачи угля; меньший срок строительства шахты и меньшие первоначальные капитальные затраты, чем при вскрытии вертикальными стволами; возможность доразведки шахтного поля и получения дополнительных данных о горно-геологических условиях месторождения.

Основные недостатки вскрытия шахтных полей наклонными стволами: большая по сравнению с вертикальными длина при вскрытии одного и того же горизонта; небольшая пропускная способность стволов при канатной откатке; повышенные затраты на поддержание и обслуживание стволов.

Наклонные стволы проходятся буровзрывным и комбайновым способами. Выбор того или иного способа определяется крепостью пород, по которым проводится выработка.

Буровзрывной способ применяется при проходке стволов по крепким породам. Шпуры бурятся бурильными машинами на пневмоподдержках и бурильными установками (бурильные машины, установленные с помощью манипуляторов на буровых каретках). Бурильные машины – вращательного и вращательно-ударного действия. Первые применяются при бурении шпуров по породам с коэффициентом крепости f<8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, вторые – при f>8.

Для современных бурильных установок характерны следующие особенности:

компоновка различных модификаций установок из небольшого числа унифицированных узлов и агрегатов;

высокая производительность за счет применения более мощных и тяжелых бурильных машин и высокопрочного бурового инструмента;

широкое внедрение гидравлического привода в бурильных машинах вращательного и вращательно-ударного действия, обеспечивающего увеличение мощности машин и улучшение регулирования режимов бурения;

применение манипуляторов с параллельным перемещением бурильной машины, податчиков с автоматическим ускоренным возвратом бурильной головки и т.д., позволяющее сократить затраты времени на подготовительные и вспомогательные операции;

использование элементов автоматизации и оснащение бурильных установок централизованными пультами управления.

Погрузка взорванной породы при проходке наклонных стволов осуществляется в основном погрузочными машинами и скреперными установками. В Германии, Франции и Великобритании преимущественно используют ковшовые погрузочные машины с боковой разгрузкой ковша.

Меньшее распространение имеют погрузочные машины с нагребающими лапами в основном из-за более высокой стоимости. Вместе с тем наметилась тенденция к расширению их применения, в частности в Германии, чему способствовало повышение износостойкости рабочих органов машин.

В отдельных странах широко используются скреперные установки.

В России для сооружения наклонных выработок (стволов) применяют проходческие комплексы, механизирующие все основные процессы при сооружении выработок: бурение шпуров, погрузку породы и крепление. В качестве временной крепи используются металлические или железобетонные анкеры, а также металлические арки. Постоянная крепь – монолитный бетон. Возведение постоянной крепи осуществляется одновременно с ведением проходческих работ при отставании от забоя на 50–60 м. Бетонная смесь приготовляется на земной поверхности и доставляется к месту работ в бетоновозках или по трубам. Опалубка передвижная – многопанельная или односекционная.

Для России, Украины, Великобритании, США, Польши, Германии и других стран характерен все возрастающий масштаб применения проходческих комбайнов для проходки наклонных выработок (стволов).

Наибольшее распространение нашли комбайны избирательного действия со стреловидным исполнительным органом, причем некоторые из них, как, например, выпускаемые в Германии комбайны, могут проходить выработки с площадью поперечного сечения 10–35 м² при коэффициенте крепости присекаемых пород более 8. Общим направлением в развитии комбайнов избирательного действия является создание таких машин, которые способны проходить выработки по породам с пределом прочности на сжатие до 100 МПа. Считается, что использование комбайнов, избирательного действия рентабельно при скорости проведения выработок 150 м/мес.

Отдельные образцы проходческих комбайнов бурового действия в принципе доказали свою работо- и конкурентоспособность по отношению к проходке буровзрывным способом при проведении выработок большой протяженности и коэффициенте крепости пород более 8. Однако целесообразность их применения требует технико-экономического обоснования в каждом конкретном случае. Это вызвано большой трудоемкостью монтажа-демонтажа комбайнов в связи с их значительной массой, сложностью установки крепи непосредственно у забоя, затруднениями с проветриванием забойной части выработки из-за ее загроможденности и рядом других факторов.

3.2. Вскрытие штольнями

В районах с холмистой или гористой местностью шахтные поля можно вскрывать штольнями, проходимыми в зависимости от расположения выходов пластов на поверхность непосредственно по пласту или породам.

При выборе места заложения штолен необходимо учитывать следующие факторы: наличие промплощадки достаточных размеров у устья для размещения поверхностного комплекса шахты; возможность подведения дорог к промплощадке и устьям выработок, выходящих на поверхность; меры по предотвращению оползней и затопления шахты паводковыми и ливневыми водами; исключение снежных заносов и камнепадов, а также замерзание вытекающей из штольни воды в зимнее время; преобладающее направление ветров и др.

Для этого устья штолен закладываются выше максимального уровня паводковых и ливневых вод, наблюдавшихся в течение ближайших 50 лет (если нет более давних наблюдений). Склоны выше уровня штольни должны быть достаточно устойчивы от сползания, защищены от горных обвалов и снежных лавин, причем в необходимых случаях под ними должны оставляться целики. Устья всех выработок на поверхности необходимо охранять нагорными водоотводными канавами. Зимой утепляется водоотводная канава в устье штольни.

Достоинства вскрытия штольнями: отсутствие механического подъема угля на поверхность и средств водоотлива при отработке запасов, расположенных выше уровня штольни; простота организации проветривания выработок при небольшой мощности насосов.

При пологих пластах часть поля, расположенная выше уровня штольни, может быть отработана через бремсберги, а ниже – через уклоны. Размеры надштольневой части шахтного поля определяются рельефом местности и углом падения пластов.

Большое применение способ вскрытия штольнями нашел в США. В частности, он использован при вскрытии одной из крупнейших в США шахт «Мосс» № 3, расположенной в Виргинии. Запасы угля в шахтном поле превышают 135 млн.т, а мощность шахты – 22 тыс.т/сут.

При наклонных и крутых пластах помимо штолен проводятся вспомогательные вскрывающие выработки – этажные квершлаги и слепые стволы и гезенки (рис. 2.20). Со склона горы до пересечения с пластами проводят главную и вспомогательную штольни. Дальнейшее вскрытие поля производится с помощью этажных квершлагов и слепых стволов (гезенков).

Рис. 2.20. Вскрытие шахтного поля штольней с этажными квершлагами, слепыми стволами и гезенками:

1 – штольня; 2 – слепой ствол; 3 – этажные квершлаги; 4 – шурф; 5 – гезенк

Для выпуска на поверхность исходящей воздушной струи на верхнем этаже оставляются участковые бремсберги (скаты). Отработку этажей желательно вести от границ шахтного поля к штольням. Основная промплощадка шахты располагается у устья штольни. Однако расположение основной промплощадки в висячем боку свиты вызывает необходимость оставления под ней больших целиков.

Преобладающим способом проходки штолен остается буровзрывной. Вместе с тем все большее распространение получает комбайновый способ проходки с использованием комбайнов как избирательного, так и бурового действия. Ведутся работы по созданию проходческих комплексов, механизирующих не только основные (разрушение породы и погрузка горной массы), но и вспомогательные процессы и операции производственного цикла. В перспективе совершенствование комбайновых комплексов связывают главным образом с автоматизацией их управления.