1 Назначение выработки и горно-геологические условия её проведения

В разделе приводится краткое описание принятой к проектированию горной выработки: назначение, длина, срок службы, глубина заложения, оснащение выработки средствами механизации, количество воздуха проходящее по выработке в период эксплуатации, ожидаемое метановыделение и обводненность.

Приводится структурная колонка пересекаемых пород, которая представлена на рисунке 1. Структурная колонка заполняется в соответствии с данными, приведенными в задании на проектирование [2]. При отсутствии значений по слоям, они не вычерчиваются, но последовательность обозначений соблюдается. Допускается выполнение без соблюдения масштаба.

Рисунок 1 - Структурная колонка пересекаемых пород

2 Выбор формы поперечного сечения выработки и вида горной крепи

Основными факторами, определяющими форму поперечного сечения выработки, являются физико-механические свойства горных пород, назначение и срок службы выработки, материал крепи, положение выработки в пространстве, размеры поперечного сечения выработки, величина и направление горного давления [3,4, 5].

В зависимости от указанных факторов горные выработки имеют различные формы поперечного сечения. В производственной практике для горизонтальных и наклонных выработок наибольшее распространение получили формы поперечного сечения:

• арочная, (сводчатая) (при значительном горном давлении в слабых горных породах);

• трапециевидная (при умеренном горном давлении);

• прямоугольная.

В меньшей степени применяются круглая, эллиптическая и полигональная формы.

Арочная форма с металлической рамной крепью применяется при проходке выработок в породах с коэффициентом крепости f = 3 ÷ 9, находящихся в зоне установившегося горного давления, а также в зоне влияния очистных работ при отсутствии пучащих пород в почве. Достоинство арочной формы заключается в том, что по своей конфигурации она приближается к своду естественного равновесия, что уменьшает растягивающие напряжения в кровле и, следовательно, горное давление.

Трапециевидная (прямоугольная) форма позволяет при прочных породах кровли использовать их несущую способность, проще обеспечивать поддержание сопряжения выработки с очистным забоем, более эффективно использовать крепи усиления на сопряжении в виде обычных гидравлических или деревянных стоек. При этой форме в случае нижней подрывки пород существенно улучшается состояние кровли на сопряжении с лавой. Однако, как показывает отечественный и зарубежный опыт, с увеличением глубины разработки область возможного применения трапециевидной формы сокращается, и на больших глубинах более рациональной является сводчатая (кольцевая) форма выработок.

Перспективным направлением в поддержании подготовительных выработок является при­менение в соответствующих условиях анкерной крепи как самостоятельной, так и как вспомога­тельной или усиливающей традиционную крепь [8, 9].

С учётом конкретных горно-геологических и горно-технических условий подбирается ра­циональная форма сечения проектируемой выработки. При этом выбор должен сопровождаться кратким обоснованием.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ВЫРАБОТКИ

3.1 Общие положения

Согласно требованиям [10] поперечное сечение горной выработки должно соответствовать типовым сечениям. Основным параметром выработки является площадь поперечного сечения в свету, которая определяется расчетом по факторам:

- габарита подвижного состава и оборудования с учетом минимально допустимых зазоров;

- величины усадки крепи после воздействия горного давления;

- пропуска воздуха с допустимой скоростью струи;

- безремонтного содержания выработки в течение всего периода эксплуатации.

Подбор типового сечения проектируемой выработки производится в следующей последовательности:

1) с учетом принятой формы и вида крепи вычерчивается схема поперечного сечения с размещением в нем транспортных средств и механизмов в соответствии с заданием на проектирование;

2) пользуясь расчетной схемой сечения выработки, определяется минимально необходимая ширина выработки в свету на высоте 1,8 м от уровня почвы или балластного слоя В_min;

3) по рассчитанной минимальной ширине выработки на высоте 1,8 м, по таблицам параметров крепей (Приложение В) предварительно подбираем требуемое типовое сечение;

4) предварительно принятое типовое сечение проверяется по минимальной площади поперечного сечения и допустимой скорости воздушной струи в соответствии с требованиями правил безопасности [10] и Строительными нормами и правилами (СНиП) по проектированию поперечного сечения [11] и руководящего (керівного) документа КД12.01.01.201-98 [12].

По результатам проверок окончательно принимается решение по выбору типового сечения выработки (Приложение В, [13]), параметры которого приводятся в таблице 3.1.

3.2 Определение ширины выработки

Определение ширины выработки производится в соответствии с габаритами подвижного состава и оборудования, принятое на период эксплуатации, тип которого определен заданием на проектирование, с учетом минимально допустимых зазоров. Габариты подвижного состава и оборудования приведены в приложении Г.

Ширина в метрах В_min определяется в свету, на высоте 1,8 м от почвы или балластного слоя (тротуара) в соответствии с расчетной схемой графическим способом. Сущность графического способа состоит в следующем.

Выбирается схема размещения подвижного состава и оборудования в выработке. Возможные варианты схем приведены на рисунке 3.1.

а)

б)

в)

Рисунок 3.1 – Схема размещения подвижного состава и оборудования в выработке

а) с рельсовым транспортом

б) с рельсовым и конвейерным транспортом

в) с монорельсовым транспортом

На бумагу наносятся габариты принятого оборудования, размещаемого в выработке, минимальные зазоры и расстояния между отдельными механизмами, оборудованием и постоянной крепью выработки в виде засечек. Пример выполнения приведен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Пример выполнения нанесения засечек

Наносится уровень почвы выработки или уровень балласта на высоте 1800 мм от уровня верхней кромки подвижного состава. Балластировка выработки производится при наличии в выработке рельсового пути. При ширине колеи рельсового пути 900 мм высота балластного слоя h_б = 200 мм; при ширине колеи рельсового пути 600 мм высота балластного слоя h_б = 190 мм.

Затем определяют ширину выработки В_min в свету на уровне 1,8 м от почвы или балластного слоя (тротуара).

Пример выполнения приведен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Пример выполнения нанесения уровня почвы выработки

Ширина в метрах В_min в свету для выработок с различным оборудованием определяется суммированием ширины транспортных средств и требуемых зазоров. Ширину В_min можно определить по формулам:

• с колесно-рельсовым транспортом (рисунок 3.4)

В_min = m + k  A + p + n, м;

• с конвейером и рельсовым (рисунок 3.5) или монорельсовым (рисунок 3.6) транспортом

В_min = m + С + p + A + n, м;

где m – зазор между крепью подвижным составом, монорельсовой дорогой или конвейером, м;

k – число рельсовых путей в выработке;

А – ширина подвижного состава, м;

p – зазор между подвижным составом, конвейером или сосудом монорельсовой дороги, м;

n – ширина прохода для людей, м;

С – ширина става конвейера, м.

h_к – уровень верхней кромки подвижного состава или конвейера, м.

Рисунок 3.4 – Расчетная схема для определения ширины выработки с колесно-рельсовым транспортом

Рисунок 3.5 – Расчетная схема для определения ширины выработки с конвейером и рельсовым транспортом

Рисунок 3.6 – Расчетная схема для определения ширины выработки с монорельсовым транспортом

Величина зазоров и проходов определяется правилами безопасности [10] в зависимости от типа выработки и вида транспорта находящегося в ней на высоте не менее 1,8 м от почвы (тротуара).

Минимальные величины прохода и зазора между крепью и наиболее выступающей частью подвижного состава должны быть не менее 0,7 м и 0,25 м при рамных крепях не менее 0,7 м и 0,2 м при сплошной бетонной, каменной и железобетонной крепи. Зазор между наиболее выступающими кромками габаритов встречных электровозов (вагонеток) должен быть не менее 0,2 м.

Во всех выработках, оборудованных конвейерной доставкой, ширина прохода должна быть с одной стороны не менее 0,7 м, зазора − 0,4 м. Расстояние от верхней выступающей части конвейера до верхняка должно быть не менее 0,5 м, а от натяжных и приводных головок до верхняка − не менее 0,6 м.

При монорельсовом транспорте расстояние между днищем сосуда или нижней кромкой перемещаемого груза и почвой выработки должно быть не менее 0,4 м. Проход между наиболее выступающей частью сосуда и крепью должен быть не менее 0,7 м (0,85 м при скорости более 1 м/с), и зазор − не менее 0,2 м (0,3 м при скорости более 1 м/с).

Габаритная ширина транспортных средств принимается из технических характеристик оборудования (Приложение Г). При определении ширины подвижного состава с различным эксплуатируемым оборудованием принимается то транспортное средство, ширина которого является большей.

3.3 Выбор типового сечения выработки

3.3.1 По минимальной ширине выработки

Предварительный выбор типового сечения по ширине выработки производится из условия:

В_min ≤ в₁;

где в₁ – ширина выработки в свету на высоте 1,8 м после осадки, м.

По значению ширины выработки в свету на высоте 1,8 м после осадки (в₁) предварительно определяется типовое сечение выработки для трехзвенной крепи (Приложение В1). В результате выбора из таблицы выбираются значения:

• сечения выработки в свету после осадки S₁, м²;

• высоты выработки в свету после осадки Н₁, м.

3.3.2 По минимальным размерам сечения выработки

Поперечные сечения горизонтальных и наклонных выработок должны соответствовать их типовым сечениям. В соответствии с действующими правилами безопасности минимальные площади поперечных сечений горных выработок в свету после осадки S_min при минимальной высоте Н_min устанавливаются:

− для главных откаточных и вентиляционных выработок, а также людских ходков, предназначенных для механизированной перевозки людей − 9 м² при высоте не менее 1,9 м от почвы (головки рельсов) до крепи или размещенного в выработке оборудования;

− для участковых вентиляционных, промежуточных, конвейерных и аккумулирующих штреков, участковых бремсбергов и уклонов − 6 м² при высоте не менее 1,8 м;

− для вентиляционных просеков, печей, косовичков и других выработок − 1,5 м².

Для участковых выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, и для людских ходков, не предназначенных для механизированной перевозки людей, минимальная площадь поперечного сечения допускается 4,5 м² при их высоте не менее 1,8 м.

Проверка предварительного принятого сечения и высоты выработки проверяются по условиям:

S₁ ≥ S_min ; Н₁ ≥ Н_min.

3.3.3 По допустимой скорости движения воздуха в выработке при эксплуатации

По допустимой скорости движения воздуха в выработке при эксплуатации определяется по условию:

v_min ≤ v_р = v_max, м/с;

где v_min – минимальная по ПБ скорость движения воздуха в выработке, м/с. В соответствии с «Правилами безопасности» минимальная допустимая скорость движения воздуха должна соответствовать:

• в призабойных пространствах очистных выработок всех шахт и в тупиковых выработках газовых шахт должна быть не менее 0,25 м/с;

• в шахтах III категории и выше в тупиковых выработках проектной длиной 75 м и более, проводимых угольными пластами мощностью 2 м и более, при разнице между естественной и остаточной метаноностности пласта на участке проведения выработки 5 м³/т и выше - не меньше 0,5 м/с;

• во время прохождения и углубления вертикальных стволов и шурфов, в тупиковых выработках негазовых шахт и в остальных выработок, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, на всех шахтах, кроме камер - не менее 0,15 м/с.

• минимальная скорость воздуха в камерах не регламентируется.

v_р – расчетная скорость движения воздуха в выработке, м/с;

Q – расход воздуха в выработке в период эксплуатации, м³/мин;

S₁ – площадь поперечного сечения выработки в свету после осадки, м²;

v_max - максимальная по ПБ скорость движения воздуха в выработке, м/с. В соответствии с «Правилами безопасности» максимальная допустимая скорость движения воздуха должна соответствовать:

• вентиляционные скважины - не ограничена;

• стволы и вентиляционные скважины с подъемными установками, предназначенными только для подъема работников в аварийных случаях, вентиляционные каналы - 15 м/с;

• стволы для спуска и подъема только грузов - 12 м/с;

• кроссинги трубчатые и типа перекидных мостов 10 м/с;

• стволы для спуска и подъема работников и грузов, квершлаги, главные откатные и вентиляционные штреки, капитальные и панельные бремсберги и поклоны – 8 м/с;

• все другие горные выработки, проведенные по углю и породе - 6 м/с;

• призабойные пространства очистных и тупиковых выработок - 4 м/с.

По результатам проверок принимается решение по выбору типового сечения выработки, параметры которого приводятся в таблице 3.1.

Таблица 3. 1 – Параметры поперечного сечения выработки

Наименование параметров	Символ	Значение
1	2	3
Типовое сечение	S, м2
Размеры сечения выработки, м: - в проходке: высота	Нпр
ширина	Впр

Продолжение таблицы 3.1

1	2	3
- в свету: высота до осадки	Н
после осадки	Н1
ширина по почве: до осадки	В
после осадки	В1
на высоте 1,8 м: до осадки	в
после осадки	в1
Площадь сечения, м2: в проходке	Sпр
в свету: до осадки	S
после осадки	S1