Способы подготовки выемочных полей в шахтах: схемы и технологии

Введение в системы подготовки шахтных полей. Подготовка выемочных полей является критически важным этапом в подземной добыче полезных ископаемых, определяющим эффективность и безопасность последующих очистных работ. Она заключается в проведении системы горных выработок, которые обеспечивают доступ к пласту, транспортировку, вентиляцию и безопасные условия труда. Выбор оптимальной системы подготовки зависит от множества геологических и горнотехнических факторов, включая мощность пласта, глубину залегания, характер вмещающих пород и газоносность. Научный подход к проектированию позволяет минимизировать объем проводимых выработок и потери полезного ископаемого. Далее рассматриваются ключевые технологические схемы и методы, применяемые в современной практике.

Способ с фланговыми наклонными выработками. Особенностью способа, показанного на рис. 11, г, является наличие фланговых наклонных выработок, с которых осуществляется проведение вентиляционных штреков. Ключевое технологическое требование заключается в том, что отставание забоя проводимого вприсечку штрека от забоя лавы должно быть не менее протяженности зоны активного сдвижения пород. Данное ограничение обуславливает необходимость поддержания позади лавы небольшого участка вентиляционного штрека для своевременной подготовки нижней лавы. Основным недостатком является необходимость проведения дополнительной наклонной выработки, часто осложненной наличием геологических нарушений. Этот недостаток можно минимизировать, разместив наклонную выработку в средней части крыла панели, как показано на рис. 11, д.

Повторное использование транспортного штрека. Способ подготовки длинных столбов с повторным использованием транспортного штрека в качестве вентиляционного (см. рис. 9, б) находит применение на пластах мощностью 1–2,5 метра. Его основное достоинство заключается в двукратном сокращении объема проводимых выработок и исключении потерь угля в межучастковых целиках. Однако способ имеет существенные недостатки: возможность отработки только одного столба в крыле панели и необходимость сложных ремонтных работ по поддержанию штрека. Данная технология применяется на глубинах до 600 метров в породах почвы, не склонных к пучению.

Охрана выработок искусственными сооружениями. Для обеспечения повторного использования выработок применяются искусственные сооружения. К ним относятся органная крепь (деревянная или металлическая), применяемая при легкообрушающихся породах кровли. Также используются костры из шпального бруса и тумбы из железобетонных блоков для пластов малой мощности. Наиболее перспективными считаются литые полосы из быстротвердеющих материалов, относящиеся к сооружениям с ограниченной податливостью. Эти конструкции эффективны при различных типах пород кровли и позволяют обеспечить устойчивость выработок на длительный срок.

Технология возведения жестких полос. Технология возведения жестких полос из быстротвердеющих материалов представляет собой сложный механизированный процесс. Как показано на рис. 12, позади очистного забоя на специальной берме устанавливается деревянная опалубка. Компоненты материала доставляются в шахту в раздельных контейнерах и подаются в бетономешалку. Полученная смесь транспортируется по трубопроводу с помощью сжатого воздуха и через гибкий шланг подается в опалубку, где происходит ее окончательное формование и твердение. Данная методика позволяет создавать высокопрочные конструкции, надежно защищающие выработки от горного давления.

Рис. 12. Схема расположения жесткой полосы из быстротвердеющих материалов

Опыт Рурского бассейна и применение ангидрита. Поддержание выемочных штреков на больших глубинах представляет значительную трудность, что делает ценным опыт шахт Рурского бассейна в Германии. Там широко применяются жесткие околоштрековые полосы на основе природного ангидрита или быстросхватывающегося цемента (блицдэммера). При смешивании природного ангидрита с водой в присутствии активатора образуется дигидрат сульфата кальция, обеспечивающий высокую прочность конструкции. Удельный расход ангидрита составляет 2,1–2,2 тонны на кубический метр полосы, что делает технологию эффективной.

Схема возведения околоштрековых полос. Процесс возведения околоштрековой полосы начинается в добычную смену, как иллюстрирует рис. 13. Со стороны выработанного пространства устанавливаются деревянные стойки с обшивкой из досок или сетки. Со стороны штрека монтируется ограждение из металлической сетки, крепящееся к элементам арочной крепи. Пневмозакладочная машина подает дробленый ангидрит по пневмопроводу к соплу, где он смешивается с водой и укладывается в форму будущей полосы. Данная схема обеспечивает высокую производительность и качество возводимой конструкции.

Рис. 13. Технологическая схема возведения жестких околоштрековых полос из ангидрида

Преимущества блицдэммера и параметры полос. Замена ангидрита на блицдэммер позволяет устранить некоторые технологические недостатки, такие как чувствительность к температуре и влажности. Блицдэммер способен расширяться в процессе схватывания, оказывая первоначальный боковой распор на породы, что повышает устойчивость конструкции. Его транспортировка может осуществляться как пневматическим, так и гидромеханическим способом без использования активаторов. Коэффициент заполнения выработанного пространства при использовании блицдэммера примерно на 40% выше, чем у природного ангидрита. Ширина полос в большинстве случаев принимается равной 0,7–0,9 от мощности пласта.

Подготовка сдвоенными и спаренными штреками. При подготовке столбов сдвоенными штреками (см. рис. 9, в) от панельного бремсберга проводят два параллельных штрека, соединяемых вентиляционными сбойками. Данная схема обеспечивает хорошее проветривание забоев и возможность одновременной отработки нескольких ярусов. Основным ее недостатком являются потери угля в межъярусных целиках. Способ подготовки спаренными штреками (см. рис. 9, г) отличается объединением двух забоев в один с размещением породы в общем выработанном пространстве (раскоске). Это позволяет избежать тупиковых забоев и оставить породу в шахте, но создает сложности с поддержанием вентиляционного штрека.

Способы оставления породы в шахте. Существует два основных способа оставления в шахте породы от подрывки. Первый – проведение выработки широким забоем, при котором для размещения породы создается дополнительное пространство (раскоска). Второй способ предполагает доставку и укладку породы в выработанное пространство ближайшего очистного забоя. Раскоска может располагаться относительно штрека по трем схемам: верхняя, двухсторонняя или нижняя (см. рис. 7, б, в, г). Внутри раскоски оставляется незаполненное пространство – косовичник, который служит для вентиляции и водостока и крепится рамной крепью.

Определение ширины раскоски. Ширину раскоски определяют расчетным путем, как показано на рис. 14. Исходят из условия, что объем породы в разрыхленном состоянии должен полностью поместиться в объеме раскоски. Расчет учитывает коэффициент разрыхления породы (k), который обычно принимается в пределах 2,0–2,4. Формула для определения ширины раскоски (x) выводится из равенства объема породы и потребного объема полости. Анализ формулы показывает, что при прочих равных условиях с увеличением мощности пласта ширина необходимой раскоски уменьшается, и наоборот.

Рис. 14. Расчетная схема для определения ширины раскоски

Рис. 15. Блок-схема выбора подготовки выемочного поля (участка, столба)

Заключение и выбор системы подготовки. Выбор оптимальной системы подготовки выемочного поля является комплексной задачей, требующей учета всех горно-геологических и технико-экономических факторов. Для систематизации этого процесса используется блок-схема выбора, которая представлена на рис. 15. Она позволяет последовательно оценивать условия залегания пласта и на основе этого выбирать наиболее рациональную технологическую схему. Применение современных методов, таких как возведение жестких полос из быстротвердеющих материалов, обеспечивает безопасную и эффективную работу на больших глубинах. Таким образом, совершенствование способов подготовки продолжает оставаться актуальным направлением горной науки.

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.