Подготовка шахтного поля

ПОДГОТОВКА ШАХТНОГО ПОЛЯ (а. mine take development, mine take layout; н. Grubenfeldvorrichtung, Zuschnitt des Grubenfeldes; ф. amenagement d'un champ minier; и. preparacion de campo de explotacion) — проведение горных выработок после вскрытия шахтного поля или его части, обеспечивающее возможность выполнения очистных работ. При разработке угольных (сланцевых) месторождений различают панельный, погоризонтный и этажный способы подготовки шахтного поля, а также комбинации этих способов. Основными факторами, определяющими выбор рационального способа подготовки шахтного поля, являются мощность, угол падения и водообильность пласта, расположение разрабатываемой части шахтного поля относительно подъёмного горизонта (табл. 1).

Основные подготавливающие выработки при подготовке шахтного поля на угольных месторождениях — главные и этажные штреки, капитальные и панельные бремсберги и уклоны с ходками.

При панельном способе подготовки шахтное поле в пределах ступени горизонта наклонной высотой 800-1200 м делится на последовательно отрабатываемые участки — панели длиной по простиранию 800-3000 метров. Каждая панель подготавливается при помощи главного транспортного и вентиляционного штреков, а также панельных бремсбергов или уклонов с ходками, проводимых из главных штреков посередине панели или на её флангах (рис. 1).

Панель, в свою очередь, делится на последовательно отрабатываемые ярусы наклонной высотой 120-250 м, подготавливаемые путём проведения из панельных бремсбергов (уклонов) ярусных транспортных и вентиляционных штреков по пласту угля имс. 

Для панельной подготовки шахтного поля характерна столбовая система разработки пласта с повторным использованием ярусных штреков (при устойчивых боковых породах), прямоточная схема проветривания выемочного участка, расположение основных подготовительных выработок в породах почвы пласта. При разработке негазоносных пластов фланговые ходки не проводят и применяют возвратноточную схему проветривания выемочного участка. Если вмещающие породы весьма неустойчивы, ярусы подготавливают путём проведения ярусных штреков вприсечку к выработанному пространству. В случае устойчивых пород основные подготовительные выработки проводят по пласту угля. В панелях увеличенной (свыше 2 км) длины по простиранию, когда проведение ярусных штреков значительной длины тупиковым забоем затруднено (сильно газоносные пласты, слабые вмещающие породы), предусматривают промежуточный ходок, служащий для подготовки очередных ярусов.

При разработке пластов угля, склонного к самовозгоранию, для предотвращения больших утечек воздуха в выработанное пространство рекомендуется использование, как правило, однокрылых панелей длиной по простиранию 1000-1200 метров. Панельный способ подготовки шахтного поля применяют во всех основных бассейнах страны при разработке пологих пластов, т.е. в условиях, благоприятных для работы ленточных конвейеров в панельных бремсбергах (уклонах). Достоинство панельного способа подготовки шахтного поля — возможность обеспечения высокого уровня концентрации очистных работ за счёт одновременной разработки нескольких панелей на пласте и нескольких ярусов в каждой панели. Недостатки: усложнённость схемы планировки выработок в шахтном поле из-за наличия в транспортной системе промежуточного звена — панельных бремсбергов (уклонов), а также трудность выполнения одновременно с очистными работами большого объёма подготовительных работ в панели, особенно уклонной.

Применение погоризонтного способа подготовки шахтного поля обусловлено особенностями разработки пластов длинными столбами с подвиганием лав по восстанию или падению. При этом способе шахтное поле в пределах ступени (горизонта) наклонной высотой 800-1200 м делится на последовательно отрабатываемые выемочные столбы шириной 120-250 м, вытянутые по падению (рис. 2, рис. 3).

Последние подготавливают при помощи транспортных и вентиляционных уклонов (бремсбергов). Выемочные столбы отрабатывают, как правило, прямым ходом в бремсберговой и обратным ходом в уклонной частях шахтного поля. Наиболее простая и надёжная схема планировки подготовительных выработок достигается в бремсберговой части шахтного поля при выемке пласта лавами по падению и в уклонной части — при выемке лавами по восстанию. В этих случаях создаются наиболее благоприятные условия для выдачи угля из очистного забоя по примыкающему к нему транспортному бремсбергу (уклону) непосредственно на подъёмный горизонт шахты и к стволу. Для обеспечения прямоточного проветривания выемочных участков транспортный бремсберг (уклон) охраняется позади очистного забоя искусственными сооружениями (органные ряды, полосы из ангидрида или фосфогипса, бетонные блоки). При разработке пластов с небольшой газоносностью целесообразны варианты погоризонтной подготовки с возвратноточным проветриванием выемочного участка и расположением главного вентиляционного штрека на одном уровне с главным транспортным штреком. Во всех случаях погоризонтной подготовки с выемкой пласта лавами по восстанию сооружается дренажный горизонт с водоотливной установкой. Полевой или пластовый дренажный штрек соединяется с подъёмным горизонтом вспомогательными уклонами (см. рис. 3).

На практике встречаются варианты погоризонтной подготовки, различающиеся расположением главных штреков относительно пласта (полевые или пластовые), схемой подготовки выемочных участков (с повторным использованием конвейерных бремсбергов и уклонов или их проведением вприсечку к выработанному пространству).

Способ погоризонтной подготовки шахтного поля наиболее распространён при разработке пологих пластов в Донецком, Карагандинском и Печорском бассейнах. По условиям работы средств комплексной механизации в горизонтальном очистном забое область его использования ограничена углом падения пласта 0-12°. Погоризонтный способ подготовки шахтного поля с подвиганием лав по восстанию применяют на пластах мощностью до 2 м (при большей мощности усиливается отжим угля и повышается опасность работы людей в забое), а с подвиганием лав по падению — на необводнённых пластах (наличие скапливающейся в лаве воды усложняет или делает невозможной работу механизированной крепи).

Основные преимущества погоризонтного способа подготовки шахтного поля: меньший, чем при других способах, удельный (на 1000 т добычи угля) объём работ по проведению подготовительных выработок, возможность обеспечения постоянной длины лавы за всё время отработки выемочного столба. Недостатки: трудности осуществления вспомогательного транспорта по длинным (800-1200 м) наклонным выработкам, примыкающим к очистному забою, невозможность достижения высокого уровня концентрации горных работ (на каждом крыле шахтного поля шахтопласта допустимо иметь, как правило, по одному очистному забою).

При этажном способе подготовки шахтное поле в пределах ступени (горизонта) делится на последовательно отрабатываемые полосы-этажи наклонной высотой 100 м и более, подготавливаемые при помощи этажных транспортных и вентиляционных штреков, проводимых из этажных квершлагов или капитального бремсберга, уклона. На практике встречаются различные варианты конструктивного оформления этого способа подготовки шахтного поля в зависимости от угла падения пласта и размеров шахтного поля.

Для разработки пологих пластов наиболее характерен этажный способ подготовки шахтного поля с разделением этажа на 2-3 подэтажа. Образуемые в этаже, как правило, однокрылые выемочные поля длиной по простиранию 300-1200 м подготавливают при помощи участкового бремсберга с ходком. Порядок отработки выемочных полей в этаже преимущественно прямой. В случае больших размеров ступени шахтного поля по падению (свыше 400-600 м) по пласту или вмещающим породам проводят капитальный бремсберг (уклон) с ходками, предназначенными для выдачи угля из этажей на подъёмный горизонт шахты, а также для проветривания и осуществления вспомогательных операций.

Этажный способ наиболее характерен для разработки наклонных и крутых пластов, где он является единственно возможным. Этажи наклонной высотой 100-150 м отрабатывают лавами, подвигаемыми по простиранию или падению. На практике применяют, как правило, подготовку шахтного поля без разделения этажа на подэтажи с группированием нескольких пластов на полевой или групповой пластовый этажный штрек (вариант лава-этаж; рис. 4).

Очистные работы на пласте ведутся в выемочном поле длиной по простиранию 400-600 м, подготовленном при помощи транспортных и вентиляционных пластовых штреков, проведённых из промежуточных квершлагов.

Этажный способ подготовки шахтного поля применяют повсеместно при разработке наклонных и крутых пластов и в отдельных случаях — при разработке пологих пластов на шахтах Донецкого, Карагандинского и Кузнецкого бассейнов с небольшими (3-4 км) размерами шахтного поля по простиранию. Достоинство способа — простота схемы планировки горных выработок. Недостатки: трудность обеспечения высокой концентрации очистных работ на шахте, повышенные эксплуатационные расходы на проведение и поддержание выработок.

В практике эксплуатации угольных месторождений нередки случаи, когда в пределах шахтного поля один пласт или группу пластов отрабатывают с применением различных способов подготовки шахтного поля. Комбинации панельного и этажного, панельного и погоризонтного, этажного и погоризонтного способов встречаются на шахтах Донецкого, Кузнецкого и Карагандинского бассейнов при разработке пологих пластов с изменяющимися в пределах шахтного поля горно-геологическими условиями залегания.

Подготовка шахтного поля рудных месторождений включает проведение транспортных подготовительных выработок (рудных штреков и ортов) и восстающих, с помощью которых вскрытые запасы руды месторождения разделяют на этажи (или панели), а этажи на элементарные выемочные единицы — блоки, а также серию подготовительно-нарезных выработок в контурах блока, необходимых для очистной выемки. Способы подготовки согласуются с соответствующими системами разработки и способами транспорта руды.

Транспортные подготовительные выработки месторождения по падению разделяют на этажи высотой обычно 30-100 м (преимущественно 50-80 м). В зависимости от угла падения и мощности рудных тел месторождение может быть подготовлено одним (безэтажная подготовка) или несколькими (2 и более) этажами. Транспортные подготовительные выработки и восстающие месторождения по простиранию разделяют на блоки или панели при пологом залегании рудных тел. Длина блоков по простиранию 100 м и более. Транспортные подготовительные выработки размещают в руде (рудная подготовка), во вмещающих породах (полевая подготовка) или в руде и горных породах (комбинированная подготовка).

Подготовка горизонтальных месторождений производится главными или главными и панельными штреками; пологих, наклонных и крутопадающих месторождений — этажными штреками или этажными штреками и ортами.

По типу подготовительных выработок, в которых производится загрузка транспортных средств рудой, различают штрековые и ортовые способы подготовки шахтного поля (табл. 2); в том случае, когда месторождение представлено несколькими рудными телами, подготовка их может производиться совместно, т.е. одними и теми же транспортными выработками, или раздельно.

Выбор типа основных подготовительных выработок диктуется размерами месторождения и принятой системой разработки. Влияние на выбор способа подготовки оказывают также и физические свойства руды. Число основных подготовительных выработок зависит от размеров месторождения, принятой системы разработки, производственной мощности шахты и пропускной способности выработок при данном способе транспорта руды. Расположение их (по залежи или во вмещающих породах) зависит в основном от физических свойств руды и вмещающих пород, системы разработки, подземного транспорта руды, с учетом необходимости предупреждения и ликвидации подземных пожаров при разработке колчеданных месторождений.

При подготовке этажными штреками (рис. 5, рис. 6, рис. 7, рис. 8) эти выработки (одну или несколько — в зависимости от мощности месторождения) проводят в рудном теле у контактов с боковыми породами или одну из них (возможно, несколько) — полевой штрек — в боковых породах (чаще лежачего бока), а остальные — по полезным ископаемым.

Подобное заложение выработок встречается и при подготовке шахтного поля несколькими штреками. Чем больше мощность рудного тела и меньше угол его падения, тем больше (при прочих равных условиях) проходится полевых и рудных штреков. Подготовка главными штреками горизонтальных и пологих пластовых и особенно россыпных месторождений в зависимости от их размеров ведётся одной или несколькими выработками, располагаемыми в руде или породах почвы. В рудном теле штреки располагают преимущественно при использовании самоходного оборудования или конвейерном транспорте. Характер расположения главных штреков зависит от устойчивости руды, от гипсометрии почвы рудного тела и условий транспорта. При этом учитывается необходимость дополнительной разведки, минимальная оставления руды в целиках. Преимущества этого способа подготовки шахтного поля — несколько меньший объём подготовительных работ и более благоприятные условия для подземного транспорта по сравнению с подготовкой месторождения главным и панельными штреками.

Подготовка ортами и этажными штреками применяется на мощных залежах (рис. 9, рис. 10).

Располагают этажные штреки в рудном теле или вмещающих породах в зависимости от физических свойств руды, требований детальной разведки, условий подземной транспортировки и принятых размеров блоков по мощности. При разработке мощных и весьма мощных месторождений подготовка кольцевыми ортами предпочтительней. При ортовой подготовке шахтного поля создаются наиболее благоприятные условия для пропуска больших грузопотоков и автоматизации транспорта. Преимущество этого способа — в меньшем сроке поддержания ортов и большей их устойчивости по сравнению со штреками. Недостаток — увеличенный объём подготовительных работ, сопряжений выработок, что затрудняет их поддержание и усложняет транспортировку.

Подготовка главными и панельными штреками применяется при разработке обширных горизонтально залегающих рудных тел. Подготовка шахтного поля ведётся с одним или несколькими главными штреками, расположенными в рудном теле или, реже, в породах почвы месторождения (рис. 11).

На выбор места расположения штреков влияют те же условия, что и подготовки шахтного поля ортами и подэтажными штреками. Некоторым преимуществом этого способа перед подготовкой только главными штреками является сравнительно меньшая длина выемочных штреков и более короткий срок отработки столбов.

Наиболее рациональный способ подготовки шахтного поля выбирается из условий обеспечения: безопасности работ, наибольшей экономичности, необходимой интенсивности разработки месторождения. В случаях, когда можно применить несколько способов подготовки шахтного поля, наиболее рациональный устанавливают на основе технико-экономического сравнения вариантов. Ведётся оно путём определения суммарных затрат на 1 т добычи, зависящих от каждого из сравниваемых способов подготовки. При этом учитываются затраты на проведение и поддержание выработок, транспортировку полезных ископаемых до квершлага и вентиляцию подземных выработок. В расчёт принимается возврат затрат от реализации добытого полезного ископаемого при проведении выработок по руде, если в одном из сравниваемых вариантов подготовки шахтного поля предусмотрены полевые выработки.