Вскрытие вертикальными стволами. Расположение стволов в шахтном поле и выбор места их заложения

В СНГ вертикальными стволами вскрыто около 56% шахтных полей, в Донбассе – около 50%.

Широкому переходу на вскрытие вертикальными стволами способствовали следующие прогрессивные технические решения, используемые при проектировании новых и реконструкции действующих шахт:

- индустриальный метод крепления вертикальных стволов монолитным бетоном, при котором резко снижается трудоемкость работ и стоимость поддержания стволов;

- сооружение многоканатных подъемных установок, способных выдавать уголь с больших глубин (1500 м и более);

- деление шахтных полей, представленных весьма газоносными пластами, на блоки с независимым (секционным) их проветриванием;

- изобретение реактивно-турбинного метода бурения скважин большого диаметра (стволов).

Наиболее рационально в экономическом и техническом отношении расположение главного ствола приблизительно в центре шахтного поля, при котором оно делится по падению на два примерно равных горизонта, т.е. размеры бремсбергового и уклонного полей примерно равны и имеют длину (1000-1200 м). Если же шахтное поле по падению делят на три и более горизонтов, то стволы первоначально проходятся до первого горизонта.

Проходить главный ствол у нижней границы шахтного поля нецелесообразно по следующим причинам:

- максимальная глубина стволов, а следовательно, и наибольшие первоначальные капитальные затраты при строительстве шахты;

- более длительные сроки строительства предприятия;

- дополнительные расходы на подъем и водоотлив по вертикальному стволу.

Проходить главный ствол у верхней границы шахтного поля целесообразно по следующим причинам:

- при размерах шахтного поля по падению более 1200 м ходки, оборудованные подъемом для вспомогательного транспорта и для спуска – подъема людей, придется проводить ступенчатыми;

- необходимо будет иметь более двух подъемных установок и передавать груз с одного ходка на другой, что еще более усложнит работу подземного транспорта и сделает его более дорогим;

- увеличатся затраты на поддержание уклонов и ходков;

ухудшаются условия проветривания очистных и подготовительных забоев вследствие большой длины выработок, по которым должен пройти воздух до выхода на поверхность, а также в результате его утечек через сбойки и другие выработки.

По отношению к простиранию главный ствол должен располагаться на линии, делящей шахтное поле по простиранию на две примерно равные части. Проведение главного ствола с отклонением от средней линии на 5-8% существенно не повлияет на суммарные расходы на транспорт грузов и поддержание выработок.

Располагать главный ствол у одной из границ шахтного поля по простиранию нецелесообразно потому, что оно будет однокрылым. При этом значительно снизится концентрация горных работ, увеличится объем работ на подземном транспорте и возрастут расходы на поддержание горизонтальных выработок.

Рациональным местом заложения главного ствола является область в виде прямоугольника со сторонами 0,1S и 0,15Н, где S – размер шахтного поля по простиранию, а Н – по падению.

На выбор места заложения главного ствола вкрест простирания пород оказывают влияние следующие основные факторы:

- затраты на транспортирование полезного ископаемого к стволу и на проветривание горных выработок;

- длина квершлагов;

- потери полезного ископаемого в охранных целиках;

- устойчивость пересекаемых стволами пород;

- расположение старых горных выработок;

- рельеф и застроенность земной поверхности;

- удобство укладки железнодорожного пути, наличие водоемов, карстовых пустот и др.

Учет перечисленных факторов должен быть совместным, так как они могут оказывать противоречивое влияние на выбор места заложения главного ствола вкрест простирания.

Главный ствол нецелесообразно закладывать в висячем боку свиты потому, что даже при отработке запасов первых этажей и оставления охранных целиков больших размеров стволы при этом попадут в зону влияния очистных работ и получат опасные деформации.

При расположении стволов в лежачем боку свиты требуется проводить более длинные этажные квершлаги, в результате чего затраты на их проведение и на транспортирование угля по ним больше, чем при расположении стволов внутри свиты. Однако при этом отсутствуют потери полезного ископаемого в целиках, оставляемых для охраны стволов и квершлагов, а сами стволы не подвергаются деформации под влиянием очистных работ.

І – в висячем боку свиты, П – внутри свиты, Ш – в лежачем боку свиты

Рисунок 2.8 – Возможные варианты расположения главного ствола

При вскрытии мощных крутых пластов стволы закладываются в лежачем боку свиты потому, что потери полезного ископаемого в охранных целиках достигают при этом весьма значительных размеров, а влияние подработки сказывается исключительно сильно.

Сущность выбора наивыгоднейшего места заложения главного ствола вкрест простирания пород методом Л.Д.Шевякова – Р.А.Селецкого заключается в определении такого места его заложения, в котором суммарная работа транспорта по квершлагам является наименьшей (рис.2.9). Метод сводится к решению 2-х неравенств (неравенств Л.Д.Шевякова-Р.А.Селецкого), представленных на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 – Схема к определению места заложения главного ствола

где ∑q_пр. – сумма грузов, расположенных правее пункта своза всех грузов;

q_n - груз в точке n, которая является пунктом своза грузов;

∑q_л - сумма грузов, расположенных левее пункта своза всех грузов.

Правило выбора наивыгоднейшего места заложения главного ствола по неравенствам Л.Д.Шевякова-Р.А.Селецкого формулируется следующим образом. Если существует груз q_n, расположенный в точке n, который, будучи прибавлен к грузам, расположенным от него слева, дает сумму, большую суммы правых грузов, а будучи прибавлен к сумме грузов, дает сумму, большую суммы левых грузов, то оптимальный пункт своза грузов совпадает с точкой n.

Сущность графического метода определения наивыгоднейшего места заложения главного ствола вкрест простирания заключается в том, что все грузы выражаются соответствующими векторами в масштабе, которые затем суммируются в последовательности расположения их слева направо или наоборот. Полученная сумма векторов делится пополам. Тот вектор, на который приходится точка деления, является грузом q_n, определяющим наивыгоднейшее место заложения главного ствола.

Рисунок 2.10 – Определение места заложения главного ствола графическим методом

При вскрытии месторождений неправильной формы для нахождения наивыгоднейшего места расположения главного ствола шахтное поле делится на участки, представленные геометрическими фигурами правильной формы. Центры приложения грузов соответствующих запасов проектируются на оси координат. Затем по неравенствам Л.Д.Шевякова - Р.А.Селецкого находят положение груза q_n на каждой оси. Координаты точки пересечения этого груза и определяют наивыгоднейшее место расположения ствола (рис.2.11).

Рисунок 2.11 – Схема к определению места заложения главного ствола при вскрытии месторождений неправильной формы

Сущность определения наивыгоднейшего места заложения главного ствола методом вариантов заключается в определении затрат по 2-3-м сравниваемым промплощадкам. Наиболее сложным моментом является здесь определение места сравниваемых промплощадок.

В практике проектирования для выбора наивыгоднейшего места заложения главного ствола чаще всего пользуются комбинированным методом: сочетанием аналитического и метода вариантов. При этом конкурирующие площадки выбираются в окрестности точки, найденной аналитическим методом.

Рельеф местности и расположение населенных пунктов при выборе места заложения главного ствола должны отвечать следующим требованиям:

- незатопляемость при паводках;

- удобный и надежный сток воды;

- минимальный объем земляных работ при планировке промплощадки;

- минимальный снос зданий и сооружений;

- недосягаемость для горных и снежных обвалов.

Варианты расположения вспомогательного ствола по отношению к главному: центральное (рис.2.12), центрально-отнесенное (рис.2.13), фланговое (диагональное) (рис.2.14), комбинированное и секционное (рис.2.15, 2.16).

Рисунок 2.12 – Центральное расположение стволов в шахтном поле

Рисунок 2.13 – Центрально-отнесенное расположение стволов в шахтном поле

Рисунок 2.14 – Фланговое (диагональное) расположение стволов в шахтном поле

Рисунок 2.15 – Комбинированное расположение стволов в шахтном поле

Рисунок 2.16 - Секционное расположение стволов в шахтном поле

Достоинства центрального расположения стволов:

- единая компактная поверхность;

- минимальные потери угля в охранных целиках;

- быстрое соединение (сбойка) стволов;

- простая схема проветривания уклонного поля;

- возможность использования вспомогательного ствола для выдачи угля.

Недостатки центрального расположения стволов:

- большие капитальные затраты на проходку стволов;

- сложная и ненадежная схема проветривания бремсберговой части шахтного поля.

Достоинства центрально-отнесенного расположения стволов:

- незначительные затраты на прохождение вспомогательного (вентиляционного) ствола;

- простая схема проветривания бремсберговой части шахтного поля.

Недостатки центрально-отнесенного расположения стволов:

- необходимость поддержания в течение всего срока службы шахты в выработанном пространстве бремсбергового поля длинной вентиляционной выработки;

- рассосредоточение шахтной поверхности;

- большие потери угля в охранных целиках;

- невозможность использования вспомогательного ствола для спуска-подъема грузов.

Достоинства флангового (диагонального) расположения стволов:

- простая схема проветривания;

- стабильность депрессии.

Недостатки флангового расположения стволов:

- необходимость проведения вентиляционных штреков на всю длину шахтного поля до ввода шахты в эксплуатацию;

- необходимость поддержания в выработанном пространстве 2-х наклонных вентиляционных выработок значительной протяженности в течение всего срока службы шахты;

- разбросанность поверхностного комплекса шахты;

- большие потри в охранных целиках;

- невозможность использования вспомогательных (вентиляционных) стволов для спуска-подъема грузов.

При строительстве современных крупных шахт, как правило, применяется комбинированное и секционное расположение стволов, сочетающие в себе преимущества центрально-отнесенного и флангового их расположения.