1.3 Выбор и обоснование способа подготовки шахтного поля и системы разработки

В этом пункте необходимо выбрать способ подготовки шахтного поля и систему разработки по своим исходным данным.

Подготовкой шахтного поля называют проведение после вскрытия шахтного поля системы подготавливающих выработок, обеспечивающих условия для эффективной и безопасной выемки полезного ископаемого. Подготовку шахтного поля обычно ведут частями и по мере их отработки подготавливают следующие части.

Существует несколько способов расположения подготавливающих выработок при подготовке угольных месторождений к разработке. Каждая такая схема или способ характеризуется своими индивидуальными особенностями. Схемой подготовки шахтного поля следует считать характерное расположение объединенных с учетом функционального назначения в единый комплекс подготавливающих выработок, обеспечивающих деление шахтного поля на готовые к выемке части. Таким образом, классификационным признаком схем подготовки шахтного поля является деление его на характерные части. В соответствии с ним различают погоризонтную, панельную, этажную и комбинированную схемы подготовки шахтного поля.

На выбор схемы подготовки шахтного поля оказывают влияние ряд факторов.

Из горно-геологических факторов наибольшее влияние имеют:

• угол падения пласта;

• нарушенность месторождения

• газоносность;

а из горно-технических факторов:

• размеры шахтного поля по простиранию;

• способ проветривания

• скорость проведения подготовительных выработок;

• заданный объем добычи.

Подготовку шахтного поля обычно ведут частями и, по мере их отработки, подготавливают следующие части. Подготовка новых участков, очистных забоев и, соответственно, готовых к выемке запасов взамен отработанных, называют воспроизводством запасов, готовых к выемке.

При негоризонтальном залегании угольных пластов шахтное поле по падению делят горизонтальными плоскостями, проходящими по главным откаточным выработкам на выемочные горизонты. В зависимости от размеров, в шахтном поле может располагаться несколько горизонтов с вертикальной высотой между ними 100 - 120 метров для крутонаклонных и крутых пластов и 120 - 200 метров - для пологих и наклонных.

На пологих и наклонных пластах часть шахтного поля, расположенная выше главного откаточного штрека, называется полем по восстанию или бремсберговой частью, а ниже - полем по падению или уклонной частью.

В зависимости от размеров месторождения для его разработки могут быть построены одна или несколько шахт. В последнем случае месторождение делят на части. Часть месторождения, отведённая для разработки одной шахте, называется шахтным полем.

Рисунок. 1.1- Деление шахтного поля

Для обеспечения рациональной и экономически эффективной отработки запасов шахтное поле делят на более мелкие части.

Различают шахтные поля без деления (а) и с делением (б) на [рисунок 1.1]. Блок – это часть шахтного поля, вскрытая с поверхности как минимум двумя боковыми стволами, воздухоподающим 4 и воздухоотводящим 3. Они предназначены предназначены для обеспечения независимого (секционного) проветривания выработок, расположенных в его границах, а также спуска и подъёма людей, материалов, оборудования. Подъём полезного ископаемого и пароды осуществляется по главным стволам 1 и 2, обслуживающим все блоки и соединённым между собой магистральным откаточным штреком. Блок, в границах которого располагается главные стволы, называется центральным.

В зависимости от размеров в шахтном поле располагается два, три и более горизонтов, размер которых 100 – 1500 м.

Этажный способ подготовки. Если пласт в пределах горизонта или шахтного поля делят по падения на участки, вытянутые по простиранию, то такие участки называют этажами, а способ подготовки - этажным [рисунок 1.2].

Этажный способ подготовки в основном применяется на пластах с углом наклона более 18°.

Этаж – это часть пласта в пределах горизонта, границами которой по падению является откаточный и вентиляционный штреки, а по простиранию – границы шахтного поля. Штреки, ограничивающие этаж, называются этажные. Все этажи в пределах горизонта обслуживаются одним бремсбергом или уклоном, которые называются капитальными.

В ыемочным полем называется часть этажа по простиранию, обслуживаемая промежуточным бремсбергом или скатом (промежуточным квершлагом для крутых пластов).

Д

Рисунок 1.2- Способы деления шахтного поля на этажи панели

лина выемочного поля по простиранию для наклонных пластов 800 - 1200 м, для крутых пластов - 300 - 600 метров, вертикальная высота этажа 100 - 150 метров.

В свою очередь, выемочные поля делятся на выемочные участки. Этажи могут делится на подэтажи.

Проекция наклонной высоты этажа на вертикальную плоскость называется вертикальной высотой этажа.

Наклонную высоту этажа h_Э для пологих и наклонных пластов рассчитывают, и её величина может быть 200-450 м в зависимости от количества лав в этаже и их длине.

Панельный способ подготовки шахтного поля применяется на пологих и горизонтальных пластах. Панель – часть пласта в пределах выемочного горизонта, границами которой по падению является главный откаточный штрек и границы выемочного горизонта, по простиранию разделительные целики через 2500 - 3000 м. Размер панели по падению 1000 - 1200 м.

Преимуществом является возможность технически более просто увеличить нагрузку на пласт. Большая концентрация работ позволяет снизить себестоимость 1т угля. Создаются благоприятные условия для применения прогрессивного непрерывного конвейерного транспорта от очистного забоя до главного откаточного штрека, а также для обработки ярусов обратным ходом.

Недостатком панельного способа является необходимость проведения большего числа наклонных выработок и увеличение объема работы подземного транспорта по штрекам примерно на 20-30%.

Панель по падению делят на ярусы шириной 100 -200 м. Панель может быть однокрылой или двукрылой. Последнее - экономически выгоднее. В пределах яруса на каждом крыле панели располагают одну лаву.

Каждая панель в поле по восстанию обслуживается панельным бремсбергом, а в поле по падению - панельными уклоном

Рисунок 1.3- Панельный способ

Если пласт в приделах горизонта делят по простиранию на участки, расположенные по падению пласта от верхней границы горизонта до нижней [рисунок 1.3], то такие участки называют панелями, а способ подготовки шахтного поля – панельным. Границами панели по простиранию является границы шахтного поля и условные линии – границы смежных панелей.

П огоризонтный способ подготовки (применяют при разработке пологих пластов до 10°-12° столбами по падению и до 6°-8° - по восстанию).

Е

Рисунок 1.4- Погоризонтный способ

сли пласт в горизонта делят по простиранию месторождения на выемочные столбы (участки), вытянутые по восстанию или падению от верхней границы горизонта до нижней, то такой способ подготовки называют погоризонтным [рисунок 1.4] Границами выемочных столбов по простиранию является выемочные выработки, транспортный бремсберг (или уклон) и вентиляционный ходок. В каждом столбе размещают одну или две лавы, забои которых располагаются по простиранию и перемещаются по падению или восстанию пласта.

При высокой газоносности пластов и умеренной обводненности выемка запасов в столбе производится по падению, а при большой Водообильность - по восстанию.

Размеры столбов по падению составляют от 400 до 2600 м.

При использовании погоризонтного способа подготовки отпадает необходимость в промежуточном делении выемочного горизонта по падению. Недостатки способа связаны с дополнительными трудностями, возникающими при проведении и эксплуатации длинных наклонных выработок, особенно на шахтах, сверхкатегорных по метану.

При значительных размерах шахтного поля производят его деление на блоки (шахта Распадская).

Блок - часть шахтного поля, вскрытая с поверхности как минимум двумя блоковыми стволами, воздухоподающим и воздухоотводящим. Они предназначены для независимого (секционного) проветривания выработок в границах блока, а также спуска и подъема людей, материалов и оборудования. Подъем угля и породы осуществляется по главным стволам и центрального блока, обслуживающим все блоки и соединенные между собой магистральными откаточными штреками.

К

Рисунок 1.5- Комбинированный способ

омбинированный способ подготовки. Если пласт в пределах отдельных горизонтов шахтного поля (или одного горизонта) делят на части различными способами, то такой способ подготовки называют комбинированным [рисунок 1.5]. Его применяют при изменчивых геологических условиях залегания пластов (переменный угол залегания по линии падения, увеличение газоносности, выявление крупных геологических нарушений и другое.), а также при н еобходимости увеличения добычи шахты (особенно при её реконструкции).

Обозначение рисунков:

1- главный ствол; 2- вспомогательный ствол; 3- главный откаточный штрек; 4- бремсберг; 5- уклон; 6- выемочное поле; 7- выемочный столб; римские цифры от 1 до 6 – последовательность отработки этажей и панелей.

Факторы, влияющие на выбор способа подготовки шахтного поля:

1 – угол залегания пласта;

2- размер шахтного поля;

3 – мощности пластов;

4 – размер шахтного поля по простиранию;

5 - размер шахтного поля по падению.

Блоки, как и шахтное поле, делят на крылья и горизонты, а горизонты, в свою очередь, на панели, выемочные столбы по восстанию (падению) или же комбинируют их. Число панелей в блоке – одна, две, иногда больше. Применение этажного способа подготовки блока исключается, поскольку это противоречит сущности понятия «этаж», боковые границы которого, как отмечалось выше, совпадают с границами шахтного поля.

ВЫБОР СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

Для ведения очистных работ необходимо осуществить подготовку пласта в пределах выемочного поля. Проведение подготовительных выработок и отработку пласта можно производить разными способами.

Системой разработки называется определенный, увязанный в пространстве и времени порядок ведения подготовительных и очистных работ в пределах выемочного поля.

Выемочное поле - часть пласта, предназначенная для отработки одному участку.

На выбор системы разработки в конкретных условиях влияют как геологические, так технические и организационные факторы. К этим факторам относятся:

1. мощность и угол падения пласта;

2. тип и устойчивость боковых пород;

3. газоносность и водоносность угленосной толщи;

4. наличие геологических нарушений;

5. склонность угля к самовозгоранию;

6. возможность внезапных выбросов угля, породы, газа;

7. горные удары;

8. глубина ведения горных работ;

9. способы и средства механизации подготовительных и очистных работ и др.

Главные требования к любой системе разработки:

1. безопасность ведения горных работ - не менее 2-х выходов из очистного забоя;

2. надежность проветривания, ограничение числа тупиковых подготовительных выработок и др.;

3. экономичность - отдача прибыли при разработке, которая достигается передовой технологией и комплексной механизацией подготовительных и очистных работ;

4. минимальные потери угля;

5. охрана окружающей среды.

Системы разработки классифицируются по следующим признакам: без деления или с делением пласта на слои; с длинными или короткими очистными забоями; по порядку проведения подготавливающих горных выработок по отношению к очистному забою.

По порядку проведения подготавливающих выработок относительно очистного забоя различают системы разработки: сплошную, столбовую и комбинированную.

Каждый из этих вариантов систем разработки характеризуется направлением подвигания очистного забоя относительно элементов залегания пласта: по простиранию, падению, восстанию, диагонально и вкрест простирания.

Кроме того, могут быть различные схемы подготовки этажа или яруса к очистной выемке: с разделением и без разделения этажа на подэтажи, с пластовой или полевой как индивидуальной, так и групповой подготовкой пластов в пределах этажа или яруса, с доставкой полезного ископаемого на задний, передний или двусторонний квершлаг, бремсберг

Таблица 1.1 - Классификация систем разработки и область их применения

Порядок проведения подготовительных выработок по отношению к очистному забою	Системы разработки	Применение на пластах
		по мощности, м	по углу падения, град
Без разделения на слои. С длинными забоями			До 18
Одновременный	Сплошная	До 2,0
	Сплошная	До 1,2	18-90
Последовательный	Столбовая
	1. Длинные столбы по простиранию	До 6,0	0-35
	с обрушением (ДСО)	До 3,5	36-90
	2. Длинные столбы по падению (восстанию) при погоризонтной схеме	До 5,0	0-12
	3. Длинные столбы по простиранию с выемкой по падению под щитовым перекрытием - щитовая система разработки	1,2 - 10,0	30-90
Одновременно	Комбинированная
последовательный	1. Парными штреками	До 2,0	До 18
	2. С разворотом механизированных комплексов	До 6,0	До 12
С разделением на слои. С длинными забоями
Последовательный	Столбовая
	1. Горизонтальные слои с обрушением	>8	40-90
	2. Наклонные слои с обрушением	>3,5	0-90
	3. Горизонтальные слои с закладкой	>3	40-90
	4. Наклонные слои с закладкой	>3,5-9	40-60
	5. Поперечно-наклонные слои с закладкой	>8	40-60
	6. Комбинированная с гибким перекрытием	>5	35-65
Без разделения а слои с короткими забоями			40-90
Последовательный	1. Коротко - забойная система - КЗС	3,5-10
	2. Камеры с обрушением со	3,5-10	0-40
	скрепированием
	3. Камерно - столбовая	1,5-3	До 15

Сплошные системы разработки

Сущность сплошной системы разработки состоит в одновременном ведении очистных и подготовительных работ в выемочном поле. При этом лава и забои подготовительных выработок движутся в одном - в прямом направлении от вскрывающих выработок к границе поля.

Одновременное ведение очистных и подготовительных работ позволяет уменьшить срок ввода в эксплуатацию очистных забоев и частично исключить выдачу породы из подготовительных выработок, за счет ее размещения в выработанном пространстве.

Сплошную систему разработки применяют в основном на тонких пластах мощностью до 1,2 м с любым углом падения, на пластах с мощностью до 2 м - на пологом падении.

Рисунок 1.6 – Сплошная система разработки лава – этаж:

а - с охраной этажных штреков бутовыми полосами: б- с охраной конвейерного штрека целиками угля: 1 - конвейерный бремсберг: 2 - людской ходок; 3 - конвейерный штрек; 4 -просек; 5 - лава, 6 - вентиляционный штрек; 7 - бутовая полоса

Лава - этаж - разновидность сплошной системы разработки, при которой в этаже имеется один прямолинейный, расположенный по линии падения пласта забой)

Вентиляционный штрек обычно проводят вслед за лавой, а конвейерный (откаточный) штрек обычно опережает лаву на 150-200 м.

Для ограждения штреков от влияния горного давления и уменьшения утечек воздуха через выработанное пространство у штреков возводятся бутовые полосы шириной не менее 6 м или оставляют целики угля, в этом случае проводят параллельную выработку - просек.

В зависимости от наклонной высоты этажа (яруса) в его пределах может размещаться несколько очистных забоев (обычно не более двух). Такой вариант сплошной системы разработки называется с делением этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы).

При применении сплошной системы разработки на крутых пластах забой лавы, расположенный по линии падения пласта, может иметь уступную форму (для выемки угля применяют отбойные молотки), или прямолинейную (используют узкозахватные комбайны).

Для поддержания откаточного и вентиляционного штреков оставляются целики угля или выкладывают бутовые полосы.

Достоинства – раздельное ведение очистных и подготовительных работ, поддержание подготовительных выработок в угольном массиве, возможность доразведки пласта в период подготовки столба.

Недостатками сплошной системы являются: зависимость очистных работ от подготовительных; трудность поддержания подготовительных выработок рядом с выработанным пространством; невозможность доразведки пласта при подготовке выемочного участка.

Столбовые системы разработки

Столбовая система разработки отличается от сплошной независимым ведением подготовительных и очистных работ в пределах выемочного поля. До начала очистной выемки все подготавливающие выработки, оконтуривающие выемочный столб, должны быть проведенына всю его длину.

Столбовые системы разработки применяются при любых способах подготовки шахтных полей. При этом очистной забой может двигаться по простиранию, падению и восстанию пласта, а также диагонально. Забой имеет обычно прямолинейную форму.

Достоинствами столбовой системы разработки являются основные недостатки сплошной системы: отработка подготовленного столба обратным ходом - от границы участка к вскрывающим выработкам позволяет погашать часть выработок; имеется возможность доразведки выемочного поля подготовительными выработками; разделение подготовительных и очистных работ в пространстве позволяет более полно использовать механизацию подготовительных и очистных работ; в случае возникновения пожара имеется возможность изоляции его путем возведения герметичных перемычек.

Недостатки столбовых систем разработки:

большой объем подготовительных работ до начала очистных работ;

наличие тупиковых подготовительных выработок в период их проведения;

трудности с проветриванием, очистного забоя на сопряжении его с вентиляционным штреком.

Система разработки длинными столбами по простиранию может применяться при панельной и этажной схемах подготовки.

Область применения: пологие и наклонные пласты мощностью от 0,6 до 6 м; крутонаклонные и крутые пласты мощностью от 1,2 до 10 м.

Подготовленный этаж или ярус отрабатывают на всю наклонную высоту - этот вариант системы называется «лава -этаж» - или делят его на два (в отдельных случаях на три) подэтажа (подъяруса) - вариант системы с разделением на подэтажи (подьярусы).

Столбовая система разработки «лава - этаж» (лава -ярус) применяется, когда наклонная высота этажа (яруса) принимается равной 100 - 300 м, а длина столба - 1-2 км.

При панельной подготовке шахтного поля в панели могут располагаться две лавы - по одной на крыло - или одновременно отрабатываются два яруса и располагаются

четыре лавы - по две на крыло, по одной в каждом ярусе.

Я русы отрабатываются независимо, каждая из лав обслуживается двумя штреками, своими транспортными средствами и имеет обособленное проветривание.

Рисунок 1.7 - Система разработки длинными столбами по простиранию

На рисунке 1.7 панель вскрыта наклонными стволами. При слабых вмещающих породах и при отработке пластов, склонных к самовозгоранию угля, ярусные штреки проводятся спаренными. Верхний конвейерный штрек оборудуется ленточным конвейером с установкой под лавой специального перегружателя. По мере отработки лавы этот штрек погашается.

Штрек, расположенный на 6 - 8 м ниже конвейерного, оборудуется рельсовыми путями и первоначально используется для вспомогательного транспорта. При переходе очистных работ на нижерасположенный ярус этот штрек становится вентиляционным.

В комплексно-механизированных лавах, где обеспечивается высокая нагрузка на забой, целесообразно на крыле панели располагать в работе одну лаву, так как это обеспечивает ее обособленное проветривание.

Столбовая система разработки с делением этажа на подэтажи применяется в тех случаях, когда этаж невозможно отработать одной лавой.

Этаж (ярус) разделяют по падению на две, очень редко на три части, которые отрабатываются соответственно двумя или тремя лавами. Смежные части подэтажей (ярусов) отделяются друг от друга промежуточными штреками, которые могут быть одиночными или парными в зависимости от схемы проветривания.

При этажной подготовке этаж разделяется не только по падению на подэтажи, но и по простиранию на выемочные поля. На пологих пластах длина поля по простиранию составляет 600-1000 м. Каждое выемочное поле обслуживается своим участковым бремсбергом.

Системы разработки длинными столбами по падению или восстанию

Они применяются при погоризонтной схеме подготовки шахтных полей на пластах с углом падения до 10°. Отработка столбов ведется очистными забоями, подвигаемыми по падению или восстанию пласта.

Направление подвигания зависит от горно­геологических условий: при значительной мощности и газообильности пласта целесообразно подвигание по падению, при больших притоках воды - по восстанию.

Рекомендуемая область применения: по восстанию-пласты мощностью 0,7 -2м при породах кровли не ниже средней устойчивости и глубине разработки до 1200 м; по падению - пласты мощностью до 4,5 м при породах кровли от неустойчивых до устойчивых и глубине разработки до 900 м.

Выемочные участки располагаются между откаточными и вентиляционным горизонтами. Подготовка первого выемочного участка осуществляется в проведении двух бремсбергов между главными откаточным и вентиляционным штреками в бремсберговом поле или уклонов - в уклонном поле.

Достоинства рассмотренной системы разработки: постоянство длины лавы при сложной гипсометрии пластов, возможность отработки сильно обводненных участков при варианте столбами по восстанию.

Недостатки системы: большой объем наклонных выработок, проведение и эксплуатация которых в сопоставимых условиях дороже, чем горизонтальных; сложнее осуществлять транспорт по наклонным выработкам.

Для столбовых систем разработки характерно проведение подготовительных и нарезных выработок до начала очистных работ, которые полностью оконтуривают запасы угля в пределах выемочного поля, столба или яруса.

При сплошной системе разработки проведения подготовительных выработок и очистная выемка угля в пределах выемочного поля, яруса, слоя производятся одновременно, т. е. без предварительного оконтуривания запасов.

При комбинированных системах разработки для отработки запасов выемочного поля, горизонта или ярусов в панели применяют одновременно или последовательно сплошную и столбовую системы разработки или их варианты. При этом отработка выемочных столбов производится независимо.

Основное отличие дополняется рядом признаков, которые характеризуют не столько систему разработки, сколько её варианты.

Первый признак – технология очистной выемки угля [рисунок 1.8]

По этому признаку системы разработки разделяются на следующие группы: 1 – с длинными забоями (лавами и полосами); 2 – с короткими забоями (камерами).

С

Рисунок 1.8- Первый-признак

истемы разработки группы 1 делятся на две подгруппы: А – системы разработки пластов на полную мощность; Б – системы разработки пластов с разделением на слои примерно одинаковой или разной толщины.

Второй признак – общее направление перемещения очистного забоя при выемке полезного ископаемого по отношению к элементам залегания пластов [рисунок 1.8.].

В

Рисунок 1.9 - Второй признак

соответствии с этим признаком на рисунок 1.9 представлены варианты столбовой системы разработки длинными столбами по простиранию (а), падению (б) и восстанию (в), которые отличаются друг от друга только направлением перемещения очистного забоя, а взаимное расположение горных выработок остаётся неизменным. Третий признак – технологическая схема подготовки этажа или яруса к очистной выемке [рисунок 1.10]. Схемы эти могут быть самые различными, например: с разделением и без разделения этажа на подэтажи, с пластовой или полевой как индивидуальной, так и групповой подготовкой пластов в пределах этажа или яруса, с доставкой полезного ископаемого на задний, передний или двусторонний квершлаг, гезенк, бремсберг.

О

Рисунок 1.10 - Третий признак

сновного отличия и трех перечисленных признаков, рассматриваемых совместно, достаточно для полной характеристики системы разработки.

Факторы, влияющие на выбор системы разработки.

На выбор рациональной системы разработки и ее элементы влияют многие горно – геологические и горнотехнические факторы.

Мощность пластов влияет на технологию очистной выемки и на проведение подготовительных выработок. Угол падения пласта влияет на способ транспортирования угля вдоль очистного забоя: при углах падения до 30-350 необходимы механические средства, при больших углах - уголь перемещается под действием собственного веса.

Свойства вмещающих пород обрушаться или плавно прогибаться влияют на выбор способа управления горным давлением и средствам механизации очистной выемки, а их устойчивость предопределять расположение подготовительных выработок по пласту или по пустым породам.

Геологические нарушения усложняют разработку месторождения и принимаются во внимание при выборе как системы разработки и её элементов, так и средств комплексной механизации очистных работ с учётом переходимости этих нарушений.

Взаимное расположение пластов в свите влияет на очередность их выемки, особенно при разработке сближенных пластов, и на способ их подготовки - совместный или раздельный.

Наличие воды в очистном забое снижает производительность труда, повышает опасность работы. Поэтому месторождение необходимо предварительно осушить.

Газоносность пластов может лимитировать длину лавы, основного элемента системы разработки, а также нагрузку на очистной забой.

Кливаж – естественная трещиноватость горных пород по параллельным поверхностям, не совпадающим с плоскими напластования. В результате горные породы и уголь более легко отделяются от массива по кливажным трещинам.

Самовозгорание угля происходит при его окислении и протекает тем интенсивнее, чем сильнее уголь в целиках разбит трещинами. Механизация производственных процессов. С появлением высокопроизводительных средств механизации выемки и транспортирования угля на пологих пластах появилась возможность вести работы в лавах большой длины и повысить нагрузку на забой. В результате сложные варианты систем разработки заменяются простыми, сокращается число одновременно действующих лав.