Подземная геотехнология. Вскрытие и подготовка шахт учебное пособие

На выбор способа подготовки шахтного поля оказывают влияние следующие факторы:

горно-геологические – мощность и угол падения пласта, наличие крупных геологических нарушений в шахтном поле, направление основной системы трещин в породах кровли пласта и его обводненность;

горнотехнические – размер шахтного поля по простиранию, количество очистных забоев, которое надо разместить в пласте; технология ведения очистных и подготовительных работ.

Мощность пласта играет роль при проведении подготавливающих выработок по пласту без подрывки вмещающих пород (при мощности свыше 3,0–3,5), поскольку упрощается их проведение, повышаются темпы проходки и сокращаются сроки подготовки. Это в сочетании с высокой нагрузкой на очистной забой на пластах такой мощности позволяет применять простую этажную подготовку вместо, например, панельной. Этим объясняется широкое применение этажной подготовки (около 65 % всех очистных забоев) на шахтах Карагандинского бассейна (Казахстан), где преобладают пласты мощностью 1,5–3,0 м.

Угол падения оказывает существенное влияние на выбор способа подготовки. Так, при углах падения пласта до 10° возможна выемка лавами по восстанию и падению, что позволяет применять эффективный погоризонтный способ подготовки. Угол падения также ограничивает применение конвейерного транспорта угля. Поэтому при углах до 25° целесообразна панельная подготовка со сплошной конвейеризацией, а при углах свыше 25° – этажная. При горизонтальном или близком к нему залегании пластов целесообразно применение способа подготовки главными штреками.

Наличие крупных геологических нарушений в шахтном поле осложняет или делает нецелесообразным их переход очистными забоями, что вынуждает делить поле на отдельные части с границами, приуроченными к этим нарушениям. В Донбассе большинство нарушений ориентировано по падению пластов. Это обусловли-

41

вает деление шахтного поля по простиранию на панели, т. е. возникает необходимость применения панельного способа подготовки.

Направление основной системы трещин влияет на ориентацию очистных забоев, поэтому при слабых породах кровли пласта для предупреждения их обрушения в призабойной зоне очистной забой надо стремиться располагать перпендикулярно к основной системе трещин. Например, если угол падения пласта позволяет применять погоризонтную подготовку, а система трещин ориентирована по простиранию, то может оказаться (при слабых породах кровли), что более целесообразным в данном случае будет этажный или панельный способ подготовки с выемкой лавами по простиранию.

Обводненность пластов также влияет на ориентацию очистных забоев. В связи с этим на обводненных пластах для предупреждения попадания воды в очистной забой желательна выемка лавами по восстанию. Если же угол падения пласта на несколько градусов превышает предельно допустимые 10°, то отработку возможно производить диагональными столбами таким образом, чтобы пространственный угол линии забоя не превышал 10°, обеспечивая при этом возможность применения эффективного погоризонтного способа подготовки. В сочетании с мощностью пласта его обводненность также существенно влияет на выбор способа подготовки. Так, при мощности свыше двух метров и углах падения пласта до 10° выемку рекомендуется производить лавами по падению, т.е. применять погоризонтную подготовку, однако при обводненности пласта это недопустимо, отработку необходимо вести по простиранию, т.е. применять другой способ подготовки.

При больших размерах шахтного поля по простиранию резко возрастают затраты на поддержание этажных штреков, усложняется проветривание очистных забоев. В таких случаях целесообразно применять панельный способ подготовки. Для эффективного использования высокопроизводительных комплексов необходимо заблаговременно производить подготовку выемочных участковстолбов, что проще осуществить при панельной подготовке по

42

сравнению с этажной. При этом существенное влияние оказывает наличие высокопроизводительной проходческой техники, обеспечивающей скоростное проведение выработок, а это, в свою очередь, позволяет увеличить размеры панели по простиранию и при благоприятных условиях (соответствующей мощности пласта и сравнительно небольших размерах шахтного поля) применять этажную подготовку.

3.3.1. Этажная подготовка

Сущность этажного способа подготовки заключается в том, что шахтное поле по падению делится на части, вытянутые по простиранию – этажи, отрабатываемые в определенной последовательности на наклонную транспортную выработку, которой может быть капитальный бремсберг или уклон. Границами этажа являются: по падению – этажный транспортный штрек, по восстанию – этажный вентиляционный штрек, а по простиранию – границы шахтного поля [1].

На рис. 19 представлен этажный способ подготовки шахтного поля при разделении его на две выемочные ступени – бремсберговую и уклонную.

Подготавливающими выработками здесь являются: в бремсберговой ступени – капитальный бремсберг, вспомогательный бремсберг и вентиляционный ходок капитального бремсберга, а также этажные штреки; в уклонной ступени – капитальный и вспомогательный уклоны, вентиляционный ходок капитального уклона и этажные штреки.

Подготовка пласта начинается с проведения главных наклонных выработок – капитального и вспомогательного бремсбергов и вентиляционного ходка. Как правило, эти выработки проводятся сверху вниз, т. е. от верхней границы шахтного поля до горизонта околоствольного двора.

43

Рис. 19. Этажный способ подготовки: а – отработка бремсбергового поля; б – отработка уклонного поля; 1,2 – ствол соответственно главный и вспомогательный; 3 – капитальный квершлаг; 4 – капитальный бремсберг; 5 – вспомогательный бремсберг; 6 – вентиляционный ходок; 7, 8 – этажный штрек соответственно транспортный и вентиляционный; 9 – разрезная печь; 10 – вентиляционный квершлаг; 11 – вентиляционный ствол (шурф); 12 – вентиляционный ходок уклона; 13 – капитальный уклон; 14 – вспомогательный уклон; 15 – вентиляционная сбойка по пласту

44

Обусловлено это тем, что проходка вентиляционного ствола (шурфа) заканчивается раньше, чем главного и вспомогательного, из-за его значительно меньшей длины и более простого его оборудования.

Кроме того, на газоносных пластах проведение выработок сверху вниз предпочтительнее, поскольку исключаются скопления метана в подготовительных забоях.

От капитального бремсберга через определенные расстояния, равные наклонной высоте этажа, в обе стороны проводят этажные штреки. Нижний этажный штрек является транспортным, по нему также движется свежий поток воздуха. Верхний штрек вентиляционный и служит для отвода исходящего потока воздуха.

В каждом крыле этажа проводятся разрезные печи для монтажа в них забойного оборудования лав. В зависимости от принятого порядка отработки крыла этажа разрезные печи проводятся на расстоянии 40–60 м от наклонных выработок (при прямом порядке) или же у границ этажа при обратном порядке.

После отработки запасов первого этажа очистные работы ведут во втором, для чего проводят новые этажные штреки. В некоторых случаях в качестве вентиляционного используется бывший транспортный штрек вышележащего отработанного этажа.

При доработке запасов в бремсберговой ступени заблаговременно приступают к подготовке уклонного поля. С этой целью на длину наклонной высоты этажа проводят капитальный уклон и параллельно ему вспомогательный уклон и вентиляционный ходок (рис. 19, б). Работы в этажах проводят по аналогии с таковыми в бремсберговой ступени. Отличие состоит в том, что в каждом этаже сооружается водоотливный комплекс – насосная камера с водосборниками, а также электроподстанция.

Достоинства этажного способа подготовки:

– небольшой объем подготавливающих выработок по сравнению, например, с панельной подготовкой, а следовательно, мень-

45

шие первоначальные капитальные затраты и более быстрый ввод шахты (горизонта, пласта) в эксплуатацию;

–в работе находится одна транспортная выработка – бремсберг или уклон;

–отсутствует перепробег транспорта угля по этажным штрекам, поскольку уголь на всем пути от очистных забоев транспортируется в направлении середины шахтного поля, т.е. в направлении главного ствола.

Недостатки этажного способа подготовки:

–ограниченная длина линии очистных забоев в этаже, а отсюда и сравнительно небольшая нагрузка на пласт; при высоких нагрузках на забой этот недостаток смягчается;

–большая длина поддержания этажных штреков, а следовательно, большие затраты на их ремонт;

–затруднения в применении прогрессивной столбовой системы разработки при обратном порядке отработки крыла этажа из-за сложности подготовки столбов большой длины по условиям проветривания подготовительных забоев и продолжительности подготовки.

Отработка этажей в шахтном поле производится в определенной последовательности как по линии падения пласта, так и по линии простирания.

По линии падения этажи могут отрабатываться как сверху вниз, так и снизу вверх, т.е. в нисходящем или восходящем порядке,

атакже комбинированным способом (рис. 20). В подавляющем большинстве случаев применяется нисходящий порядок, что обусловливается его преимуществами, а также требованиями Правил технической эксплуатации. При нисходящем порядке отработки (рис. 20, а) обеспечиваются более благоприятные условия поддержания нижнего этажного штрека, поскольку с одной стороны у него находится нетронутый массив угля (а при обратном порядке отработки крыла этажа даже с обеих), в то время как верхний этажный штрек примыкает к выработанному пространству, что ухудшает условия его поддержания.

46

А так как нижним штреком почти всегда является транспортный (по условиям транспортирования угля по лаве и необходимости восходящего проветривания ее), то этими факторами и предопределяется нисходящий порядок отработки этажей. Кроме того, согласно Правилам технической эксплуатации (§ 24) на шахтах III категории и сверхкатегорных по метану разработка этажей (ярусов) должна, как правило, производиться внисходящемпорядке.

В уклонной ступени на шахтах не выше II категории по газу когда не предполагается дальнейшая разработка пласта ниже границы шахтного поля по падению, может оказаться целесооб разной отработка этажей в восходящем порядке (рис. 20, б), пос кольку капитальный уклон с ходками будет погашаться по мере

отработки этажей и поддерживаться в массиве угля. Восходящий порядок отработки этажей в уклонном поле нельзя применять, если не исключается возможность в будущем прирезки запасов ниже границы шахтного поля, так как разработка велась бы под затопленным выработанным пространством.

Комбинированный порядок отработки этажей (рис. 20, в)

применяется для сокращения срока ввода шахты (горизонта) в эксплуатацию. При этом первым в бремсберговом поле отрабатывают этаж, транспортный штрек которого располагается на уровне околоствольного двора и для обслуживания коренных лав не требуется проведения бремсберга. За время отработки этого этажа подготавливают капитальный бремсберг с ходками и переходят на нисхо-

47

дящий порядок отработки этажей, начиная с самого верхнего. Продолжать же отработку этажей по восстанию затруднительно по причине сложности работы вспомогательного транспорта по наклонным выработкам и условий проветривания бремсбергового поля, так как исходящая струя должна двигаться вниз по вентиляционному ходку, что допустимо для газовых шахт при углах наклона выработок не более 10° или при больших углах, но с соблюдением условий, предусмотренных § 229 ПБ.

По линии простирания отработка этажа может осуществляться прямым, обратным и комбинированным порядком (рис. 21).

Если отработка запасов в этаже ведется в направлении от капитального бремсберга или уклона к границам шахтного поля, то это называется прямым порядком отработки этажа (а),

а от границ к бремсбергу или ук-

лону – обратным (б). Комбинированный порядок отработки этажа (в) обладает признаками как прямого, так и обратного, т. е. часть крыла этажа отрабатывается прямым порядком, другая –

обратным.

Достоинствами прямого по- Рис. 21. Порядок отработки этажа:

рядка отработки этажа являются: а – прямой; б – обратный; в – ком-

бинированный

1) быстрый ввод очистных забоев в работу, обеспечивающий сокращение срока строительства шахты (горизонта) и снижение первоначальных затрат на подготовку участка; 2) возможность применения эффективных способов охраны штреков при пучащих породах почвы применением различных модификаций сплошной системы разработки, характерной для прямого порядка отработки этажа.

К недостаткам прямого порядка отработки этажа относятся следующие: 1) подготовительные и очистные работы не разделены

48

во времени и пространстве, что приводит к взаимным организационным помехам в работе; 2) в общем случае большие затраты на поддержание этажных штреков, подверженных влиянию очистных работ; 3) отсутствие детальной разведки пласта, где велика опасность геологических нарушений; 4) большие утечки воздуха через выработанное пространство, что может приводить к нарушению нормального проветривания очистных забоев, особенно при большой длине крыла этажа.

Прямой порядок отработки этажа рекомендуется применять:

–при значительных размерах шахтного поля по простиранию, особенно на тонких и весьма тонких пластах, когда проведение штреков на всю длину крыла этажа для обратной отработки затруднительно;

–наличии пучащих пород в почве пласта, когда требуется применение специальных способов охраны пластовых штреков;

–полевой подготовке пласта, т.е. при проведении этажных штреков по пустым породам.

Достоинствами обратного порядка отработки этажа являются:

1)разделение во времени и пространстве подготовительных и очистных работ, что устраняет взаимные помехи; 2) небольшие затраты на ремонт выработок, поскольку они своей рабочей частью находятся в нетронутом массиве или в зоне установившегося горного давления; 3) отсутствие утечек воздуха между транспортной и вентиляционной выработками, разделяющимися массивом угля; 4) детальная разведка пласта в пределах всего этажа, что позволяет своевременно выявить геологические нарушения и принять соответствующие решения.

Основным преимуществом комбинированного порядка отработки является возможность увеличения количества забоев в этаже. Так, при наличии в крыле этажа двух лав, из которых одна отраба-

49

тывается прямым ходом, а вторая – обратным, линия забоев увеличивается вдвое.

Поскольку комбинированный порядок отработки включает в себя и прямой, и обратный порядок, то ему в известной степени присущи достоинства каждого из них.

Кнедостаткам комбинированного порядка можно отнести:

1)ухудшение проветривания лавы, отрабатываемой прямым порядком, особенно при доработке крыла из-за сложности регулирования распределения воздуха между лавами; 2) напряженность в работе транспортного штрека, обслуживающего обе лавы, причем в одной из них одновременно ведутся очистные и подготовительные работы; 3) наличие в известной мере других недостатков, присущих прямому и обратному порядку отработки.

На практике комбинированный порядок отработки этажа применяется сравнительно редко, когда возникает острая необходимость увеличить фронт очистных забоев в этаже на пластах мощностью до 1,0–1,3 м с устойчивыми боковыми породами, не опасных по внезапным выбросам и не склонных к самовозгоранию угля.

Область применения этажного способа подготовки: небольшие размеры шахтного поля по простиранию – до 4–5 км; любые углы падения пластов, кроме горизонтальных. Нормами технологического проектирования шахт рекомендуется применять этажную подготовку на пластах с углами падения свыше 25°; любая газоносность и выбросоопасность пластов; часто – при вскрытии шахтного поля наклонными стволами.

3.3.2. Панельная подготовка

Сущность панельного способа подготовки негоризонтальных пластов заключается в том, что пласт в пределах шахтного поля делится на панели (рис. 22).

50