Факторы, влияющие на выбор системы разработки

Общие сведения

После завершения этапа подготовки шахтного поля переходят к следующему этапу — эксплуатации месторождения, то есть собственно к добыче полезного ископаемого.

Работы, связанные с извлечением полезного ископаемого, называются очистными работами, а выработки, в которых непосредственно добывается полезное ископаемое, — очистными выработками. На практике чаще употребляется термин "очистной забой". В качестве очистных забоев могут быть лавы, камеры, полосыизаходки.

Каждый очистной забой обслуживается выработками, которые предназначены для транспорта, вентиляции, передвижения людей и др. целей, и носят общее название подготовительные выработки. Однако, поскольку к подготовительным относятся также и выработки, подготавливающие шахтное поле, удобнее выработки, обслуживающие очистные забои, называть выемочными.

На рис. 1.1 схематически показаны виды очистных забоев и непосредственно обслуживающие их выработки.

Рисунок 1.1 – Виды очистных забоев:

а – лава; б – полоса; в – заходка; г – камера

Например, лаву (рис. 1.1, а) обслуживают транспортный и вентиля­ционный штреки, полосу (б) — углеспускная и вентиляционная печи, заходку (в) — выемочная печь, а забой камеры (г) обслуживается собственной выработкой — камерой.

Характерной особенностью ведения очистных работ является постоянное перемещение очистного забоя в пространстве, вследствие чего особое значение приобретает своевременное проведение выработок, обслуживающих этот забой. В одном случае выработки могут проводиться до начала ведения очистных работ, в другом — одновременно с очистными работами, в третьем — часть выработок проводится до начала отработки участка, а остальные — во время ведения очистных работ.

Установленный для данных условий порядок ведения очистных и подготовительных работ во времени и пространстве называется системой разработки пласта.

Систему разработки можно также определять как комплекс очистных и подготовительных выработок, проводимых в определенной последовательности во времени и пространстве.

Требования к системам разработки

Выбранная для конкретных условий залегания пласта система разработки должна удовлетворять следующим основным требованиям: безопасности ведения очистных и подготовительных работ, комфортным условиям труда, экономичности разработки, минимальным потерям полезного ископаемого в недрах и обеспечению охраны окружающей среды.

Безопасность работ определяется исключением возможности завалов очистных забоев, взрывов газов и пыли, пожаров, предотвращением падения людей на крутонаклонных пластах и их травмирования падающими кусками породы и полезного ископаемого. Так, например, система разработки полосами по восстанию с временным маганизированием угля является высокопроизводительной системой, однако она не исключает завалы очистных забоев. По этой причине от ее применения в последние годы отказались. По причине высокой пожароопасности также отказались от применения камерной системы разработки на мощных крутых пластах, хотя во время войны при нехватке рабочей силы она применялась на шахтах Кузбасса, обеспечивая высокую производительность труда. Обязательным условием безопасности работ является наличие не менее двух свободных выходов из очистного забоя, а также надежное его проветривание.

Комфортные условия труда определяются в основном удобствами работы, допустимым содержанием пыли и влаги в вентиляционной струе, и его температурой.

Экономичность системы разработки определяется уровнем производительности труда и себестоимости 1 т полезного ископаемого при высоком его качестве. Система разработки должна обеспечивать возможность применения высокопроизводительной забойной техники для достижения высокой нагрузки на забой, минимальный расход материалов на единицу добываемого ископаемого, а также иметь минимальный объем проведения выемочных выработок, простую и надежную транспортную сеть.

Правильно выбранная система разработки должна обеспечивать минимальные потери полезного ископаемого, поскольку, с одной стороны, запасы невосполнимы, а с другой — уменьшение потерь снижает удельные капитальные затраты на строительство горного предприятия, а также косвенные затраты на геологическую разведку месторождения. В отдельных случаях допустимо увеличение эксплуатационных потерь угля с целью достижения высокой производительности труда, меньшего расхода материалов, снижения себестоимости 1 т добычи. Например, камерная система разработки пологих пластов характеризуется в целом высокими потерями полезного ископаемого, однако отличается высокими технико-экономическими показателями. В отдельных случаях, например, при значительной нарушенности пластов и невысокой ценности полезного ископаемого она может оказаться экономически целесообразной даже при относительно высоких потерях.

Требования к системам разработки с точки зрения охраны окружающей среды сводятся к необходимости оставления породы в шахте, не допуская ее выдачи на поверхность, а также исключению образования провалов на дневной поверхности и подработки зданий и сооружений, для чего необходимо применять системы разработки с закладкой выработанного пространства.

Факторы, влияющие на выбор системы разработки

Основными факторами, оказывающими влияние на выбор системы разработки являются: мощность и угол падения пласта, свойства боковых пород, крепость угля, газоносность пласта и вмещающих пород, склонность угля к самовозгоранию, обводненность, глубина разработки, взаимное расположение пластов в свите, склонность пластов к внезапным выбросам угля и газа, способы механизации очистных и подготовительных работ и др.

Мощность пласта является одним из основных факторов при выборе системы разработки, оказывающим влияние на способ выемки угля, крепление очистных забоев, интенсивность сдвижений и обрушений вмещающих пород, способ управления горным давлением. По мощности все пласты разделяются на весьма тонкие — до 0,7 м, тонкие — от 0,71 до 1,2 м, средней мощности — от 1,21 до 3,5 м, мощные — свыше 3,5 м. Эта классификация в известной степени условная и лишь отчасти характеризует особенности разработки пластов, отнесенных к той или иной группе.

Чем мощнее пласт, тем более интенсивно происходит сдвижение толщи пород над выработанным пространством, вследствие чего усложняются процессы крепления и управления кровлей. При этом приходится решать вопрос о способе выемки пласта — на полную мощность сразу или с разделением его на слои. На мощных пластах подготовительные выработки, как правило, проводятся без подрывки боковых пород, что значительно упрощает их проведение. Поэтому на таких пластах могут применяться системы, для которых характерен большой объем проведения выемочных выработок.

Параметры системы разработки также изменяются в зависимости от мощности пласта. Например, на весьма тонких пологих пластах длину лавы по условиям передвижения людей и ее обслуживания принимают в пределах 80–100 м. С увеличением мощности примерно до 2,5 м наблюдается увеличение длины лавы до 200–250 м, а при дальнейшем возрастании мощности длина лавы вновь уменьшается.

Угол падения пласта также существенно влияет на выбор системы разработки. По углам падения угольные пласты подразделяются на пологие — до 18°, наклонные — от 19 до 35°, крутонаклонные — от 36 до 55° и крутые — свыше 55°.

При углах падения до 10° возможно применение систем разработки с выемкой лавами по восстанию (падению), при бóльших углах — лавами по простиранию, а при углах свыше 50° — систем разработки с выемкой полосами по падению щитовыми агрегатами.

Если на пологих и наклонных пластах уголь вдоль очистного забоя перемещается с помощью специальных транспортных средств (конвейеры, скрепероструги, металлические листы или желобы), то на крутых пластах отбитый уголь, а также обрушающиеся породы скатываются вниз под действием силы тяжести, что вызывает необходимость применения предохранительных устройств для защиты рабочих от падающих кусков угля и породы либо придания забою соответствующей формы, исключающей или уменьшающей вероятность попадания падающих предметов в места работы людей. В частности, при выемке угля отбойными молотками забою придают потолкоуступную форму.

Свойства боковых пород оказывают большое влияние на выбор способа выемки угля, крепления очистного забоя, управления горным давлением и охраны выемочных выработок. В результате проявления горного давления и поглощения глинистыми породами влаги и воды происходят так называемые явления "поддувания" почвы, что вынуждает производить периодически ее подрывку, а это приводит к значительным затратам и характеризуется высокой трудоемкостью работ. В таких случаях применяются специальные способы охраны выемочных выработок, например, двусторонними бутовыми полосами с проведением штреков позади забоя лавы, либо эти выработки проводят по пустым породам параллельно пласту, то есть полевыми, а пластовые погашают по мере подвигания очистного забоя. Оба эти случая предопределяют характерные модификации сплошной системы разработки.

Крепость угля оказывает влияние на выбор направления подвигания очистного забоя и способа выемки угля. От нее также зависит производительность выемочных машин. При разработке мощных крутых и наклонных пластов с мягким углем производить выемку по восстанию опасно из-за возможных вывалов кусков угля, особенно когда кливажные трещины расположены параллельно забою. В таких случаях предпочтение надо отдавать системам разработки с выемкой по падению или простиранию.

Газоносность пласта и вмещающих пород может существенно ограничивать нагрузку на очистной забой. Чем выше нагрузка, тем большее количество воздуха надо подать в забой. Однако оно ограничивается площадью поперечного сечения очистной выработки и допустимой Правилами безопасности (ПБ) скоростью движения воздуха в лаве[1]. Для достижения высоких нагрузок на лаву в этих условиях выбирают системы разработки, обеспечивающие подачу воздуха в забой по двум выработкам, а третья, вентиляционная, располагается посредине лавы, или же применяют комбинированную систему разработки с прямоточной схемой проветривания и подсвежающей струей воздуха. На весьма газоносных пластах целесообразно применять системы разработки с минимальным числом подготовительных выработок, особенно восстающих.

Склонность угля к самовозгоранию чаще проявляется при разработке мощных пластов. Причиной самовозгорания угля является способность содержащихся в нем сернистых соединений поглощать кислород, то есть окисляться. Этот процесс сопровождается выделением большого количество тепла, в результате чего уголь нагревается и при достижении критической температуры 70–80°С самовозгорается.

Наиболее опасными в отношении возникновения пожаров являются раздавленные целики угля и скопления угольной мелочи в выработанном пространстве. При этом на развитие процесса самовозгорания большое влияние оказывают утечки воздуха через это пространство и их продолжительность. Для предупреждения пожаров следует применять системы разработки, которые бы исключали утечки воздуха через выработанное пространство. Если неизбежно оставление целиков, то следует принимать их таких размеров, чтобы они не были раздавлены. Размеры выемочных полей необходимо принимать из расчета, чтобы время их отработки по возможности было меньше инкубационного периода самовозгорания угля.

Обводненность пластов ухудшает условия работы и приводит к снижению производительности труда. Сильно обводненные глинистые породы становятся менее устойчивыми, приобретают склонность к вспучиванию. При разработке таких пластов стремятся выбрать такую систему разработки, при которой вода из пласта и вмещающих пород не поступала бы в забой. Для этих целей выемку осуществляют по восстанию или диагонально к линии простирания, а также применяют системы с опережающей сетью подготовительных выработок для предварительного осушения пласта. Нерационально проведение на обводненных пластах штреков с нижней раскоской.

Глубина разработки предопределяет величину горного давления, которая растет пропорционально глубине. При этом увеличивается давление на крепь, происходят деформации стенок выработок, что вызывает необходимость производить их перекрепление. Особенно интенсивно проявляется горное давление в зонах влияния очистных работ, где выработки деформируются более значительно. Эти особенности приходится учитывать при выборе способа расположения и охраны выработок, являющихся элементами системы разработки.

Большая глубина разработки исключает применение камерных систем разработки и усложняет применение щитовых систем на мощных крутых пластах.

Взаимное расположение пластов в свите при выборе системы разработки необходимо учитывать в связи с тем, что при сближенных пластах возможна групповая разработка пластов, когда подготовительные выработки в этаже (ярусе) проводятся и поддерживаются по одному из пластов, а по другим они поддерживаются в пределах выемочного поля и сразу же погашаются после его отработки, причем выработки группируемых пластов проводят меньшим сечением, что в конечном счете снижает затраты на проведение и поддержание выработок.

Кроме того, необходимо устанавливать последовательность отработки сближенных пластов в свите, чтобы в одних случаях избежать вредного влияния подработки или надработки одного пласта другим, а в других, напротив, использовать положительное действие надработки или подработки для целей защиты пластов от внезапных выбросов угля и газа или горных ударов.

К системам разработки пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, предъявляются повышенные требования, а именно: соблюдение прямолинейной формы очистного забоя, причем, на крутых пластах предпочтительнее с выемкой лавами по падению (с применением щитовых агрегатов); обособленное проветривание забоев с подсвежением исходящей струи; проведение выработок с углами падения более 10° сверху вниз и др.

Способы механизации очистных и подготовительных работ оказывают существенное влияние на выбор системы разработки, поскольку они тесно связаны между собой. В своё время переход от ручной выемки и доставки угля в очистных забоях к зарубке врубовыми машинами и доставке конвейерами позволил перейти на разработку пластов длинными лавами и широкому применению разновидности сплошной системы разработки лава-этаж вместо весьма распространенной при коротких лавах системы с разделением этажа на подэтажи. Применение щитовых крепей позволило внедрить эффективные системы разработки мощных угольных пластов с выемкой их сразу на полную мощность.

Создание высокопроизводительных горнопроходческих машин обеспечило повышение темпов проведения выработок и во многих случаях переход от сплошных систем к более эффективным столбовым.

Все перечисленные выше факторы должны учитываться при выборе приемлемых вариантов систем разработки для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий. При этом следует иметь в виду, что влияние отдельных факторов в ряде случаев может оказаться противоположным. В конечном итоге окончательный выбор системы разработки производится путем экономического сравнения различных ее вариантов.