Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Сибирский государственный индустриальный университет"

ТЕХНОЛОГИЯ И МЕХАНИЗАЦИЯ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ ПОЛОГИХ ПЛАСТОВ

Допущено учебно-методическим советом вузов

Российской Федерации по горному образованию

В качестве учебного пособия для студентов вузов,

обучающихся по направлению 550600 "Горное дело"

и по специальности 090200 "Подземная разработка

месторождений полезных ископаемых"

Под общей редакцией

Профессора, доктора технических наук

В.Н. Фрянова

Новокузнецк 2005

Содержание

• 1. Общие сведения и основные понятия о системах разработки. требования, предъявляемые к системам
• 2. Классификация систем разработки
• 3. Факторы, влияющие на выбор системы разработки
• 4. Содержание прогрессивных технологических схем отработки пластов
• 5. Сплошные системы разработки
• 5.1 Сплошные системы разработки с делением этажа на подэтажи
• 5.2 Способы расположения и охраны выработок при сплошной системе разработки
• 5.2.1 Способ охраны целиками угля
• 5.2.2 Охрана штреков бутовыми полосами
• 5.2.3 Охрана выработок путем расположения их в породах почвы пласта (полевые штреки)
• 5.3 Сплошные системы разработки тонких крутых пластов
• 6. Системы разработки длинными столбами
• 6.2 Способы и схемы проведения и охраны подготовительных выработок при столбовых системах
• 6.2.1 Проведение транспортного и вентиляционного штреков с охраной их околоштрековыми целиками
• 6.2.2 Проведение сдвоенных штреков
• 6.2.3 Способ подготовки спаренными штреками
• 6.2.4 Проведение транспортного штрека и сохранение его в качестве вентиляционного для нижней лавы
• 6.2.5 Проходка штреков в зоне разгрузки
• 7. Системы разработки длинными столбами по простираниюпри панельной подготовке шахтного поля
• 8. Система разработки длинными столбами по простиранию при этажной подготовке шахтных полей
• 9. Система разработки длинными столбами по падению (восстанию) при погоризонтной подготовке шахтного поля
• 10. Общие сведения о системах разработки с короткими забоями. сущность систем
• 11. Технологическая схема выемки при гидравлической добыче
• 12. Технологические схемы и процессы разработки мощных пластов
• 12.1 Способы деления пластов на слои. Общие положения
• 12.2 Технология отработки мощных пологих и наклонных пластов наклонными слоями, механическими комплексами с обрушением кровли
• 12.3 Технология отработки мощных пологих пластов в один слой с выпуском подкровельной пачки
• 12.4 Технология отработки мощных пологих пластов с выпуском подкровельной толщи
• 12.5 Схема отработки угля с выпуском межслоевой кровли при отработке в два слоя и выпуском межслоевой кровли при крепком угле
• 12.6 Технология отработки мощных пологих пластов слоями, отрабатываемыми только у почвы пласта

1. Общие сведения и основные понятия о системах разработки. требования, предъявляемые к системам

Началу очистных работ всегда предшествует проведение сложной сети подготовительных выработок. Эта подготовка ведётся в строгой последовательности по специально разработанным проектам и паспортам. Основой стабильной работы выемочных участков, т.е. без разрывов очистного фронта, является безусловное выполнение следующего условия.

В каждый момент времени очистного забоя (выемочного участка) количество погашенных (отработанных) запасов (_{отр. з}) не должна превышать количества подготовленных запасов (_{подг. з}) т.е. должно соблюдаться условие _{подг. з} ? _{отр. з}. Во многом это условие обеспечивается правильным выбором для данных горно-геологических условий залегания пласта системы его разработки.

Системой разработки называют установленный для данных горно-геологических условий залегания пласта, увязанный во времени и пространстве определённый порядок ведения подготовительных и очистных работ в пределах этажа, панели или горизонта.

К любой системе разработки предъявляются следующие основные требования: безопасность ведения работ, экономичность и эффективность, полнота извлечения (возможно минимальные потери) угля, охрана недр и окружающей среды.

Безопасность обеспечивается прежде всего устойчивым и надёжным проветриванием, наличием не менее двух запасных выходов из забоя, его надёжным креплением, а также проведением профилактических мероприятий по дегазации, пылеподавлению, внезапным выбросам и т.д.

Экономичность достигается минимальными затратами труда и материалов на одну тонну добываемого угля.

Эффективность системы будет обеспечиваться высокой нагрузкой на очистной забой при соблюдении условий экономичности.

Потери угля должны быть возможно минимальны и экономически обоснованы. Неоправданно высокие потери наносят ущерб, увеличивают себестоимость угля, сокращают срок службы шахты.

Система разработки должна обеспечивать условия для комплексной механизации и автоматизации производственных процессов и надёжность работы.

подземная разработка пологий пласт

2. Классификация систем разработки

Большое разнообразие горно-геологических условий залегания пластов и технологий выемки угля обусловило большое разнообразие систем разработки и их вариантов. Поэтому возникает потребность в их классификации. Существует несколько классификаций, в основу которых положены различные классификационные принципы (основные признаки). Наиболее признанной является классификация, в основу которой положено одно наиболее характерное отличие, которое выделяет любую систему разработки и её варианты из группы других. Таким отличием является определённый порядок (последовательность) ведения подготовительных и очистных работ в этаже, ярусе или горизонте.

Это основное отличие определяет вид системы разработки - сплошная, столбовая или комбинированная при применении длинных очистных забоев (лава, полоса) и коротких забоев (камера, заходка).

Этот основной признак (отличие) дополняется рядом признаков, дополняющих и дополнительно характеризующих не только системы разработки, но и различные её варианты. Таких признаков три.

Первый признак - применяемая технология выемки. По этому признаку системы разработки разделяются на две большие группы:

длинными забоями (лава, полоса);

короткими забоями (камера, заходка).

При коротких забоях породы кровли опираются на массив угля и целики угля, которые оставляются для ограждения забоя от обрушенных пород и временного удержания непосредственной кровли. Благодаря этому отпадает необходимость в управлении кровлей вообще или на время выемки угля в коротком забое. Проявление горного давления в коротком забое в основном зависит от устойчивости горных пород и концов. В длинных забоях кровля может опираться только на массив угля. При этом массив (забой) непрерывно перемещается. Поэтому для разгрузки массива и призабойной крепи от горного давления необходимо осуществлять мероприятия по управлению кровлей, т.е. горным давлением. Проявление горного давления в длинном забое незначительно, в отличие от коротких забоев, от условий устойчивости у концов забоя.

В свою очередь, системы разработки группы 1 делятся на две подгруппы:

А - системы разработки пластов на полную мощность пласта;

Б - системы разработки с разделением пластов на слои (наклонные, горизонтальные, поперечные, диагональные) одинаковой или разной мощности (толщины).

Второй признак - общее направление подвигания (перемещения) очистного забоя относительно элементов залегания пласта.

В соответствии с этим признаком существуют варианты столбовой системы разработки длинными столбами по простиранию, падению, восстанию и диагонально

Они отличаются друг от друга только направлением перемещения очистного забоя.

Третий признак - технологическая схема подготовки этажа, яруса или горизонта. Эти схемы могут быть самые различные, например: с разделением и без разделения этажей на подэтажи, а ярусов на подъярусы, с пластовой или полевой как индивидуальной, так и групповой подготовкой пластов в пределах этажа или яруса, с доставкой угля на задний, передний или двусторонний бремсберг, квершлаг, гезенк.

Основного отличия (признака) и трёх перечисленных дополнительных признаков, рассматриваемых совместно, достаточно для полной характеристики системы и её вариантов.

Для конкретных горно-геологических условий с учётом других факторов, которые будут рассмотрены ниже, необходимо выбрать из многих одну, наиболее прогрессивную. Главным критерием, определяющим её прогрессивность, является соответствие современному уровню техники.

3. Факторы, влияющие на выбор системы разработки

На выбор любой системы разработки и её параметров влияют многие факторы, которые можно разделить на три группы: горно-геологические, включая некоторые физико-механические, технологические и горнотехнические.

Рассмотрим кратко основные факторы.

К горно-геологическим факторам относятся:

мощность пласта, которая решающим образом влияет на выбор технологии и средств проведения подготовительных выработок и очистных работ. Так, на пластах мощностью менее 2-2,5 м проведение выработок часто приходится вести с подрывкой боковых пород. Пласты тонкие и средней мощности, а также часть пластов крутого и пологого падения мощностью 4-5 м могут при наличии соответствующих средств выемки разрабатываться на полную мощность. А мощные пологие, наклонные и большая часть крутых пластов вынимаются слоями. Разработка мощных пластов требует полевой подготовки.

угол падения пласта также имеет решающее влияние не только на выбор средств и технологии подготовки и выемки пластов различного диапазона мощности, но и на способ транспортирования угля вдоль забоя и в пределах выемочного поля. На пластах с углами падения не более 25° можно применять механические средства, при больших углах - под действием собственного веса. Нужно учитывать, например, что на крутых пластах приходят в движение не только породы кровли, но и почвы, и разрабатывать средства и меры для предотвращения этих проявлений. Кроме того, угол падения влияет на конструкции средств механизации очистных и подготовительных работ.

наличие и характер геологических нарушений усложняют разработку и должны приниматься во внимание при выборе того или другого варианта системы разработки и ее элементов, а также средств механизации очистных работ с учетом перехода этих нарушений.

газоносность пласта может лимитировать длину лавы, которая является основным элементом системы разработки, а также нагрузку на очистной забой. Очистные забои, расположенные на пластах с высокой газоносностью, склонных к внезапным выбросам или суфлярным выделениям метана, должны проветриваться обособленно. Для этого приходится проводить дополнительные выработки и вентиляционные сооружения, а это отражается на параметрах и конструкции элементов системы разработки.

обводненность месторождения (пласта). Наличие воды в очистном забое повышает опасность работ, снижает производительность и надежность машин и механизмов. Поэтому необходимо предварительно осушать или применять такие системы разработки, которые исключали бы проникновение воды в очистной забой.

Помимо указанных факторов, на выбор того или иного варианта системы разработки существенно влияют как самостоятельно, так и в совокупности с другими, такие факторы, как глубина разработки, гипсометрия почвы пласта, наличие пережимов и вздутий пласта и др.

К физико-механическим свойствам, оказывающим значительное влияние на выбор средств и способов выемки угля и охраны выработок, следует отнести прочность угля и вмещающих пород на сжатие, растяжение и сдвиг, которые напрямую зависят от крепости этих пород.

Технологические факторы - это, прежде всего, устойчивость кровли, трещиноватость угля и пород кровли, слоистость, обрушаемость и управляемость кровли, вязкость и твёрдость угля. Степень устойчивости и трещиноватости боковых пород и угля, направление кливажа и трещин, отжим угля, свойство обрушаться отдельными кусками или большими массами, склонность пород кровли внезапно обрушаться или зависать на больших площадях, т.е. трудно обрушаться или плавно прогибаться, - все эти показатели оказывают часто решающее влияние на выбор системы разработки, способа и средств выемки угля. Более подробно об этом говорилось выше (в разделе "влияние свойств угля и вмещающих пород на выбор процессов очистных и подготовительных работ и их параметров").

К горнотехническим факторам относятся: форма и длина забоя, скорость подвигания забоя, тип и жёсткость применяемой крепи, ширина вынимаемой полосы или стружки с поверхности забоя, способы и средства выемки угля в очистном забое, направление, в котором ведётся выемка, способ управления кровлей и др.

При выборе рационального для заданных горно-геологических условий варианта системы разработки необходимо по возможности наиболее полно учитывать совокупное влияние указанных факторов. При этом каждый из факторов следует рассматривать отдельно, а их влияние учитывать совместно.

Большое разнообразие влияющих факторов и вариантов систем разработки потребовало создания типовых технологических схем выемки на основе комплексного подхода к выбору каждой из этих схем.

Такая типизация основных технологических и технических решений усилиями многих научно-исследовательских институтов осуществлена и представлена для практического применения в виде "Прогрессивных технологических схем при разработке пластов на угольных шахтах".

Рассмотрим в основных чертах их содержание.

4. Содержание прогрессивных технологических схем отработки пластов

Прежде чем перейти к содержанию схем, следует определиться, что же такое технологическая схема, что включает она в себя.

Технологическая схема очистных работ - это комплекс взаимоувязанных инженерно-технических и организационных решений по рациональному и безопасному ведению горных работ в пределах пласта или выемочного поля с указанием необходимых средств для выполнения всех процессов и операций по добыче угля и проведению подготовительных выработок и достигаемых при этом технико-экономических показателей в указанных горно-геологических и горнотехнических условиях. Прогрессивные технологические схемы охватывают широкий диапазон горно-геологических и горнотехнических условий, каждая из схем предназначена для применения в определённой области значений мощности и угла падения пласта, устойчивости и обрушаемости кровли, сопротивляемости угля резанию, прочности почвы, газоносности пласта, водообильности, глубины разработки и целого ряда других факторов.

В схемах даётся решение всего комплекса вопросов эффективного и безопасного ведения очистных и подготовительных работ (горных, включая схему подготовки и систему разработки с указанием их рациональных параметров, схему вентиляции и транспортирования угля, доставки материалов, оборудования и людей в выемочном поле). В них даны способы управления кровлей и проведения подготовительных выработок, способы охраны выработок и плотность крепи, способы пылеподавления, средства механизации очистных и подготовительных работ, мероприятия по безопасному ведению работ и санитарные условия труда, а также схемы электроснабжения, связь, сигнализация и ряд других схем, средств, способов и форм организации труда.

В настоящее время кроме указанных схем широко внедряются технологические схемы разработки пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, направленных на значительное повышение безопасности и эффективности разработки выбросоопасных пластов, на основе широкого использования новых, более рациональных технологических, технических и организационных решений.

При выборе нужного варианта технологические схемы рекомендуют и используют в своих разработках следующие основные положения (принципы) - комплексное решение всех вопросов, связанных с ведением очистных и подготовительных работ в пределах выемочного поля или пласта:

максимально высокий уровень механизации и использование горной техники в соответствующих ей условиях, минимум тяжёлых ручных работ;

максимально возможная концентрация очистных работ;

минимальный объём проведения и поддержания выработок, надёжные способы их охраны;

высокий коэффициент извлечения угля и охрана окружающей среды;

минимальный объём монтажно-демонтажных работ;

обеспечение безопасных условий труда;

устранение ограничений по газу путём применения дегазации пласта, подсвежения вентиляционных струй и прямоточных схем проветривания;

полевая и пластовая подготовка при бесцеликовой охране выработок путём сохранения их в выработанном пространстве для повторного использования или проведения вприсечку;

отработка выемочных участков одиночными лавами.

Таким образом, основным условием эффективного применения любой технологической схемы очистных работ является соответствие её параметров горно-геологическим и горно-механическим условиям отработки пластов при правильной (научной) организации труда.

Контрольные вопросы:

1. Основные понятия о системах разработки

2. Признаки, характеризующие системы разработки

3. Горно-геологические факторы, влияющие на выбор системы разработки

4. Технологические и горнотехнические факторы

5. Технологическая схема очистных работ

6. Основное условие эффективного применения любой технологической схемы

5. Сплошные системы разработки

Система разработки, при которой очистные работы в пределах этажа, яруса или горизонта ведутся одновременно и в одном направлении с проведением подготовительных выработок, незначительно опережающих очистные работы, называется сплошной.

Таким образом, сплошная система обуславливает прямую отработку, т.е. от главной транспортной выработки к границам пласта или выемочного поля.

Сплошная система применяется на пластах мощностью до 1,5 м (реже до 1,8 м), а в основном - на тонких пластах с любым углом падения, на пластах, опасных по горным ударам и внезапным выбросам, залегающих на больших глубинах, где высокая температура и большое горное давление затрудняют предварительное оконтуривание запасов подготовительными выработками и поддержание этих выработок. Применение этой системы требует строгого соответствия между скоростями подвигания очистного и подготовительного забоя, а также поддержания выработок позади очистного забоя в отработанном пространстве.

Сплошную систему разработки применяют как при этажной, так и при панельной подготовке.

В зависимости от наклонной высоты этажа (яруса) в его пределах может размещаться от одного до двух, реже до трёх очистных забоев. Если в этаже (ярусе) размещается один очистной забой, то такой вариант сплошной системы разработки называют лава-этаж (лава-ярус), если более одного забоя, то - сплошной системой разработки с делением этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы).

Сплошная система разработки отличается исключительной простотой. На всю наклонную высоту этажа или яруса имеется один прямолинейный забой. Впереди этого забоя нет никаких подготовительных выработок, кроме этажного откаточного штрека и в отдельных случаях - просека. Вентиляционный штрек проводят вслед за лавой, а при отработке последующих этажей (ярусов) используют, как правило, в качестве вентиляционного бывший откаточный штрек.

Подготовительные работы при системе лава-этаж (рис.) начинаются с проведения от капитального бремсберга (уклона) или ходка откаточного штрека на длину 80-120 м. Затем от этого штрека на расстоянии 30-40 м от бремсберга (уклона) - разрезную печь. От бремсберга (уклона) проводят вентиляционный штрек до разрезной печи, обеспечивая второй выход из очистного забоя и его проветривание. В разрезной печи монтируют выемочное оборудование и начинают очистные работы. На пуск очистного забоя в эксплуатацию уходит, как правило, не более 3-4 месяцев.

Откаточный штрек может проводиться без опережения забоя лавы и с некоторым опережением его. Сплошная система без опережения лавы забоями откаточного и вентиляционного штреков применяется на пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа. В этом случае откаточный штрек проводят широким забоем.

При работе с опережающим забоем откаточного штрека опережение должно быть не менее 50 м. Вентиляционный штрек и в этом случае проводят в основном вслед за забоем лавы путём подрывки пород кровли или почвы пласта. Вентиляционный штрек при этом со стороны выработанного пространства охраняется бутовой полосой (бутовая полоса - искусственный целик, возводимый из кусков породы) шириной 8-12 м и более, на устройство которой используется порода, полученная от подрывки в вентиляционном штреке. Бутовые полосы обычно возводятся вручную. Для механизации этих работ используют дробильно-закладочный комплекс "Титан-1".

Откаточные и вентиляционные штреки охраняют угольными целиками, бутовыми полосами и другими способами.

Более подробно способы охраны этих выработок будут рассмотрены ниже.

Достоинства сплошной системы разработки:

небольшой объём подготовительных выработок, необходимых для начала очистных работ;

простая схема вентиляции, отсутствие тупиковых выработок большой протяжённости;

система может применяться в сложных горно-геологических условиях.

Недостатки:

высокая трудоёмкость проведения и поддержания выработок в отработанном пространстве;

большие утечки воздуха в выработанное пространство;

взаимная зависимость очистных и подготовительных забоев (остановка в одном ведёт к остановке всех других);

нет доразведки пласта в процессе проведения подготовительных выработок.

5.1 Сплошные системы разработки с делением этажа на подэтажи

Так как наклонная высота этажа на пологих пластах может быть большой (несколько сот метров), то система лава-этаж не всегда возможна и приходится переходить к более сложному варианту разработки с разделением этажа на два, реже - на три подэтажа.

В этом случае, кроме этажных штреков, проводят так называемые подэтажные штреки. Подэтажные штреки иначе называют промежуточными. Расстояние между промежуточными штреками, измеряемое по линии падения пласта, называется высотой подэтажа.

Итак, подэтажом называется часть этажа, заключённая между двумя соседними промежуточными штреками или между основным штреком и соседним с ним промежуточным штреком.

Отработка каждого подэтажа осуществляется самостоятельной лавой. Расстояние между забоями подэтажей называется опережением.

Для выдачи угля из подэтажей необходимо устраивать бремсберги в пределах этажа. Забой (лава) каждого подэтажа имеет самостоятельное сообщение с бремсбергом.

Забои подэтажей могут вестись с опережением или отставанием относительно друг друга. Таким образом, при делении этажа на подэтажи этаж по простиранию делится бремсбергами, которые называют участковыми (промежуточными) на отдельные односторонние выемочные поля, размер которых по простиранию 150-300 м, а по восстанию каждое выемочное поле делится на подэтажи промежуточными (подэтажными) штреками. В подготовку выемочного поля входит также проведение в каждом подэтаже разрезной печи.

Участковые (промежуточные) бремсберги могут проводиться позади очистного забоя (рис.) и в этом случае система называется с доставкой угля на задний бремсберг. К этой схеме прибегают, когда очистные работы всё дальше уходят от разрезной печи, растёт длина промежуточных штреков, и следовательно, становится дороже их поддержание и транспорт по ним.

Поэтому с какого-то расстояния (150-300 м) оказывается выгодным и более удобным их погашать, а в выработанном пространстве пройти бремсберг. Этот бремсберг проводится по обрушенным породам (завалу) после того, как забой лавы пройдёт место, где планируется проведение бремсберга.

Применяется эта схема в особо сложных условиях на пластах мощностью не более 0,9-1 м с пучащимися породами почвы, опасных по внезапным выбросам.

Недостатки: дорогостоящее и трудоёмкое проведение и поддержание бремсбергов в выработанном пространстве, низкие темпы проходки.

Эти недостатки устраняются при схеме с проведением бремсберга впереди очистного забоя, т.е. в нетронутом массиве (рис.). Для этого этажный откаточный штрек проводят с опережением по отношению к очистному забою на длину выемочного поля, а от него - наклонную выработку (бремсберг или уклон) на длину, равную наклонной высоте нижнего подэтажа. К моменту подхода очистных забоев к переднему промежуточному бремсбергу откаточный этажный штрек и промежуточный бремсберг следующего выемочного поля должны быть пройдены. Применяют на пластах, не опасных по внезапным выбросам.

Проветривание очистных забоев осуществляется как последовательно, так и обособленно. При обособленном для каждого подэтажа проводят самостоятельные подэтажные штреки с оставлением между ними целиков или устраивают кроссинги.

На крутых пластах этаж также делят на 2-3 подэтажа. Этажный откаточный и промежуточные штреки при этом охраняются целиками угля. Очистные работы в верхних подэтажах ведутся с опережением нижних на 15-30 м.

В связи с сильным пылеобразованием в нижней лаве для перепуска угля в нижнем подэтаже проводят передовые углеспускные печи (скаты) на расстоянии, равном длине конвейера.

На крутом падении область применения этих схем - пласты мощностью 0,8-3 м со слабыми боковыми породами.

5.2 Способы расположения и охраны выработок при сплошной системе разработки

Любая система разработки состоит из трех элементов: откаточный штрек, т.е. транспортная выработка, вентиляционный штрек и очистная выработка, т.е. очистной забой. Способы их проведения и поддержания являются одной из основных характеристик каждого варианта системы разработки.

Первый элемент - транспортный штрек. При m=0,9-1 м и устойчивых боковых породах транспортные штреки проводят узким забоем в виде одной выработки, как по пласту, так и по пустым породам, т.е. полевые.

При проходке по пласту охрану выработок осуществляют целиками угля, бутовыми полосами и искусственными сооружениями из БЖБТ (бутовые железобетонные тумбы), органной крепи, костров, кустов и искусственных литых полос из твердеющих материалов.

5.2.1 Способ охраны целиками угля

Способ применяется при m>1 м.

Штрек проводят узким забоем, но с параллельной выработкой, которая называется просеком. Штрек с просеком через 30-50 м сбивают печами (рис.).

Печи и просек служат выходами из лавы, для проветривания забоя штрека при его проходке, размещения конвейеров и для выдачи угля из лавы в откаточный штрек. Над откаточным штреком оставляются целики угля для его охраны. Размеры целиков устанавливают практическим путём в зависимости от глубины, величины горного давления, устойчивости боковых пород и крепости угля. Или ориентировочно определяют по формуле

где m - мощность пласта, м;

Н - глубина ведения горных работ, м.

Достоинства: обеспечивается хорошее состояние сопряжения лавы со штреком при слабой кровле.

Недостатки: проведение дополнительных выработок (печей и просеков), усложняется схема транспорта угля, потери угля в целиках.

Область применения: тонкие и средней мощности пласты с любым углом падения, залегающие на небольшой глубине, не склонные к горным ударам, не пожароопасные, с непучащей почвой.

5.2.2 Охрана штреков бутовыми полосами

При этом способе для охраны штрека от горного давления и устранения утечек воздуха в выработанное пространство у боков штрека выкладывают стенку из старых стоек, уложенных одна на другую, а также бутовых полос шириной не менее 6 м из расчёта h_б=8 м. Бутовые полосы могут быть односторонними и двусторонними.

Односторонние бутовые полосы возводят при опережении штреком забоя лавы (рис.), так и с отставанием его (рис.). Породу для бутовых полос берут в первом случае от проходки специального бутового штрека, во втором - от проходки самого транспортного штрека. Когда забой штрека опережает забой лавы, для удобства транспорта угля у верхней бровки штрека берут берму (площадку) шириной до 2 м для установки конвейера, и погрузочный пункт устраивают впереди лавы.

Достоинства: устраняются потери угля в целиках, оставляется порода в шахте, нет тупиковых забоев.

Недостатки: высокая трудоёмкость работ.

Область применения: мощность пласта не более 1,5 м при угле падения до 35°, кровля - любая, почва - не склонная к пучению.

Охрана штреков двусторонними бутовыми полосами возможна при проведении транспортного штрека широким забоем как с опережением (рис.), так и отставанием лавы (рис.). Нижняя бутовая полоса возводится из породы от проходки штрека, верхняя - бутового штрека.

Вариант с проведением штрека широким забоем позади лавы имеет наибольшее распространение (в лаве одна выемочная машина вместо двух, забои проветриваются за счёт общешахтной депрессии, для чего в штреке устанавливается вентиляционная дверь); снижаются затраты на поддержание штрека, т.к. он не испытывает опорного давления.

Недостатки: большой объём и трудоёмкость при выкладке бутовых полос, сооружение дополнительных выработок конвейерного штрека (косовичника) и ходков (конвейерных сбоек), нет доразведки пласта.

Область применения: пологие пласты m_пл=0,8-1,5 м с неустойчивыми боковыми породами, пучащими почвами, любой газоносности и склонные к выбросам угля и газа. Охрана штреков искусственными сооружениями в виде БЖБТ, органной крепи, костров, кустов и литых полос применяется вместо способов охраны односторонней бутовой полосой. БЖБТ применяют на пластах мощностью до 1,5 м и с углами падения до 18° с легко - и среднеобрушающимися кровлями и почвами средней крепости. Органная крепь (плотный ряд деревянных стоек), костры из бруса или стоек, кусты из деревянных стоек и литые полосы из быстротвердеющих материалов могут применяться на пластах мощностью более 1,2 м. Применяют и сочетания этих способов, например, органную крепь совместно с кострами в слабых породах. Плотность установки этих крепей принимают в зависимости от конкретных условий.

5.2.3 Охрана выработок путем расположения их в породах почвы пласта (полевые штреки)

При разработке пластов со слабыми боковыми породами (особенно почвы), склонными к пучению, а также при высокой пожароопасности пластов или мощности пластов более 1,5 м, когда происходят интенсивные сдвижения пород, проводят полевой транспортный штрек, который располагают в почве пласта на расстоянии свыше 10 м от него. Полевой штрек соединяют с лавой или пластовым штреком наклонными гезенками, имеющими три отделения - углеспускное, ходовое и грузовое для доставки оборудования. Угол наклона гезенков принимается не менее 55°, чтобы штрек располагался в зоне разгрузки.

Чтобы исключить вредное влияние опорного давления, если штрек не пройден ранее, его проводят вслед за лавой, в разгруженной от горного давления зоне. Отставание забоя полевого штрека от проекции забоя лавы, т.е. величину опережения L_оп определяется из выражения

где h_н - расстояние от почвы пласта до кровли штрека, принимается 8-12 м;

з - коэффициент запаса, равен 1,1-1,2 (рис.).

Достоинства: хорошие условия поддержания штреков, гезенки используются как бункеры под уголь, возможность использовать штреки повторно, как вентиляционные.

Недостатки: сложность проведения полевых штреков, проведение дополнительных выработок - гезенков и косовичников (просеков).

Рассмотрим третий, последний элемент системы разработки - очистной забой (лава). Длина лавы на пологом и наклонном падении может быть до 250-300 м.

Забой обычно прямолинейный. По концам лавы в зависимости от применяемых средств механизации или принятой организации работ могут устраивать одну или две ниши или вообще работать без них.

Так, например, если в лаве работает струговая установка или один не самозарубающийся комбайн, то необходимо иметь две ниши. Если работает один самозарубающийся комбайн, когда головка конвейера вынесена в транспортный штрек, достаточно одной ниши. Можно вообще обойтись без ниш, если есть возможность вынести головку конвейера на транспортный штрек, а хвостовую часть - на вентиляционный штрек.

При разработке тонких пологих и наклонных пластов, помимо соответствующих механизированных комплексов и стругов, могут применяться и комплекты оборудования, включающие индивидуальную металлическую крепь и посадочные стойки (тумбы), в более редких случаях - деревянную крепь.

Зная горно-геологические условия залегания конкретного пласта и рациональную область применения отдельных из указанных элементов можно синтезировать самые различные варианты систем разработки тонких, пологих и наклонных пластов.

5.3 Сплошные системы разработки тонких крутых пластов

Для выемки угля на тонких крутых пластах применяют отбойные молотки, комбайны и реже буровзрывные работы. На смену отбойным молоткам в настоящее время пришли высокопроизводительные комбайны с индивидуальной или механизированной крепью, а также щитовые агрегаты.

Вскрытый этажным или промежуточным квершлагом пласт или выемочное поле подготавливают проведением в обе стороны от этих квершлагов этажных или блоковых штреков - откаточного или вентиляционного. Параллельно откаточным штрекам проводят просеки. Просек и штрек соединяют печами. В печах устанавливают призабойную деревянную крепь. Каждая печь имеет два отделения: ходовое и грузовое для спуска угля в откаточный штрек. Для погрузки угля в вагонетки на штреке оборудуют погрузочные люки.

Для охраны откаточных штреков, как правило, оставляют целики угля и только на пластах, склонных к самовозгоранию или внезапным выбросам угля и газа, эти штреки поддерживают кострами или бутовыми (породными) полосами. Размеры целиков по падению 5-10 м, по простиранию 5-6 м.

В качестве вентиляционных используют бывшие пластовые или полевые откаточные штреки. Для поддержания вновь проводимых вентиляционных штреков под ними выкладывают бутовые полосы, иногда в сочетании с целиками угля размером 4-5 м. Породу для возведения бутовых полос используют от проведения вентиляционного штрека. Породные бутовые полосы занимают довольно большой объём выработанного пространства, порядка 15-20%. Чтобы удержать породу под штреком, её укладывают на специальный полок, устраиваемый из обаполов и плах, которые настилают и укрепляют на ранее поставленных стойках призабойной крепи. Основным видом механизации очистных работ является комплект оборудования для тонких крутых пластов, в который входят узкозахватный комбайн ("Темп", "Малыш" и др.) с индивидуальной деревянной призабойной крепью, посадочной крепи типа ОКУМ (органная крепь универсальная для тонких пластов), поддерживающей лебедки, балки с блоками для направления рабочего и предохранительных канатов и контейнеров.

Лава на участке работы комбайна имеет прямолинейную форму с наклоном 5-7° относительно линии падения пласта в сторону массива угля, что обеспечивает прижатие комбайна к забою и уменьшает пылеобразование при движении отбитого угля по лаве.

В нижней части лавы всегда берут (устраивают) так называемый магазинный уступ, который всегда опережает забой лавы. В этом уступе накапливается уголь (отсюда название), который постепенно выпускается через люки по мере подачи порожних вагонов. Размеры магазинного уступа 10-15 м по простиранию и до 20-25 м по восстанию пласта (из расчёта размещения в нем всего угля с полосы 0,9 м на всю длину машинной части лавы), при этом должно ещё оставаться свободное пространство для поступления воздуха в лаву. Магазинный уступ делят на два подуступа (части). В верхнем углу ("кутке") каждой части магазинного уступа устраивают специальные ниши безопасности. Выемку угля в уступах ведут отбойными молотками, реже применяют буровзрывные работы.

В верхней части лавы также берут нишу, которая служит для подготовки комбайна в транспортное положение для спуска его по лаве.

Длина лавы при системе лава-этаж равна высоте этажа и составляет 100-150 м.

Узкозахватный комбайн предназначен для выемки пластов мощностью 0,6-1,2 м, работает по односторонней схеме: выемка угля снизу-вверх и обратным холостым перегоном. Перемещается комбайн по почве пласта на лыже, снимая рабочим органом, состоящим из двух барабанов (верхнего и нижнего) и плоского режущего бара, полосу угля шириной до 0,9 м. Полосу угля шириной 0,9 м и длиной 100 м комбайн вынимает за 1,5-2 ч.

Уголь под собственным весом вдоль наклонного забоя доставляется в магазинный уступ. После выемки полосы комбайн спускают вниз, на что затрачивается примерно 1 час, и переводят его на новую дорожку, т.е. заводят его в верхний куток магазинного уступа. Цикл по выемке повторяется.

Оставшееся время смены используется для возведения крепи снизу вверх. Крепление лавы ведётся сразу на нескольких участках лавы длиной по 10-15 м.

Призабойная крепь на крутых пластах - это рама, состоящая из деревянных стоек, верхняка (распила) и затяжек. Верхняки имеют длину 2 м, под них подбивают три стойки, расстояние между которыми должно быть не более 0,7-1 м. Распилы располагают обычно вдоль забоя, первый ряд на расстоянии 0,3 м, далее расстояние между рамами 0,9-1 м. При слабых кровлях её затягивают досками-затяжками, укладывая их под распилы.

На крутых пластах применяют те же способы управления кровлей, что и при разработке пологих пластов, но наиболее распространен способ с удержанием кровли на кострах (более 60% от общего количества применяемых способов). Костры из круглых стоек или брусьев имеют форму трапеции или прямоугольника и располагают их правильными рядами или в шахматном порядке. Расстояние между кострами по простиранию 2-2,5 м, по падению 2-6 м. Вместо деревянных применяют пневмокостры в лавах на пластах с углом падения 35-90°, мощностью от 0,5 до 0,9 м и кровлях, склонных к плавному прогибу. Доставку лесоматериалов в забой осуществляют вручную или с помощью скипов и лесоподъемников снизу вверх по лаве.

В настоящее время для разработки тонких крутых пластов внедряются разработанные для этих условий механизированные гидравлические крепи типа КГУ (крепь гидравлическая универсальная) для пластов мощностью 0,7-1,2 м и боковыми породами не ниже средней устойчивости.

При выемке угля отбойными молотками прямолинейную форму очистного забоя меняют на почвоуступную с размерами уступов 10-12 м по падению и 2-3 м по простиранию.

Контрольные вопросы

1. Схема сплошной системы разработки

2. Способы охраны выработок при сплошной системе разработки

3. Размеры целиков

4. Область применения способа охраны целиками угля

5. Область применения способа охраны штреков бутовыми полосами

6. Достоинства и недостатки проходки полевого транспортного штрека

7. Способы выемки угля на тонких крутых пластах

6. Системы разработки длинными столбами

Система разработки, при которой все подготовительные выработки в пределах выемочного поля проводятся прямым ходом до начала очистных работ, а очистные работы ведутся в противоположном направлении, т.е. обратным ходом, называется столбовой (рис.).

Принципиальная сущность столбовых систем:

системы разработки характеризуются независимым ведением подготовительных и очистных работ в пределах выемочного поля. На момент начала очистных работ (очистной выемки) все подготовительные выработки, соединяющие забой с системой транспортных и вентиляционных выработок шахты, должны быть пройдены на всю проектную длину;

все подготовительные выработки располагаются в нетронутом массиве угля. Так как столбовая система позволяет отрабатывать подготовленный столб в обратном порядке, то есть от границ этажа (панели) к центру шахтного поля (панели, этажа), это позволяет погашать часть выработок, которые в ходе очистных работ оказываются в выработанном пространстве. В редких случаях одна из выработок поддерживается для вентиляции и повторного использования;

уголь в границах подготовленного выемочного участка, то есть выемочного столба, может выниматься сплошными длинными очистными забоями, имеющими прямолинейную форму на пологих, наклонных и крутых пластах, потолко - или почвоуступную форму на крутом, а также короткими забоями и на пологом и на крутом падении.

Достоинства:

хорошее состояние выработок и малые затраты на их поддержание, что обусловлено их расположением в массиве угля или в зоне разгрузки от горного давления;

дополнительная разведка пласта до начала очистных работ;

погашение выработок вслед за подвиганием очистного забоя и возможность повторного использования крепи погашаемых выработок;

возможность изоляции выработанного пространства при аварийных ситуациях (пожары в отработанном пространстве, завалы и так далее);

эффективное проветривание очистных забоев.

Недостатки:

сложность проветривания тупиковых подготовительных выработок большой протяжённости;

ограничение нагрузки на очистной забой по газовому фактору;

дополнительные затраты на поддержание уже пройденных выработок до начала очистных работ;

более позднее начало очистных работ, чем при сплошных системах разработки.

Область применения: по существу не имеет ограничений, применяется на пластах любой мощности и любых углах падения.

1.1. Схемы и способы подготовки участков, транспортирование угля и вентиляция

Столбовая система применяется при любых схемах подготовки пластов: этажной, панельной и погоризонтной с делением этажей на выемочные поля и подэтажи или без деления (лава-этаж), а панелей - на ярусы и подъярусы.

К участковым подготовительным выработкам относятся: конвейерные, аккумулирующие (при гидродобыче), откаточные, параллельные и вентиляционные штреки, участковые (промежуточные) бремсберги или уклоны (при гидродобыче это блоковые печи), а также разрезные печи.

Проветривание двух или трёх лав этажа или яруса в зависимости от газоносности, угла падения пласта, его мощности и длины лавы может осуществляться последовательно, с подсвежением или обособленно. При движении забоя лавы по простиранию, как правило, применяют возвратноточную схему проветривания, когда исходящая струя по вентиляционному штреку возвращается к наклонным выработкам (бремсбергам или уклонам) в направлении, противоположном движению свежей струи по параллельному и транспортному штреку. Реже при устойчивых боковых породах применяется прямоточная схема, когда свежая и исходящая струя имеют одно направление. При этой схеме необходимо поддерживать вентиляционный штрек за лавой, а на границе выемочного поля проводить и поддерживать фланговые вентиляционные бремсберги или уклоны.

Основным способом управления кровлей (горным давлением) является полное обрушение, реже используется полная закладка выработанного пространства, а на крутых пластах - удержание кровли на кострах.

6.2 Способы и схемы проведения и охраны подготовительных выработок при столбовых системах

Проведение подготовительных выработок при столбовых системах осуществляется узким забоем по пласту. При малой мощности пластов - широким забоем. Пластовые штреки проводят одиночными или сдвоенными забоями в зависимости от газоносности пластов и длины проводимой выработки.

На пологих и наклонных пластах применяют арочную, прямоугольную, трапециевидную, анкерную и другие виды крепи, исходя из расчёта смещений кровли. Если смещения превышают критические, то на расстоянии 15-30 м впереди забоя лавы устанавливается усиливающая крепь из металлических стоек (трения или гидравлических), которые устанавливаются под верхняки крепи или под опоры между рамами постоянной крепи.

При креплении выработок на крутых пластах при значительном смещении пород используют крепи с четырьмя звеньями с дополнительным узлом податливости в замке свода (ПАК - податливая арочная крепь с податливостью 300-600 мм) и крепь с направленной податливостью (КНАП с податливостью 600-1000 мм).

При столбовых системах разработки применяются следующие способы проведения (подготовки выемочных полей) и охраны выработок:

проведение транспортного и вентиляционного штреков (рис.).

проведение сдвоенных штреков (рис.).

проведение спаренных штреков (рис.).

проведение транспортного штрека и сохранение его в качестве вентиляционного для нижней лавы (рис.).

6.2.1 Проведение транспортного и вентиляционного штреков с охраной их околоштрековыми целиками

При этом способе между смежными ярусами (см. рис.) оставляют целики шириной 20-40 м, что позволяет отрабатывать в крыле панели несколько ярусов, а в этаже несколько подэтажей одновременно. Из-за этого способ получил широкое распространение.

Недостатки:

так как подготовка нижележащего выемочного участка совпадает по времени с очистными работами в верхней лаве, вентиляционный штрек подготавливаемой лавы (выемочного столба) на половине своей длины испытывает влияние опорного давления верхней лавы, а после её отработки уже постоянно находится в зоне стационарного давления. Поэтому затраты на его поддержание велики;

большие потери угля в целиках при увеличении глубины горных работ. Размер ширины целика "b" определяется из условия

и на глубине Н=300-400 м b=40-50 м, а потери угля достигают 18-25%.

Область применения: небольшая глубина, устойчивые боковые породы, не склонные к пучению, одиночные непожароопасные пласты, отсутствие мощных крепких пород в кровле.

6.2.2 Проведение сдвоенных штреков

При такой подготовке (рис.) от бремсберга (панельного, этажного или участкового) проводятся два штрека (транспортный для данного яруса и вентиляционный смежного нижнего) на расстоянии 15-20 м друг от друга. Штреки через 50-100 м сбиваются для проветривания и концентрации транспортирования горной массы сбойками. Штреки проводятся узким забоем и проветриваются комбинированным способом: до ближайшей к забою сбойки за счёт общешахтной депрессии, а далее тупиковую часть проветривают вентилятором местного проветривания. Часто на практике проходят один штрек, который вначале служит как транспортный для верхней лавы, а затем после отработки лавы - вентиляционным для нижней, т.е. сохраняется. Параллельный штрек используется в ходе подготовки столба, а при его отработке он служит в качестве просека и на пластах мощностью более 1,5 м сразу проходится как просек, т.е. без присечки боковых пород.

Достоинства: хорошее проветривание забоев при проходке; возможность одновременной подготовки и отработки в крыле панели нескольких ярусов или подэтажей в этаже.

Недостатки: потери угля в межярусных целиках; ухудшаются условия поддержания вентиляционных штреков при слабых боковых породах, так как они подвергаются опорному давлению при отработке верхней лавы.

Область применения: пласты средней мощности с непучащими почвами, залегающие на небольшой глубине.

6.2.3 Способ подготовки спаренными штреками

Этот способ отличается от рассмотренного выше тем, что между двумя проводимыми штреками производится выемка угля, т.е. штреки проходятся широким забоем. При этом оба угольных забоя объединены в один. Порода от подрывки размещается в общем выработанном между штреками пространстве - раскоске.

Ширина раскоски, т.е. расстояние между штреками, принимается из расчёта размещения всей полученной от присечки породы (рис.).

Достоинства: отсутствие тупиковых забоев, проветривание за счёт общешахтной депрессии, оставление в шахте породы от присечки боковых пород, дополнительная добыча угля из раскосок при подготовке столбов.

Недостатки: плохие условия поддержания вентиляционного штрека от опорного давления при отработке верхней лавы, затраты на изоляцию (стенки, отшив) бутовой полосы между штреками, чтобы избежать утечек воздуха.

Область применения: пологие пласты (т = 0,9-1,3 м) кровля не ниже средней устойчивости, непучащие почвы.

6.2.4 Проведение транспортного штрека и сохранение его в качестве вентиляционного для нижней лавы

На больших глубинах (более 500 м) охрана выработок целиками, размеры которых достигают 50-60 м становится невыгодной (большие потери, пожароопасность, высокая газообильность, газодинамические условия).

В этой связи целесообразно применять так называемые бесцеликовые схемы отработки пластов.

Эти схемы подразделяются на две группы: с повторным использованием выработок и проведением выработок вприсечку к выработанному пространству. Последний будет рассмотрен ниже.

Охрана выработок для повторного использования может осуществляться с помощью искусственных сооружений: железобетонные тумбы из блоков (БЖБТ) на пластах мощностью до 1,5 м при легко - и среднеобрушающихся кровлях и прочных почвах; органная крепь (деревянная или металлическая) при мощности пласта до 2,5 м с легко - и среднеобрушающимися кровлями; костры при наличии ложной кровли; жёсткие полосы из быстротвердеющего материала при средне - и труднообрушающихся кровлях для обеспечения надёжной изоляции выработанного пространства на пластах с прочной почвой и мощностью 2,5 м.

Для улучшения устойчивости выработок при этом способе впереди забоя лавы на 20-30 м и позади него устанавливается (на 100-120 метрах) специальная усиленная крепь из металлических стоек с несущей способностью не менее 100 кН на 1 м выработки. Используются для этих целей и специальные крепи повышенной податливости типа ИПК (инвентарная податливая крепь), которая имеет замки на стойках специальной конструкции с клиновым распором, что позволяет легко разбирать и переносить её.

Крепь усиления ставится под каждый верхняк впереди лавы, а в зоне установившегося давления, т.е. на расстоянии более 100 м позади лавы снимается (демонтируется), транспортируется конвейером и вновь устанавливается.

А крепь ИПК используется в качестве постоянной (на время службы выработки) в местах с неустановившимся горным давлением.

Сохранение старой выработки может быть полным и частичным, когда только часть бывшего транспортного штрека с помощью специальных мер по креплению и обрушению кровли при проходе лавы (см. рисунок) сохраняется под будущий вентиляционный штрек. Транспортный штрек при этом проходят большего, чем требуется для работы лавы, сечения (в основном за счёт ширины).

Достоинства: в два раза уменьшается объём выработок для подготовки столба, нет потерь в целиках между лавами.

Недостатки: в крыле панели может работать только одна лава, сложно проветривать и поддерживать сохраняемый штрек.

Область применения: глубина работ не более 700 м, мощность пластов до 3,5 м (при углах падения не более 35^о) и до 1,5 м при любых углах падения, породы кровли любые по устойчивости, при отсутствии пучащей почвы и обводнённости пласта.

6.2.5 Проходка штреков в зоне разгрузки

Так как максимум опорного давления в результате раздавливания угля у кромки и на некотором расстоянии от нее отодвигается вглубь массива, вентиляционный штрек, пройденный вприсечку к выработанному пространству, будет испытывать гораздо меньше давление от веса пород, зависающих над обрушенным пространством, т.е. будет находиться в зоне разгрузки (см. рис.).

...