Столбовые системы разработки

СТОЛБОВЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ (а. pillar mining, longwall retreating; н. Pfeilerbau, Strebbau als Ruckbau; ф. methode d'exploitation par piliers longs, methode d'exploitation par massifs, metode d'exploitation par panneaux; и. sistema de exploration por paneles у pilares, sistema de beneficio por pilares у galerias) —

1) при подземной разработке угольных (пластовых) месторождений — системы с предварительным (до начала очистных работ) оконтуриванием выемочных участков (столбов) подготовительными выработками. Применяется несколько разновидностей столбовой системы разработки: длинными столбами, вытянутыми по простиранию пласта или по падению (в последнем случае с выемкой по падению или по восстанию), и короткими столбами квадратной или близкой к ней формы.

При столбовой системе разработки подготовительные и очистные работы разделены в пространстве и времени: в одном выемочном поле, ярусе или этаже ведутся подготовительные работы, в другом — очистные. Участковые подготовительные выработки поддерживаются в массиве полезных ископаемых; по мере отработки выемочного столба длина поддерживаемой части этих выработок, как правило, сокращается. В вариантах столбовой системы разработки с прямоточным проветриванием при бесцеликовой технологии выемки угля часть вентиляционной выработки позади очистного забоя поддерживается в выработанном пространстве. Заблаговременное проведение подготовительных выработок обеспечивает доразведку пласта в пределах выемочного столба и создаёт условия для проведения его дегазации и осушения. Указанные особенности делают столбовые системы разработки особенно эффективными при интенсивном производстве, когда очистные и подготовительные работы насыщены большим числом высокопроизводительных машин и механизмов. При этих системах на пологих тонких и средней мощности пластах в Донецком, Печорском, Карагандинском и Кузнецком бассейнах достигнуты самые высокие в отрасли нагрузки на очистные забои.

При разработке угольных месторождений наибольшее распространение получила система разработки длинными столбами по простиранию (в CCCP — около 60% подземной добычи угля). При этой системе для подготовки выемочного столба от наклонной выработки в одну или обе стороны проводят этажные (ярусные) транспортные и вентиляционные штреки до границ этажа (панели). На границе размещают разрезную печь, в которой монтируют средства механизации (рис. 1).

На крутых пластах и при полевой подготовке участковые штреки проводят от квершлагов, вскрывающих пласт. Отработка выемочного столба ведётся от границ шахтного поля (панели) к наклонной выработке. При разработке пологих пластов длина столба 800-1500 м, в благоприятных условиях до 2 км (Печорский бассейн), на нарушенных пластах (северные и южные районы Кузбасса) длину столба уменьшают до 300-400 м. На крутых пластах значение этого параметра не превышает 300-400 м. Ширина столба соответствует длине лавы. Система разработки длинными столбами по простиранию применяется на пластах любой мощности с различными углами падения, в т.ч. на мощных пластах при выемке их с разделением на слои.

К менее распространённым относятся некоторые модификации системы, применяемые в специфических условиях. На наклонных и крутых пластах средней мощности при пластовой и индивидуальной подготовке каждого пласта используется система длинных столбов по простиранию с разделением этажа на подэтажи с двусторонними и односторонними выемочными полями (в последнем случае — с выемкой на передний или задний бремсберг, или скат); на горизонтальных и пологих пластах — системы длинных столбов с выемкой спаренными лавами; на наклонных мощных и средней мощности пластах — система разработки длинными столбами по простиранию с выемкой столба за ходками (силезская система), при которой столбы отрабатывают от границ выемочного поля к бремсбергу с опережением верхних столбов по отношению к нижним (очистные работы в каждом столбе ведутся заходками по восстанию буровзрывным способом). На крутых пластах средней мощности с устойчивыми боковыми породами и несамовозгорающимся углём применяется система разработки длинными столбами по простиранию с выемкой полосами по восстанию. Выемка столба ведётся в направлении восстания пласта полосами шириной 4-12 м с магазинированием отбитого угля. На тонких и средней мощности крутых пластах газоносных и опасных по внезапным выбросам используется система разработки длинными столбами по простиранию с выемкой полосами по падению. Ширина полосы 40-60 м. Очистной забой оборудуется агрегатом типа АНЩ (при мощности пласта 0,7-1,3 м) или АЩМ (при мощности 1,2-2,2 м). При этой системе до начала очистных работ на фланге столба проводится углеспускная печь, а на вентиляционном горизонте — камера для монтажа агрегата. По мере продвижения очистного забоя углеспускная печь сокращается, а на противоположном фланге вдоль массива угля в выработанном пространстве возводится ходовая печь, используемая в качестве углеспускной при отработке следующей полосы. При полевой подготовке монтажную камеру и углеспускную печь проводят из квершлагов, пройденных с полевого штрека на пласт. Система применяется в центральном районе Донбасса (около 20% добычи шахт района) и в Кузбассе.

Системы разработки длинными столбами по падению используют на тонких и средней мощности пологих пластах при погоризонтной схеме подготовки шахтного поля. Различают модификации системы с выемкой по падению и по восстанию пласта. При этих системах от выработок, вскрывающих пласт на откаточном горизонте, проводят пластовый штрек и две наклонные выработки (транспортную и вентиляционную) от откаточного до вентиляционного штрека. При выемке по падению на вентиляционном горизонте между наклонными выработками проводят разрезную печь, в которой монтируют средства механизации очистных работ. Широко применяется полевая подготовка шахтного поля, при которой эксплуатируемые участки пластовых штреков погашаются (рис. 2).

Длина выемочных столбов 1000-1500 м (наклонная высота горизонта), ширина соответствует длине лавы. Выемка по падению пласта используется на пластах с углами падения до 12°, по восстанию — при водоносных вмещающих породах на пластах с углами падения до 8°.

Достоинства этих систем: снижение удельного объёма проведения подготовительных выработок по сравнению с системой длинных столбов по простиранию; возможность обеспечения постоянства длины лавы; более простая и надёжная схема транспорта; прямоточная схема проветривания. Общий объём применения систем разработки длинными столбами по падению в CCCP превысил 17% подземной добычи угля; наибольшее распространение получили системы в Донбассе (21%), Карагандинском бассейне (35%) и в северной части Печорского бассейна, (до 50%).

Широкое использование систем разработки длинными столбами по падению в угольной промышленности CCCP обеспечило лучшее применение существующих средств комплексной механизации, более безопасные условия труда в очистном забое, снижение эксплуатационных потерь угля и уменьшение затрат на подготовку новых горизонтов.

В угольной промышленности США, Канады, Австралии широко используется система разработки короткими столбами, при которой панель разбивается выработками на столбы квадратной или близкой к ней формы со стороной 20-30 м. Выработки крепят, как правило, анкерами. Отработка столбов производится заходками без крепления выработанного пространства. Для проведения выработок и отработки столбов применяют комплексы оборудования, состоящие из комбайна проходческого типа, погрузочной машины, самоходных вагонеток и станков для установки анкерной крепи, телескопических конвейеров. Область рационального применения — малогазоносные пласты средней мощности при горизонтальном или близком к нему залегании. Характеризуется большим объёмом подготовительных работ, значительной сложностью проветривания и высокими эксплуатационными потерями (до 30-40%). При использовании специальных комбайнов и погрузочно-транспортных машин обеспечивает высокую производительность труда рабочих.

2) При подземной разработке рудных месторождений столбовой системой разработки — системы с разделением шахтного поля (или этажа) в плане на прямоугольные участки-столбы и отработкой их одним слоем на всю мощность рудного тела (или двумя слоями — при наличии безрудного пропластка) с обрушением кровли вслед за выемкой руды для заполнения обрушенными породами выработанного пространства. Системы применяют при слабых и средней устойчивости покрывающих породах для отработки горизонтальных и полого залегающих пластообразных рудных залежей небольшой мощности.

По способу выемки столбов системы разделяются на варианты с выемкой длинных столбов лавами или заходками. Столбы шириной от 20-30 м до 50-80 м и длиной до нескольких сотен метров (на калийных шахтах ширина столбов свыше 100 м, длиной 1200-1500 м) нарезаются в шахтном поле главными и выемочными штреками. Все выработки, включая вентиляционные, рудные. Поэтому пересечения выработок оборудуются кроссингами для прохода загрязнённого воздуха. Очистную выемку столбов ведут обратным ходом от границ шахтного поля.

При выемке лавами (рис. 3) руд с коэффициентом крепости менее 4-5 применяют механизированные комплексы и комбайны; длина лавы 50-80 м.

При выемке более крепких руд с использованием буровзрывных работ длина лавы составляет при скреперной доставке 20-40 м. Направление линии забоя лавы к выемочным штрекам может быть прямым или диагональным (для одностадийного скреперования руды до откаточных штреков). Крепь в лаве из металлических или деревянных стоек (на калийных шахтах механизированная). Посадка кровли в лаве производится в соответствии с принятым шагом обрушения (от 3 до 5-7 м) путём передвижки или извлечения крепи. Выемка лавами с помощью щитовых механизированных комплексов обеспечивает полную механизацию очистных работ.

Отработка столбов заходками применяется в рудных залежах (где не используют в забоях щитовые механизированные комплексы) при наличии слабой кровли. Ширина заходок от 2,8-3,5 до 5-7,5 м. При устойчивых подстилающих породах и благоприятной гипсометрии почвы рудного тела применяют самоходное оборудование для отбойки, погрузки и доставки руды. Каждый длинный столб отрабатывают от его границ к панельному штреку односторонними или двусторонними заходками, засекаемыми из выемочной выработки. При значительном горном давлении заходки на момент выемки ограждают временными целиками руды шириной 1,5-2 м на границе с обрушенными породами. Эти целики извлекают после отработки заходок таким образом, что производится одновременная посадка кровли на участке, состоящем из заходки и временного целика. Отбойка руды в заходках механическая (с применением комбайнов) или буровзрывная. В последнем случае доставка руды осуществляется самоходными машинами с непосредственной погрузкой в электровозные составы. Используется также (при пологом падении) направленный отброс руды в процессе взрывания шпуров в забоях (взрывная доставка). Заходки крепят металлическими или деревянными рамами. Отработанные заходки и соответствующие временные целики погашают с обрушением кровли (обычно через одну от действующей) путём извлечения крепи.

Столбовая система разработки широко применяется при добыче марганцевых (Никополь-Марганецкий и Чиатурский бассейны) и железных предприятия в Лотарингии (Франция) и др. руд. Достоинства систем: высокая производительность забойных рабочих при выемке лавами и широкими заходками в условиях комплексной механизации работ; возможность раздельной выемки и сортировки руды; относительно небольшие потери и разубоживание; недостатки — небольшой фронт работ, трудности проветривания.

3) При подземной разработке россыпных месторождений (талых) столбовой системой разработки — система с разделением поля на небольшие выемочные участки-столбы с размерами от 10х10 м (короткие) до 20х50 м (длинные столбы), зависящими от размеров поля и устойчивости вмещающих пород. Столбы образуются в результате проведения продольных (штреков) и поперечных (просечек) выработок. Отрабатывают столбы лентами (заходками) шириной 3-4 м; забойная крепь сплошная деревянная. Отработанные ленты закладывают породой или обрушают. Систему отличают высокая трудоёмкость работ, большое количество действующих забоев, сложности с их механизацией. На современных приисках подземная разработка талых россыпей осуществляется редко.

При разработке многолетнемёрзлых россыпных месторождений столбовой системой разработки — система с делением шахтного поля на столбы с шириной до 50 м и максимальной длиной, равной длине поля или панели. Столбы оконтуривают транспортными и вентиляционными штреками, а также рассечками, от которых начинается очистная добыча. Отработка ведётся лавами на всю ширину столба с применением буровзрывной отбойки. Подготовительные и нарезные выработки не крепят. Крепление призабойного пространства — рядами стоек. Управление кровлей — поддержанием с помощью крепи и целиков или плавным опусканием на ряды стоек (кустов). В отличие от сплошной системы может применяться при любой глубине разработки, поскольку не требует проведения большого количества вентиляционных шурфов. Система обеспечивает высокую производительность труда.