Основные вопросы геологии

Факторы, влияющие на характер проявления горного давления: геологические (свойства пород, условия залегания, обводненности и т.д.); технологические (размеры, форма и положение выработок в пространстве, тип и конструкция крепи).

Концентрацию напряжений у контура выработки характеризуют коэффициентом концентрации (отношение величины напряжений после и до проведения выработки), колеблющимся в широких пределах. В обычных условиях - 1,3ч3,0;

Часть породного массива, где вокруг выработки происходит сдвижение, деформация и разрушение пород, называется областью влияния горной выработки.

Для предупреждения или снижения деформации пород вокруг выработок в последних устанавливают крепь, после чего работает система "порода-крепь".

Устойчивость горных выработок может быть обеспечена:

- придание им определенной формы;

- применением крепи;

- рациональным расположением;

- снижением напряжений в массиве вокруг выработки искусственным упрочнением пород;

- проходкой с наименьшим ослаблением стенок выработки (комбайн, контурное взрывание и т.д.).

Лишь иногда выработки не требуют крепления. В угольной промышленности на долю рамной металлической крепи приходится около 41 % протяженности выработок, деревянной - 43 %, железобетонной - 10 %, штанговой - 0,7 %, прочих видов - 5 %.

Горной крепью называются специальные конструкции, возводимые в подземных выработках для сохранения необходимых размеров поперечного сечения их и предотвращения обрушения окружающих пород.

Требования к крепи: прочность, устойчивость, долговечность; минимальное заполнение сечения выработки; минимальное аэродинамическое сопротивление; минимальные затраты на изготовление; транспорт, установку и поддержание; возможность механизации процессов.

Крепь бывает: деревянная, металлическая, каменная, бетонная, железобетонная, кирпичная, шлакоблочная и смешанная; сплошная (бетон) и рамная (всплошную и разбежку); жесткая, податливая, шарнирная; временная и постоянная; обычная и специальная.

Различают следующие конструкции горной крепи.

1. Деревянная крепь. Основной вид - крепежная рама, состоящая из верхняка, стоек (неполная рама) и лежня - полная рама. Чаще всего рамы бывают трапециевидной формы, прямоугольной (реже) и редко - неправильной формы. Крепят рамами всплошную или в разбежку. Раскрепляют клиньями, делают затяжку, за ней - забутовывают. Диаметр леса - 16 - 32 см. Концы стоек заостряют. Соединение элементов крепи: в лапу, в зуб, в шип, в стык, в паз и т.д. Наклон стоек у рам - 80 - 85є. Применяют также при крепких боковых породах и бесстоечную крепь и срубовую (венцовую).

2. Металлическая крепь. Применяется в виде трапециевидных рам, бочкообразных, арок, колец, которые могут быть жесткими, податливыми и шарнирными. Рамы, кольца и арки устанавливают в разбежку через 0,5 - 1,2м и затягивают деревянной, железобетонной затяжкой, металлической решеткой или сеткой. Трапециевидные рамы выполняют из двутавров № 16-27. Верхняк со стойкой соединяют с помощью специальных башмаков или накладок. Нижний конец стойки опирается на плитку или деревянный лежень через литой или сварной башмак. Расход металла на эту крепь очень велик, практически нет податливости, единственное достоинство: - простота изготовления.

Арочная жесткая крепь (АЖ) изготавливается в виде жесткой двухшарнирной арки из двух полуарок, соединенных в замке с помощью накладок и болтов.

Арочная шарнирная (АШ) бывает трех, - и пятишарнирная. Наибольшую податливость обеспечивает пятишарнирная.

Арочная податливая крепь (АП). Из спецпрофиля применяется для крепления выработок в условиях вертикального неустановившегося горного давления. Элементы арки соединяют внахлестку и стягивают двумя хомутами. Длина нахлестки - 300 мм. Профили 27, 22 и 17 кг/м; податливость достигается за счет скольжения элементов - 30 - 35мм. Достоинство - большой срок службы. Требует весьма тщательного соединение элементов крепи, иначе могут произойти скручивание, перекосы арки и как следствие потеря податливости.

3. Каменная и бетонная крепь. Применяется для крепления выработок с большим сроком службы при значительном горном давлении вне зоны влияния очистных работ. Основная форма при вертикальном горном давлении - сводчатая с вертикальными стенками. Своды бывают: полуциркульные (hс=0,5L); повышенные (hс>0,5L); пониженные (hс<0,5L). По очертаниям - цилиндрические, очерченные одним радиусом; трехцентровые (коробовые), очерченные двумя радиусами из трех центров и параболические.

При значительном горном давлении не только сверху, но и с боков или даже со стороны почвы применяют подковообразную форму сечения - очерчивается из трех центров; замкнутую (подковообразную с обратным сводом) и кольцевую.

Фундаменты каменной и бетонной крепи заглубляют в подошву на 25 - 50 см, а при наличии водоотливной канавки - на 50 - 100 см. В крепких породах стены заглубляют на 20 - 30см без фундамента.

Каменная крепь кладется из штучных камней на цементно-песчаном растворе состава 1:3. Закрепное пространство забучивают породой и заливают раствором 1:5-1:7. Толщина забутовки не должна превышать 10-15 см. При значительном горном давлении применяют каменную податливую крепь: камни кладут без раствора с укладкой упругих прокладок, например деревянных. Забутовка производится без заливки раствором.

Бетонная крепь прочна, монолитна, возведение ее легко механизировать. Набрызг-бетонная крепь, получаемая в результате безопалубного бетонирования, наиболее прочна, хорошо сцепляется с породой. Мал расход бетона, возможна полная механизация и выполнение работ у забоя. Набрызг-бетонная крепь применяется иногда в сочетании со штанговой крепью, иногда - с металлической рамной.

4. Железобетонная крепь. Монолитную железобетонную крепь применяют в наиболее ответственных капительных выработках при больших нагрузках, особенно неравномерных. Применяют гибкую- прут, жесткую- двутавр, швеллер, рельс и смешанную арматуру. Очень высокая трудоемкость.

Сборная железобетонная крепь применяется в выработках самой различной формы и бывают жесткой и податливой. Элементы ее изготавливают индустриальными методами и собирают на месте работ. Стоимость крепи довольно высока.

Различают два основных вида крепи: рамную, устанавливаемую вразбежку с затяжками и панельную сплошную- из тюбингов, плит или блоков. Применение этой крепи сдерживается отсутствием хороших крепеукладчиков.

5. Штанговая крепь. Еще она называется анкерная: представляет собой систему закрепленных в шпурах штанг, расположенных по контуру или кровле выработки и, как бы связывающих массив пород и поддерживающих его с помощью подхватов, опорных плиток или сетки. Штанги применяются металлические, железобетонные, деревянные, сталеполимерные. Конструкций замков очень много. Применение штанговой крепи снижает трудоемкость крепления в 1,5-2 раза и дает большую экономию.

6. Крепь сопряжений. На закруглениях и сопряжениях ширина выработки увеличивается, и рамы крепи ставят по радикальным направлениям. При тюбинговой и кольцевой железобетонной крепи применяют либо кольцевые конические вставки, либо конические, кольца с сегментами переменной ширины. Сопряжения могут быть прямыми, или косыми. При плоском перекрытии в месте примыкания к выработке другой ставят камерную раму, на которую опирают верхняки крепи примыкающей выработки. При прямом примыкании рядом с камерной рамой ставят первую раму примыкающей выработки.

7. Временная крепь. Поддерживающая временная крепь применяется до возведения постоянной в виде отдельных стоек, неполных рам, арок из легкого проката, штанг и т.д. Свод можно поддерживать (при устойчивых боках) арками из профиля, укрепляемые закладными штырями или штангами. Вот один из видов ограждающей от заколов крепи. Это подвесные верхняки с затяжкой. Временная крепь обычно извлекается при возведении постоянной.

8.Основные сведения об организации работ и способы проведения горизонтальных и наклонных горных выработок

Совокупность основных и вспомогательных проходческих операций, повторяющаяся в определенной последовательности в течение определенного промежутка времени, в результате которых выработка продвигается на расчетную (установленную) длину, называется проходческим циклом. Продолжительность цикла обычно принимается кратной продолжительности смены. Циклическая организация работ упорядочивает, дисциплинирует труд проходчиков, что приводит к повышению технико-экономических показателей проходки.

Основные проходческие операции: отбойка пород (БВР, механические, гидравлические и др.); проветривание; погрузка породы; возведение крепи.

Вспомогательные: транспортирование породы; доставка материалов; установка временной крепи; устройство канавок; настилка путей; прокладка коммуникаций; передвижка приспособлений.

Проведение наклонных горных выработок осуществляется аналогично проведению горизонтальных. Форма, размеры и тип крепи выбираются так же. Особенности проведения обусловлены лишь положением выработок в пространстве. При проведении выработок сверху вниз особое внимание должно уделяться водоотливу, снизу вверх - проветриванию. Проходы для людей предусматриваются в выработках, где нет рельсового транспорта, т.к. в последних по ПБ передвижение людей запрещено.

Сведения о различных видах отбойки представлены ниже.

Различают следующие схемы проветривания: нагнетательная, всасывающая и комбинированная. Для проветривания забоев применяют вентиляторы местного проветривания “Проходка-500м”, “Проходка-600”, СВМ-6м (сняты с производства). ВМ-3(4,5,6,8) с электрическим приводом и ВМП-3(4,5) с пневмоприводном. Цифры указывают диаметры входных и выходных отверстий. Вентиляционные трубы - из металла, ткани, фанеры и полимерных материалов. При нагнетательном способе проветривания применяют обычно прорезиненные трубы Ш300-600мм с длиной звеньев 5,10,20м.

Расчет проветривания включает выбор схемы проветривания, расчет количества воздуха, величины депрессии и выбора типа вентилятора. Количество необходимо для проветривания воздуха рассчитывают по 6 факторам: по расходу ВВ; по газовыделению; по пылевому фактору; по числу людей; по добыче; по минимальной скорости струи по выработке.

Погрузка породы осуществляется: породопогрузочными машинами с рабочими органами цикличного (ППН - 2) или непрерывного (ПНБ - 3К с загребными лапами) действия; скреперными установками; погрузочно-доставочными машинами; конвейером при комбайновой проходке.

Временную крепь возводят вслед за подвиганием забоя, постоянную-с некоторым отставанием, предусмотренным паспортом крепления. Паспорт крепления составляется начальником участка и утверждается главным инженером. Содержит: характеристику выработки, разрезы, характеристику пород, технико-экономические показатели, конструкцию крепи и т.д.

Вспомогательные операции, такие как, устройство канавок, настилка пути, навеска труб, кабелей и т.д. - выполняют по возможности с совмещением во времени с основными операциями.

Проведение горизонтальных и наклонных горных выработок

в однородных крепких породах

В однородных крепких породах (f>4) выработки проводят с помощью БВР или с помощью проходческих комбайнов - сплошным забоем или с разделением его на уступы, в каждом из которых выполняется определенный проходческий цикл.

Наиболее часто при взрывании шпуров применяют ВВ: скальный аммонит №1; аммонит №6 - ЖВ; детониты. Из предохранительных ВВ только по породе АП-4-ЖВ, АП-5-ЖВ, победит ВП-4. По углю - аммонит ПЖВ-20, угленит Э-6 и др.

В шахтах, не опасных по газу и пыли - игданиты и водонаполненные ВВ, представляющие собой ряд аммиачно-селитренных ВВ, содержащие дополнительно тротил, воду, загуститель, порошок алюминия. Такие ВВ поддаются механизированному заряжанию. Применяются также зерногранулы и другие виды ВВ.

В шахтах, опасных по газу и пыли разрешается только электровзрывание с помощью ЭД мгновенного действия (ЭД-8П; ЭД-8-ПМ) и ЭД КЗД (ЭД-КЗ-ПМ-15; ЭД-КЗ-ПМ-25). В неопасных - также ЭД замедленного действия, огневое взрывание (ОШ и КД).

Удельный расход ВВ определяют по эмпирическим формулам. Величина забойки в шпурах принимается по ПБ. В шахтах, опасных по газу и пыли взрывание без забойки запрещено. Для шахт и рудников, опасных по газу и пыли - в зависимости от длины забойки, предусматриваемой ПБ диаметр патронов ВВ 28,32,36,45 мм. Число шпуров в забое определяют по формуле или по таблицам, составленных на основе обобщения данных практики и уточняют при опытных взрывах. Глубина шпуров чаще всего выбирается исходя из выполнения работ проходческого цикла в заданное время.

Шпуры стараются расположиться по определенной системе равномерно по забою. Врубовые шпуры, разрушающие и частично выбрасывающие начальный объем породы, обычно на 10ч20 см длиннее отбойных (основных). Оконтуривающие шпуры располагают в 10ч30 см от контуров выработки и бурят с наклоном к стенкам забоя. Они выходят за пределы контура на 10ч15 см в крепких породах и не доходят на 10см до контура забоя в породах средней крепости и сильно трещиноватых.

Врубы могут быть клиновыми, прямыми, призматическими или спиральными; часто с опережающей скважиной и др.

Бурение шпуров осуществляется ручными перфораторами ПР-20, ПР-25л, ПР-30к и др. или колонковыми ПК-3 (КЦМ-4), ПК-5 (КС-50). В некрепких породах шпуры бурят электросверлами.

Проведение горизонтальных и наклонных горных выработок в однородных мягких породах.

В однородных мягких породах горные выработки проводят: с помощью отбойных молотков; с помощью БВР; с помощью проходческих комбайнов; с помощью гидромеханизации.

Отбойные молотки МО-8у, МО-10у и МОО-10 (с орошением) применяют при f?1,5 по нарушенным и сильно газоносным пластам. Отбивают породу секциями на уход 1,0ч1,3м максимальная скорость (в Подмосковье) - 441 м/мес при S = 6мІ; способ дорогой и трудоемкий.

БВР применяют на крепких углях (f?2), марганцевых рудах и т.д. Глубина шпуров: 1,5-3 м. Расстояние между шпурами - не менее 60 см. ЛНС - не менее 50 см. Забой по углю и 20 м выработки от него орошается с добавлением смачивателя.

В шахтах, опасных по газу и пыли, применяют высокопредохранительные ВВ в водонаполненных полиэтиленовых оболочках (ПВП-2). Забойка в шпурах - не менее 1/3 длины и не менее 30см.

Гидромеханизация при проходке выработок применяется на гидрошахтах при площади забоя 3-5 мІ. При f?1,5 отбойку ведут непосредственно высоконапорной струей, при большой крепости - предварительно рыхлят пласт ВВ (0,6-0,8 кг/т). Отбитый уголь (породу) транспортируют водой по желобам, уложенным в почве.

Наиболее полно механизируются работы по проведению выработок при применении проходческих комбайнов. Комбайном отбиваю породу, и осуществляют ее погрузку. Используют комбайны при f?4-5, при б?15є.

Существуют комбайны с исполнительным органом цикличного и непрерывного действия. Исполнительный орган комбайна - избирательного действия, роторный, планетарный и т.п. Передвижение осуществляется на гусеницах, погрузка породы - комбайновым транспортером.

Проведение горизонтальных и наклонных выработок в неоднородных породах.

При проведении штреков по тонкому пласту (жиле) в забое оказываются различные по свойствам породы. В таких случаях штреки проводят сплошным забоем или же с разделенной выемкой полезного ископаемого и породы. В первом случае проста организация работ, но велики потери полезного ископаемого. Во втором случае потери снижаются, но усложняется организация труда. При раздельной выемке полезного искоапемого и породы забои проводят узким или широким забоем. При проходке узким забоем полезное ископаемое вынимается только на ширину выработки, а при проходке широким забоем - ширину его по полезному ископаемому принимают больше пролета выработки на величину - необходимую для размещения в раскоске породы с учетом увеличения ее объема при разрыхлении.

В неоднородных породах штреки проводят буровзрывным способом, комбайнами и комбинированным способом, при котором уголь вынимается с помощью комбайна или гидромониторов, а породу - буровзрывным способом.

При проведении штреков широким забоем вся порода от проходки остается в шахте, размещаемая в раскоске. Широкий забой применяется чаще всего при пологом залегании и пластов мощностью 0,5 - 1,3м, раскоска может быть нижней, верхней и двусторонней.

9.Крепление очистного забоя

При ведении очистных работ в длинных забоях (лавах) породы кровли и почвы обнажаются на большой площади, деформируясь в сторону выработанного пространства. Породы почвы стремятся к упругому восстановлению, а породы кровли испытывая действие собственного веса, расслаиваются, прогибаются, разбиваются трещинами. Подработанные после выемки полезного ископаемого породы теряет опору. Одна часть веса этих пород передается на почву выработки, а другая - на краевые части массива вокруг очистной выработки, создавая опорное давление.

Если напряжение в зоне опорного давления превышает несущую способность пласта, то происходит разрушение его краевой части и максимум опорного давления перемещается в глубь массива.

Под горным давлением понимают силы, возникающие в массиве пород вокруг выработки. Для предотвращения обрушений пород в рабочее пространство очистного забоя применяют мероприятия по регулированию проявлений горного давления - крепления рабочего пространства очистного забоя и управление давлением пород за его пределами.

Крепь должна иметь достаточную прочность, устойчивость и жесткость при минимальной массе, обеспечивать выполнение в призабойном пространстве всех производственных процессов и пропуск через него необходимого количества воздуха. Крепь должна быть надежной и долговечной, а ее применение - экономически целесообразным.

Крепи в длинных очистных забоях разделяют на индивидуальные и механизированные. Индивидуальные крепи состоят из несущих и поддерживающих элементов не связанных между собой конструктивно (стойки и верхняки), устанавливаемые совместно и разбираемых полностью или частично при передвижке и переноске. В зависимости от выполняемых функций индивидуальные крепи разделяют на призабойные и посадочные, по материалу на деревянные и металлические. Призабойная крепь устанавливается или передвигается вслед за подвиганием забоя и служит для поддержания кровли в рабочем пространстве очистной выработки. Посадочная (специальная) крепь устанавливается на границе с погашаемым выработанным пространстве и служащая для управления кровли обрушением или плавным опусканием. Посадочная крепь, применяемая при управлении кровлей полным обрушением, называется обрезной. В качестве посадочной крепи применяют органную, костровую, кустовую крепи, посадочные секции механизированной крепи, металлические посадочные стойки. Эта крепь устанавливается параллельно линии забоя, на границе с погашаемым выработанным пространством, и передвигается по мере подвигания забоя.

Костровая крепь выполняется в виде костров, конструкция их может быть квадратной, прямоугольной, треугольной, костры состоят из деревянных или металлических балок с заполнением (бутокостровая крепь) или без заполнения их породой.

Кустовая крепь выполняется в виде куста. Куст - группа деревянных или металлических стоек, устанавливаемых в определенным образом одна возле другой, в ней 3 - 9 стоек и более, расстояние между стойками 0,1 - 0,2 м.

Органная крепь представляет собой один или несколько рядов деревянных или металлических стоек, устанавливаемых по прямой линии.

Металлические крепи, операции передвижки и установки которых полностью (или почти полностью) механизированы, называют механизированными. Механизированная крепь выполняет такие основные функции как управление горным давлением, активное поддержание кровли в рабочем пространстве очистного забоя и ограждение его от проникновения обрушенных горных пород.

Механизированные крепи по взаимосвязи между секциями и другим забойным оборудованием разделяют на:

- секционные, которые состоят из отдельных секций, не имеющих постоянных силовых и кинематических связей между собой и с другим оборудованием очистного забоя;

- комплектные, состоящие из отдельных комплектов секций. Каждый комплект включает две и более число секций, подвижно связанных друг с другом, и не имеющих постоянных силовых и кинематических связей с другими комплектами и оборудованием очистного забоя. Передвижка каждого комплекта производится посекционно с помощью гидродомкратов;

- агрегатные, которые состоят из отдельных секций имеющих постоянную силовую и кинематическую связь с оборудованием лавы (иногда и между собой). Базой в такой крепи обычно является, став конвейера. Секции передвигаются с помощью гидродомкратов, подтягиваясь к базе, а сама база передвигается с опорой на распертые секции. Наибольшее распространение получили агрегатные крепи как наиболее совершенные и обеспечивающие возможность автоматизации процесса крепления.

Механизированные крепи по основным выполняемым функциям и взаимодействию с боковыми породами разделяют на:

оградительные крепи - выполняют только одну функцию-ограждение рабочего пространства лавы от проникновения в него обрушенных пород кровли;

поддерживающие крепи выполняют две основные функции: управление горным давлением способом полного обрушения и поддержание кровли в рабочем пр-ве лавы;

оградительно-поддерживающие крепи выполняют все три функции: управление горным давлением, поддержание кровли в рабочем пространстве и ограждение его от проникновения обрушающих пород кровли;

поддерживающие - оградительные крепи выполняют также все три функции, но функция поддержания превалирует над оградительной. Основное преимущество поддерживающее - оградительной крепи перед оградительно - поддерживающей - большее рабочее пространство для размещения оборудования и прохода людей.

По характеру взаимодействия крепи с породами кровли различают крепи: теряющие контакт с кровлей при передвижке секций; передвигаемые без потери контакта с кровлей с некоторым остаточным подпором; с регулируемым сопротивлением.

Механизированные крепи сопряжений предназначены для механизации крепления и управления кровлей в конвейерных и вентиляционных выемочных горизонтальных или наклонных выработках, прилегающих к лаве в зоне выхода приводных головок забойного конвейера в эти выработки. Они могут быть поддерживающего и поддерживающего-оградительного типа и применяются с механизированными комплексами, а также в лавах с индивидуальной крепью при наличии гидропередвижчика конвейера (например, крепь сопряжения ОКС-1).

10.Способы управления кровлей в очистных забоях

ископаемое минеральный месторождение

Управление горным давлением - совокупность мероприятий по регулированию проявлений горного давления в рабочем пространстве очистного забоя в целях обеспечения безопасных и необходимых производственных условий эффективной и наиболее полной выемки полезного ископаемого.

Способы управления горным давлением разделяют на три основные группы:

- обрушение пород в выработанном пространстве;

- искусственное поддержание кровли в выработанном пространстве;

- естественное поддержание кровли в выработанном пространстве (за счет оставления опорных целиков прямоугольной или столбчатой формы).

В настоящее время основным и самым распространенным способом управления горным давлением при выемке угля является полное обрушение пород кровли (в целом по угольной промышленности около 97 %), перспективным - полная закладка выработанного пространства пустой породой, добываемой в шахте или поступающей с поверхности (около 1 %).

Полное обрушение заключается в периодическом по мере подвигания очистного забоя обрушении пород кровли за пределами призабойного пространства с целью уменьшения давления на крепь. При индивидуальной крепи обрушение пород производится путем удаления призабойной и специальной крепи в той части призабойного пространства, которое нет необходимости поддерживать для обеспечения нормальной работы людей и механизмов. При этом специальная крепь устанавливается по линии, по которой происходит обрушение пород в выработанное пространство. Расстояние, через которое производится обрушение пород, называется шагом посадки, который принимается кратным ширине захвата выемочной машины (ширина вынимаемой полосы угля). При механизированной крепи породы обрушаются самопроизвольно вслед за ее передвижением, шаг посадки зависит от конструкции крепи и свойств пород кровли.

При управлении кровлей полным обрушением различают первую и первичную посадку и вторичную осадку. Первая посадка производится после отхода очистного забоя от разрезной печи на расстояние, зависящее от свойств пород кровли, которое может в отдельных случаях достигать 50-80 м и сопровождаться динамическими эффектами и разрушением крепи в рабочем пространстве лавы и завалами лав. После первой посадки производят регулярное обрушение непосредственной кровли вслед за подвиганием лавы, которое называют первичной посадкой. Породы основной кровли часто зависают в виде консольных плит, размеры которых увеличиваются по мере перемещения очистного забоя. При достижении предельных размеров консоли она обрушается, что называют вторичной осадкой. Вторичные осадки также могут сопровождаться возрастанием нагрузки на крепь и зажатием стоек крепи исчерпавших свою податливость, разрушением крепи и завалам лав.

При обрушении пород непосредственной кровли их объем увеличивается и они могут полностью подбутить породы основной кровли. В этом случае облом консоли пород основной кровли будет происходить спокойно, без динамических явлений. Условие подбучивания пород основной кровли можно представить в виде

где hнк - мощность пород непосредственной кровли, м; m - вынимаемая мощность пласта, м; кр - коэффициент разрыхления, равный отношению объема обрушенной породы к ее объему в массиве.

Управление горным давлением плавным опусканием (прогибанием) применяют при породах кровли, способных плавно опускаться без значительных разрывных нарушений, и при почве, склонной к вспучиванию. Мощность пласта при этом не должна превышать 1 - 1,2 м. При плавном опускании в качестве специальной крепи применяют костры, устанавливаемые в один или два ряда в шахматном порядке. Костры переносят через каждые !,5 - 2 м.Если их два ряда, то переносят тот ряд, который находится дальше от забоя лавы. В результате некоторого смятия костров кровля плавно опускается и ложится на почву, которая к этому времени несколько вспучивается. Плавное опускание применяют при разработке весьма тонких пластов, когда породы кровли способны опускаться путем сдвигов большого числа блоков. В результате этого на расстоянии 20 - 30 м и более от забоя кровля опускается на почву.

При искусственном поддержании выработанного пространства создается искусственная опора под нависающими консолями пород кровли. Для этого выработанное пространство заполняется различными закладочными материалами, образующими закладочный массив. Под термином «закладка» подразумевается совокупность процессов, охватывающих приготовление, складирование, транспортирование и укладку в выработанное пространство закладочного материала, т.е. пустой породы, состав и свойства которой отвечают определенным требованиям. Применение полной закладки обеспечивает существенное снижение потерь полезного ископаемого в недрах, уменьшение пожароопасности при разработки пластов, уголь которых склонен к самовозгоранию, увеличению безопасности работ, исключает образование провалов на поверхности, особенно при разработке мощных крутых пластов, и значительные опускания поверхности. Таким образом, разработка месторождений с полной закладкой является одним из мероприятий по охране недр и окружающей среды. Однако возведение закладочного массива является весьма трудоемким дополнительным процессом в технологической схеме подземной добычи угля. В результате стоимость закладочных работ составляет 15-20 % стоимости работ по добыче угля. Поэтому закладку применяют лишь в тех случаях, когда другие, более простые и дешевые способы управления горным давлением в данных горно-геологических условиях не могут обеспечивать безопасную и эффективную добычу угля. Управление горным давлением полной закладкой рекомендуется применять:

- для охраны ответственных сооружений и водоемов на поверхности;

- при слабых, склонных к сползанию породах почвы или весьма слабых породах кровли и почвы на крутых пластах;

- под пожарными участками и участками, опасными по прорывам глины;

- при разработке мощных крутых месторождений с самовозгорающимися полезными ископаемыми;

- при разработке крутых пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа.

В настоящее время, в зависимости от способов транспортирования и укладки, находят применение гидравлическая, пневматическая, комбинированная (гидропневматическая), самотечная и механическая закладки, а также комбинированная (механопневматическая и гидропневматическая)

Закладочный материал может быть доставлен с поверхности или получен непосредственно в шахте. Добыча закладочных материалов (песок, гравий или коренные скальные породы) производятся на механизированных централизованных карьерах. Кроме того, в качестве закладочного материала используют шлак металлургических заводов, отходы обогатительных фабрик, тепловых электростанций, а также породу, получаемую от проведения подготовительных выработок или из шахтных отвалов.

Гидравлическая закладка основана на использовании энергии потока воды, движущегося по трубам под напором, перемешивающего закладочный материал с поверхности до места укладки и производящего укладку породы в выработанное пространство.

Пневматическая закладка основана на использовании энергии струи сжатого воздуха, при определенной скорости движения которого происходит перемещение закладочного материала по трубам и забрасывание его в выработанное пространство.

При разработке крутонаклонных и крутых пластов (залежей) применяется самотечная закладка, при которой закладочный материал транспортируется механическими средствами, а его укладка - за счет действия силы тяжести (движется в выработанном пространстве под действием собственного веса).

Механическая закладка - транспортирование материала осуществляется механическими средствами (конвейерами, рельсовым транспортом), а его укладка - метательными машинами или скреперами.

Сущность гидропневматической закладки заключается в доставке закладочного материала с поверхности шахты (рудника) до очистного забоя с применением гидравлического транспорта, а подачу его после обезвоживания в выработанное пространство осуществляют пневмотранспортом.

Закладка называется полной, если заполняется все выработанное пространство, и частичной, если закладочный материал укладывается только в определенных частях (в виде полос или слоев).

Максимально допустимый размер кусков закладочного материала при пневматической и гидравлической закладке 6 - 8 см, при самотечной и механической 20 - 25 см. Оптимальные размеры кусков закладочного материала при самотечной закладке до 10 см, при пневматической и механической 2 - 5 см, при гидравлической менее 2 см.

Существуют два вида твердеющей закладки: литая и жесткая. Литая закладка - смесь низко активного вяжущего заполнителя и воды с активными добавками. Готовится на комплексах твердеющей закладки и подается по трубопроводам самотеком в выработанное пространство, для обеспечения текучести имеет некоторый избыток воды. Жесткая закладка - смесь заполнителя, доставляемого различными способами до пневмозакладочной машины, а с ее помощью - в выработанное пространство, и вяжущего, которое вводится под давлением непосредственно перед местом возведения закладочного массива. Вода вводится в количествах, необходимых для обеспечения схватывания смеси.

Закладочный материал под влиянием горного давлением и собственного веса уменьшается в объеме, уплотняется и дает усадку, величина которой зависит как от свойств закладочного материала, так и от степени первоначальной плотности возводимой закладки. Наименьшую усадку дает гидравлическая (10 - 15 %) и пневматическая закладка (10 - 20 %). При механической закладке усадка составляет 25 - 30 %, при самотечной 20 - 25 % при мелкозернистой породе и 25 - 40% при крупнозернистой породе.

При выборе способа закладки необходимо учитывать комплекс факторов: усадку закладочного массива, возможность выполнения требований к качеству и составу закладочного материала, требуемую производительность возведения закладочного массива, степень ответственности подрабатываемых объектов, затраты на производство работ.

При разработке угольных (пластовых) месторождений наибольшее применение получила частичная закладка выработанного пространства и управление кровлей частичных обрушением.

Частичную закладку выработанного пространства применяют для того, чтобы при помощи бутовых полос удерживать породы непосредственной и основной кровли от обрушения. Для получения закладочного материала в выработанном пространстве проводят ряд специальных выработок - бутовых штреков. Полученную из бутовых штреков породу укладывают в выработанном пространстве на всю мощность пласта в виде породных (бутовых) полос. Бутовая полоса - закладочный массив, возводимый в виде полосы в выработанном пространстве. Породы непосредственной кровли в выработанном пространстве между бутовыми полосами обрушаются сами по себе, на некотором расстоянии позади забоя лавы. Расстояние между бутовыми полосами принимают от 6 до 12 м, ширину бутовых около 3 м, высоту подрывки пород кровли или почвы 1 - 1,2 м. Ширину бутовых полос принимают 6 - 7 м из расчета возможного в них всей взорванной породы. Отставание бутовых полос от забоя лавы равно ширине призабойного пространства (2 - 3 м). Частичная закладка применяется на пластах мощностью 0,5 - 1,2 м при слабой кровле или почве, при наличии в пласте породных прослойков значительной мощности.

Управление кровлей частичным обрушением применяют при легко обрушающихся породах непосредственной кровли, мощность которых не обеспечивает достаточного подбучивания вышележащих слоев основной кровли и не предотвращает периодических (вторичных) осадок их. Сущность этого способа сводится к следующему. По мере подвигания лавы в выработанном пространстве выкладывают бутовые полосы шириной 5 - 6 м. Расстояние между бутовыми полосами принимают 8 - 12 м с таким расчетом, чтобы породы основной кровли не обрушались. Непосредственная кровля между бутовыми полосами обрушается на специальную крепь. Для более качественного обрушения пород и ограждения бутовой полосы от разваливания на расстоянии 0,5 - 1 м от краев пород в сторону обрушенного пространства пробивают органный ряд.

11.Вскрытие и подготовка шахтных и рудных полей

Вскрытие шахтных полей

Вскрытием месторождения или шахтного поля называют пространственное проведение комплекса вскрывающих выработок, которые открывают доступ с поверхности к полезному ископаемому и обеспечивают возможность проведения подготовительных выработок.

Различают схему и способ вскрытия шахтного поля. Схемой вскрытия называют пространственное расположение сети вскрывающих выработок (стволы, штольни и др.) относительно границ шахтного поля.

Способ вскрытия - пространственное расположение системы вскрывающих выработок в шахтном поле относительно границ шахтного поля. Способ вскрытия - это качественная характеристика шахты, отражающая особенности вида и взаимного расположения главных и вспомогательных выработок, проводимых в период строительства и эксплуатации горного предприятия для создания доступа с поверхности земли к шахтному полю или его части.

Правильный выбор схемы и способа вскрытия месторождения имеет большое значение, так как ею определяются на длительный отрезок времени размер необходимых капитальных вложений, общая технология производственных процессов, уровень механизации и т.д. На ее выбор влияет большое число факторов, которые можно разделить на две группы: геологические и технические. Основными геологическими факторами являются: число вскрываемых пластов, угол падения пластов, свойства боковых пород, расстояние между пластами, мощность наносов, наличие плывунов и других водоносных пород, нарушенность месторождения, глубина разработки, газоносность пластов, рельеф местности. Основные технические факторы: производственная мощность шахты; размер шахтного поля; срок службы шахты; уровень развития горнодобывающей техники; подготовка шахтного поля, системы разработки и схемы вентиляции и другие.

Основными требованиями технического и организационного характера при выборе системы (схемы и способа) вскрытия являются: минимальный объем вскрывающих горных выработок; минимальные первоначальные капитальные затраты на вскрытие месторождения и строительство шахты, однотипность транспорта по всем горным выработкам, возможность периодического обновления горного хозяйства шахты; обеспечение каждого эксплуатационного горизонта достаточно большими запасами угля для того, чтобы промежутки между углубками стволов были по возможности более длительными; обеспечение надежного и эффективного проветривания шахты. При этом должна быть обеспечена концентрация горных работ с высокими нагрузками на очистные забои, выработки, горизонты и пласты.

Способы вскрытия шахтных полей: вскрытие вертикальными стволами, наклонными стволами, штольнями и комбинированные способы вскрытия.

Вскрытие шахтных полей вертикальными стволами является наиболее распространенным, его применяют независимо от количества рабочих пластов в шахтном поле, мощности и угла падения этих пластов, мощности наносов и глубины разработки, производительности шахты и пр. При вскрытии вертикальными пластами с поверхности до горизонта, намеченного к вскрытию, проходятся два вертикальных ствола - главный и вспомогательный, расположенные, как правило, рядом. На вскрываемом горизонте они сбиваются вентиляционной сбойкой или другой выработкой для создания вентиляционной сети, позволяющей вести дальнейшие работы на вскрываемом горизонте. Затем проводятся основные выработки и камеры околоствольного двора. На практике наиболее распространенными способами вскрытия вертикальными стволами является: вскрытие вертикальными стволами без дополнительной вскрывающей выработки; вскрытие вертикальными стволами и капитальными квершлагами; вскрытие вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами; вскрытие вертикальными стволами и этажными квершлагами; вскрытие вертикальными стволами и наклонными квершлагами (скатами) и т.д.

Вскрытие пологих и наклонных пластов наиболее просто осуществлять при помощи наклонных стволов. Обычно проводят не менее двух стволов, что необходимо для безопасного ведения горных работ, а также для целей вентиляции. По одному из стволов свежий воздух поступает в шахту, а по другому выводится исходящая струя из шахты на поверхность. Для этой цели с поверхности до нижней границы шахтного поля по пласту угля при устойчивой кровли или в породах висячего, реже лежачего бока при неустойчивой кровли проводят главный наклонный ствол, параллельно ему на расстоянии не менее 30м от него. Наиболее распространенными способами вскрытия наклонными стволами является: вскрытие наклонными стволами без дополнительных вскрывающих выработок; вскрытие наклонными стволами и капитальными квершлагами; вскрытие наклонными стволами и этажными квершлагами и т.д.

Если пласты залегают в районе с сильно пересеченным рельефом (например, в гористой местности), то вскрытие их вертикальными или наклонными стволами связано с большими расходами по оборудованию поверхности. Поэтому в таких условиях часто, оказывается, целесообразно вскрывать штольнями.

На практике часто в силу различных условий залегания пластов в шахтном поле нецелесообразно применять ни один из рассмотренных способов вскрытия шахтных полей. Приходится для отдельных пластов или различных групп пластов использовать комбинированное вскрытие - с применением различных комбинаций способов вскрытия (например, одновременно наклонных и вертикальных стволов, капитальных и этажных квершлагов или гезенков). Очень часто комбинированные способы вскрытия встречаются на старых шахтах в результате их неоднократной реконструкции.

Основными схемами расположения вспомогательного ствола по отношению к главному в пределах шахтных пластов являются - центрально-сдвоенная, центрально-отнесенная, фланговая, секционная, отнесенная.

При центрально-сдвоенном расположении оба ствола шахты размещаются в центре шахтного поля на расстоянии 30 - 50м один от другого и соединяются между собой выработками околоствольного двора. Один из стволов - главный - служит для целей подъема полезного ископаемого на поверхность, другой - вспомогательный - используется для спуска и подъема людей и оборудования, выдачи породы, спуска лесоматериалов. По одному из стволов подается воздух в шахту, по другому - выводится из шахты. При строительстве крупных шахт принимают, как правило, цетрально-сдвоенное расположение стволов. Остальные варианты встречаются только при вскрытии шахтных полей шахт с небольшой годовой производительностью. Это объясняется рядом достоинств центрально-сдвоенного расположения стволов: компактностью размещения зданий и сооружений на поверхности, что, в свою очередь, позволяет охранять стволы предохранительным целиком относительно небольших размеров; возможностью быстрой сбойки стволов на горизонте околоствольного двора, что обеспечивает нормальную вентиляцию горных выработок; возможностью использования вспомогательного ствола для углубки главного ствола снизу вверх, если эта углубка окажется необходимой. Недостатком центрально-сдвоенного расположения стволов является большая длина вспомогательного ствола и ограниченная область применения при разработке сильно-газоносных пластов, так как, при разработке бремсберговой части шахтного поля нагретую исходящую струю воздуха необходимо направлять вниз к вспомогательному стволу, тогда как воздух стремится двигаться вверх, в направлении естественной тяги.

При ценрально-отнесенном расположении вспомогательный ствол пройден у верхней границы шахтного поля и используется главным образом для отвода исходящей струи воздуха.

При фланговом расположении главный ствол располагается в центре шахтного поля, а вспомогательные - на флангах у верхней границы. Стволы выполняют те же функции, что и при центрально-отнесенном расположении.

При секционном расположении главный и вспомогательный стволы сооружают в центре шахтного поля, другие же стволы (блоковые) - в блоках

При отнесенном расположении главный и вспомогательный стволы сооружают примерно посередине длины шахтного поля по простиранию за его пределами, как правило в породах лежачего бока вскрываемых пластов.

Вскрытие рудных месторождений

Схемы основных способов вскрытия рудных месторождений

Простые способы:

1. Вскрытие вертикальным стволом по месторождению, лежачем боку, висячем боку и флангам.

2. Вскрытие наклонным стволом по месторождению, лежачему боку и флангам.

3. Вскрытие штольней по месторождению, лежачему боку, висячему боку.

Комбинированные способы:

1. Вертикальный ствол с поверхности с переходом в вертикальный слепой ствол.

2. Вертикальный ствол с поверхности с переходом в наклонный слепой ствол.

3. Наклонный ствол с поверхности с переходом в наклонный слепой ствол.

4. Штольня с переходом в вертикальный слепой ствол.

5. Штольня с переходом в наклонный слепой ствол.

По взаимному расположению главных и вспомогательных стволов относительного рудного тела различают центральную, диагональную и секционную схемы вскрытия рудных месторождений.

При центральной схеме главный и вспомогательный стволы располагаются в центре рудного тела на расстоянии не менее 30 м один от другого.

При диагональной схеме главный ствол располагается в центре рудного тела, а вспомогательные стволы на флангах. При разработке рудного тела залегающего на небольшой глубине и небольшой производительности рудника иногда на одном из флангов проходят вентиляционный шурф.

При секционной схеме вспомогательные стволы закладывают на флангах рудного тела и в промежутках между флангами и главным стволом. Эта схема применяется при значительной длине рудного тела по простиранию.

Подготовка шахтных полей

Подготовкой шахтного поля называют проведение комплекса подготовительных выработок после вскрытия шахтного поля, обеспечивающих условия для подготовки выемочных полей (столбов).

К подготовительным выработкам, проводимым при подготовке шахтного поля относят: главные (магистральные, групповые, панельные, этажные) штреки; капитальные или панельные бремсберги (уклоны) и ходки при них; промежуточные квершлаги, гезенки и др.

Схема подготовки - пространственное расположение системы основных подготовительных выработок в шахтном поле, при котором оно разделяется на части, обеспечивающие условия для подготовки выемочных полей. Различают панельную, этажную и погоризонтную схемы подготовки.



Схема 4. Подготовки шахтного поля: а - панельная; б - погоризонтная; в - этажная; 1 - главный ствол; 2 - главный квершлаг; 3 - главный откаточный штрек; 4 - панельный капитальный бремсберг или транспортный ходок; 5,6 - ходки; 7 - просек; 8 - этажный откаточный штрек; 9 - вентиляционный штрек; 10 - шурфы; 11 - лавы.

Панельной схемой подготовки называют пространственное расположений горных выработок, при котором шахтное поле делится на части, ограниченные по падению и восстанию основными выработками, а по простиранию условными границами соседних панелей, шахтного поля или блока, и отрабатываемые отдельными ярусами.

Этажной схемой подготовки называют пространственное расположений горных выработок, при котором шахтное поле делится по падению основными выработками на части, вытянутые и отрабатываемые по простиранию и ограниченные по простиранию границами шахтного поля или блока.

Погоризонтной схемой подготовки называют пространственное расположений горных выработок, при котором шахтное поле делится по падению основными выработками на части, ограниченные по простиранию границами шахтного поля или блока и отрабатываемые лавами по падению или восстанию.

Способом подготовки называют пространственное расположение подготовительных выработок в шахтном поле относительно пласта и его элементов и функционального назначения выработок.

По числу разрабатываемых пластов, обслуживаемых одной системой подготовительных выработок на откаточном горизонте различают индивидуальный или групповой способы подготовки. При индивидуальном способе подготовки проводят и поддерживают все выработки, необходимые для отработки одного пласта или его отдельных частей. При групповом способе подготовки основные подготовительные выработки проводят общими для всех разрабатываемых пластов свиты или отдельной ее группы.

По расположению подготовительных выработок относительно пласта и его элементов различают пластовый, полевой и пластово-полевой способы полготовки.

Различают подготовку шахтного поля и подготовку выемочного поля. Подготовка выемочного поля при делении шахтного поля на панели заключается в проведении и оборудовании всех подготовительных выработок в ярусе, панели, включая проведение и оборудование ярусных штреков и разрезных печей.

Подготовка при разработке рудных месторождений

Различают полевой и рудный способы подготовки. Выбор способа подготовки зависит от следующих факторов: мощность рудного тела, направления очистной выемки, способа проветривания, свойств вмещающих пород и полезного ископаемого и др. При разработке мощных и весьма мощных рудных телах чаще применяют полевую подготовку.

При разработке рудных месторождений применяют штрековую или ортовую схемы подготовки. При штрековой подготовке выработки откаточного горизонта состоят из одного или нескольких рудных или полевых штреков. При ортовой подготовке погрузка полезного ископаемого осуществляется в ортах, соединенных с рудными или полевыми штреками.

Схема 6

Подготовка одним рудным (рис. а, в) или полевым (рис. б) штреком применяется при мощности рудного тела до 10-20 м. В более мощных залежах проводят несколько рудных штреков и один полевой (рис. г) со специальными доставочными выработками - ортами скреперования. Одного откаточного штрека бывает достаточно и для весьма мощного рудного тела, если руда к нему поступает с подэтажей по рудоспускам.

Ортовая подготовка бывает тупиковой (рис. д) или кольцевой (рис. е). В первом случае из двухпутевого откаточного штрека 1 проходят орты-заезды 2. При кольцевой схеме орты проводят между однопутевым рудным или полевым штреком 3 и двухпутевым полевым штреком 1. Наличие двух штреков обеспечивает хорошие условия для транспорта и проветривания основного горизонта.

В неустойчивых породах длительное сохранение двухпутевых откаточных штреков, имеющих площадь поперечного сечения до 20 м2 и находящихся в зоне влияния горных работ, становится затруднительным. Поэтому двухпутевые штреки проводят на значительном расстоянии от рудного тела, а с целью сокращения длины ортов-заездов заездов вблизи рудного тела проводят однопутевой вспомогательный штрек 4 (рис. ж). В породах висячего бока проводят однопутевой откаточный штрек. Штреки лежачего бока сбиваются между собой квершлагами 5.

12.Системы разработки пластовых месторождений

Под системой разработки пластовых месторождений понимают определенный порядок проведения подготовительных и очистных выработок в пределах шахтного поля, увязанных по времени и в пространстве.

Системы разработки должны соответствовать следующим требованиям:

1. безопасность ведения горных работ;

2. экономичность разработки;

3. минимальные потери полезного ископаемого;

4. охрана окружающей среды.

Экономичность системы разработки определяется достигнутыми при её применении технико-экономическими показателями:

-прибылью;

-производительностью труда;

-потерями полезного ископаемого.

Экономичность системы разработки достигается при условии минимальных трудовых затрат, расходы энергии и трудового материала на единицу объема полезного ископаемого.

Выбор системы разработки может производиться методом прямого отбора по принципу соответствия её главнейшим геологическим и горнотехническим условиям месторождения, а выбор варианта отобранной системы - методом экономических расчетов.

На выбор системы разработки в конкретных условиях влияют как горно-геологические, так и технические и организационные факторы. К этим факторам относятся:

1. Мощность пласта влияет на технологию очистной выемки и на проведение подготовительных выработок. Так, пласты тонкие и средней мощности, а также часть крутых мощных пластов разрабатываются на полную мощность, а мощные, пологие и наклонные пласты обычно вынимаются отдельными слоями. Если мощность пласта менее 2.5 м, то при проведении подготовительных выработок приходится подрывать часть пород, вмещающих пластов.

...