Выбор рациональной системы разработки угольных месторождений

Системой разработки угольных месторождений представляет собой строго установленный порядок проведения и взаимного расположения подготовительных и очистных выработок в границах выемочного поля, участка или столба. Этот порядок обеспечивает их пространственную и временную взаимосвязь для эффективной и безопасной добычи. Многообразие условий залегания угольных пластов обуславливает зависимость выбора оптимальной системы разработки от комплекса геологических, технических и организационных факторов. Блок-схема, иллюстрирующая процесс принятия такого решения, представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема выбора рациональной системы разработки

На выбор технологической схемы оказывает влияние множество критериев, основными среди которых являются форма залегания пластов, их мощность и угол падения. Не менее важны строение пласта, свойства угля и вмещающих пород, а также показатели газоносности и водоносности месторождения. Критическую роль играют такие факторы, как склонность к горным ударам, внезапным выбросам и самовозгоранию, глубина разработки и способы механизации процессов. Взаимосвязь и классификация этих факторов детально отображены на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Горно-геологические факторы, влияющие на выбор системы разработки

Рис 3. Горнотехнические факторы, влияющие на выбор системы разработки

Форма месторождения классифицируется на правильную, к которой относят пластовые залежи, и неправильную, включающую жилы и штоки. Для пластовых месторождений характерно сохранение элементов залегания на обширных территориях, однако в границах одного шахтного поля параметры могут изменяться. Вследствие этого система разработки должна обладать гибкостью, позволяя с минимальными затратами переходить от одной схемы к другой. Это требование обеспечивается грамотным проектированием существующей схемы подготовки выемочных участков.

Мощность угольного пласта напрямую определяет технологию проведения подготовительных выработок, методы управления горным давлением и способ очистной выемки. При отработке тонких пластов выработки часто требуют подрывки боковых пород с размещением породы в выработанном пространстве. Для пластов средней мощности сечения выработок обычно не превышают толщину угольной залежи. Разработка мощных пластов осложняется значительными объемами движущихся пород, что усложняет крепление и процессы управления давлением.

В зависимости от величины мощности могут применяться системы с разделением пласта на слои или без такового. Угол падения пласта критически влияет на механизацию процессов, в частности на способ доставки угля вдоль очистного забоя. На пологих пластах транспортировка осуществляется с помощью конвейеров, в то время как на крутых пластах горная масса перемещается под действием силы тяжести. Крутое падение требует применения специальных защитных устройств для персонала и устойчивой крепи, предотвращающей сползание и опрокидывание.

Устойчивость боковых пород является ключевой характеристикой, влияющей на геометрические параметры системы и способы поддержания выработок. Она предопределяет, будут ли подготовительные выработки проводиться по углю или же по пустым породам. Высокая газоносность пласта накладывает строгие ограничения на схему вентиляции, требуя минимизации тупиковых забоев и обеспечения бесперебойной подачи воздуха. На выбросоопасных пластах необходима организация обособленных струй воздуха, что влечет за собой проведение дополнительных выработок.

Внезапные выбросы угля и газа представляют собой динамические явления, сопровождающиеся мгновенным разрушением массива и выделением метана или диоксида углерода. Данное явление регистрируется в угольных бассейнах по всему миру, включая Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский, Печорский, а также бассейны Рурский в Германии и Южно-Уэльский в Великобритании. С увеличением глубины разработки выбросоопасность пластов имеет тенденцию к росту, что требует проведения специальных противовыбросных мероприятий.

Отработка выбросоопасных пластов характеризуется снижением ключевых технико-экономических показателей по сравнению с безопасными аналогами. Основные причины ухудшения включают потери добычи из-за простоев, ограничение скорости подвигания забоев и дополнительные материальные затраты. Перевод пласта в опасную категорию приводит к снижению нагрузки на лаву на 18–35%, падению производительности труда на 20–40% и росту себестоимости добычи. На газовых шахтах целесообразно применять системы с минимальным числом опережающих выработок.

Водоносность месторождения оказывает негативное воздействие на условия труда, повышая травматизм и снижая производительность. При разработке обводненных залежей применяются системы, обеспечивающие либо эффективный дренаж, либо полное исключение поступления воды в призабойное пространство. Склонность угля к самовозгоранию требует применения систем с минимальными потерями угля, например, с использованием полной закладки выработанного пространства. Скорость подвигания очистных работ также влияет на пожарную безопасность.

Структура пласта, будь то простое или сложное строение с прослойками породы, влияет на выбор системы и средств комплексной механизации. Требования потребителей к качеству и сортности добываемого угля должны учитываться при проектировании. Механические свойства угля, в частности его крепость и наличие кливажа, определяют производительность выемочных механизмов. Расположение забоя параллельно кливажным плоскостям значительно облегчает выемку, особенно при использовании струговых установок.

Степень сближенности пластов является важным фактором, при котором целесообразно применять групповую подготовку. Глубина разработки существенно влияет на выбор системы, так как с ее увеличением растет напряженное состояние горных пород, давление на крепь, газоносность и температура. Горные удары, как динамические формы проявления горного давления, требуют специального расположения выработок и применения систем, снижающих давление на пласт через его подработки или надработки.

Способы механизации очистных и подготовительных работ неразрывно связаны с системами разработки. Внедрение новых высокопроизводительных средств, включая гидромеханический способ выемки, кардинально меняет технологические схемы. Использование проходческих комбайнов позволяет увеличить скорость проведения выработок и перейти от сплошной системы к более эффективной столбовой. Применение технологий, позволяющих вести выемку без постоянного присутствия людей в забое, открывает возможности для систем без крепления.

Помимо основных факторов, необходимо учитывать ряд особых условий, таких как нарушенность месторождения геологическими разломами и необходимость ведения работ под объектами. К последним относятся водоемы, городские сооружения и железнодорожные пути. В этих случаях применяются системы с полной закладкой или специальные камерные системы, предотвращающие сдвижение горных пород и повреждение поверхностных объектов. Таким образом, выбор оптимальной системы разработки является комплексной многокритериальной задачей.

Роль и значимость каждого фактора не являются постоянными и изменяются с развитием горной техники и технологии. Поэтому при проектировании систем разработки необходимо учитывать не только текущее состояние, но и перспективу изменения взаимосвязей между различными критериями. Постоянный анализ и адаптация технологических решений позволяют обеспечить безопасную, экономически эффективную и рациональную отработку угольных месторождений в разнообразных горно-геологических условиях.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Жежелевский Ю. А., Федерова М. А.

Источник: Система разработки угольных месторождений.

Данные публикации будут полезны студентам вузов, обучающимся по специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», начинающим специалистам горной промышленности, а также всем, кто интересуется технологиями подземной добычи угля.