Подземная геотехнология. Вскрытие и подготовка шахт учебное пособие

выработки, то такое выемочное поле называют двусторонним (двукрылым), если с одной стороны – то односторонним (однокрылым). Размер выемочного поля по простиранию равен 400–600 м.

На пологих и частично наклонных, до 20–25° пластах, выемочную ступень по простиранию делят на панели (рис. 3,б). Панель – часть шахтопласта, ограниченная по падению границей шахтного поля и транспортным горизонтом или двумя смежными транспортными горизонтами, а по простиранию – границей шахтного поля и условной границей с другой панелью или двумя такими границами. Каждая панель обслуживается самостоятельными транспортными и вспомогательными наклонными выработками. Эти выработки называют панельными. Один транспортный горизонт, как правило, обслуживает несколько панелей. Если уголь в пределах панели транспортируют сверху вниз, то такая панель называется бремсберговой, если снизу вверх – уклонной. Бремсберги и уклоны соответственно называют панельными. Каждая панель представляет собой выемочное поле. По аналогии с выемочным полем панель может быть двукрылой (двусторонней) и однокрылой (односторонней). Размер двусторонней панели по простиранию составляет 1500–2000 м и имеет тенденцию к увеличению.

Панели делят по падению на более мелкие части – ярусы. Ярус – одновременно разрабатываемая часть панели. Он ограничен по простиранию границами панели, а по падению ярусными конвейерным и вентиляционным штреками. Иногда ярусделятнаподъярусы.

Деление на панели применяют при больших размерах шахтного поля по простиранию и большой производственной мощности шахты.

При делении шахтного поля на этажи и панели очистные забои, как правило, располагаются по падению, а перемещаются по простиранию пласта.

На пластах с углами падения до 10–12° и значительным расстоянием по падению между транспортными горизонтами выемочные ступени делят на столбы, вытянутые по падению или восстанию (рис. 3, в). В этом случае очистной забой располагается по простиранию, а перемещается по падению или восстанию пласта.

11

При значительных размерах по простиранию (8–10 км) и большой производственной мощности, когда не обеспечивается проветривание через один воздухоподающий ствол, шахтное поле по простиранию делят на блоки (рис. 3, г). Блок – часть шахтного поля, имеющая сеть воздухопроводящих выработок, обеспечивающую независимое проветривание. Она характеризуется самостоятельным комплексом горных работ. На пологих и наклонных пластах каждый блок имеет воздухоподающий и вентиляционные стволы, используемые дня самостоятельного секционного проветривания своих выработок и вспомогательных транспортных операций. Таких блоков в пределах шахтного поля может быть несколько. Шахта, построенная по такому принципу, имеет общий главный ствол, по которому осуществляется выдача угля на поверхность. Все блоки шахтного поля имеют один общий транспортный горизонт. Размер блока по простиранию равен 3–4 км. На пологих пластах в пределах блока могут быть размещены одна или две панели. Характерным примером является шахта «Распадская».

При групповой подготовке, применяемой при разработке мощных крутых пластов, блоком считают свиту пластов в пределах части этажа, ограниченную смежными промежуточными квершлагами, проводимыми с полевого штрека.

12

2. ВСКРЫТИЕ ШАХТНОГО ПОЛЯ

2.1. Вскрывающие выработки

Горная выработка – сооружение в недрах земли или на ее поверхности, созданное в результате ведения горных работ и представляющее собой полость в породном массиве.

Вскрывающие выработки обеспечивают доступ к полезному ископаемому с поверхности. Они подразделяются на основные и дополнительные. К основным вскрывающим выработкам относят те, которые имеют непосредственный выход на земную поверхность: вертикальные или наклонные стволы, штольни и шурфы. Основные вскрывающие выработки, по которым осуществляется выдача полезного ископаемого на поверхность, называются главными, а предназначенные для других целей (спуск-подъем людей, материалов и оборудования и др.) – вспомогательными. Вспомогательные вскрывающие выработки не имеют непосредственного выхода на земную поверхность. К ним относятся квершлаги, гезенки, слепые стволы, капитальные бремсберги и уклоны. Выбор типа дополнительной вскрывающей выработки зависит от конкретных горно-геологических условий, основными из которых являются: число вскрываемых угольных пластов, их угол падения, величина междупластия.

Вертикальные стволы как вскрывающие выработки в большинстве случаев пересекают пласты. При вскрытии крутонаклонных и крутых пластов их в большинстве случаев располагают за пределами угольных свит. Преимущества вертикальных стволов заключаются в следующем: большое сечение обеспечивает пропуск необходимого количества воздуха в шахту; меньше затраты на поддержание и обслуживание; возможность совмещения в стволе различных транспортных операций. Основные недостатки: большие затраты на проходку; цикличность подъемных операций; сложность процесса углубки.

13

При вскрытии наклонными стволами их проводят либо по пласту, либо по пустым породам в лежачем боку свиты. Иногда их проводят по вмещающим породам под углом к напластованию. Обычно стволы имеют угол наклона, обеспечивающий транспортирование угля на поверхность конвейерами. Поэтому наклонные стволы, обеспечивающие поточный транспорт угля от забоя до поверхности, характеризуются большой пропускной способностью, лимитируемой производительностью конвейера. К недостаткам наклонных стволов как вскрывающих выработок следует отнести их большую протяженность; трудоемкость проходки в сложных горно-геологических условиях; большие затраты на поддержание.

Наиболее простым и экономичным является вскрытие штольнями. Применяемое в специфических условиях, оно имеет ограниченное применение.

Главные вскрывающие выработки необходимо располагать таким образом, чтобы обеспечивались минимальные затраты на транспорт полезного ископаемого, поддержание и проветривание горных выработок.

Дополнительные вскрывающие выработки подразделяются на следующие типы (в зависимости от срока их службы):

капитальные (служат весь срок отработки запасов шахтного

поля);

горизонтные (служат в течение времени отработки запасов между смежными транспортными горизонтами – пологое падение);

этажные (служат в течение времени отработки запасов одного этажа).

Наиболее распространенной дополнительной вскрывающей выработкой является квершлаг. Следовательно, с точки зрения вскрытия различаюткапитальные, горизонтныеи этажные квершлаги.

14

2.2. Общая характеристика вскрытия пластовых месторождений

При описании вскрытия пластовых месторождений принято различать способ и схему вскрытия, в основу которых положено наличие основной и дополнительной вскрывающих выработок [4, 6].

Способ вскрытия – совокупность основных вскрывающих выработок в шахтном поле относительно транспортного горизонта с учетом их функционального назначения. Различают четыре способа вскрытия: вертикальными стволами, наклонными стволами, штольнями и комбинированный, представляющий собой сочетание первых двух или трех способов.

Схема вскрытия – пространственное расположение сети основных и дополнительных вскрывающих выработок в шахтном поле. Различают следующие основные схемы вскрытия:

по числу транспортных горизонтов – одногоризонтные и многогоризонтные. В первом случае шахтное поле отрабатывают с одного транспортного горизонта, что исключает углубку шахтных стволов, во втором – с проведением вскрывающих выработок на двух и более горизонтах, что вызывает необходимость углубки стволов;

по типу дополнительных вскрывающих выработок – без дополнительных вскрывающих выработок; с квершлагами (капитальными, горизонтными, этажными); с гезенками (капитальным и этажным); со слепыми стволами.

Кроме перечисленных схем вскрытия встречаются многие их разновидности.

Основными факторами, влияющими на выбор способа вскрытия шахтного поля, являются:

горно-геологические – мощность и угол падения пластов; число пластов в шахтном поле и расстояния между ними; мощность наносов, наличие в них плывунов и рельеф поверхности; глубина залегания пластов и их газоносность; нарушенность месторождения и др.;

15

горнотехнические – производственная мощность шахты, размеры шахтного поля, способ подготовки и системы разработки, уровень развития горнопроходческой техники и др.

Рис. 4. Возможные варианты вскрытия

Конкретно влияние перечисленных выше факторов проявляется в следующем. Чем больше суммарная мощность разрабатываемых пластов, тем интенсивнее оседания поверхности. Для защиты зданий и сооружений, а также стволов от подработки приходится оставлять больших размеров охранные целики, что приводит к значительным потерям угля. Чтобы снизить потери, иногда приходится располагать стволы за пределами шахтного поля, что приводит к увеличению объема проведения вскрывающих выработок. Мощность пластов и их взаимное расположение в свите предопределяет

16

выбор места расположения главного ствола по линии вкрест простирания пород.

При горизонтальном или близком к нему залегании свиты пластов исключается возможность применения вскрытия горизонтальными квершлагами, наиболее удобными в эксплуатации. Приходится применять менее удобные в работе наклонные квершлаги или гезенки, при которых усложняется вспомогательный транспорт. На крутых и крутонаклонных пластах из-за сложности вспомогательного транспорта по наклонным выработкам почти всегда применяется вскрытие этажными погоризонтными квершлагами, при котором наклонные подготавливающие выработки не проводятся, а большое число горизонтов в шахтном поле обусловливает необходимость производить периодически углубку стволов и подготовку новых горизонтов.

Чем больше пластов в шахтном поле и больше расстояния между ними, тем больше длина дополнительных вскрывающих выработок. В таких случаях приходится решать вопрос, что лучше – проводить большой длины горизонтальные квершлаги, имеющие эксплуатационные преимущества, или более короткие наклонные квершлаги или гезенки, но более трудоемкие в проведении и дорогостоящие в эксплуатации.

Наносы, как правило, являются рыхлыми неустойчивыми породами. Для поддержания выработок в таких породах требуется возведение специальных крепей, например железобетонных или тюбинговых. Наносы часто бывают обводнены, содержат гидрофильные коллоиды, что предопределяет их большую подвижность (плывучесть). Для проведения выработок по ним применяются специальные дорогостоящие способы проходки, например, с замораживанием пород. По этим причинам при мощных наносах нецелесообразно производить вскрытие шахтного поля наклонными стволами.

Рельеф поверхности влияет на выбор места расположения промплощадки под строительство шахты и, естественно, главных

17

стволов, что может не совпадать с их оптимальным расположением и приводить к дополнительным капитальным и эксплуатационным затратам. В гористой или холмистой местности возможно вскрытие шахтного поля наиболее дешевым способом – штольнями.

Чем больше глубина залегания пластов, тем больше затраты на вскрытие и тем выше удельные затраты на строительство шахты. Для снижения удельных затрат увеличивают запасы в шахтном поле путем увеличения его размеров, а это обусловливает необходимость разделения шахтного поля по простиранию на блоки и вскрытия их самостоятельными вскрывающими выработками. Такой способ вскрытия получил название блочного. Большая глубина исключает применение вскрытия наклонными стволами.

Большое влияние на выбор способа вскрытия шахтного поля имеет газоносность пластов. С возрастанием газоносности требуется подавать в шахту большее количество воздуха, а это приводит к необходимости увеличивать сечения вскрывающих выработок либо проводить дополнительно вентиляционные или воздухоподающие стволы, или применять блочное вскрытие.

Нарушенные месторождения, характеризующиеся наличием сбросов, сдвигов, надвигов, изменением углов залегания пластов и др., вскрываются, как правило, комбинированными способами. Количество и виды вскрывающих выработок и места их расположения определяются в каждом конкретном случае, учитывая характер нарушения, руководствуясь при этом достижением наименьших потерь угля, надежностью проветривания всех его частей и минимальными затратами на капитальные работы и эксплуатацию.

Чем выше производственная мощность шахты, тем большее количество воздуха для проветривания необходимо подавать в шахту, а это часто вызывает необходимость проведения дополнительно вентиляционных стволов. Кроме того, возрастает объем работы вспомогательного транспорта. Наклонные стволы с канатным подъемом не могут справиться с большим объемом вспомогательных работ. Более предпочтительными для этих целей являются вертикальные стволы.

18

Вместе с тем для выдачи угля на особо крупных шахтах используются наклонные стволы, оборудованные высокопроизводительными ленточными конвейерами. Отсюда возникает необходимость применения комбинированных способов вскрытия для крупных шахт – вертикальными и наклонными стволами.

При больших размерах шахтного поля по простиранию для обеспечения надлежащего проветривания часто проводятся фланговые вентиляционные стволы и дополнительные выработки (квершлаги) для соединения с пластами. При значительных размерах шахтного поля по падению применяют многогоризонтные способы вскрытия.

Вскрытие шахтного поля наклонными стволами, пройденными по пласту или по породе параллельно напластованию, применяется преимущественно при этажной подготовке, а при проведении наклонных стволов вкрест простирания – также при панельном и погоризонтном способах подготовки.

При комбинированных системах разработки с прямоточным проветриванием на флангах панели или шахтного поля проводятся фланговые наклонные вентиляционные выработки и нередко фланговые вентиляционные стволы и квершлаги, что и предопределяет особенности вскрытия шахтного поля.

Высокопроизводительная горнопроходческая техника позволяет проводить высокими темпами выработки и снижать стоимость их проведения, что дает возможность применять более совершенные способы вскрытия. Например, в Германии освоено проведение вертикальных гезенков большого сечения методом бурения, что позволило широко применять способ вскрытия погоризонтными квершлагами и этажными гезенками, при котором отпадает необходимость в проведении бремсбергов, уклонов и ходков по пластам. В свое время отсутствие в нашей стране высокопроизводительной техники создавало трудности в углубке стволов и подготовке новых горизонтов. Поэтому широко применялось одногоризонтное вскрытие со ступенчатыми уклонами со всеми их недостатками.

19

Основными требованиями при выборе схемы вскрытия являются: минимальный объем вскрывающих горных выработок; минимальные первоначальные капитальные затраты на строительство шахты; однотипность транспорта полезного ископаемого по всем горным выработкам; возможность периодического обновления горного хозяйства шахты; обеспечение выемочной ступени достаточно большими запасами угля с целью увеличения промежутка между углубками стволов; обеспечение надежного проветривания шахты.

Выбор схемы вскрытия месторождения является одной из важнейших задач при проектировании шахты. Окончательно выбирается та схема, которая в большей мере отвечает условиям данного месторождения и удовлетворяет принятым критериям. Задача решается методом отбора конкурентоспособных вариантов по установленному алгоритму.

2.3. Вскрытие вертикальными стволами

2.3.1.Расположение вертикальных стволов

вшахтном поле

При проектировании шахты большое внимание уделяется правильному выбору места заложения стволов шахты, поскольку это влияет:

–на суммарную длину главных выработок, а следовательно, затраты на их проведение и поддержание;

–расходы на транспорт и проветривание выработок;

–потери полезного ископаемого в охранных целиках около стволов.

Расположение главного ствола по падению пласта теоретически может быть в любой точке шахтного поля: А – у верхней границы, В – у нижней границы и С – где-то в средней части (рис. 5).

20