ПОДГОТОВКА ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ

1.1. Общие вопросы подготовки шахтных полей

1.1.1. Стадии разработки месторождений

Угольные пласты залегают глубоко под землей. Поэтому, чтобы приступить к добыче полезных ископаемых, необходимо осуществить комплекс работ, который осуществляется в следующие 3 стадии.

Вскрытие шахтного поля – обеспечение доступа к месторождению с поверхности с целью создания условия для подготовки и отработки его запасов. Оно осуществляется путем проведения вскрывающих выработок, которые делятся на главныеи вспомогательные. К главным относят выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность (стволы, штольни), вспомогательные выработки такого выхода не имеют (квершлаги, гезенки, скаты и др.).

Подготовкой шахтного поля называется определенный порядок проведения подготовительных выработок после вскрытия шахтного поля, обеспечивающий ведение очистных работ.

Очистная выемка – комплекс работ по извлечение (добыче) полезного ископаемого из очистных забоев.

Совокупность работ по вскрытию, подготовке и очистной выемке называется разработкой месторождений полезных ископаемых. При разработке месторождений полезных ископаемых должны быть обеспечены требования, предусмотренные законодательством Украины "О недрах" и "Правилами технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт".

1.1.2. Шахтные поля и их изображение на маркшейдерских планах. Границы шахтных полей

Часть месторождения, отведенное для разработки одной шахте, называется шахтным полем.

Шахтное поле имеет границы по падению (нижняя) восстанию (верхняя) и простиранию (боковые границы).

Границы шахтных полей могут быть фиксированными и условными. Фиксированные границы не могут быть изменены, а условные в процессе эксплуатации месторождения могут быть изменены в соответствии с существующими законодательными положениями. Фиксированные границы образуются контурами месторождения: выходом пластов под наносы, линией кондиционных характеристик полезных ископаемых, крупными геологическими нарушениями, крупными водоемами и др. Условные границы образуются поверхностями, устанавливаемыми ГКЗ, и в случае производственной необходимости, после рассмотрения технического задания, могут быть перенесены. К условным границам относятся также границы соседних шахт.

Размеры шахтных полей колеблятся в больших пределах: по простиранию – 3-6-10 км, а на крупных строящихся шахтах – до 20 км, по падению – 4-5 км для условий пологого падения пластов и до 1,5-2 км для крутого.

На чертежах и маркшейдерских планах шахтные поля со всеми расположенными в них выработками изображаются при пологом и наклонном залегании пластов как проекции на горизонтальную плоскость, а при крутом – на вертикальную плоскость. Из этого следует, что длина наклонных выработок на планах оказывается уменьшенной, а горизонтальные выработки имеют неискаженную длину. Дается также разрез шахтных полей вкрест простирания пород, где пласты изображаются с соблюдением истинного угла падения.

б)

а)

-100 -200 -300   -400

-100 -200 -300 -400

а – план; б – вертикальный разрез вкрест простирания;

1 – по линии ББ; 2 – по линии АА; 3 – структурная колонка пласта по скважине 2715; 4 – выход пласта под наносы; 5 – границы шахтного поля

Рисунок 1.1 – Шахтное поле

Часть недр, предоставляемая шахте для промышленной разработки содержащихся в ней угольных залежей, называется горным отводом. На планах горный отвод изображается в виде проекции границ шахтного поля на земную поверхность.

На маркшейдерские планы наносят также изогипсыпласта – линии равных высотных отметок. Они представляют собой линии пересечения почвы или кровли пласта с мысленно проводимыми горизонтальными плоскостями на одинаковом расстоянии одна от другой. Расстояние между плоскостями, а, следовательно, и между изогипсами, по вертикали зависит от угла падения, сложности форм залегания пласта и принятого масштаба. Для месторождений Подмосковного бассейна, например, где пласты имеют волнистое залегание, изогипсы проводят через 1 м, а для Донбасса, где пласты имеют выдержанные углы падения – через 10, 50, 100 м. По изогипсам обычно проводят нижнюю и верхнюю технические границы шахтного поля.

1.1.3. Деление шахтных полей на части

Для правильной и последовательной отработки шахтные поля, как правило, делят на более мелкие части: горизонты, крылья, этажи, панели, ярусы, столбы, выемочные поля, блоки и др.

Горизонтом называется часть шахтного поля, образованная делением его по падению горизонтальными плоскостями. Размеры горизонта обычно не превышают 1000-1200 м, в перспективе, особенно при так называемой погоризонтной подготовке шахтного поля, они будут увеличены до 3000 м. Границей между горизонтами является главный откаточный штрек.

Проектная мощность шахты должна обеспечиваться в соответствии с требованиями НТП, как правило, работой на одном горизонте; срок службы горизонта для шахт, разрабатывающих пологие и наклонные пласты, должен составлять не менее 10-15 лет, а для шахт, разрабатывающих крутонаклонные и крутые пласты – не менее 10 лет.

Крылом называют часть шахтного поля, расположенную по одну сторону от шахтного ствола или каких-либо других капитальных вскрывающих выработок. Крылья обычно обозначаются частями света: западное, восточное, южное и т.д. Как исключение, при сложном рельефе местности, бывают однокрылые (односторонние) шахтные поля.

Часть шахтного поля, расположенную выше главного откаточного штрека, называют полем по восстанию, а расположенную ниже главного откаточного штрека – полем по падению. Так как каждое из них обслуживается соответствующими бремсбергами и уклонами, то их также называют бремсберговыми и уклонными полями.

Отработку уклонами предусматривают при разработке последнего горизонта при длине уклона не более 1000-1200 м. Этот размер определяется возможностями существующих средств транспорта полезного ископаемого.

Этажомназывают часть пласта в пределах шахтного поля или горизонта, вытянутую по простиранию и ограниченную по восстанию и падению этажными штреками (откаточным и вентиляционным), а по простиранию – границами шахтного поля. Все этажи в пределах горизонта обслуживаются одним бремсбергом или уклоном, называемыми капитальными. Этажи в свою очередь могут делиться на более мелкие части: выемочные поля и подэтажи.

Часть этажа, обслуживаемая промежуточным бремсбергом, пройденным в пределах этажа, называется выемочным полем. Выемочные поля, как и шахтные поля, могут быть однокрылые и двукрылые (односторонними и двусторонними). Последние технически более целесообразны и экономически более выгодны. По падению этаж делится на 2-3 подэтажа, а выемочное поле – на выемочные столбы или участки. Размер этажа по падению при разработке пологих и наклонных пластов составляет 200-600 м, крутонаклонных – 145-155 м, крутых – 125-135 м.

а) б)

в) г)

а – на этажи; б – на панели; в – на блоки; г – на столбы, вытянутые по падению (восстанию); 1 – главный ствол; 2 – вентиляционный ствол; 3 – главный откаточный штрек; 4 – капитальный бремсберг; 5 – капитальный уклон; 6 – панельный бремсберг; 7 – панельный уклон; 8 – воздухопадающий ствол

Рисунок 1.2 – Деление шахтных полей на части

Деление шахтных полей на этажи применяют при разработке пластов с углами падения более 18^о, в перспективе > 35^о.

Панелью называется часть пласта в пределах шахтного поля или горизонта, ограниченная по восстанию и падению главными штреками, либо с одной стороны границами шахтного поля, а по простиранию – границами соседних панелей или границей панели с одной стороны и границей шахтного поля – с другой и обслуживаемая собственной транспортной выработкой – панельным бремсбергом (уклоном).

Если бремсберг (уклон) проводится посредине панели, то панель называется двусторонней (двукрылой), а если у одной из границ панели – односторонней (однокрылой). При двукрылых панелях вдвое увеличивается число лав. Поэтому они более выгодны как с технической, так и с экономической точек зрения.

Размер панели по простиранию составляет 1500-2000 м при оборудовании лав индивидуальными крепями и 2500-3000 м при оборудовании лав комплексами на базе гидрофицированных крепей, а по падению - 800-1200 м (реже 1500).

По падению панель делят на более мелкие части, вытянутые по простиранию – ярусы. Ярус – это часть панели, ограниченная выемочными штреками (конвейерным или вентиляционным).

На одном пласте одновременно отрабатывают не более 4-х панелей, а в пределах панели располагают до 4-х лав. По сравнению с этажами при делении шахтных полей на панели технически более просто увеличить нагрузку на пласт. Большая концентрация работ позволяет снизить себестоимость 1 тонны угля. Наряду с этим при делении шахтного поля на панели создаются благоприятные условия для применения прогрессивного конвейерного транспорта от забоя до главного откаточного штрека, а также для отработки ярусов обратным ходом.

Деление шахтных полей на панели применяется во всех случаях разработки горизонтальных и слабо пологих пластов (до 5^о), а также пластов с α = 13-18^о, когда с одного или ограниченного числа пластов необходимо обеспечить большую добычу угля.

При разработке пластов с α до 12^о, а в будущем и с большими углами падения (до 18^о), шахтное поле делится на столбы, вытянутые по падению или восстанию длиной 1000-1200 м, в пределах которых располагают 1 или 2 лавы, забои которых расположены по простиранию, а перемещаются они по падению или восстанию. НТП рекомендуют при благоприятных горно-геологических условиях принимать размер выемочных столбов до 2-3 км (в перспективе).

Деление горизонта на выемочные столбы по падению (восстанию) обусловлено расширением объема применения механизированных комплексов, для которых необходимо иметь стабильную длину лавы, а также увеличением газоносности пластов при переходе горных работ на большую глубину.

Такой способ подготовки шахтного поля называется погоризонтным. Он позволяет снизить капитальные затраты на подготовку новых горизонтов в 1,3-1,5 раза и расширить область применения механизированных комплексов, в результате чего себестоимость 1 тонны угля снижается, а нагрузка на лаву увеличивается на 8-14%. При этом упрощается также схема шахтного транспорта.

Блок – это часть шахтного поля, имеющая самостоятельную сеть вентиляционных выработок, обеспечивающих независимое (секционное) проветривание очистных и подготовительных забоев, и ограниченная по падению и восстанию нижней и верхней границами шахтного поля или горизонта, а по простиранию – границами соседних блоков или границей соседнего блока с одной стороны и границей шахтного поля – с другой.

В блок может входить одна или две смежные панели одного пласта, поэтому различают одно- и двухпанельную конструкцию блоков. При разработке свиты пластов в блок объединяют панели всех пластов шахтного поля, расположенные на одном горизонте, для чего проводится квершлаг посередине панели при однопанельной или стыке двух смежных панелей при 2-х панельной конструкции блоков. Размер блоков по простиранию достигает 2-4 км.Обособленное проветривание обеспечивается проведением в каждом блоке стволов, квершлагов и других выработок для подачи свежего воздуха и удаления отработанного. Объединяет же блоки главный откаточный штрек, предназначенный для централизованной выдачи угля к главным стволам. В пределах блока подготовка может быть любая: погоризонтная, панельная, этажная.

Шахтное поле целесообразно делить на блоки при больших размерах шахтного поля по простиранию (≥ 8 км) и при разработке свиты весьма газоносных пластов (q≥ 15 м³/т.с.д.) шахтами большой производственной мощности (8-10 тыс.т в сутки и более).

1.1.4 Порядок отработки частей шахтного поля

Отработка отдельных частей шахтного поля осуществляется в определенной последовательности как по падению (восстанию), так и по простиранию пласта.

Согласно ПТЭ этажи и ярусы на шахтах Ш категории и выше должны отрабатываться сверху вниз или в нисходящем порядке, что способствует уменьшению содержания метана на вентиляционном штреке, дренирующегося из него в выше расположенное выработанное пространство, через которое уходит часть метана.

Восходящий порядок отработки этажей допускается на таких шахтах только при соответствующем технико-экономическом обосновании и по согласованию с органами Госнадзорохрантруда.

На шахтах до Ш категории по газу этажи, расположенные в бремсберговой части шахтного поля, могут отрабатываться и в восходящем порядке. Однако практически он применяется редко и только в том случае, когда допускается так называемая возвратноточная схема проветривания, при которой исходящая струя по людским ходкам движется вниз.

В уклонной части шахтного поля этажи и ярусы практически всегда отрабатываются в нисходящем порядке. При этом уклон углубляется постепенно на 1 этаж или ярус, что способствует разведке шахтного поля по падению, непрерывной откачке волы в уклоне и лучшему проветриванию выработок (поскольку метан дренируется в отработанное пространство выше отработанных этажей).

По простиранию этажи и ярусы в шахтном поле могут отрабатываться прямым или обратным ходом.

Прямым ходом называется такой порядок его отработки, при котором этаж (ярус) отрабатывается от главного ствола или другой вскрывающей выработки к границам шахтного поля. Отработка в направлении от границ шахтного поля к стволу или другой вскрывающей выработки называется отработкой обратным ходом.

а) б)

а – прямой ход; б – обратный ход

Рисунок 1.3 – Порядок отработки этажей и ярусов

Достоинства прямого хода:

- быстрый ввод очистных забоев в работу (штреки необходимо пройти всего лишь на несколько десятков метров от капитальной наклонной выработки и соединить их разрезной печью).

Недостатки прямого хода:

- штреки находятся в зоне усиленного давления горных пород, вызванного влиянием очистных работ. В итоге затраты на их поддержание в 5-10 раз выше, чем при обратном ходе;

- взаимные помехи в работе погрузочного пункта лавы и забоя откаточного штрека и осложнение в его проветривании;

- отсутствует разведка условий залеганий пласта и геологических нарушений, что делает проблематичным использование высокопроизводительной техники – комплексов оборудования;

- большие утечки воздуха через выработанное пространство, что ухудшает условия проветривания лав и может привести к их остановке;

- просачивание воздуха вызывает опасность возникновения пожаров от самовозгорания угля.

Недостатки прямого хода являются достоинствами обратного: улучшаются условия поддержания выработок и проветривания участка, уменьшаются утечки, отпадает необходимость в содержании большой резервной линии забоев.

Недостатки обратного порядка отработки этажей (ярусов) или обратного хода:

- увеличиваются первоначальные затраты и сроки строительства шахты;

- увеличиваются объемы проводимых подготовительных выработок, т.к. для обеспечения деятельного проветривания длинных тупиковых выработок необходимо проводить 2 спаренные выработки – штрек и просек, соединяя их между собой печами.

Область применения обратного хода:

- m_у > 0,7 – 0,8 м;

- S_ш.п.^крыла ≤ 2 км;

- умеренное выделение метана.

Область применения прямого хода:

- залегание пластов в породах, обладающих свойствами пучения;

- пласты с высокой газообильностью и склонные к внезапным выбросам угля и газа;

- полевая подготовка пластов;

- m_у ≤ 0,7- 0,8 м.

Важнейшим условием к переходу на отработку обратным ходом является высокие темпы проведения подготовительных выработок (300 м/мес. и более).

Панели в шахтном поле отрабатываются комбинированным способом: в бремсберговой части шахтного поля – от центра шахтного поля к его границам (прямым ходом), а в уклонной части шахтного поля, наоборот, - от границ шахтного поля к его центру (обратным ходом).

При таком порядке в период строительства шахты вводят в эксплуатацию ближайшие к стволу панели, чем обеспечиваются минимальные сроки строительства и наименьшие первоначальные капитальные затраты. Обработка же уклонных панелей обратным ходом возможна уже без дополнительных затрат, т.к. к концу работ в бремсберговом поле главный откаточный штрек будет уже полностью проведен. В такой же последовательности, как и панели, обрабатывают блоки.

Выемочные столбы вбремсберговой части шахтного поля отрабатываются от центра шахтного поля к его границам, т.е. прямым ходом. При ограниченном числе пластов, когда возникают трудности с размещением действующих и резервно-действующих лав, столбы могут отрабатываться одновременно от центра и от средней части каждого крыла шахтного поля к его границам. Фронт очистных забоев увеличивается при этом вдвое. Однако главные штреки необходимо заранее проводить на значительно большую длину.

Отработка столбов в уклонной части шахтного поля производится в той же последовательности, что и в бремсберговой, т.к. воздухоподающий вентиляционный ствол и вентиляционно-дренажный штрек сооружаются у нижней границы в средней части шахтного поля.

1.1.5 Число одновременно разрабатываемых пластов

Одновременная разработка большого числа пластов вызывает значительную разбросанность горных работ, приводит к малой нагрузке на пласт и транспортные выработки. Последовательная отработка пластов в свите по одному обеспечивает высокую концентрацию работ, однако не всегда целесообразна, поскольку при этом приходится учитывать их сближенность, марку и качество углей, склонность отдельных пластов к внезапным выбросам угля и газа и прочие факторы.

НТП рекомендуют принимать к одновременной отработке не более 2-3-х пологих пластов и 10-12 крутопадающих. В этом случае годовая производственная мощность шахты А_год. должна обеспечиваться одновременной разработкой такого числа пластов, суммарная мощность которых не превышает 75% (коэффициент одновременности 0,75), а при наличии более 50% пластов, опасных по внезапным выбросам угля и газа, - 60% от общей мощности пластов в свите (К_{одноврем.} = 0,6).

Большая разница в числе одновременно отрабатываемых пластов на пологом и крутом падении объясняется тем, что на пологих пластах имеются более широкие возможности для размещения фронта очистных забоев, особенно при панельном способе подготовки, чем на крутых. Существенно выше там и нагрузка на очистной забой.

При одной и той же добыче число одновременно разрабатываемых антрацитовых пластов меньше, чем каменных, т.к. условия разработки антрацитовых пластов, как правило, более благоприятны, а γ антрацита на 20% больше. В итоге нагрузка на забой, при прочих равных условиях, на антрацитовых пластах на 50-70% больше. Антрацитовых пластов одновременно отрабатывается не > 2-х.

1.1.6 Способы подготовки пластов

Различают пластовую, полевую, индивидуальную и групповую подготовку пластов.

При пластовой подготовке все выработки, включая и основные, проводят и поддерживают по каждому из пластов свиты, охраняя их целиками или массивом угля. Размеры предохранительных целиков между наклонными стволами, капитальным и панельным бремсбергом (уклоном) и ходком принимаются не менее 30 м; между участковым бремсбергом и ходком – не менее 20 м; между наклонным стволом, капитальным или панельным бремсбергом (уклоном) или ходком и разрезной печью – не менее 40 м; между участковым бремсбергом (уклоном) или ходком и разрезной печью – не менее 20 м.

При полевой подготовке пластов основные выработки (главные и этажные штреки, бремсберги и уклоны) проводят по пустым породам или пропласткам на некотором удалении от пласта, а вспомогательные – по пласту. Для соединения полевой выработки с пластовыми проводят на некотором расстоянии друг от друга квершлаги или гезенки. В соответствии с требованиями НТП полевые выработки проводятся на расстоянии от пласта не менее 7 м, при этом в кровле и почве толща прочных пород должна составлять не менее 1,5-2 м. Во всех остальных случаях необходимо стремиться располагать полевые выработки в прочных породах вне зоны влияния очистных работ.

Область применения полевой подготовки пластов:

- срок службы выработки – 10 лет и более;

- подготовка пластов, склонных к самовозгоранию, опасных по внезапным выбросам угля и газа, горным ударам;

- подготовка мощных пластов (более 3,5 м), особенно склонных к самовозгоранию.

Основными преимуществами полевой подготовки пластов являются:

- увеличение надежности работы полевых выработок по сравнению с пластовыми (увеличивается время безотказной работы и коэффициент их готовности);

- снижение затрат на поддержание выработок;

- снижение до минимума потерь угля, т.к. при этом не требуется оставления целиков для поддержания пластовых выработок.

Недостатками полевой подготовки являются:

- большой объем породы, выдаваемой из шахты, что вызывает необходимость увеличения пропускной способности транспортных звеньев шахты (вспомогательных стволов, бремсбергов, уклонов и др.);

- более высокая стоимость проведения выработок по породе по сравнению с пластовыми, что приводит к увеличению первоначальных затрат на подготовку пластов;

- недостаточная доразведка горными выработками шахтного поля.

Целесообразность полевой или пластовой подготовки в каждом конкретном случае определяется технико-экономическим расчетом с учетом всех видов затрат.

При индивидуальной подготовке пласта проводят и поддерживают всегорные выработки, необходимые для отработки шахтного поля или его части. Выработки с длительным сроком службы могут быть при этом как пластовыми, так и полевыми.

При групповой подготовке пластов частьвыработок (особенно с длительным сроком службы) проводят общимидля всех разрабатываемых пластов свиты или отдельной ее группы. Они могут быть полевыми или пластовыми. При группировании на всю длину сохраняют лишь групповые штреки,остальные же периодически погашаются.

Достоинства групповой подготовки:

- сокращается число и протяженность поддерживаемых выра-боток, а, следовательно, и затраты на поддержание выработок;

- повышается эффективность работы транспорта;

- уменьшаются утечки воздуха и улучшаются условия прове-тривания шахты.

Групповые выработки, как правило, следует располагать в лежачем боку группы пластов, проводя их по пласту с устойчивыми боковыми породами или же полевыми. В случае отработки нескольких групп пластов групповую выработку можно располагать и между группами, но при этом должна быть исключена возможность ее подработки.

Группирование сближенных пологих и наклонных пластов при помощи промежуточных квершлагов и гезенков должно применяться при расстоянии между пластами по нормали до 40 м. При большем расстоянии вопрос должен решаться технико-экономическим расчетом. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.

1.2 Способы подготовки шахтных полей и предъявляемые

К ним требования

Подготовка запасов шахтного поля производится по определенной системе, создающей необходимые условия для их отработки с высокой эффективностью. При этом под подготовкой шахтного поля понимается определенный порядок проведения подготовительных выработок в пространстве и во времени. Различают 4 способа подготовки шахтных полей:

- погоризонтная подготовка;

- панельная подготовка;

- этажная подготовка;

- комбинированная подготовка.

В период строительства шахты подготовка запасов к нарезке полей производится лишь в объемах, предусмотренных проектом для сдачи шахты в эксплуатацию.

Подготовка всех остальных запасов и постоянное их возобновление взамен выработанных (воспроизводство очистного фронта) производится в течение всего срока функционирования действующей шахты.

Чтобы обеспечить эффективное воспроизводство фронта очистных работ способы подготовки должны удовлетворять определенным требованиям. В частности, по существующим нормативам в любой момент времени действующая шахта должна иметь:

- готовых к выемке запасов (для разработки которых пройдены все без исключения подготовительные и нарезные выработки) – не менее, чем на 3 месяца работы;

- подготовленных запасов (для разработки которых проведены основные подготовительные выработки) – не менее, чем на полугодовую работу;

- вскрытых запасов (к которым обеспечен доступ с поверхности земли через капитальные выработки (стволы, штольни, этажные, погоризонтные или капитальные квершлаги) – не менее, чем на год работы шахты.

Превышение этих минимальных норм способствует устойчивой работы шахты. Однако заблаговременное проведение большого объема выработок может привести к неоправданно большим затратам на их поддержание. Отсюда видно, что выбор целесообразной системы подготовки шахтного поля для конкретных условий является оптимизационной многовариантной задачей, которая решается с учетом большого числа факторов.