Системы разработки курс лекций

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

И.П. Аман

СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

Курс лекций

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

УДК 622.272 А61

Рецензенты:

доктор технических наук С.С. Андрейко (Горный институт УРО РАН);

кандидат технических наук, доцент Е.В. Челпанова (Пермский государственный технический университет)

Аман, И.П.

А61 Системы разработки: курс лекций / И.П. Аман. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 202 с.

ISBN 978-5-88151-943-8

Рассматриваются различные варианты систем разработки с длинными очистными забоями при различных схемах подготовки шахтного поля. Приводятся схемы расположения подготовительных выработок при различных системах разработки, особенности проведения и поддержания подготовительных выработок, перемещение очистных забоев, схемы транспорта добытого полезного ископаемого, схемы проветривания участков. Особое внимание уделяется требованиям правил безопасности, касающихся систем разработки. Дается оценка условий, определяющих практическое применение систем разработки.

Составлен в соответствии с действующим Государственным общеобразовательным стандартом по специальности 090200 «Разработка месторождений полезных ископаемых».

Предназначен для студентов горных специальностей.

УДК 622.272

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование» по программе Пермского государственного технического университета «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

2

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Системы разработки» является одной из основных в подготовке горных инженеров. Целью преподавания дисциплины является подготовка студентов к практической инженерной деятельности, курсовому и дипломному проектированию. Задачами дисциплины являются формирование у студентов знаний по системам разработки пластовых месторождений, формирование навыков и умений использовать полученные знания при выборе технологических решений в процессе проектирования и инженерной деятельности.

Необходимость издания данного курса лекций вызвана явно недостаточным количеством учебной литературы, имеющаяся литература издана 10–20 лет назад и значительно устарела. Как правило, в учебной литературе системы разработки излагаются разделом в общей технологии разработки месторождений полезных ископаемых. Это приводит к тому, что системы разработки рассматриваются очень сжато, не привязаны к схемам подготовки шахтного поля, не содержат анализа практического применения систем разработки, слабо иллюстрированы.

Курс «Системы разработки» базируется на всех ранее изученных специальных дисциплинах, но особенно тесно связан он с дисциплинами «Проведение горных выработок», «Процессы очистных работ», «Вскрытие и подготовка шахтных полей».

3

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ РАЗРАБОТКИ

Под системой разработки понимается определенный порядок выполнения подготовительных и очистных работ, увязанный в пространстве и во времени.

Выбор системы разработки определяется многими факторами, среди которых следует назвать: мощность и строение разрабатываемого пласта полезного ископаемого; его угол падения; крепость пород, слагающих пласт, и крепость вмещающих пород; строение непосредственной и основной кровли

иустойчивость пород, их слагающих; газоносность и обводненность пласта и вмещающих пород; нарушенность пласта

ипород; глубина разработки и др.

Система разработки должна обеспечивать:

–безопасность трудящихся, занятых на подготовительных и очистных работах;

–получение высоких технико-экономических показателей (в частности, минимальной себестоимости добычи и максимальной производительности труда);

–минимальный, научно обоснованный уровень потерь полезного ископаемого в недрах.

В настоящее время исследователями предложено довольно много классификаций систем разработки, каждая из которых позволяет классифицировать системы разработки по тем или иным важным, с точки зрения исследователя, признакам. На наш взгляд, наиболее удачную и достаточно простую классификацию систем разработки предложили ученые Московского горного института.

По этой классификации все системы разработки классифицируются по одному основному и трем дополнительным признакам. Основной признак классификации – разделение пласта на слои. По этому признаку все системы разработки делятся на две группы:

–системы разработки без разделения пласта на слои;

–системы разработки с разделением пласта на слои. Сущность систем разработки с разделением пласта на

слои заключается в том, что каждый выделенный слой разраба-

4

тывается как самостоятельный пласт. Основным фактором, определяющим отнесение системы разработки к одной из указанных выше групп, является мощность пласта. При мощности пласта до 3,5 м применяются системы разработки без разделения пласта на слои. При мощности пласта более 6–7 м применяются системы разработки с разделением пласта на слои, а при мощности пласта от 3,5 до 6–7 м возможно применение систем разработки как с разделением на слои, так и без разделения.

Системы разработки без разделения на слои часто называют системами разработки с выемкой пласта на полную мощность. При этом имеется в виду не соотношение геологической и вынимаемой мощности пласта, а лишь тот факт, что система разработки не предусматривает выделения слоев при разработке пласта.

Первым дополнительным признаком рассматриваемой классификации систем разработки является последовательность выполнения подготовительных и очистных работ. По этому признаку все системы разработки делятся:

–на системы разработки с одновременным выполнением подготовительных и очистных работ;

–системы разработки с последовательным выполнением подготовительных и очистных работ;

–системы разработки с одновременно-последовательным выполнением подготовительных и очистных работ.

Второй дополнительный признак классификации систем разработки – длина очистного забоя. По этому признаку системы разработки делятся на две группы:

–системы разработки с длинными очистными забоями;

–системы разработки с короткими очистными забоями. Следует заметить, что граница между длинными и корот-

кими очистными забоями достаточно условна. Сегодня принято считать, что очистной забой считается коротким, если его длина не превосходит 30 м. В противном случае очистной забой относится к длинным. Нормы технологического проектирования ориентируют сегодня на применение систем разработки с длинными очистными забоями, и только в тех случаях,

5

когда применение систем разработки с длинными очистными забоями невозможно, рекомендуется применение систем разработки с короткими очистными забоями.

Третий дополнительный признак классификации систем разработки – направление перемещения очистного забоя. По этому признаку все системы разработки делятся:

–на системы разработки с перемещением очистного забоя по простиранию;

–системы разработки с перемещением очистного забоя по падению;

–системы разработки с перемещением очистного забоя по восстанию;

–системы разработки с перемещением очистного забоя вкрест простирания.

Очевидно, что классификация систем разработки по третьему дополнительному признаку распространяется только на разработку пластов негоризонтального залегания. На пластах горизонтального залегания направление перемещения очистного забоя ориентируют по сторонам света.

Такова классификация систем разработки, предложенная учеными Московского горного института.

Поскольку предпочтение отдается системам разработки

сдлинными очистными забоями, начнем дальнейшее изложение материала именно с таких систем. Кроме того, сначала рассмотрим системы разработки без разделения пластов на слои, главным образом системы разработки пластов тонких и средней мощности. Следует заметить, что рассматриваемые в первую очередь системы разработки могут применяться для отработки слоев при разделении пласта на слои.

6

2. СПЛОШНЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ

Сплошными системами разработки называются системы разработки без разделения пласта на слои с длинными очистными забоями при одновременном выполнении подготовительных и очистных работ. Эти системы разработки применяются для отработки выемочных полей при этажной подготовке шахтного поля, для отработки ярусов при панельной подготовке негоризонтальных пластов, для отработки столбов при панельной подготовке горизонтальных пластов и при погоризонтной подготовке. При этом при этажной и панельной подготовке негоризонтальных пластов очистной забой при сплошных системах разработки перемещается по простиранию, а при погоризонтной подготовке – по падению или восстанию.

2.1. Сплошные системы разработки при этажной подготовке шахтного поля

При этажной подготовке шахтного поля сплошные системы разработки могут применяться в двух вариантах: с разделением и без разделения этажа на подэтажи. При применении систем разработки без разделения этажа на подэтажи в наклонной высоте этажа располагается один длинный очистной забой (лава), поэтому такие системы разработки называются «лаваэтаж».

На рис. 2.1 показан вариант сплошной системы разработки лава-этаж на пологом или наклонном падении. Сущность этой системы заключается в том, что участковый пластовый откаточный (обычно конвейерный) штрек 10 и участковый пластовый вентиляционный штрек 11 проходятся позади очистного забоя в контуре столба, отработанного лавой. Участковые штреки отстают от очистного забоя на ширину призабойного пространства лавы. Сказанное наглядно иллюстрируется разрезами по I–I и II–II на рис. 2.1. Так, на разрезе по I–I, сделанном по призабойному пространству лавы, участковые штреки отсутствуют, а на разрезе по II–II, сделанном на большем удалении от забоя лавы, уже показаны участковые штреки. Имеет место

7

своего рода парадокс: штреки – подготовительные выработки, предназначенные для подготовки лавы, проходятся позади лавы. Поскольку штреки проходятся позади лавы в контуре столба, отработанного лавой (т.е. пласт в сечении штреков уже вынут), проходка участковых штреков заключается в подрывке пород кровли или/и почвы пласта и установке штрековой крепи.

Как следует из рис. 2.1, очистные работы в лаве и работы по проходке штреков тесно связаны между собой. Нельзя допустить ни отставания забоя штреков от забоя лавы, ни приближения забоев штреков к забою лавы. Это требует четкой организации работ и значительно усложняет организацию работ в лаве и штреках.

При сплошной системе разработки участковые штреки проводятся и эксплуатируются позади лавы в выработанном пространстве, поэтому безопасной проходке и эксплуатации штреков уделяется большое внимание. В частности, необходимо обеспечить безопасное поддержание штреков позади лавы в выработанном пространстве.

На рис. 2.1 показана охрана участковых штреков бутовыми полосами 12 и 13. Бутовая полоса – это породная полоса, выкладываемая вдоль штрека. Ширина полосы составляет 6–8 вынимаемых мощностей пласта в лаве. Бутовая полоса выкладывается без применения каких-либо вяжущих веществ. Бутовая полоса выкладывается из породы, получаемой от подрывки пород кровли и/или почвы пласта. Очевидно, что чем больше мощность пласта, тем меньше породы можно получить из забоя штрека. Поэтому охрана штреков бутовыми полосами применяется при мощности пластов не более 1,2 м. При выкладке бутовой полосы наиболее крупные куски породы укладывают в стенки полосы, пространство между стенками заполняется более мелкими кусками. Иногда, если породы от проходки участковых штреков недостаточно для выкладки бутовой полосы, в выработанном пространстве лавы вдоль бутовой полосы проходят бутовый штрек. Проходка бутового штрека заключается в подрывке пород кровли пласта с целью получения породы, недостающей для выкладки бутовой поло-

9

сы. Работа по выкладке бутовых полос практически не поддается механизации и поэтому весьма трудоемка. Бутовая полоса предназначена для предотвращения опускания кровли в штреках, однако бутовая полоса имеет очень большую усадку и не позволяет сохранить штрек в рабочем состоянии на большом расстоянии позади лавы. Практически бутовая полоса позволяет сохранить штрек в безопасном состоянии на расстоянии 150–180 м от забоя лавы (в исключительных случаях – до

250 м).

Для охраны участковых штреков могут применяться и другие способы поддержания участковых штреков позади лавы, представленные, для условий пологого и наклонного падения,

на рис. 2.2 и 2.3.

На рис. 2.2, а и 2.3, а показана охрана соответственно участкового откаточного (конвейерного) и участкового вентиляционного штреков 3 в выработанном пространстве позади забоя лавы двухрядной деревянной органной крепью 4. Суть этого способа охраны штреков заключается в том, что вдоль штреков пробивается деревянная органная крепь, одноили двухрядная, а иногда и трехрядная. Поскольку прочность дерева вдоль волокон достаточно велика, то такая органная крепь представляет собой довольно жесткую конструкцию и позволяет поддерживать штреки на большей длине, чем бутовые полосы. Охрана штреков органной крепью позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию штреков на длине 300–350 м, а при особо благоприятных условиях и до 500 м. Однако очевидно, что этот способ охраны штреков требует большого расхода леса.

Рис. 2.2, б и 2.3, б характеризуют охрану штреков деревянной кустовой крепью 5. В этом случае вдоль штреков устанавливаются кусты из нескольких деревянных стоек (на рисунках показаны кусты из трех стоек). Такая охрана штреков по своим характеристикам близка к охране штреков органной деревянной крепью, несколько уменьшается расход леса. Однако в связи с тем, что кусты стоек устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга, появляется опасность попадания обрушенных пород в штреки.

10