Особенности вскрытия шахтных полей на больших глубинах. Блочное вскрытие

Условно принято считать глубокими шахты с начальной глубиной вентиляционного горизонта свыше 600 м на пологих пластах и свыше 700 м на крутых. Средняя глубина разработки шахт Донбасса составляет, примерно, 700 м при ежегодном понижении горных работ на 10..12 м. С увеличением глубины резко ухудшаются условия разработки пластов: возрастает горное давление; изменяются физико-меха­ни­ческие свойства боковых пород в направлении снижения их устойчивости и увеличения пластичности; увеличивается относительное газовыделение пластов; возрастает выбросоопасность пластов и пород и повышается их температура. Все это в конечном счете оказывает существенное влияние на выбор способа вскрытия шахтного поля и конкретно следующим образом:

– вскрытие глубоко залегающих пластов может осуществляться только вертикальными стволами, так как наклонные стволы имели бы чрезмерную длину;

– значительно увеличиваются затраты на проведение главных вскрывающих выработок — вертикальных стволов, а также на строи­тельство надствольных сооружений — башенных копров и пр.;

– в связи с возрастанием с глубиной горного давления возникает необходимость располагать вскрывающие и подготавливающие выработки в крепких породах, возводить более прочную, а, следовательно, и более дорогую крепь. А так как объемы горно­проходческих работ на момент сдачи шахты в эксплуатацию достигают многих десятков километров, то это приводит к резкому возрастанию капитальных затрат на строительство шахты;

– рост газообильности шахт с глубиной требует подачи большего количества воздуха для проветривания, что при регламентированной скорости движения воздуха, а также величины депрессии вызывает необходимость увеличивать площади поперечного сечения выработок или же проводить параллельно дополнительные выработки, что также ведет к значительному увеличению стоимости их проведения. В конечном счете с глубиной резко возрастают удельные капитальные затраты на строительство шахты, определяемые зависимостью

(5.1)

где SK – суммарные капитальные затраты на строительство шахты, грн.;
Zпр – промышленные запасы шахтного поля, т.

Снижения удельных капитальных затрат можно достичь путем увеличения промышленных запасов, что возможно в основном за счет увеличения размеров шахтного поля по простиранию, так как размеры поля по падению ограничены предельно допустимой глубиной разработки. Однако при больших размерах шахтного поля по простиранию пропорционально возрастает величина депрессии и для ее снижения необходимо увеличивать сечения выработок, что в свою очередь, приведет к росту затрат на их проведение и поддержание, т. е. получается как бы замкнутый круг. Решение вопроса было найдено путем применения блочного вскрытия шахтных полей.

Рисунок 5.15 – Блочное вскрытие свиты пологих пластов: а, б, в – схемы выработок при отработке соответственно 1–й выемочной ступени, 2–й и 3–й (уклонной) 1, 2, 3, 4 – ствол главный, вспомогательный, блочный воздухоподающий и блочный вентиляционный; 5, 5' – капитальный квершлаг 1-го и 2-го горизонтов; 6, 6' – магистральный транспортный штрек 1го и 2-го горизонтов; 7, 8 – блочный квершлаг транспортный и вентиляционный

Сущность блочного вскрытия (рис. 5.15) заключается в том, что шахтное поле по простиранию делится на блоки размером 2000..4000 м, вскрытие которых осу­ществляется самосто­ятельными вскрывающими выработками — блочными стволами и квершлагами или только стволами (при горизонтальном или близком к нему залегании пластов). Один из блочных стволов является воздухоподающим, а другой — вентиляционным. Благодаря этому горные выработки в блоках можно проветривать независимо друг от друга. Все блоки по простиранию соединены между собой главными транспортными штреками, получившими название магистральных, по которым уголь из всех блоков доставляется к главному стволу. Магистральные штреки обычно проводятся сдвоенными, располагаются в крепких породах и, поскольку они непосредственно не предназначены для целей проветривания шахты, имеют сравнительно небольшие площади поперечного сечения, определяемые габаритами транспортных сосудов.

Размеры шахтного поля по простиранию при блочном вскрытии составляют 10..16 км и более. Так, на шахте им. А.А.Скочинского в Донбассе они превышают 20 км. Размеры блока по простиранию зависят от метанообильности шахты и устойчивости боковых пород. С повышением метанообильности и снижением устойчивости пород оптимальный размер блока уменьшается и составляет 2,5..3,0 км при выемке лавами по простиранию и 4,0..4,5 км при выемке по восстанию или падению.

В пределах блока может применяться этажная, панельная и погоризонтная подготовки, которые при данном способе вскрытия удобнее называть "этажно-блочная", "панельно-блочная" и "погоризонтно-блоч­ная", поскольку в разных блоках может быть разный способ подготовки.

Схема транспорта угля в шахтном поле (по рисункам 5.15 и 5.16):

– при отработке первой бремсберговой ступени: лава–12–9–7–6–5–1;

– при отработке уклонной ступени: лава–12–14–7–6’–5’–1.

Проветривание блоков может осуществляться по двум основным схемам:

– обособленно поступающей и исходящей струями воздуха, для чего в каждом блоке проводятся воздухоподающий и вентиляционный блочные стволы (см. рис. 5.15 и 5.16) по схеме:

– при отработке первой бремсберговой ступени: 3–7–10–12–лава–13–11–8–4;

– при отработке уклонной ступени: 3–7–15–12–лава–13–16–8–4;

– общей поступающей в каждый блочный квершлаг свежей струей воздуха и попарно обособленной исходящей струей; в этом случае вентиляционные стволы располагаются на границах смежных блоков, а магистральные штреки служат для подачи свежей струи воздуха. Возможны и другие схемы проветривания.

Достоинствами блочного способа вскрытия шахтного поля являются:

– независимая разработка и проветривание каждого блока, что позволяет вести выемку одновременно в нескольких блоках и обеспечивать значительную производительность шахты;

– снижение удельного объема проведения выработок на 10..20% и себестоимости добычи на 10..25% по сравнению с безблочными способами вскрытия;

Рисунок 5.16 – Схема горных выработок в блоке при этажно-блочной подготовке шахтного поля: а – при отработке 1–й бремсберговой ступени; б – при отработке уклонной ступени 1–8 – то же, что и на рис. 5.15; 9 – бремсберг; 10 – вспомогательный бремсберг; 11 – вентиляционный ходок; 12, 13 – этажный штрек транспортный и вентиляционный; 14 – уклон; 15 – вспомогательный уклон; 16 – вентиляционный ходок

– снижение продолжительности строительства шахты, а следовательно, и более быстрый ввод ее в эксплуатацию;

– более благоприятные климатические условия работы в шахте;

– меньшие потери времени на доставку людей к месту работы и назад.

Поясним конкретно, за счет чего обеспечиваются преимущества блочного вскрытия по сравнению с безблочным (при одинаковых размерах шахтного поля).

Снижение удельного объема проведения выработок и себестоимости добычи угля при блочном вскрытии по сравнению с обычным неблочным обеспечивается, в основном, за счет исключения проведения по пластам главных штреков большой протяженности с большой площадью поперечного сечения по условиям вентиляции, а также наклонных подготавливающих выработок, которые в целях снижения депрессии шахты тоже должны проводиться большим сечением. Отсюда достигается и снижение себестоимости 1т угля.

Снижение продолжительности строительства шахты достигается за счет того, что проведение выработок производится одновременно как через центральные, так и блочные стволы, обеспечивающие многозабойную работу и эффективное проветривание проходческих забоев.

Более благоприятные климатические (температурные) условия обеспечиваются за счет более короткого пути движения воздуха, а, следовательно, меньшего его нагревания.

Снижение продолжительности времени на доставку людей к месту работы и обратно при блочном вскрытии обеспечивается тем, что спуск и подъем людей производится по блочным стволам, куда рабочие доставляются автобусами. Следовательно, значительно сокращается путь движения людей по подземным выработкам и затрачиваемое на это время.

Недостатки блочного вскрытия:

– значительный объем капитальных работ, выполняемых в течение почти всего срока функционирования шахты для воспроизводства вскрытых запасов;

– отчуждение больших площадей земли для строительства технологических комплексов блочных стволов, а также проведения дорог для их обслуживания;

– трудности транспортирования угля по длинным магистральным штрекам, поскольку одной батареи не хватает на пробег электровозов[10] в оба конца и необходима промежуточная зарядная станция.

Условия применения блочного вскрытия:

– глубокие шахты с высокой газообильностью и большим количеством разрабатываемых пластов (с ростом значений этих факторов выгодность способа вскрытия увеличивается);

– большие размеры шахтного поля по простиранию — свыше 8000..10 000 м.

Блочный способ вскрытия может быть реализован не только при строительстве новых, но и при реконструкции действующих шахт с объединением горными выработками (в основном магистральными штреками) нескольких шахт в одну крупную. При этом каждая шахта представляет собой блок (или несколько блоков) с самостоятельными стволами для целей вентиляции и выполнения вспомогательных операций, а выдача угля со всех шахто-блоков осуществляется через центральные стволы на одну общую поверхность.

Совершенствование блочного вскрытия возможно за счет сокращения объема работ по проведению блочных стволов путем применения скважин большого (свыше 2 м) диаметра и упрощения технологических комплексов на их поверхности.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите преимущества и недостатки вскрытия шахтного поля вертикальными стволами.

2. Функции и оборудование вертикальных стволов на современных шахтах.

3. В каких случаях допускается отсутствие лестничных отделений в стволах?

4. Почему главный ствол, как правило, используется в качестве вентиляционного, а не воздухоподающего?

5. Изложите сущность одногоризонтного вскрытия вертикальными стволами, укажите его достоинства, недостатки и область применения.

6. Перечислите разновидности одногоризонтного вскрытия свиты пологих пластов.

7. Изобразите графически одногоризонтное вскрытие шахтного поля вертикальными стволами и: капитальным квершлагом; этажными квершлагами; этажными гезенками. Дайте оценку каждому способу.

8. Изложите сущность многогоризонтного вскрытия шахтного поля. Укажите его достоинства, недостатки и область применения.

9. Изобразите графически вскрытие вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами с периодической углубкой стволов. Дайте оценку способу.

10. Изобразите графически вскрытие вертикальными стволами и этажно-горизонтными квершлагами. Дайте оценку способу.

11. Изобразите графически вскрытие вертикальными стволами, погоризонтными квершлагами и этажными гезенками. Дайте оценку способу.

12. В чем состоят особенности вскрытия шахтного поля при погоризонтной подготовке? Изобразите схемы вскрытия и дайте им оценку.

13. В чем заключается сущность блочного вскрытия шахтного поля? Чем вызывается необходимость его применения для глубоких шахт?

14. Изобразите графически блочное вскрытие свиты из трех пластов. Дайте ему оценку.

15. За счет чего достигается выгода в объеме и стоимости проведения выработок при блочном вскрытии по сравнению с обычными способами?

Глава 6. ВСКРЫТИЕ ШАХТНОГО ПОЛЯ ШТОЛЬНЯМИ

Сущность вскрытия штольнями состоит в том, что в гористой или холмистой местности на склоне горы или холма устраивают промышленную площадку для размещения технических зданий и сооружений на поверхности шахты и проводят капитальную штольню, которой вскрываются все пласты в шахтном поле (рис. 6.1).

Рисунок 6.1 – Вскрытие шахтного поля штольнями:

а – пологих пластов; б – крутых пластов

1 – штольня капитальная; 2 – бремсберг с ходками; 3 – вентиляционный квершлаг; 4 – вентиляционный ствол; 5 – нависающий склон горы, который убирается для предупреждения обвалов; 6 – максимальный уровень ливневых или паводковых вод; 7 – капитальный гезенк; 8 – этажный квершлаг;
9 – вентиляционная штольня; 10 – слепой ствол

В зависимости от расположения пластов относительно склона горы или холма и выходов их на поверхность штольни могут быть пройдены по пласту или по породе, располагаясь по простиранию, вкрест простирания пласта или диагонально к нему. Обычно штольня проводится горизонтальной, но иногда — наклонной. В последнем случае она отличается от наклонного ствола тем, что проводится снизу вверх с подъемом. Это бывает, когда угольные пласты залегают выше уровня промплощадки или там сосредоточены основные запасы шахтного поля, а проведение горизонтальной штольни обусловливало бы значительные размеры надштольневой части шахтного поля. По наклонному стволу уголь транспортируется снизу вверх, а по наклонной штольне — сверху вниз.

При пологом залегании пластов часть поля, расположенная выше уровня штольни (надштольневая часть), отрабатывается бремсберговыми полями, а нижняя (подштольневая) — уклонными (рис. 6.1, а). При этом подготовка шахтного поля, транспорт угля и вентиляция остаются такими же, как и при вскрытии вертикальными стволами и капитальным квершлагом. Свежая струя воздуха обычно поступает по главной (транспортной) штольне, а исходящая выдается на поверхность по вентиляционной штольне, проводимой параллельно главной. При отработке бремсбергового поля проветривание может осуществляться через вентиляционные стволы или шурфы, а также вентиляционные штольни, проводимые у верхней технической границы, как показано на рис. 6.1, б.

При вскрытии штольнями крутых пластов в качестве дополнительных вскрывающих выработок применяются гезенки и этажные квершлаги в надштольневой части шахтного поля и слепые стволы и этажные квершлаги в подштольневой части (рис. 6.1, б).

Важным при вскрытии штольнями является вопрос выбора места расположения штольни. При этом необходимо руководствоваться следующими положениями:

– устье штольни должно располагаться выше максимального уровня ливневых и паводковых вод во избежание подтопления шахты;

– штольню следует проводить на такой высотной отметке, чтобы возможно большая часть запасов могла быть отработана без подъема угля и механического водоотлива;

– над устьем штольни не должно быть нависающих горных склонов, способных к обвалам, оползням и сходам снежных лавин;

– в местностях с суровым климатом рядом с главной (транспортной) штольней проводится вторая водоотливная штольня для предупреждения замерзания воды в зимнее время. Свежая струя воздуха поступает по главной штольне, а водоотливную перекрывают вентиляционными дверями от доступа наружного холодного воздуха. Иногда водоотливная штольня служит также в качестве вентиляционной, например, при разработке уклонного поля.

Достоинства вскрытия шахтного поля штольнями:

– простота;

– вскрытие пологих и наклонных пластов может осуществляться без дополнительных вскрывающих выработок;

– отсутствие подъемов для угля и водоотливных средств в течение времени отработки надштольневых запасов;

– весьма простой поверхностный комплекс, обусловленный отсутствием зданий подъемных машин, копров и др.;

– быстрый ввод шахты в эксплуатацию при малых капитальных затратах.

Недостатки вскрытия штольнями:

– сложность производства строительных работ в гористой местности;

– сложность сооружения и эксплуатации капитальных

– гезенков и слепых стволов при разработке крутых пластов;

– ограниченная область применения.

Условиями применения вскрытия штольнями являются пласты, залегающие в гористой или холмистой местности.

Вопросы для самоконтроля

1. Изложите сущность вскрытия шахтного поля штольнями.

2. Как проводится штольня относительно залегания пласта?

3. Чем отличается наклонная штольня от наклонного ствола?

4. Изобразите графически вскрытие штольнями:

– свиты пологих пластов;

– свиты крутых пластов.

5. Дайте оценку способу вскрытия шахтного поля штольнями.

6. Изложите требования, которыми необходимо руководствоваться при выборе места расположения штолен.

Глава 7. КОМБИНИРОВАННЫЕ СПОСОБЫ ВСКРЫТИЯ ШАХТНОГО ПОЛЯ

Комбинированными способами вскрытия называются такие, которые содержат в себе признаки и элементы нескольких способов. Их применение обусловливается стремлением использовать преимущества входящих в комбинацию способов, которые могут быть реализованы в конкретных горно-геологических и горнотехнических условиях.

На рис. 7.1 показаны характерные случаи комбинированных способов вскрытия.

Рисунок 7.1 – Примеры комбинированных способов вскрытия шахтного поля: а – вертикальными и наклонным стволами; б – вертикальными стволами, капитальным и этажными квершлагами; в – вертикальными стволами, этажно-горизонт­ными квершлагами, капитальными горизонтальным и наклонным квершлагами 1 – главный наклонный ствол; 2, 3 – вертикальный вспомо­гательный ствол; 4 – капитальный горизонтальный квершлаг; 5 – вентиляционный ствол (шурф); 6 – главный вертикальный ствол; 7 – этажный квершлаг; 8 – этажно-горизонт­ный квершлаг; 9 – наклонный капитальный квершлаг

В схеме а) использованы преимущества вскрытия наклонными стволами, оборудованными мощными ленточными конвейерами, позволяющими выдавать из шахты до 20..25 тыс. т угля в сутки при значительно меньшей степени измельчения его по сравнению со скиповыми подъемами; все вспомогательные операции, в том числе и выдача породы, осуществляются по вертикальным стволам, которые значительно производительнее механических подъемов наклонных стволов. Наличие двух вертикальных стволов обеспечивает хорошие условия проветривания шахты. Данный комбинированный способ вскрытия целесообразно применять на крупных шахтах с глубиной стволов, примерно, до 400..500 м.

Наиболее крупные шахты в мировой практике вскрыты именно таким способом. Примером могут служить шахты "Распадская" в Кузбассе, "Тентенская" в Караганде, "Селби" в Великобритании соответственно с проектной мощностью 7,5; 4,0 и 10,0 млн. т угля в год.

В схеме б), представляющей комбинацию двух способов вскрытия — капитальным квершлагом для вскрытия пластов m ₁ и m ₂ и этажными квершлагами для вскрытия пласта m ₃, сближенного с пластом m ₂, использовано преимущество вскрытия этажными квершлагами в части сокращения объема проведения и поддержания наклонных подготавливающих выработок;

В схеме в) верхняя часть шахтного поля вскрыта вертикальными стволами и этажно-горизонтными квершлагами, что обусловлено крутым залеганием пластов, а нижняя часть поля вскрыта капитальным горизонтальным квершлагом (пласт m ₁) и капитальным наклонным квершлагом (пласты m ₂ и m ₃), что связано с резким выполаживанием пластов. То есть в данном случае комбинированное вскрытие обусловлено конкретными горно-геологическими особенностями залегания пластов.

Сильно нарушенные месторождения с резкими перегибами пластов, крупными, часто повторяющимися сбросами и надвигами вскрываются также комбинированными способами — вертикальными стволами и этажно-горизонтными квершлагами с проведением ряда дополнительных выработок, чаще всего гезенков и наклонных квершлагов. При этом применение комбинированного способа вскрытия дает возможность одновременно разрабатывать участки пласта как с крутым, так и пологим залеганием.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие способы вскрытия шахтного поля называются комбинированными?

2. Чем обусловливается применение комбинированных способов вскрытия?

3. Изобразите графически примеры комбинированных способов вскрытия и дайте им оценку.

Глава 8. ВСКРЫТИЕ НОВЫХ ГОРИЗОНТОВ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ШАХТАХ

Дата добавления: 2015-03-31