Оптимизация и охрана выемочных выработок при сплошной системе разработки

Введение в проблему охраны горных выработок. Одной из наиболее значимых проблем в практике подземной добычи полезных ископаемых, особенно при сплошной системе разработки, является рациональное расположение и эффективная охрана выемочных выработок. Состояние этих выработок, постоянно подвергающихся влиянию очистных работ и находящихся в выработанном пространстве, напрямую определяет ключевые технико-экономические показатели всей системы. От этого зависят безопасные условия проветривания, бесперебойность транспорта на горном участке и общая рентабельность эксплуатации месторождения. Следовательно, выбор способа охраны является критически важным технологическим решением.

Расположение и охрана транспортных штреков. Транспортные штреки, к которым относятся откаточные и конвейерные выработки, могут проводиться различными методами. Их проводят узким или широким забоем, как непосредственно по угольному пласту, так и в пустых породах, что классифицирует их как полевые штреки (рис. 44). Для обеспечения их устойчивости и безопасности применяют несколько методов охраны. Основными способами являются охрана целиками угля, возведение бутовых полос и использование искусственных сооружений, таких как блоки железобетонные тюбинговые (БЖБТ), органная крепь, костры, кусты и литые полосы из быстротвердеющих материалов.

Рис. 44. Способы расположения и охраны транспортных штреков при сплошной системе разработки

Охрана транспортных штреков целиками угля. Способ охраны транспортных штреков посредством оставления целиков угля (рис. 45, а), ранее повсеместно распространенный, сегодня применяется все реже. Его основное достоинство заключается в обеспечении стабильного и надежного сопряжения лавы со штреком, что особенно важно на пластах со слабыми породами кровли. Однако этому методу присущи серьезные недостатки, ограничивающие его применение. К ним относятся значительные потери угля в оставленных целиках, необходимость проведения дополнительных нарезных выработок, таких как сбойки и просеки, а также усложнение технологической цепи транспортировки угля из лавы. Область применения этого способа ограничивается тонкими и средней мощности пластами с любыми углами падения, не склонными к динамическим явлениям и непожароопасными.

Охрана транспортных штреков бутовыми полосами. Наибольшее распространение при сплошной системе разработки получила охрана транспортных штреков с помощью бутовых полос. Эти полосы подразделяются на односторонние и двусторонние. Односторонние полосы могут возводиться как при опережении штреком забоя лавы (рис. 45, б), так и с его отставанием (рис. 45, в). Ширину такой полосы нормируют, принимая ее равной не менее чем 8-кратной мощности пласта. Ключевыми преимуществами данного метода являются устранение потерь угля в целиках и упрощение узла сопряжения лавы со штреком. Кроме того, технологическая схема с проведением штрека позади лавы позволяет оставлять породу в шахте и исключает наличие тупиковых забоев, что критически важно для газоносных пластов.

Рис. 45. Технологические схемы расположения и охраны транспортных штреков при сплошной системе разработки: а, б, в, г, д, е - по пласту с охраной их соответственно целиками угля, односторонней бутовой полосой с опережением забоя лавы и позади него, двусторонней бутовой полосой с опережением забоя лавы и позади него, БЖБТ (органной крепью, кострами, кустами, литыми полосами и др.); ж, з - по пустым породам (полевые) соответственно с опережением забоя лавы и позади него; 1 - транспортный пластовый штрек; 2 - сбойка; 3 - просек; 4 - бутовый штрек; 5 - раскоска; 6 - косовичник (если с подрывкой пород, то конвейерный штрек); 7 - косовичный ходок; 8 - БЖБТ; 9 - транспортный полевой штрек; 10 - скат

Область применения и недостатки бутовых полос. Область применения способа охраны односторонней бутовой полосой охватывает пласты мощностью до 1,5 метров с углами падения до 35°. При этом кровля может быть любой, а почва должна характеризоваться как непучащая или слабопучащая. Для минимизации явления пучения почвы в последнем случае применяют бурение разгрузочных скважин по пласту. Главным недостатком этого эффективного способа справедливо считается высокая трудоемкость ручных работ по возведению самой бутовой полосы. Это требует значительных затрат времени и человеческих ресурсов, что влияет на общую производительность труда.

Охрана штреков двусторонними бутовыми полосами. Охрана штреков двусторонними бутовыми полосами возможна при их проведении широким забоем как с опережением лавы (рис. 45, г), так и с отставанием от нее (рис. 45, д). В этой схеме нижняя полоса возводится из породы, полученной от проведения транспортного штрека, а верхняя – от бутового штрека. В современной горной практике вариант с опережающей проходкой постепенно вытесняется более прогрессивной схемой с проведением штрека позади лавы. Этот метод обладает рядом неоспоримых технологических и экономических преимуществ, делающих его предпочтительным для сложных горно-геологических условий.

Преимущества проведения штрека позади лавы. Проведение штрека широким забоем вслед за лавой с охраной его двусторонними бутовыми полосами находит все большее применение, особенно на больших глубинах. К его основным преимуществам относится использование одной выемочной машины в лаве, в отличие от схем с опережением. Все забои в этой системе проветриваются за счет общешахтной депрессии, что исключает необходимость установки вентиляторов местного проветривания (ВМП). Также наблюдается резкое снижение затрат на поддержание выработки, поскольку штрек оказывается вне зоны влияния опорного давления, формирующегося впереди очистного забоя. Крепь в штреке устанавливается на расстоянии до 6 метров позади лавы, где горное давление уже стабилизировалось.

Недостатки сплошной системы с отстающим штреком. К наиболее характерным недостаткам сплошной системы разработки с проведением штрека позади лавы относится большой объем трудоемких работ по выкладке бутовых полос. Также система требует проведения дополнительных вспомогательных выработок, таких как конвейерный штрек (косовичник) и ходки. Это усложняет общую транспортную цепь от лавы до погрузочного пункта и исключает возможность проведения эксплуатационной разведки пласта впереди движущейся лавы. Область применения данного метода включает пологие пласты мощностью 0,8 – 1,5 метра, залегающие в неустойчивых боковых породах, в том числе с пучащими почвами.

Охрана штреков искусственными сооружениями. Способ охраны штреков искусственными сооружениями в виде БЖБТ, органной крепи, костров, кустов и литых полос из быстротвердеющих материалов (рис. 45, е) применяется как альтернатива бутовым полосам. Основная цель его внедрения – исключение высокотрудоемкого процесса ручной выкладки породы. Блоки железобетонные тюбинговые (БЖБТ) целесообразно применять на пластах мощностью до 1,5 метров с углами падения до 18° и прочностью пород не ниже 80 МПа. Органная крепь и другие указанные материалы эффективны на пластах мощнее 1,2 – 1,3 метра.

Применение полевых штреков. Необходимость проведения полевых штреков (рис. 45, ж, з) обусловлена сложными горно-геологическими условиями. К ним относятся весьма слабые боковые породы, склонные к интенсивному пучению и выдавливанию, большая мощность пласта (свыше 1,5 м), приводящая к значительным сдвижениям пород, или высокая пожароопасность пласта. Полевой штрек располагают в почве пласта на расстоянии свыше 10 метров от него, выбирая положение в зависимости от литологического состава пород. При наличии слоев крепких пород мощностью более 3-4 метров штрек целесообразно располагать под этим устойчивым слоем.

Технология соединения полевого штрека с лавой. Для соединения полевого штрека с лавой проводят наклонные скаты, которые имеют три функциональных отделения: углеспускное, ходовое и для доставки оборудования. Угол наклона скатов к вертикальной линии должен составлять не менее 55°, чтобы обеспечить расположение штрека в зоне разгрузки от горного давления. От скатов в свою очередь проводят конвейерные просеки или штреки для организации транспорта угля. При больших глубинах разработки (свыше 600 метров) для исключения вредного влияния опорного давления полевой штрек также проводят вслед за лавой в разгруженной зоне.

Расположение и охрана вентиляционных штреков. Вентиляционные штреки могут проводиться заново с оставлением межэтажного целика угля размером 20-30 метров или более. Альтернативным и часто более экономичным решением является повторное использование бывших транспортных штреков в качестве вентиляционных (рис. 46). Возможность такого использования определяется текущим состоянием выработки перед началом очистных работ в новом этаже. Критериями оценки являются сохранность крепи, рельсового пути и достаточное сечение выработки в свету. Однако необходимо проводить прогнозирование поведения выработки под влиянием предстоящих горных работ.

Рис. 46. Способы охраны вентиляционных штреков при сплошной системе разработки

Способы охраны вентиляционных штреков. При новом проведении вентиляционного штрека по пласту его охрану осуществляют теми же способами, что и транспортные: целиками угля (рис. 47, а) и бутовыми полосами (односторонними и двусторонними). Охрана целиками угля применяется сравнительно редко из-за сложностей с транспортировкой породы. Наибольшее распространение при новом проведении получил способ охраны односторонними бутовыми полосами (рис. 47, б). Его главные преимущества – совмещение угольных забоев штрека и лавы в один, использование всей породы от проходки на выкладку полосы и отсутствие потерь угля. Для глубоких шахт на пластах с пучащими породами применяют охрану двусторонними бутовыми полосами (рис. 47, в).

Рис. 47. Технологические схемы расположения и охраны вентиляционных штреков при сплошной системе разработки: а, б, в - с проведением штреков заново и охраной их соответственно целиками угля, бутовой полосой односторонней, бутовой полосой двусторонней; г, д, е, ж, з - с повторным использованием бывших транспортных штреков и охраной их соответственно целиками угля, бутовой полосой односторонней, бутовой полосой двусторонней, БЖБТ (органной крепью, кустами, кострами), массивом пород; 1 - вентиляционный штрек, проводимый заново; 2 - вентиляционная сбойка; 3 - запасный выход из лавы; 4 - косовичник; 5 - бывший транспортный штрек, используемый в качестве вентиляционного; 6 - бутовый штрек; 7 - вентиляционный косовичный ходок в закладке; 8 - просек; 9 - БЖВТ; 10 - скат

Повторное использование выработок и искусственные конструкции. Если в качестве вентиляционного используется бывший транспортный штрек, пройденный с охраной двусторонними бутовыми полосами, для соединения с лавой проводят вентиляционные косовичные ходки (рис. 47, е). Схема охраны штрека с помощью БЖБТ показана на рис. 47, ж. Хотя этот способ исключает трудоемкие работы с породой, его существенным недостатком являются трудности герметизации выработанного пространства. Это приводит к значительным утечкам воздуха и ухудшению проветривания верхней части лавы. При повторном использовании полевого штрека (рис. 47, з) проветривание организуют через вентиляционные гезенки.

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.