Система разработки наклонными слоями: технологии, управление кровлей и области применения

Возможность эффективной разработки мощных пластов способом наклонных слоев с обрушением кровли в первую очередь определяется физико-механическими свойствами пород непосредственной кровли. Наилучшие условия создаются, когда кровля сложена мягкими, пластичными породами, которые после обрушения быстро слеживаются, формируя устойчивый и надежный массив для работы в нижележащих слоях. Если же кровля представлена крепкими породами, трудно поддающимися обрушению и образующими крупные блоки, ведение работ в последующих слоях становится крайне затруднительным. Удержание такой искусственной кровли от обрушений и вывалов требует значительных дополнительных мер.

Критически важными факторами при данной технологии являются временной интервал между отработкой первого и последующих слоев, а также полнота выемки угля в каждом слое. Чем больше период между выемкой слоев, тем лучше успевают уплотниться обрушенные породы верхнего слоя, создавая более стабильную основу. Это напрямую влияет на безопасность и эффективность ведения очистных работ. Следовательно, организация работ должна учитывать необходимое время для естественного слеживания породной массы.

В зависимости от конкретных горно-геологических условий применяются различные модификации системы. Выделяют выемку наклонными слоями без разделения этажа на подэтажи и с таким разделением, а также с последовательной выемкой длинными столбами по падению. Сам процесс может быть последовательным (принцип «слой-пласт») или одновременным, когда несколько слоев отрабатываются с определенным опережением друг друга. Каждый из этих подходов имеет свои технологические и экономические обоснования.

При последовательной выемке слоев обеспечивается обособленная отработка каждого слоя, что упрощает организацию работ и управление горным давлением. Однако такой подход может растягивать общие сроки отработки выемочного поля. Одновременная выемка двух-трех слоев с определенным опережением является более распространенной, так как обеспечивает значительный фронт очистных работ и позволяет достичь высокой нагрузки на пласт. Величина необходимого опережения между забоями напрямую зависит от свойств пород кровли и скорости их слеживания.

Подготовка шахтного поля при системе наклонных слоев может осуществляться по этажной или панельной схеме. В случае этажной подготовки, этаж делится на выемочные поля (панели), которые могут быть одно- или двукрылыми. Предпочтение отдается однокрылым панелям, поскольку это позволяет вести очистные работы от выработанного пространства в сторону нетронутого массива. Такой подход минимизирует размеры пограничных и противопожарных целиков, повышая экономическую эффективность.

Длина выемочного поля на пластах с углями, склонными к самовозгоранию, должна рассчитываться таким образом, чтобы срок его отработки не превышал периода возможного возникновения эндогенного пожара. Если это условие невыполнимо, поле разделяется на отдельные участки противопожарными целиками. Во всех случаях рекомендуется применять обратный порядок отработки выемочных полей, так как прямой порядок ведет к резкому увеличению затрат на поддержание выработок и усложнению проветривания.

Подготовка выемочного поля включает проведение комплекса основных выработок с разным назначением и сроком службы. К общим для всех слоев выработкам относятся участковые бремсберги (скаты), этажные откаточные и вентиляционные штреки. Этажные откаточные штреки обычно проводят у почвы пласта, соединяя их со слоевым штреком первого слоя для организации проветривания. Вентиляционные штреки также часто размещаются у почвы пласта и могут проводиться спаренно с выработками первого слоя.

Очистные работы в каждом слое ведутся аналогично технологии для пластов средней мощности. При разделении этажа на подэтажи (как показано на Рис. 77) работы ведутся с обязательным опережением нижних подэтажей верхними. Величина опережения между очистными забоями составляет 20-25 м на крутых и наклонных пластах и 60-80 м на пологих. Уголь доставляется до конвейерного штрека, а затем по бремсбергу на этажный откаточный штрек.

Рис. 77. Система разработки наклонными слоями с обрушением кровли: 1 - подэтажные вентиляционные штреки нижнего слоя; 2 - подэтажный вентиляционные штреки верхнего слоя; 3 - этажный полевой откаточный штрек; 4 - подэтажные конвейерные штреки нижнего слоя; 5 - подэтажные конвейерные штреки верхнего слоя; 6 - вспомогательные ходки; 7 - участковые бремсберги

Управление горным давлением в верхнем слое осуществляется методом полного обрушения, а в последующих – путем перепуска обрушенных пород. На почве каждого слоя (кроме нижнего) возводится предварительная крепь из досок или металлической сетки. Сопряжения лав с вентиляционными штреками во всех слоях дополнительно усиливаются подхватами, а на крутых пластах – бортовой крепью.

Проветривание лав осуществляется по четкой схеме: свежая струя поступает по этажному откаточному штреку, через вспомогательные ходки и гезенки подается в подэтажные конвейерные штреки и далее в лавы. Отработанный воздух отводится на подэтажные вентиляционные штреки. Для системы с разделением на подэтажи характерна обособленная отработка каждого подэтажа, при этом подготовительные работы в следующем подэтаже начинаются только после начала очистных работ в предыдущем.

Область применения системы с обрушением охватывает пласты мощностью более 3,5 м с углами падения 3-35°, любой степени газоносности, с породами, хорошо слеживающимися после обрушения, и глубиной разработки до 900 м. Ее главными достоинствами являются высокая концентрация работ и возможность применения средств комплексной механизации. К недостаткам относят большие потери угля, необходимость возведения предварительной крепи и значительный расход лесоматериалов.

На Рис. 78 представлена система с последовательной выемкой длинными столбами по падению, где пласт мощностью более 5 м делится на два слоя. Верхний слой служит монтажным, а на его почве настилается гибкое перекрытие, под защитой которого ведется отработка нижнего слоя. Эта система обеспечивает постоянную длину лавы, большие размеры столбов и малые потери угля, но ограничена в применении из-за отсутствия механизации для пластов с углом падения более 10-12°.

Рис. 78. Система разработки наклонными слоями с последовательной их выемкой длинными столбами по падению: а - верхний слой; б - нижний слой; 1 - главные полевые откаточные штреки; 2 - воздухоподающий штрек верхнего слоя; 3 - вентиляционный штрек нижнего слоя; 4 - главные полевые вентиляционные штреки; 5 - конвейерные бремсберги; 6 - воздухоподающие ходки; 7 - вентиляционные ходки

Для исключения потерь угля в межслоевых пачках применяются три основных способа создания искусственной кровли. Первый – возведение межслоевых перекрытий (гибких перекрытий из металлических полос и сетки). Второй способ – упрочнение обрушенных пород путем нагнетания специальных вяжущих растворов на основе цемента, золы и промышленных отходов. Третий способ, применяемый при породах, склонных к уплотнению, заключается в дополнительном увлажнении обрушенных пород или обработке их глинистой пульпой.

В международной практике (Великобритания, Франция, Япония) распространена одновременная отработка 2-3 слоев с небольшим расстоянием между забоями (15-25 м), что улучшает состояние выработок и условия по горному давлению. В России используют как одновременную, так и последовательную выемку, выбирая стратегию в зависимости от свойств пород.

Современное развитие системы связано с внедрением высокопроизводительных комплексов механизированной крепи отечественного и зарубежного производства (например, 4КМ130, «Вестфалия», «Пиома»), позволяющих увеличивать мощность вынимаемого слоя до 4-5 м. Перспективной технологией является также выемка с выпуском угля из подкровельной толщи без разделения пласта на слои.

Системы разработки наклонными слоями с закладкой выработанного пространства конструктивно схожи с системами с обрушением, но позволяют вести работы как в нисходящем, так и в восходящем порядке. Они применяются при необходимости охраны поверхности или в сложных горно-геологических условиях. Наибольшее распространение получила гидравлическая закладка, используемая, в частности, в Верхнесилезском бассейне Польши.

Рис. 79. Система разработки наклонными слоями с гидравлической закладкой выработанного пространства при одновременной выемке слоев

На Рис. 79 показана система с гидравлической закладкой при одновременной выемке слоев. Она характеризуется меньшим объемом подготовительных работ и пониженной пожарной опасностью. Опыт польской шахты «Червоне Заглембе» подтвердил эффективность нисходящего порядка отработки с гидрозакладкой, где прочность закладочного массива достигала 7 МПа. В Индии распространены системы с короткими забоями (камерно-столбовая), также с применением гидравлической закладки. Пневматическая закладка имеет ограниченное применение и используется в основном в Чехии.

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.