Столбовая система разработки: проведение и охрана подготовительных выработок

Введение в проведение подготовительных выработок. Проведение подготовительных выработок при столбовых системах разработки осуществляется узким забоем по пласту полезного ископаемого. Для пластов незначительной мощности применяется широкий забой с подрывкой боковых пород, что иллюстрируется на рисунке 7. Пластовые штреки проходят одиночными или сдвоенными забоями, что зависит от газоносности пласта и проектной длины выработки. Выбор технологии напрямую влияет на устойчивость горных выработок и общие эксплуатационные расходы.

Рис. 7. Схемы проведения штреков по неоднородным породам: а - узким забоем; б - широким забоем с верхней раскоской; в - с двухсторонней; г - с нижней раскоской; 1 - штрек; 2 - бутовая полоса; 3 - косовичник

Крепление выработок на пологих и наклонных пластах. При разработке пологих и наклонных пластов для выработок, поддерживаемых в массиве, применяют крепи арочной, прямоугольной или трапециевидной формы. Конструкция выбирается на основе прогнозируемых смещений пород кровли. Если смещения превышают конструктивную податливость крепи, на расстоянии 15-30 метров перед забоем лавы монтируется усиливающая крепь. Она состоит из металлических стоек трения или гидравлических, устанавливаемых под верхняки или между рамами постоянной крепи.

Особенности работ на крутонаклонных и крутых пластах. Выемочные выработки на крутонаклонных и крутых пластах предпочтительно проводить непосредственно по пластам угля. Вентиляционные выработки при этом проводятся вприсечку к выработанному пространству вышележащего этажа с оставлением защитной полосы угля. Ширина этой полосы обычно равна одной мощности пласта. При отработке участков применяются столбовые системы разработки с транспортировкой угля на передний квершлаг и последующим погашением выработок.

Конструкции крепей для сложных условий. Для крепления выработок на крутых пластах используется четырехзвенная податливая крепь (ПАК). Ее применяют при расчетном смещении пород до 300 миллиметров. Модификация ПАК используется при смещениях от 300 до 500 миллиметров с подрывкой пород кровли и от 300 до 600 миллиметров без подрывки. Для еще более значительных смещений, от 600 до 1000 миллиметров, предназначена крепь направленной податливости КАНП. При превышении расчетных смещений обязательно устанавливается усиливающая крепь.

Нормативы ведения подготовительных работ. Согласно Правилам безопасности (ПБ), при проведении выработок с подрывкой боковых пород отставание породного забоя от угольного забоя не должно превышать 5 метров. При работе широким забоем с шириной раскоски более 5 метров необходим соединенный со штреком закрепленный косовичник. Он выполняет функции запасного выхода и вентиляционного ходка. Надежное функционирование выработок возможно только при соответствии их поперечного сечения проектным значениям.

Влияние горного давления на подготовительные выработки. Под воздействием горного давления происходит деформация выработок. Степень разрушения пород и смещения их в полость выработки, а также поломок крепи, зависит от расположения выработки относительно очистных забоев. При фиксированном положении забоя выделяют несколько характерных зон влияния, которые показаны на рисунке 8. К ним относятся зоны вне влияния, временного и установившегося опорного давления впереди и позади забоя, а также зоны повторного давления.

Рис. 8. Схема размещения зон опорного давления

Мероприятия по охране и поддержанию выработок. Интенсивные деформации пород под влиянием опорного давления требуют специальных мер, известных как охрана выработки. Эти мероприятия не всегда полностью обеспечивают безопасность, поэтому дополнительно применяют различные виды крепи и методы упрочнения вмещающих пород. Комплекс работ по дополнительному креплению, ремонту и упрочнению пород называется поддержанием выработки. Если площадь сечения уменьшается до недопустимых размеров, проводятся ремонтные работы с подрывкой пород.

Факторы, влияющие на условия поддержания. На условия поддержания влияет множество факторов, которые делятся на природные и производственные. К природным факторам относятся мощность пласта, угол падения, устойчивость боковых пород и другие. Производственные факторы включают длину и тип выработки, размер и форму сечения, материал крепи, близость очистных работ и глубину ведения горных работ. Воздействуя на производственные факторы, можно теоретически обеспечить безремонтное поддержание горных выработок.

Принципы безремонтного поддержания выработок. Безремонтное поддержание выработок достигается несколькими путями. Первый путь — это соответствующее расположение выработок, исключающее влияние значительного горного давления. Второй путь предполагает проведение выработок полевыми с длительным сроком службы. Третий вариант — проведение выработок с завышенной площадью сечения, чтобы после деформаций оно оставалось в норме. Четвертый способ — установка податливой крепи с учетом ее технологического предела.

Методы снижения напряжений в породах. Снижение напряжений в породах достигается выбором рационального способа охраны выработок для конкретных условий. Эффективными методами являются проведение выработок вприсечку или в выработанном пространстве, где давление снижено. Также применяется проведение выработок широким забоем, надработка разгрузочными лавами и торпедирование пород кровли для уменьшения длины зависающих консолей. Эти технологии позволяют перераспределить горное давление.

Способы упрочнения пород и усиления крепи. Упрочнение окружающих выработку пород осуществляется путем нагнетания в них различных вяжущих материалов. Усиление самой крепи производится возведением дополнительной крепи или увеличением плотности установки рамной и анкерной крепи. Усиливающая крепь, как упоминалось, представляет собой металлические стойки трения или гидравлические. Они монтируются под верхняки или между рамами постоянной крепи на расстоянии 15-30 метров впереди очистного забоя.

Классификация способов подготовки выемочных участков. Способы охраны выработок тесно связаны со способами подготовки выемочных столбов или участков. Как показано на рисунке 9, применяют несколько основных способов. Первый способ заключается в проведении отдельного транспортного и вентиляционного штреков. Второй способ предполагает повторное использование транспортного штрека вышележащего яруса в качестве вентиляционного. Также существуют методы проведения сдвоенных и спаренных штреков, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения.

Рис. 9. Способы подготовки длинных столбов по простиранию

Анализ способа с межъярусными целиками. При подготовке участка первым способом между смежными ярусами оставляют целики угля шириной 20-40 метров. Это позволяет отрабатывать в крыле панели одновременно несколько ярусов, обеспечивая высокую нагрузку. Данное достоинство обусловило широкое практическое распространение способа. Однако ему присущи и серьезные недостатки, главный из которых — высокие затраты на поддержание вентиляционного штрека, находящегося в зоне влияния опорного давления.

Недостатки охраны выработок целиками. Охрана вентиляционных штреков межъярусными целиками не всегда обеспечивает их необходимую устойчивость и приводит к значительным потерям угля. С возрастанием глубины разработки эти проблемы усугубляются. Например, при мощности пласта 1,2-1,3 метра на глубине 400-500 метров ширина целиков достигает 40-60 метров, а потери угля в них составляют 18-25%. Универсальных расчетных формул для определения размеров предохранительных целиков не существует, их размеры устанавливаются эмпирически.

Проведение выработок вприсечку к выработанному пространству. Большие потери угля и трудоемкость поддержания штреков обусловили проведение их вприсечку к выработанному пространству, в зоне с пониженным горным давлением. Как видно из схемы на рисунке 10, максимум опорного давления отодвигается в сторону массива. В результате пласт в месте расположения штрека воспринимает значительно меньшее давление. Затраты на поддержание такого штрека снижаются в 1,5-2,5 раза по сравнению с охраной межучастковыми целиками.

Рис. 10. К выбору места расположения вентиляционного штрека, проводимого вприсечку к выработанному пространству: 1 - место заложения вентиляционного штрека; 2 - бывший транспортный штрек; 3 - 4 - эпюры горного давления соответственно до и после отжима краевой зоны пласта

Технология и ограничения проведения штреков вприсечку. Между обрушенным пространством и вентиляционным штреком обычно оставляют небольшой целик угля шириной 2-4 метра, а при устойчивых породах кровли не оставляют вовсе. Проводить штрек вприсечку можно только в зоне установившегося горного давления, как показано на рисунке 11, а. Это требует полной отработки верхнего столба до начала проведения нижнего, что может задерживать подготовку новых участков. В результате в панели часто работает только одна лава, что экономически оправдано лишь при высоких суточных нагрузках на забой.

Рис. 11. Способы проведения штреков вприсечку к выработанному пространству: а - после отработки лавы в крыле панели; б - с сохранением участка пластового штрека; в - с комбинированной отработкой ярусов (1, 2, 3... - последовательность отработки ярусов в крыле панели); г - с фланговой выработкой на границе панели; д - с полевой фланговой выработкой в середине крыла панели; I - IV - ярусы

Оптимизация сроков подготовки выемочных столбов. Для сокращения времени между отработкой верхнего и нижнего столбов применяют усовершенствованную технологию. На определенном расстоянии до подхода верхней лавы к охранному целику конвейерный штрек не погашают, а поддерживают. Его охраняют бутовой полосой, блоками железобетонных тумб (БЖБТ) или целиками угля. От этого поддерживаемого штрека начинают проводить вентиляционный штрек вприсечку, что ускоряет весь процесс подготовки и ввода в эксплуатацию нового выемочного участка.

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.