Основные вопросы геологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Классификация объектов освоения месторождений полезных ископаемых. Общие сведения об элементах залегания угольных пластов, рудных залежей

Полезное ископаемое - природное минеральное образование земной коры неорганического и органического происхождения, которое может быть использовано в сфере материального производства.

Месторождение полезного ископаемого - это его естественное скопление в земной коре по количеству, качеству и условиям залегания пригодное для промышленного освоения. По физическому состоянию различают полезные ископаемые твердые (уголь, руды металлов, горнохимическое и строительное сырье и др.), жидкие (нефть, минеральные воды) и газообразные (горючие газы).

Твердые полезные ископаемые по промышленному назначению и характеру использования в народном хозяйстве подразделяются на:

- горючие, или топливо - уголь, горючие сланцы, торф;

- металлические - руды металлов (железные, медные, алюминиевые, золотые и др.);

- неметаллические - сера, поваренная соль, апатит и др.

Принято также подразделять полезные ископаемые на рудные и нерудные. Отличительной чертой рудных ископаемых является необходимость дальнейшей их переработки для извлечения содержащихся в них полезных компонентов.

Все запасы полезного ископаемого в пределах месторождения называют геологическими. По народнохозяйственному значению геологические запасы подразделяются на две группы: балансовые и забалансовые.

Балансовые запасы - это запасы, которые удовлетворяют промышленным кондициям, т.е. экономически выгодны для разработки.

Забалансовые запасы вследствие низкого содержания полезного компонента, малой мощности рудных тел, сложности условий их разработки непригодные для использования в настоящее время, но могут рассматриваться как объект промышленного освоения в будущем.

Промышленные запасы - часть балансовых запасов, которая должна быть извлечена из недр по проекту или плану развития горных работ (определяется исключением из балансовых запасов потерь).

Потери - часть балансовых запасов полезного ископаемого, не извлеченная из недр при разработке месторождения, добытая и направленная в породные отвалы, оставленная в местах складирования, погрузки и транспортирования.

Различают общешахтные (общерудные) и эксплуатационные потери. К общешахтным потерям относят потери в охранных целиках около капитальных горных выработок, под зданиями, техническими и хозяйственными сооружениями, водоемами, в барьерных целиках между шахтными полями. К эксплуатационным относят потери, имеющие место непосредственно в процессе разработки, зависящее от принятых систем и технологии добычи.

Разработка месторождения полезного ископаемого - комплекс работ по вскрытию, подготовке месторождения к очистной выемке полезного ископаемого. Разработка месторождения полезного ископаемого может производится открытыми, подземными и комбинированными горными работами, а также специальными геотехнологическими методами (например, подземное выщелачивание солей, подземная выплавка серы, подземное сжигание углей).

Промышленное предприятие, предназначенное для разработки или разведки месторождений полезных ископаемых, называют горным предприятием. Горное предприятие, осуществляющее добычу угля подземным способом, называют шахтой. Горное предприятие, осуществляющее добычу руды подземным способом, называют рудником. Горное предприятие, осуществляющее добычу угля открытым способом, называют разрезом. Горное предприятие, осуществляющее добычу руды открытым способом, называют карьером.

Каменный уголь - твердое горючее полезное ископаемое растительного (частично животного) происхождения, содержащее некоторое количество минеральных примесей, в земной коре залегает пластами.

Пластом принято называть геологическое тело, сложенное однородной осадочной породой, ограниченное двумя приблизительно параллельными поверхностями и занимающее значительную площадь. Пласт имеет три измерения: длину, ширину и толщину, которые называют соответственно его простиранием, падением и мощностью кроме того, различают линию простирания, линию и угол падения пласта.

Линией простирания называют линию, образующуюся при пересечении поверхности (кровли или почвы) пласта с горизонтальной плоскостью.

Простирание пласта определяется азимутом направления линии простирания. Азимут - угол между плоскостью магнитного меридиана в заданной точке, лежащий в пределах месторождения, и вертикальной плоскостью, проходящей через данную точку и линию простирания.

Падение пласта или его наклон к горизонтальной плоскости измеряется углом падения б, образованным линией падения и ее проекцией на эту плоскость.

Положение пласта (залежи)в толще пород определяется элементами залегания в данной точке с координатами х, у, z (простиранием, азимутом), падением (угол падения) и мощностью, а также глубиной залегания.

По углу падения угольные месторождения подразделяются на:

- пологие до 18°;

- наклонные 18-35°;

- крутонаклонные 35-55°;

- крутые 55-90°.

По мощности угольные месторождения подразделяются на:

- весьма тонкие до 0,5 м;

- тонкие 0,5-1,3 м;

- средней мощности 1,3-3,5 м;

- мощные более 3,5 м.

По углу падения рудные месторождения подразделяются на:

- горизонтальные и пологопадающие до 20°;

- наклонные 20-50°;

- крутопадающие более50°.

По мощности рудные месторождения подразделяются на:

- весьма тонкие до 0,7 м;

- тонкие 0,7-2,0 м;

- средней мощности 2,0-5,0 м;

- мощные более 5,0-20,0 м;

- весьма мощные более 20 м.

Различают истинную мощность - расстояние по нормали между кровлей (висячем боком) и почвой (лежачем боком) пласта (залежи). Горизонтальная мощность - расстояние по горизонтали между кровлей и почвой пласта. Вертикальная мощность - расстояние по вертикали между кровлей и почвой пласта. Средняя мощность - от деления объема пласта на площадь соответствующей проекции контура пласта. Полная (общая) мощность измеряется от кровли до почвы со всеми породными прослойками. Полезная мощность равна сумме всех мощностей всех пачек (слоев) полезного ископаемого. Вынимаемая (рабочая или эксплуатационная) мощность - равна сумме мощностей пачек (слоев) полезного ископаемого и прослойков породы, вынимаемых при разработке. Вынимаемая полезная мощность равна сумме мощностей фактически вынимаемых пачек (слоев) полезного ископаемого.

3.Комплексы подземных горных выработок

Вертикальные горные выработки

Шахтные стволы - выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность и предназначенные для обслуживания подземных работ.

Гезенк - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и предназначенная для спуска угля с верхнего горизонта на нижний под действием собственного веса, для передвижения людей, канализации воздуха и пр.

Слепой ствол - выработка, не имеющая выхода на земную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ (подъема полезного ископаемого, вентиляции, спуска и подъема людей).

Шурф - выработка небольшого сечения и глубиной до 50-60м, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и предназначенная для разведки полезного ископаемого или для обслуживания подземных работ (спуска крепежного леса, вентиляции, подачи закладного материала и др.).

Скважина - выработка, пройденная выбуриванием горных пород, имеет круглое сечение диаметром от 100 мм и длиной более 5м.

Горизонтальные горные выработки

Штрек - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая по простиранию пласта или залежи полезного ископаемого. Штрек, проводимый по породам или по пласту нерабочей мощности, называют полевым.

Квершлаг - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая по пустым породам в крест простирания или под углом к простиранию месторождения.

Просек - выработка, проводимая параллельно штреку по пласту полезного ископаемого, иногда с небольшой подрывкой боковых пород.

Штольня - выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность.

Орт - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проведенная в толще полезного ископаемого в крест его простирания или под углом к нему.

Околоствольный двор - комплекс выработок, расположенных около шахтных стволов и предназначенных для обслуживания подземных горных работ.

Наклонные горные выработки

Наклонный шахтный ствол - выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ.

Бремсберг - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, расположенная по восстанию пласта или пород, предназначенная для спуска различных грузов, вентиляции и т.д., проводится снизу вверх.

Уклон - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, пройденная по падению пласта или пород (снизу вверх), предназначенная для подъема различных грузов с нижних горизонтов на верхний, вентиляции и т.д.

Ходок - горизонтальная или наклонная выработка, соединяющая служебную камеру с протяженной горной выработкой, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, предназначенная преимущественно для канализации воздуха, перевозки людей и грузов, проводится, как правило, параллельно бремсбергу или уклону.

Скат - выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проведенная по падению пласта или пород и предназначенная для спуска полезного ископаемого под действием собственного веса.

Рудоспуск - наклонная (или вертикальная) горная выработка, предназначенная для перепуска руды под действием собственного веса с верхнего горизонта на нижний.

Восстающий - наклонная или вертикальная выработка, пройденная по рудному телу или пустым породам и предназначенная для подготовки блоков проветривания, спуска закладки и материалов.

Разрезная печь - выработка, проводимая по восстанию пласта и предназначенная для проветривания, передвижения людей, а также для транспортировки полезного ископаемого и грузов, иногда в разрезной печи монтируется комплекс очистного оборудования.

Очистные выработки

Лава - выработка, имеющая забой значительной протяженности.

Очистная камера - выработка с забоем небольшой протяженности (до 12-16м), ограниченная по бокам целиками угля.

Деление шахтного поля на части

Разработку шахтного поля ведут отдельными участками или частями.

Часть шахтного поля, ограниченную по падению и восстанию соответственно нижней и верхней границами шахтного поля, а по простиранию - с одной стороны боковой границей шахтного поля, с другой вертикальной плоскостью проведенной вкрест простирания пласта и проходящей через главные вскрывающие выработки, называют крылом.

Часть шахтного поля, отрабатываемую на один околоствольный двор и ограниченную по простиранию боковыми границами шахтного поля, называют выемочным горизонтом (по падению 100 м до 3000 м и более).

Бремсберговой частью выемочного горизонта называют участок, ограниченный по простиранию боковыми границами шахтного поля, по восстанию - верхней границей шахтного поля или нижней границей выемочного горизонта, а по падению - горизонтальной плоскостью, проходящей через отметку откаточного горизонта.

Уклонной частью выемочного горизонта называют участок, ограниченный по простиранию боковыми границами шахтного поля, по падению нижней границей шахтного поля или верхней границей нижнего выемочного горизонта, а по восстанию - горизонтальной плоскостью, проходящей через отметку откаточного горизонта. Обычно размер уклонной части меньше бремсберговой, в связи с более сложными условиями проветривания и транспортирования полезного ископаемого.

Блоком называют часть шахтного поля, вскрытую с поверхности воздухоподающими и вентиляционными стволами, которые могут быть использованы также для спуска-подъема людей материалов и оборудования.

Бремсберговые и уклонные части выемочного горизонта разделяют на более мелкие части - этажи и панели.

Этажом называют часть шахтного поля, ограниченную по падению откаточным и вентиляционным этажными штреками, по простиранию - границами шахтного поля. В свою очередь этажи можно разделить на подэтажи подэтажными штреками.

Панелью называют часть шахтного поля, ограниченную по восстанию и падению главными штреками (откаточным и вентиляционным) либо с одной стороны границами шахтного поля (соответственно верхней или нижней), а по простиранию - границами соседних панелей или границей соседней панели с одной стороны и границами шахтного поля с другой. Панели могут быть одно и двукрылыми, бремсберговыми и уклонными. Размеры панелей по простиранию 2500 - 3000 м, по падению 1200 - 1500 м. Панели в свою очередь делят на ярусы. Ярус - часть панели, ограниченная по падению откаточным (конвейерным) и вентиляционным штреками, по простиранию - границами панелей.

4.Технологические характеристики вмещающих пород и полезного ископаемого

Физико-механических свойств горных пород и механических состояний породных массивов очень много, причем нередко они взаимосвязаны и взаимозависимы. Поэтому при решении конкретных производственных и проектных задач горного дела будем пользоваться ограниченным числом лишь основными характеристиками.

Крепость породы или полезного ископаемого - относительная ее сопротивляемость разрушению при добывании. Характеризуется коэффициентом крепости.

,

где f - коэффициент крепости по школе М. М. Протодьяконова; сж - предел прочности на сжатие, МПа.

Или , если сж измеряется в Н/см2.

Абразивность - это способность горной породы изнашивать контактирующие с ней узлы и детали горных машин в процессе их работы.

Устойчивость горных пород - способность массива пород не разрушаться и сохранять равновесие при создании обнажений. По устойчивости горные породы подразделяются на:

- весьма неустойчивые - без применения крепи не допускающие устойчивых обнажений;

- неустойчивые - допускающие небольшие по площади обнажения кровли и боков выработки и требующие прочного поддержания непосредственно за выемкой;

- средней устойчивости - допускающие обнажения на относительно большой площади без поддержания вслед за выемкой. Необходимость поддержания этих пород возникает не сразу, а со временем;

- устойчивые - допускающие значительные обнажения и требующие крепления лишь в отдельных местах;

- весьма устойчивые - допускающие весьма большие площади обнажения и не требующие поддержания.

Обрушаемость горных пород - свойство горных пород обрушаться при их обнажении. Размеры обрушаемых кусков зависят от структуры (слоистость и трещиноватость) и физико-технических свойств пород.

Слоистость - свойство горных пород, которое выражается в чередовании прослойков, различающихся по минералогическому составу, структуре, крупности зерна или по физическим признакам (твердости, цвету) при одинаковом минералогическом составе. Для месторождений при оценке устойчивости очень важна ориентировка слоистости пород относительно пласта. Кровля пласта или залежи - горные породы, залегающие непосредственно над пластом (залежью) полезного ископаемого. Ложная кровля - слой или несколько слоев слабых пород кровли небольшой мощности (до 0,5 - 0,6 м), залегающих непосредственно над пластом (залежью) полезного ископаемого и обрушающихся одновременно с выемкой полезного ископаемого или с небольшим отставанием от нее. Непосредственная кровля - один или несколько слоев, залегающих непосредственно над пластом (залежью) полезного ископаемого или над ложной кровлей, не способный образовывать больших зависаний и обрушающихся при удалении крепи. Основная кровля - толща крепких, устойчивых пород, находящихся непосредственно над пластом или залежью полезного ископаемого или выше непосредственной кровли, обрушающихся при выемке на значительной площади. Почва пласта (залежи) - толщина горных пород, залегающих под пластом (залежью) полезного ископаемого. Непосредственная почва - толща пород, залегающая непосредственно под угольным пластом или залежью. Основная почва - толща пород, залегающая ниже непосредственной почвы.

Трещиноватость горных пород - нарушенность монолитности пород трещинами или совокупность трещин имеющихся в массиве, которые структурно разделяют его на отдельные блоки.

Кливаж - трещиноватость горных пород, возникающая под влиянием горного давления и направленная под углом к плоскостям напластования.

Динамические явления на подземных горных предприятиях.

Динамическое явление - внезапно возникающее и протекающее с высокой скоростью движения угля, пород, газов или жидкостей вблизи выработок, сопровождающиеся сильным динамическим эффектом. Динамические явления являются результатом проявления горного давления и движения, заключенных в породах газов и жидкостей. К динамическим явлениям относятся: горные удары, внезапные выбросы угля и газа; выбросы породы и газа; прорыва газа, воды, плывунов, внезапные обрушения, высыпания и отжим, стреляние пород.

Горный удар - быстропротекающее разрушение предельно напряженной части массива полезного ископаемого (пород), прилегающей к горной выработке, возникающее вследствие мгновенного перераспределения в кинетическую энергию накопленной в массиве потенциальной энергии упругого сжатия, сопровождается выбросом полезного ископаемого (пород) в горную выработку, ее разрушением, сильным звуковым эффектом и возникновением мощной звуковой волны. В зависимости от интенсивности проявления горные удары подразделяют на стреляние, толчки, микроудары и горные удары (наиболее опасны последние).

Внезапные выбросы угля и газа это сложные газодинамические явления, характеризующиеся быстрым разрушением краевой части массива с выносом в выработку раздробленного угля (до нескольких тысяч тонн) и большого количества газа (на угольных шахтах России - метана).

Под «газовым балансом» шахты понимается разделение общего газовыделения на составляющие его элементы по тем или иным признакам. Обычно общее газовыделение рассматривается как сумма газовыделений: из подготовительных выработок (40-50%); из очистных выработок (40-50%); из выработанных пространств (10-20%)

По величине относительной метанообильности угольные шахты подразделяются на четыре категории: 1) до 5 м3/т; 2) 5-10 м3/т; 3) 10-15 м3/т; 4) сверхкатегорийные- более 15 м3/т.

Рудники: 1) до 7 м3/т; 2) 7-14 м3/т; 3) 14-21 м3/т; 4) сверхкатегорийные, более 21 м3/т.

Согласно ПБ, допустимыми концентрациями метана в рудничном воздухе являются следующие:

- исходящая струя из очистной или подготовительной выработки, камеры, участка - не более 1%;

- исходящая крыла или шахты - не более 0,75%;

- поступающая в очистные и подготовительные забои - не более 0,5%;

- перед производством взрывных работ - до 1%;

- местные скопления в очистных, подготовительных и других выработках - до 2%.

В случае обнаружения метана свыше указанных пределов работы немедленно прекращаются, люди выводятся на свежую струю, выключается электричество.

5.Основы разрушения горных пород и полезного ископаемого

Добыча полезного ископаемого на горнодобывающем предприятии складывается из нескольких взаимосвязанных главных и вспомогательных процессов, последовательность выполнения которых представляет собой технологическую схему производственных процессов шахты или рудника.

Первым уровнем процессов является выемочное поле, в пределах которого выполняются очистные работы, включающие выемку полезного ископаемого, транспортирование, крепление и управление кровлей, и процессы обеспечения очистных работ: проведение подготовительных выработок, транспортирование в выемочном поле, поддержание выработок, проветривание, дегазация, осушение. На втором уровне - в магистральных выработках, околоствольных дворах, в стволах - осуществляются процессы транспортирования, проветривания, водоотлива, ремонта выработок, подъема. Третьим уровнем процессов является поверхность шахты. Главными процессами на поверхности шахты является транспортирование угля и породы, погрузка угля в вагоны и процессы на складах. Для понимания технологии горного производства весьма важно изучение производственных процессов на первом уровне - в пределах выемочного поля.

Разрушение угля в процессе выемки производится различными способами в зависимости от вида энергии и способа ее приложения. Наибольшее распространение получил механический способ разрушения, осуществляемый исполнительными органами горных машин посредством резцов, шарошек, коронок и др. Из других способов разрушения при выемке угля применяются следующие: при помощи буровзрывных работ; гидравлический, когда разрушение происходит под действием струи воды высокого давления; геотехнологические способы, в первую очередь подземная газификация углей. Выбор способа выемки зависит прежде всего от свойств и состояния пласта угля и окружающих пород, наличия технических средств, требований к качеству угля, а также затрат на выемку.

Процесс выемки включает в себя разрушения пласта и погрузку отбитого угля. Оба процесса могут выполняться либо одной, либо несколькими машинами, одновременно или последовательно в зависимости от технологии ведения работ и горно-геологических условий. Так, на крутых пластах отсутствует необходимость в погрузке, и выемка заключается лишь в разрушении угля. При гидравлическом способе добычи погрузка заменяется гидросмывом угля.

Механический способ выемки осуществляется с помощью комбайнов и стругов, реже выемочных агрегатов, врубовых машин, бурошнековых установок и др.

Разрушение полосы угольного пласта может осуществляться одновременно по всей длине очистного забоя (фронтальная выемка) или же в одной точке, перемещающейся вдоль линии очистного забоя (фланговая выемка), Исполнительные органы выемочных агрегатов по схеме отработки забоя являются фронтальными, остальные горные машины - фланговыми. По ширине полосы, разрушаемой за один проход выемочной машины, различают узкозахватную (до 1 м) и широкозахватную комбайновую выемку (более 1 м). При струговой выемке ширина полосы составляет 0,1-0,2 м.

Очистные комбайны, работающие по фланговой схеме, могут быть разделены на два типа: одностороннего действия с холостым перегоном после выемки полосы угля и челноковые, производящие выемку в обоих направлениях.

При челноковой схеме работы комбайн в концевых участках лавы перемещается в заранее подготовленную нишу или самозарубывается на ширину захвата, а затем перемещается вдоль лавы, вынимая новую полосу угля. Челноковая схема работы комбайна улучшает использование комбайна во времени, но имеет следующие недостатки: значительная часть угля грузится вручную, особенно при наличии отжима угля от забоя; проникновение обрушенных пород в призабойное пространство; зависимость скорости выемки угля комбайном от скорости выполнения работ по оформлению забоя и зачистке лавы.

При односторонней схеме выемка угля осуществляется только в одном направлении, а при движении в обратном направлении наваливается на конвейере весь расположенный на почве уголь. Вслед за комбайном проводится оформление забоя и незначительная зачистка. Поэтому хотя при прочих равных условиях комбайн при односторонней схеме выемке используется хуже и происходит дополнительное измельчение угля при его навалке при холостом ходе комбайна, за счет снижения трудоемкости ручных работ при зачистке и большей комфортности работы шахтеров в лаве (на не запыленной струе) односторонние схемы часто оказываются конкурентоспособными.

Наиболее полная механизация выемки и погрузки угля, особенно на тонких пластах, достигается при струговой выемке. Струговая установка состоит из струга с лемехом для погрузки отбитого угля, конвейера (струг работает с рамы конвейера) и домкратов передвижения. Струг в отличие от комбайна не режет уголь, а скалывает его. Обычно струг отрабатывает лишь нижнюю часть пласта, а верхняя часть самообрушается. Такой характер разрушения угля приводит к увеличению его сортности.

Угольные струги разделяют по конструкции статического и динамического (активного) действия. Наиболее распространены струги статического действия, при работе которых уголь оказывается только под действием усилий, передаваемых на струг тяговой цепью. У стругов динамического действия скалывающий нож приводится в движении встроенным в тело струга приводом. При рабочем ходе струга вдоль лавы, ему сообщаются колебательные движения (вибрационный струг) или же передаются ударные нагрузки (ударный струг), что способствует интенсивному разрушению углей, в том числе и весьма крепких и вязких. Применение стругов ограничивается, главным образом, величиной сопротивляемости угля резанию. Для эффективной работы стругов требуется наличие отжима угля, спокойная гипсометрия пласта и не ниже средней устойчивости боковых пород.

Большие перспективы имеет гидравлическая выемка угля, при которой уголь в массиве разрушается струей воды, выбрасываемой со скоростью 40-50м/с из гидромонитора под давлением 4-10МПа. Частицы разрушенного угля, смешиваясь с водой, образуют гидросмесь - пульпу, поступающую самотеком в зумпф углесоса, перекачивающего ее на поверхность.

Известны также механогидравлический и взрывогидравлический способы (комбинированная выемка), при которых уголь отделяется от массива одним из механических способов или с помощью буровзрывных работ, а его транспортирование осуществляется струей воды. При гидромеханическом способе разрушения уголь отделяется от массива гидравлическим или комбинированным способом, а погрузка и транспортирование осуществляются механическими средствами.

При разработке рудных месторождений наибольшее распространение получила буровзрывная выемка. При разработке угольных месторождений буровзрывные работы в основном используются при разработке мощных крутых или наклонно залегающих пластов, или при проведении вскрывающих и подготовительно-нарезных выработок. Буровзрывные работы - совокупность взрывания и подготовительного к нему бурения шпуров и скважин при добывании полезных ископаемых, при проведении горных выработок, строительстве сооружений в крепких горных породах.

При взрывной отбойке заряды ВВ могут размещаться в шпурах (шпуровая отбойка), скважинах (скважинная отбойка), подготовительно-нарезных выработках (минная отбойка, или отбойка сосредоточенными зарядами). Главная особенность отбойки шпурами при очистной выемке, по сравнению с проведением выработок, состоит в том, что забой обычно имеет минимум две обнаженные плоскости: одну со стороны, с которой выбуривают шпуры, и другую, на которую производится отбойка (шпуры бурятся параллельно ей). При слоевой выемке шпуры могут иметь горизонтальное или вертикальное направление. При подэтажной отбойке шпуры могут располагаться вертикально или наклонно вверх по параллельной схеме или реже веерной.

Схема 1. отбойки руды шпурами: а - нисходящая слоевая выемка с отбойкой горизонтальными шпурами; б - то же, вертикальными шпурами; в - восходящая слоевая выемка с отбойкой горизонтальными шпурами; г - то же, вертикальными; д - потолкоуступная выемка; е - подэтажная отбойка

Скважинами обычно отбивают руду послойно, причем скважины располагают в этом случае параллельно поверхности массива, на которую производится отбойка. Эта поверхность может граничить со значительным свободным пространством (отбойка на свободное пространство) или с раздробленной на куски горной массой (отбойка в зажиме).

Схема 2. отбойки скважинами: а - на открытое пространство; в - в зажиме

Минная отбойка - это отбойка сосредоточенными зарядами большого веса, размещаемыми в специально проходимых для этой цели, или имеющихся выработках Минная отбойка производится как на свободное пространство, так и на обрушенную ранее горную массу (в зажиме) При минной отбойке руда отбивается вертикальными или горизонтальными слоями. Основные схемы минной отбойки; с минными карманами и забутовкой; без минных карманов и забутовки.

Схема 3. Минной отбойки: а - с минными карманами; б - без минных карманов; 1 - минный орт сечением 1,5 1,8 м; 2 - минные карманы сечением 1,2 1,8 м; минные колодцы глубиной около 0,5 м ; 4 - забутовка рудной мелочью.

6. Вспомогательные процессы обеспечения подземных горных работ

Подъем и транспорт на горных предприятиях

Выдачу полезного ископаемого на поверхность осуществляют по главным стволам. Подъем полезного ископаемого бывает периодического действия - клетевой, скиповой и автомобильный; непрерывного действия - конвейерный, трубопроводный (гидравлический, пневматический).

Наиболее распространены клетевой и скиповой подъемы: клетевой - при производительности до 1,5 млн. т/год, скиповой - при более высокой производительности. Вывоз руды автосамосвалами (по наклонным и спиральным стволам) имеет незначительное распространение. Автомобильный подъем применяют при глубине разработке до 300 м и производительности до 1,5 млн. т/год.

Главные вертикальные стволы современных шахт оборудуют скиповыми подъемами со скипами грузоподъемностью до 35-50 т. Ствол оборудуют одним или двумя скипами, работающими по схеме скип-скип или скип-противовес. В скиповых установках получили распространение скипы с донной разгрузкой.

Главные вертикальные стволы на многих старых действующих шахтах оборудованы клетевыми подъемами с неопрокидными (одно- и многоэтажными) и в редких случаях с опрокидными клетями небольшой грузоподъемности.

Главные наклонные стволы сооружают под углом до 18° и оборудуют мощными ленточными конвейерами большой длины и производительности, с шириной ленты 1200 мм.

При гидравлическом подъеме крупность материала должна быть не более 50-100 мм. Полезное ископаемое выдается по трубопроводам диаметром до 350 мм.

Участковый транспорт представляет собой совокупность транспортных средств и устройств, расположенных в выработках выемочного поля, панели или этажа, кроме средств доставки по очистному забою. Различают конвейерный, локомотивный, автомобильный участковый транспорт.

Транспортирование от очистных забоев по горизонтальным и наклонным выработкам производят ленточными конвейерами. В непрямолинейных выработках, где бы требовалось применение более трех ленточных конвейеров, могут применять пластинчатое изгибающиеся конвейеры. Скребковые конвейеры используются в условиях, когда невозможно применять ленточные и пластинчатые конвейеры.

Локомотивная откатка является основным транспортным средством в горизонтальных горных выработках с уклоном рельсового пути от 0,003 до 0,005, а при выполнении особых мероприятий от 0,03 до 0,05. На шахтах наибольшее распространение получили контактные и аккумуляторные электровозы. Значительно реже применяют дизелевозы и инертные локомотивы (гировозы). Транспортирование осуществляют в вагонетках с глухим кузовом, с откидным днищем или в секционных поездах. Вместимость кузова вагонетки изменяется от 1 до 3,5 м3.

Автосамосвалы применяют для транспортировки на расстояние 300-1000 м до пунктов перегрузки на рельсовый транспорт или используют как основной вид транс порта.

Совокупность связанных между собой горных выработок горнодобывающего предприятия, по которым движется воздух, называется вентиляционной сетью. Вентиляционные сети шахт изображаются в виде планов и схем. Вентиляционным планом называется вычерченный в масштабе план горных выработок, на котором указано направление движения воздуха. Вентиляционный план необходим для контроля проветривания шахты, а также служит источником ряда данных для расчета вентиляции (длина выработок, их сечение, места утечек и т.п.).

Чтобы обеспечить движение воздуха по горным выработкам в необходимом направлении и с требуемой интенсивностью, необходимо создать определенный перепад давлений. В зависимости от того, каким образом обеспечивается необходимый перепад давлений воздуха по пути его движения, различают нагнетательный, всасывающий и комбинированный (нагнетательно-всасывающий) способы вентиляции. Для проветривания горных предприятий используют вентиляторные установки главного проветривания. Вентиляторные установки главного проветривания бывают двух типов - осевые и центробежные. Основными параметрами, необходимыми для расчета вентиляционной сети являются количество воздуха, необходимое для проветривания, напор (давление) вентилятора и депрессия.

Энергия, которую получает единица объема воздуха от источников, вызывающих естественную тягу, называется депрессией. Естественная тяга - движение воздуха по выработкам под действием естественных причин (главным образом за счет разности удельных весов воздуха, а также под действием ветра).

Определение объемного расхода воздуха осуществляют путем непосредственного измерения средней скорости и умножением на сечение выработки. Измерение средней скорости воздуха осуществляют с помощью анемометров или измерителей скорости воздуха.

Наибольшее распространение на горнодобывающих предприятиях получил шахтный интерферометр (ШИ). С его помощью можно осуществлять контроль содержания кислорода, углекислого газа, водорода и метана в рудничном воздухе. Для контроля содержания применяют также переносные автоматические анализаторы метана (СМП, СШ). Также на горных предприятиях, опасных по метану применят аппаратуру автоматической защиты и центрального телеконтроля типа АМТ. С помощью этой аппаратуры можно осуществлять контроль содержания метана выработках и передачу информации на диспетчерский пункт, обеспечивать автоматическое отключение электропитания в очистных и подготовительных забоях, осуществлять местную, участковую и централизованную сигнализацию (звуковую и световую). Контроль концентрации ядовитых примесей рудничного воздуха осуществляют переносными химическими газоопределителями (ГХ).

Состав рудничной атмосферы

Атмосферный воздух на поверхности земли представляет собой смесь газов довольно постоянного состава. Обычно по объёму в нем содержится: азота - 78,08 %; кислорода - 20,95%; аргона - 0,93%, углекислого газа - 0,03%; водорода, неона, гелия, криптона, ксенона, озона и радиоактивных газообразных веществ суммарно - 0,01%. В воздухе также содержится некоторое количество водяных паров. Рудничный воздух - это смесь газов и паров, заполняющие горные выработки.

Атмосферный воздух, поступая в подземные выработки и перемещаясь по ним, претерпевает ряд изменений в своем химическом составе и физических свойствах (температура, влажность, удельный вес, изменение давления). Схематично рудничный воздух можно рассматривать состоящим из трех частей

рудничный воздух = атмосферный воздух + активные газы + мертвый воздух.

Под активными газами принято понимать всякого рода ядовитые или взрывчатые газы, выделяющиеся или образующиеся в горных выработках и присоединяющиеся к рудничному воздуху.

«Мертвый воздух» представляет собой смесь избыточных по сравнению с атмосферным воздухом количеством азота и углекислого газа. Как составная часть рудничного воздуха он всегда вызывает снижения содержание кислорода. Состав «мертвого» воздуха чаще всего колеблется в следующих пределах: СО2 от 5 до 15% и N2 от 95 до 85%.

Рудничные газы

Кислород (О2) - газ без цвета, вкуса и запаха, слабо растворим в воде, относительная плотность 1,11 (по отношению к плотности воздуха). По ПБ содержание О2 в воздухе должно быть не менее 20%. При понижении О2 до 18% у человека наступает сонливость, до 17% одышка и усиленное сердцебиение, при 13% и менее возникает смертельная опасность. Основные причины уменьшения О2 - вытеснение (замещение) его в объеме воздуха газами, а также взрывы и пожары. О2 поддерживает горение.

Азот (N2) - химически инертный газ, без цвета, запаха, вкуса. Относительная плотность 0,97. Не поддерживает дыхания и горения, безвреден. Источники выделения азота в шахтах и рудниках - процессы гниения органических веществ; взрывные работы; выделяется из угля и пород.

Углекислый газ СО2 - без цвета, со слабым кислым вкусом и таким же запахом. Удельный вес 1,52. Не поддерживает горения. При 20 - 25% угрожает человеку смерть от отравления. По ПБ СО2 в рудничной атмосфере не более 0,5%. Источники выделения: окисления ПИ и пород; разложение углекислых пород (известняк, мергель и др.) подземными водами; подземные пожары; взрывы рудничного газа и пыли; работа двигателей внутреннего сгорания.

Различают обыкновенные, суфлярные и внезапные выбросы СО2 (в отечественных шахтах и рудниках не наблюдались). Количество газа, образующегося и выделяющегося в выработки шахты за сутки, принято называть абсолютной газообильностью, а на одну тонну добычи - относительной газообильностью.

Классификация шахт и рудников по величине относительной углекислотообильности аналогична классификации по газообильности.

Ядовитые примеси рудничного воздуха.

Оксид углерода (СО) - газ без цвета, вкуса, запаха. Удельный вес 0,97. При концентрации 13 - 75% с воздухом образует взрывчатую смесь, температура воспламенения 630 - 810 єС. Очень ядовит ПДК не более 0,0024%.

Сероводород (Н2S) - газ без цвета с характерным запахом (тухлых яиц) и сладковатым привкусом. Горюч, при концентрации 4,5 - 45,5% с воздухом образует взрывчатую смесь. При концентрации 0,05% через 0,5 - 1 час смертельное отравление, при 0,1% быстро наступает смерть. ПДК 0,00066%.

Сернистый газ (SO2) - газ без цвета, со своеобразным колющим запахом и кислым вкусом. Удельный вес 2,2. Весьма ядовит. Сильно разъедает слизистые оболочки дыхательных путей и особенно глаз. Концентрация 0,05% смертельно опасная даже при кратковременном действии. ПДК 0,000035%.

Оксиды азота (окись азота NO, двуокись NO2, четырехокись N2O5) Окислы азота обладают характерным резким запахом, действует раздражающе на слизистые оболочки глаз, носа, рта, а также на легкие и верхние дыхательные пути. В отличии от других газов, отравляющее действие проявляется не сразу, через некоторое время 4 и более часов. Концентрация окислов азота 0,025%, даже при кратковременном воздействии опасно для жизни. ПДК не более 0,0002%.

Прочие ядовитые газы.

Компрессорные газы - смеси газов, образующихся при разложении смазочных масел.

Аммиак (NH3), ПДК - 0,0025%.

Выхлопные газы: акролеин (CH2-CHCHO), ПДК - 0,000025%, формальдегид (HCHO), ПДК - 0,000075%.

Радиоактивные газы имеют место при разработке радиоактивных руд (радон, торон, актинон), ПДК устанавливаются с учетом вида излучения.

Взрывчатые примеси рудничного воздуха.

Водород (H2) - газ без цвета. Удельный вес 0,07%. Горюч, при концентрации от 4,1- 74% с воздухом образует взрывчатую смесь, наибольшая сила взрыва 28,6%. Температура воспламенения 580 - 600 °С. Шахты, в которых хотя бы на одном пласте (залежи) обнаружен водород, относятся к опасным по газу. Считается, что 1м3 H2 эквивалентен 2м3 CH4. В основном выделяется из угля и вмещающих пород.

Метан (CH4) - газ без цвета, вкуса и запаха. Удельный вес 0,554 относительно воздуха. Метан вреден лишь потому, что снижает содержание кислорода в воздухе.CH4 при концентрации менее 5 % горит при соприкосновении с источником воспламенения голубым пламенем, при содержании от 5 до 16 % образует взрывчатую смесь. Температура воспламенения 650 °С, запаздывание (индукция) составляет 10 сек, при 1000 °С - 1 сек. При концентрации свыше 16 % горит лишь при наличии кислорода извне. Наибольшая сила взрыва при содержании 9,5 % метана.

Метан сохраняется в угле в виде: свободного газа, заполняющего трещины, пустоты, крупные поры; сорбированного (связанного) газа, т. е. сгущенного в виде «пленки» на поверхности вещества или образующего с углем твердый раствор.

Различают три основных вида выделения метана: обыкновенное - происходящее медленно, но непрерывно из микротрещин и пор в угле и породе; суфлярное - выделение газа из пустот в угле и породах через видимые трещины под давлением; внезапное - кратковременное выделение значительных объемов газа при одновременном разрушении части массива угля (породы) в забое.

Рудничная пыль.

Запыленность воздуха в рудниках и шахтах предопределяется технологическими факторами (способами разработки и интенсивностью горных работ) и некоторыми природными свойствами разрабатываемых п. и. (пылеобразующей способностью) Фактическая запыленность воздуха в выработках зависит от эффективности применения способов и средств борьбы с пылью.

Под угольной пылью, которая может принять участие во взрыве, понимают пыль, проходящую сквозь сито с отверстием 1 мм.

Взрывоопасной угольной пылью является пыль, содержащая более 10% летучих веществ, т.е. газов, выделяющихся при сухой перегонке угля.

Границы взрывоопасности угольной пыли - это интервал от 40 до 1000 г/м3, в котором поднятая в воздух угольная пыль образует взрывоопасную среду. Самый сильный взрыв пыли 250 - 350 г/м3.

Температура воспламенения угольной пыли, под которой понимается температура, вызывающая воспламенение поднятого облака угольной пыли составляет 550 °С.

Степень взрывоопасности угольной пыли Sw - процент негорючих постоянных частей в пыли, при которых невозможен процесс переноса взрыва. Показатель взрывоопасности Ww - количество инертной, которое следует добавить 1 кг. Угольной пыли, чтобы был невозможен процесс переноса взрыва Ww = Sw/(100 - Sw).

Механизм взрыва протекает следующим образом. В результате резкого движения воздуха образуется пылевое облако с содержанием пыли в количестве, соответствующем пределу взрываемости. Нагрев витающей угольной пыли до температуры воспламенения приводит к выделению летучих веществ и затем к их взрыву.

Существует следующая классификация пластов по взрывоопасности.

Пласты класса запылённости А:

- пласты в выработках которых не имеется зон взрывоопасной угольной пыли;

- пласты, в выработках которых имеются зоны с взрывоопасной угольной пыли, но их протяженность менее 30 м.

- пласты, в выработках которых имеются зоны протяженностью более 30 м, но они находятся на некотором расстоянии от мест возможного взрыва, не менее 300 м, в неметановых шахтах, более 500 м - в метановых.

К пластам класса запыленности В - все остальные.

7. Проведение и крепление горных выработок

Формы поперечного сечения горных выработок и факторы, определяющие их выбор

Геологические условия проходки горных выработок весьма разнообразны. В угольной промышленности выработки проходятся, в основном, по породам с коэффициентами крепости f=2ч7, в отдельных бассейнах с f=9ч12 и редко - в более крепких слоях.

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.

В зависимости от указанных факторов горные выработки имеют различные формы поперечного сечения. В производственной практике наибольшее распространение получили арочная, трапециевидная, прямоугольная и сводчатая формы поперечного сечения. В меньшей степени применяются круглая, эллиптическая и полигональная формы.

В настоящее время на угольных шахтах наибольшую долю занимают крепи арочной формы(79%), на долю крепей с плоским перекрытием приходится 20% и круглой 1%.

Большие объемы проведения выработок требуют весьма тщательно обоснованных решений в части выбора формы и размеров их поперечного сечения, материала и конструкции крепи.

Арочная форма с металлической рамной крепью применяется при проходке выработок в породах с коэффициентом крепости f=3ч9, 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 растягивающее напряжение 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.

Размеры поперечного сечения горных выработок

Размеры поперечного сечения горных выработок определяются количеством воздуха, пропускаемого по этим выработкам, максимальными размерами транспортных средств, применяемых для транспортирования полезного ископаемого, доставки материалов и оборудования, доступными зазорами между наружным размером транспортных средств внутренней стенкой выработки, предусмотренными правилами безопасности (ПБ) и строительными нормами и правилами (СНиП), по проектированию поперечного сечения.

Поперечные сечения горизонтальных и наклонных выработок должны соответствовать их типовым сечениям. В соответствии с действующими правилами безопасности минимальные площади поперечных сечений выработок в свету устанавливаются:

- для главных откаточных и вентиляционных выработок, а также людских ходков, предназначенных для механизированной перевозки людей, - 6 мІ 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 - 5 мІ при высоте не менее 1,8 м;

- для вентиляционных просеков, печей косовичков и других выработок -1,5 мІ;

- для участковых выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, и для людских ходков, не предназначенных для механизированной перевозки людей, минимальная площадь поперечного сечения допускается 3,7 мІ при их высоте не менее 1,8 м.

Размеры поперечного сечения выработок различают в свету и в проходке. Размеры в свету определяют в соответствии с правилами безопасности, а размеры в проходке складываются из размеров в свету, толщины крепи, межрамных ограждений и переборов пород, которые при проведении выработок должны быть не более 5 % проектной площади их поперечного сечения. Ширина выработки в свету определяется суммированием ширины транспортных средств и требуемых зазоров.

Расстояние (зазоры) между крепью, размещенным в выработках оборудованием и наиболее выступающим габаритом подвижного состава должно быть с одной стороны не менее 0,7 м (для свободного прохода людей), с другой стороны - не менее 0,25 м при рамных конструкциях и 0,2 м - при сплошной бетонной, каменной и железобетонной крепи.

Во всех выработках, оборудованных конвейерной доставкой, ширина прохода должна быть с одной стороны не менее 0,7 м, с другой стороны - 0,4 м. Расстояние от верхней выступающей части конвейера до верхняка должно быть не менее 0,5 м, а у натяжных и приводных головок - 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. Зазор между наиболее выступающей частью конвейера и крепью с одной стороны должен быть не менее 0,7 м, а с другой стороны - не менее 0,2 м.

В горизонтальных выработках, оборудованных конвейерами и рельсовым транспортом, а также в горизонтальных и наклонных выработках, оборудованных конвейерами и монорельсовым транспортом, зазор между конвейером и крепью должен быть не менее 0,4 м, между конвейером и подвижным составом - 0,4 м, между подвижным составом и крепью - 0,7 м.

В наклонных выработка, оборудованных конвейерами и рельсовым транспортом, зазоры между крепью конвейером должны быть 0,7 м, между конвейером и подвижным составом - 0,4 м, между подвижным составом и крепью- 0,2 - 0,25 м, в зависимости от вида крепи. Указанные выше боковые зазоры и проходы должны соблюдаться на высоте не менее 1,8 м.

Далее графически - определяют минимальную ширину выработки в свету, а затем аналитически все остальные ее размеры и площадь поперечного сечения.

Сущность графического способа состоит в следующем. На бумагу в определенном масштабе на уровне верхней кромки подвижного состава или конвейера наносят габариты принятого оборудования, размещаемого в выработке, минимальные зазоры и расстояния между отдельными механизмами, оборудованием и постоянной выработки. Затем по масштабу находят ширину выработки в свету на уровне верхней кромки подвижного состава или конвейерной установки. После этого аналитически определяют все остальные размеры. При проектировании поперечного сечения выработки в свету необходимо учитывать запас на возможные осадки пород, зависящий от типа выработки, условий ее поддержания и мощности пласта угля. В типовых сечениях предусмотрена вертикальная податливость крепи 300 мм и горизонтальная на уровне 1,8 м от почвы выработки - 230-290 мм. В выработках, закрепленных податливой крепью, очень важно правильно установить запас на осадку, что может обеспечить ее безремонтное поддержание на весь срок службы.

При проведении выработки буровзрывным способом имеют место переборы породы. Поэтому фактическое сечение выработки в проходке составляет S = (1,03ч1,05)Sвч.

По расчетному поперечному сечению в свету принимают ближайшее, типовое сечение. Принятое сечение проверяют на скорость движения воздуха аналитическим способом с учетом газообильности шахты по формуле

где V - расчетная скорость движения воздуха, м/с; k = 1,45 - коэффициент утечки воздуха и неравномерности добычи угля; q - выделение метана на 1 т суточной добычи, мі; А - суточное количество угля, транспортируемого по выработке, т; Sсв - площадь поперечно сечения выработки в свету, мІ; d - допускаемое содержание метана в исходящей струе воздуха выработки, %; VD - скорость движения воздуха, допускаемая по ПБ, м/с.

Если скорость движения воздуха по выработке превышает величину, установленную ПБ, то необходимо подобрать ближайшее типовое сечение, обеспечивающее допустимую скорость движения воздуха. Согласно ПБ, максимальная скорость движения воздушной струи не должна превышать в квершлагах, откаточных и вентиляционных штреках, капитальных и панельных уклонах и бремсбергах 8 м/с, а в остальных - 6 м/с. Минимальная средняя скорость движения воздуха должна быть не менее 0,25 м/с.

Горное давление в выработках и конструкции крепей.

Горные породы в нетронутом массиве находятся в равновесном, пространственно всестороннем направленном состоянии. Горное давление это давление среды на отельную часть массива или на искусственное сооружение, возникающее и развивающееся в процессе горных работ (причина - сила тяжести пород).

После проведения горной выработки в массиве вокруг нее перераспределяются напряжения, возникающие силы стремятся прийти снова в равновесное состояние, вызывают деформацию пород: упругие, затем остаточные, в том числе с разрывами сплошности пород и разрушениями.

...