Что такое подземная разработка
подземная разработка
Большая советская энциклопедияподземная разработка - твёрдых полезных ископаемых, совокупность работ по вскрытию, подготовке месторождения и выемке полезного ископаемого (руд, нерудных полезных ископаемых и углей). Иной технологией отличается П. р. при помощи буровых скважин (напр., при подземном выщелачивании, подземном растворении). Вскрытие осуществляют вертикальными и наклонными шахтными стволами или штольнями (см. Вскрытие месторождения). Подготовка состоит в разделении шахтного поля на выемочные участки (блоки, панели, столбы и т. п.), необходимые для обеспечения очистной выемки (см. Подготовка шахтного поля); очистная выемка составляет сущность подземной разработки и включает комплекс процессов по отделению полезного ископаемого от массива, доставке (выпуску) к местам погрузки в транспортные средства, креплению и поддержанию выработанного пространства и др.Для конкретных горно-геологич. условий устанавливается порядок проведения подготовит, и очистных выработок во времени и пространстве, к-рый в осн. определяет систему разработки. К системе разработки предъявляются требования безопасного ведения работ, минимальных потерь полезного ископаемого в недрах (см. Потери полезного ископаемого), высоких и устойчивых технико-экономич. показателей. На выбор системы разработки влияют факторы: горно-геологические (мощность и угол падения тела полезного ископаемого, его ценность, строение, глубина залегания, газоносность, водообильность, физико-механич. свойства полезного ископаемого и вмещающих пород и др.) и горнотехнические (средства механизации, технич. уровень предприятия и др.).
Системы разработки рудных (в т. ч. горно-химич. сырья) и нерудных (гл. обр. гипса) месторождений существенно отличаются от таковых для угольных месторождений и поэтому рассмотрены ниже раздельно.
Разработка рудных и нерудных месторождений. Месторождения этой группы характеризуются различной формой рудных тел: пласты, пластообразные залежи, штоки, линзы, жилы и т. д. Мощность рудных тел колеблется от неск. см (месторождения редких металлов и золота) до десятков и сотен м (железорудные месторождения Курской магнитной аномалии, апатитовые месторождения Кольского п-ова). Угол падения залежей - от горизонтального и пологого (0-25°) до крутого (45-90°). Протяжённость залежей достигает десятков км (фосфоритовые месторождения Каратау); глубина распространения рудных тел иногда превосходит неск. км. Такое разнообразие гео-логич. условий, а также физич. свойств горных пород обусловливает технологию разработки, в частности технику отбойки (отделение полезного ископаемого от массива с дроблением на куски заданной крупности), доставки, выпуска, крепления и поддержания выработанного пространства. Отбойку пород средней и высокой крепости ведут взрывным способом (см. Взрывные работы), в слабых породах - механич. способом (с помощью проходческих и добычных комбайнов); при разработке мощных месторождений, сложенных слабыми или трещиноватыми полезными ископаемыми, способными при обнажении на достаточной площади под действием собств. веса и давления налегающей толщи обрушаться кусками, размеры к-рых позволяют осуществлять последующие операции очистной выемки,- самообрушением.
Отбитое в очистном пространстве полезное ископаемое выпускают из выработок, пройденных в днище блоков (донный выпуск), или из торцов горизонтальных выработок (торцовый выпуск). Применяют доставку - самотёчную, механизированную и взрывную. Самотёчная доставка (под действием собств. веса) осуществляется непосредственно по очистному пространству, спец. горным выработкам (рудоспускам), вспомогат. устройствам в очистном пространстве (желобам, настилам, трубам). Механизированная доставка осуществляется скреперами, конвейерами (пластинчатыми, скребковыми и вибрационными), самоходными машинами для перемещения руды в очистном пространстве при пологом залегании месторождений и по выработкам в основании (днище) блока. Применяют комплексы, состоящие из погрузочных машин и самоходных вагонов, а при большой мощности рудных залежей-экскаваторы (с укороченной стрелой) или ковшовые погрузчики и подземные автосамосвалы грузоподъёмностью до 40 т. Весьма эффективны погрузочно-доставочные машины, совмещающие функции погрузки и транспортировки руды на короткие расстояния (см. Погрузочно-транспортный агрегат).
Применяют естественное поддержание выработанного пространства, оставляя в очистном пространстве целики (столбообразные или ленточные), и искусственное поддержание крепями горными (распорной, станковой, костровой, штанговой и т. д.) или закладкой. В ряде случаев, технология очистной выемки предусматривает управление горным давлением путём обрушения вмещающих пород.
Известно св. 200 осн. разновидностей систем подземной разработки рудных месторождений. Предложен ряд их классификаций (сов. учёные Н. И. Трушков, Р. П. Каплунов, Н. А. Стариков, В. Р. Именитов и др.). Распространённой является классификация М. И. Агошкова (1949), в основу к-рой положен признак состояния очистного пространства в период выемки.
При разработке месторождений любой формы с устойчивой рудой и вмещающими породами применяют системы с о т-крытым очистным пространством, к-рое в период выемки не заполняется закладочным материалом, отбитой рудой или обрушенными породами; для поддержания кровли и боков открытого очистного пространства оставляют постоянные или временные целики.
Крутопадающие жилы и пластообразные залежи мощностью до 3 л отрабатывают с потолкоуступной (чаще) и почвоуступной выемкой. Для подготовки блоков проходят восстающие и откаточные штреки (рис. 1). При потолкоуступной выемке для сохранения откаточного штрека на период отработки блока оставляют временные надштрековые целики либо устраивают прочный настил на крепи. Отбитую руду выпускают через люки.
В горизонтальных и пологопадающих залежах средней и большой мощности (до 30 м) получила распространение камерно-столбовая систе-м а разработки с регулярным расположением постоянных поддерживающих рудных целиков (рис. 2). Полезное ископаемое отбивают потолкоуступно, почво-уступно или сплошным забоем на всю высоту камеры. При мощности залежи до 15 м обычно делают верхнюю подсечку, что позволяет тщательно оформлять кровлю очистного пространства и упрощает штанговое крепление; при большей - верхнюю и нижнюю подсечку.
Рис. 1. Система разработки с открытым очистным пространен вом (вариант с потолкоуступной выемкой): 1 - откаточный штрек; 2 - блоковые восстающие; 3 - вентиляционный штрек; 4 - надштрековые целики; 5 - потолочина; б - полки; 7 -наклонные настилы-рештаки; 8 - рудоспуски; 9 - настил над откаточным штреком.
Рис. 2. Камерно-столбовая система разработки (вариант с самоходным оборудованием): i - самоходные буровые каретки; 2 - погрузочная машина; 3 -самоходный вагон; 4 - подземный экскаватор; 5 - штанговая крепь; 6 -электрический бульдозер; 7 - автосамосвал; 8 - рудоспуск; 9 - откаточный штрек; 10 - целики; 11 - междупанельный целик.
Рис. 3. Система разработки подэтаяшыми штреками: 1 - откаточный штрек; 2 - ходовые восстающие; 3 - вентиляционный штрек; 4 - потолочина; 5 - подэтажные штреки; 6 - горизонт подсечки; 7 - скреперный штрек; 8 - рудоспуск.
Рис. 4. Системы разработки горизонтальными и наклонными слоями с закладкой: 1 - откаточный штрек; 2 -вентиляционный штрек; 3 - блоковые восстающие с отделениями для доставки закладочного материала; 4 - настил; 5 - рудоспуски.
Рис. 5. Система подэтажного обрушения (вариант "закрытый веер"): 1 - под-этажный штрек (орт); 2 - выпускные выработки; 3 - подсечная выработка; 4 - штанговые скважины; 5 - буровые заходки.
Рис. 6. Одностадийный вариант системы подэтажного обрушения с отбойкой руды вертикальными слоями в зажатой среде: 1 - выработки откаточного горизонта; 2 - рудоспуск; 3 - подэтажные выработки; 4 - выпускные воронки; 5 - буровые выработки; 6 - скважины; 7 -отбитая руда; 8 - обрушенная порода.
Рис. 7. Система подэтажного обрушения с доставкой руды самоходными машинами (т. н. шведский вариант): 1 - под-этажный штрек; 2 - подэтажные орты; 3 - рудоспуск; 4 - погрузочно-доставоч-ные агрегаты; 5 - буровые каретки; 6 - проходческие буровые каретки.
Рис. 8. Система этажного принудительного обрушения: 1 - выработки откаточного горизонта; 2 - скреперные выработки; 3 - выпускные воронки; 4 - материально-ходовые восстающие; 5 -скважины; 6 - рудоспуски; 7 - компенсационная камера.
Потери полезного ископаемого в целиках 15-25%, иногда до 30-40%. Разработку пластов калийных солей также осуществляют камерно-столбовыми системами при длине камер до неск. сотен м. Выемку ведут комбайнами в сочетании с бункер-перегружателями и самоходными вагонами, доставляющими руду к магистральным конвейерам. Ширина камер (8-12 м) равна двум, реже трём комбайновым ходам, между к-рыми оставляются узкие (1-2 м) межзаходные целики. Ширина ленточных между камерных целиков 8-15 м. В целиках остаётся до 60% запасов.
Системы разработки с подэтажной выемкой (рис. 3) применяют в мощных крутопадающих месторождениях. При мощности до 12-15 м камеры располагают по простиранию рудного тела, при большей - вкрест простирания. Ширина междукамерных целиков в зависимости от ширины камер и устойчивости руды составляет 6-15 м. Расстояние по вертикали между подэтаж-ными штреками (ортами) обычно 10-12 м. В центре или на одной из сторон блока проводится восстающий, расширением к-рого получают узкую разрезную (отрезную) щель на всю ширину и высоту камеры. Отбойка секционная; фронт отбойки обычно вертикальный. Потолочину обрушают массовым взрывом совместно с днищем вышерасположенного блока. Потери руды при выемке камер не превышают 2-3%, при выемке потолочин и целиков возрастают до 30-50%; в целом по системе разработки потери составляют 8-10%.
Этажно-камерными системами разрабатывают мощные крутопадающие и наклонные месторождения; для уменьшения потерь полезного ископаемого при недостаточно крутых углах падения залежей выпускные выработки (воронки, траншеи) проходят в подстилающих породах. Полезное ископаемое в камерах отбивают горизонтальными, наклонными или вертикальными слоями. В связи с отсутствием подэтажных выработок сокращается объём подготовительно-нарезных работ, но возрастают потери при отбойке (до 10-15% ) и разубоживание (до 10-12% ). Производительность труда забойного рабочего 12-15 м3в смену.
Системы разработки с магазинированием (см. Магазинирование полезного ископаемого) отличаются заполнением очистного пространства отбитой рудой, окончат, выпуск к-рой производится после отработки блоков. Потери полезного ископаемого колеблются от 5 до 15%.
Системы разработки с закладкой выработанного пространства характеризуются поддержанием неустойчивых вмещающих пород закладочным материалом, заполняющим очистное пространство по мере выемки полезного ископаемого (см. Закладка в горном деле). В крутопадающих месторождениях применяют системы разработки горизонтальными или наклонными (под углом 30-35°) слоями с закладкой; доставка руды и закладочного материала в очистном пространстве в первом случае скреперами или самоходными машинами, во втором - самотёчная. Закладочный материал подаётся по восстающим, пройденным на границах блока (рис. 4); для выдачи руды в закладке обычно устраивают рудоспуски. Для уменьшения потерь руды перед отбойкой очередного слоя поверхность немонолитной закладки перекрывают деревянными или металлич. настилами либо бетонируют. При разработке мощных пологопадаю-щих месторождений ценных руд применяют варианты системы с монолитной закладкой и самоходным оборудованием. Несмотря на большую трудоёмкость и себестоимость добычи, благодаря высокому извлечению запасов (потери руды не превышают 3-5%), низкому разубожи-ванию, возможности одновременной разработки неск. этажей и безопасности работ в очистном забое эти системы применяют при разработке ценных и склонных к самовозгоранию руд.
Системы разработки с креплением очистного пространства характеризуются регулярным возведением крепи, служащей для поддержания неустойчивой руды и вмещающих пород в процессе очистной выемки; обычно применяют для разработки месторождений ср. мощности. Наиболее часто используют усиленную распорную крепь. Очистная выемка, как правило,-горизонтальными слоями или потолко-уступная.
Разработку месторождений слабых руд, склонных к самообрушению даже при небольших обнажениях, ведут системами разработки скреплением и закладкой очистного пространства. Вследствие высокой стоимости добычи и малой производительности труда забойных рабочих систему используют только для выемки очень ценных руд.
Системы разработки с обрушением вмещающих пород характеризуются заполнением выработанного пространства обрушенными вмещающими породами непосредственно за выемкой полезного ископаемого. Крутопадающие и мощные залежи с неустойчивой рудой и вмещающими породами разрабатывают системой слоевого обрушения, при к-рой выемка руды ведётся в нисходящем порядке горизонтальными слоями высотой 2,3-2,5 м. Для предотвращения проникновения в полезное ископаемое обрушенных пустых пород служит предохранит, деревянный настил (древесный мат). Доставка полезного ископаемого - скреперная. Потери 2-5%. Применяют для разработки ценных руд.
Разработку горизонтальных и полого-падающих пластообразных залежей мощностью до 4-5 м ведут столбовыми системами с обрушением кровли. Шахтное поле разделяют на столбы шириной 25-80 м и длиной от 150 до 500-700 м, столбы отрабатывают по падению сплошным забоем (лавой) или заходками. Отбойка взрывным способом, а в слабых рудах - механическим (комбайнами). Потери полезного ископаемого 7-10% (при выемке заходками они возрастают до 15-20%). В СССР эти системы применяют для разработки месторождений марганцевых руд (Чиатура, Никополь).
Системы разработки с обрушением руды и вмещающих пород характеризуются массовой отбойкой или самообрушением руды с последующим её выпуском под обрушенными вмещающими породами. Применяют для разработки мощных залежей в устойчивых и неустойчивых породах. В СССР являются основными при разработке железных (90%) и фосфатных (100%) руд, широко распространены в цветной металлургии. По порядку выемки различают подэтажное и этажное обрушение. Высота подэтажей в зависимости от гор-но-технич. условий изменяется от 6-8 до 35-40 м, каждый подэтаж имеет горизонт выпуска и доставки. В соответствии с выбранными параметрами системы применяют различные методы взрывной отбойки. При разработке крутопадающих залежей богатых руд, склонных к самообрушению, применяют варианты системы подэтажного обрушения с выемкой руды под деревянным настилом.
Известно много вариантов системы подэтажного обрушения, конструкция их отличается принятым порядком выемки, способом отбойки и выпуска полезного ископаемого, применяемым доставочным оборудованием и т. д. При небольшой высоте этажа (10-18 м) применяют вариант системы "закрытый веер" (рис. 5). При высоте подэтажа более 20 м руду отбивают на горизонтальные или вертикальные компенсационные камеры. Одностадийные системы с обрушением руды и вмещающих пород (без предварит, выемки компенсационных камер) обеспечивают улучшение технико-экономич. показателей добычи. Вариант подэтажного обрушения с отбойкой руды вертикальными слоями в зажатой среде, т. е. на ранее отбитую руду или обрушенные пустые породы, показан на рис. 6. Отработку ведут секциями пл. до 200 м2. При подэтаж-ном обрушении с отбойкой руды наклонными слоями на подконсольное пространство скважины бурят из выработок бурового или доставочного горизонта; в последнем случае для предотвращения разрушения скреперных выработок скважины недозаряжают на 10-12 м от устья. Выпуск ведут из двух-трёх рядов воронок под защитой потолочины, препятствующей преждевременному проникновению пустых пород.
Эффективен вариант подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды и доставкой её к рудоспускам самоходными машинами (рис. 7). Подготовка блоков заключается в проведении через 7-9 м на контакте с лежачим боком подэтажных штреков, из к-рых в шахматном порядке проходят орты, служащие для бурения, погрузки и доставки руды. Расстояние между рудоспусками ок. 250 м. Потери руды в пределах 10-15%.
При системах разработки этажного принудительного обрушения (рис. 8) руду отбивают на всю высоту блока. Объём одновременно отбиваемой руды достигает неск. сотен тыс. т. Крепость и устойчивость руды может изменяться в широком диапазоне. Применяют отбойку на горизонтально-подсечные компенсационные камеры и вертикальные компенсационные щели или камеры. Отбойку в зажатой среде слоями толщиной 15-25 м обычно ведут на ранее взорванную руду, прилегающую к взрываемому массиву; магазинирован-ную руду перед отбойкой разрыхляют частичным выпуском. Потери 12-18%.
Система этажного (блокового) самообрушения характеризуется постепенным самообрушением руды в пределах отрабатываемого участка и последующим её выпуском под обрушенными породами (рис. 9).
Рис. 9. Система этажного самообрушения: 1 - выработки откаточного горизонта; 2 - выработки горизонта доставки и вторичного дробления; 3 - смотровые восстающие; 4 - отрезные восстающие; 5 - выработки вентиляционного горизонта; 6 - выработки горизонтов ослабления.
Высота блока от 60 до 120-150 м; площадь подсечки в зависимости от физико-механич. свойств руды и величины горного давления изменяется от 900 до 2500 м2. Для предотвращения зависания руды у границ блоков производят боковую отрезку: подэтажными окаймляющими выработками, узкими магазинами или отрезными камерами, взрыванием веерных комплектов скважин. При отработке блоков, граничащих с выработанными участками, руда обрушается крупными глыбами, что затрудняет выпуск. Достоинство - высокая производительность труда забойных рабочих и низкая себестоимость добычи руды. Однако вследствие больших потерь и разубоживания руды (в среднем 20-25%) система не получила в СССР широкого распространения. В Криворожском басе, (рудник "Ингулец") в слабых рудах применяют вариант под-этажного самообрушения; высота подэтажа 20-40 м, площадь подсечки 400-600 м2, подсечку образуют взрыванием шпуров глубиной 4-5 м, пробурённых из выпускных выработок.
Эксплуатацию мощных месторождений полезных ископаемых часто ведут комбинированными системами разработки, при к-рых камеры и целики примерно равных размеров извлекают одновременно или последовательно различными системами; подготовка блоков в этом случае осуществляется по единой схеме.
За рубенсом подземная разработка руд распространена в Канаде, США, Мексике, Чили, Швеции, Франции, ФРГ, Родезии, Замбии, ЮАР, Австралии; большое число подземных рудников относительно невысокой производительности имеется в Италии, Испании, Японии, на Филиппинах. Наиболее часто разработку ведут системами этажного самообрушения, подэтажного самообрушения, камерно-столбовыми, с креплением и закладкой очистного пространства. Применяется комплексная механизация основных и вспомогат. процессов, широко используется самоходное оборудование. Диаметр взрывных скважин обычно не превышает 56 мм, что обеспечивает хорошее дробление руды и высокую производительность погрузочно-транспортного оборудования.
Осн. направлениями совершенствования П. р. являются: вскрытие мощных месторождений наклонными стволами с выдачей руды на поверхность конвейерами и самоходными средствами; применение наклонных спиральных съездов для доставки в подземные выработки людей, оборудования и материалов; использование скипов большой ёмкости (более 50 т); устройство концентрационных горизонтов с увеличенной высотой ступени вскрытия; создание комбайнов для скоростного проведения выработок в крепких и ср. крепости скальных породах с использованием новых средств разрушения этих пород, а также комбайнов и агрегатов для очистной выемки руд средней крепости; комплексное применение самоходных машин для механизации всех основных и вспомогательных процессов добычи; повышение мощности и производительности самоходных машин; снижение потерь и разубоживания руды при системах с обрушением руды и вмещающих пород; широкая конвейеризация подземного транспорта; внедрение автоматизированных систем управления и т. п.
Лит.: Тругпков Н. И., Разработка рудных месторождений, т. 1-2, М., 1946-47; Стариков Н. А., Системы разработки месторождений, Свердловск - М., 1947; Агошков М. И., Разработка рудных месторождений, 3 изд., М., 1954; Городецкий П. И., Разработка рудных месторождений, М.. 1962; Агошков М. И., Малахов Г. М., Подземная разработка рудных месторождений, М., 1966; Каплунов Р. П., Черемушенцев И. А., Подземная разработка рудных и россыпных месторождений, М., 1966; Именитов В. Р., Технология, механизация и организация производственных процессов при подземной разработке рудных месторождений, М., 1973. М. Д. Фугзан.
Разработка угольных месторождений. Условия залегания угольных пластов отличаются большим разнообразием (см. Угольное месторождение). Это, а также экономич. причины обусловили применение различной технологии разработки угольных пластов. Как правило, для разрушения угля используют механич. средства или взрывчатые вещества; реже гидравлические (см. Гидравлическая добыча угля) и химические (см. Подземная газификация углей). Технология очистных работ предполагает либо постоянное присутствие рабочих в очистном забое, либо безлюдную выемку угля. Выделяют различные способы выемки угля: комбайнами (см. Горный комбайн), стругами (см. Струговая выемка), отбойными молотками или взрывчатыми веществами. Наиболее перспективна выемка угля комбайнами и стругами в сочетании с механизированными крепями - механизированными комплексами (см. Комплексы угольные). Такими комплексами в СССР добыто 48,0% угля из очистных забоев на пластах пологого и наклонного падения, где требуется навалка (1973). На крутых пластах выемка комплексами пока (1974) ограничена.
Различают системы разработки с длинными и короткими забоями.
Система разработки с длинным забоем может быть сплошной, столбовой и комбинированной. Каждая из этих систем разработки имеет варианты в зависимости, напр., от направления подвига-ния очистного забоя по отношению к элементам залегания пласта (по простиранию, падению, восстанию), способа подготовки этажа или яруса к очистной выемке, а при разработке мощных пластов - от метода их выемки по мощности: без разделения и с разделением на слои (наклонные, горизонтальные, поперечно-наклонные).
Сплошная система разработки. Характерным является одновременность проведения подготовит, выработок и очистной выемки угля в крыле этажа, панели. Подготовка очистного забоя (рис. 10) производится на расстоянии не менее 25-50 м от наклонных (бремсберга, уклона, ствола с ходками) или горизонтальных выработок путём проведения транспортной и вентиляционной выработок и разрезной печи между ними. В разрезной печи монтируют средства механизации и приступают к очистной выемке угля; очистной забой перемещается от наклонной (горизонтальной) выработки к границе этажа (панели). Вслед за забоем в выработком пространстве проводят прилегающие к забою выработки. Такое положение забоев очистных и подготовит, выработок сохраняется в течение всего периода отработки этажа (яруса). Применяются также другие варианты системы, к-рые зависят от угла падения пластов и различаются способами подготовки пласта, проведения выработок и т. п.
Рис. 10. Сплошная система разработки "лава - этаж": 1 - наклонные выработки; 2 - этажный конвейерный штрек; 3 - просек; 4 - очистной забой (лава); 5 - этажный вентиляционный штрек; 6 - разрезная печь.
Рис. 11. Система разработки длинными столбами по простиранию: 1 - откаточный штрек; 2 - конвейерный ярусный штрек; 3 - разрезная печь; 4 - вентиляционный ярусный штрек; 5 - промежуточная приёмно-отправительная плошад-ка; 6 - нижняя приёмно-отправительная площадка.
Сплошная система разработки характеризуется малым первоначальным объёмом проходимых выработок при подготовке нового очистного забоя. Её осн. недостатки: сложные условия поддержания штреков; большие утечки воздуха через выработанное пространство; возможность встречи непредвиденного геологич. нарушения и остановки лавы по этой причине. Сплошная система разработки затрудняет использование высокопроизводит. комплексов и агрегатов. Поэтому её применение должно быть ограничено тонкими пластами, залегающими на больших глубинах, и одиночными незащищёнными пластами, опасными по внезапным выбросам угля и газа или горным ударам.
Столбовая система разработки. Характерным для столбовых систем разработки является проведение подготовит, выработок до начала очистных работ; эти выработки оконту-ривают запасы угля в пределах этажа, яруса, выемочного столба.
Вариант столбовой системы разработки по простиранию при панельном способе подготовки шахтного поля представлен на рис. 11. Около главного откаточного штрека у наклонных выработок сооружают приёмно-отправит. площадку, обеспечивающую приём и отправление грузов от околоствольного двора к очистным забоям и обратно. От площадки до верхней (или нижней) границы панели проводят наклонные выработки: бремсберг (уклон) и ходки, к-рые используются для подачи воздуха, вспомогат. транспорта, спуска - подъёма людей. Уголь транспортируется ленточными конвейерами по бремсбергу (уклону). От наклонных выработок в обе стороны проводят ярусные штреки (транспортный и вентиляционный) со вспомогат. выработками (заездами, сбойками и др.). По мере отработки подготавливается следующий ярус, для чего проходят новые штреки. Столбовая система разработки устраняет недостатки, присущие сплошной, однако она характеризуется повышенными потерями (на 5-7%) угля в целиках и увеличенным первоначальным объёмом проводимых подготовит, выработок. Её применение позволяет повысить нагрузку на очистной забой, улучшить осн. технико-экономич. показатели. Находит широкое применение при разработке пластов тонких и ср. мощности, а также при слоевой разработке мощных пластов.
Получает распространение система разработки длинными столбами с подвига-нием очистного забоя по падению (рис. 12) или восстанию пласта. От выработки, вскрывающей пласт, проводится главный полевой откаточный штрек. Параллельно полевому проводят пластовый штрек и две наклонные выработки до вентиляционного горизонта, где их соединяют разрезной печью. Длина выемочного столба до 1000-1500 м и более, ширина соответствует длине лавы. Очередной столб подготавливается путём проведения новых наклонных выработок и разрезной печи. Система разработки с перемещением забоя по падению позволяет обеспечить снижение удельного объёма проводимых и поддерживаемых выработок; постоянную длину лавы в пределах выемочного столба (что особенно важно при оснащении очистного забоя механизированным комплексом оборудования или агрегатом); простую и надёжную схему подземного транспорта; прямоточную схему проветривания с подачей воздуха к источникам выделения метана (очистной забой, выработанное пространство, уголь на конвейере, подготовит, выработки). Недостатки: большой объём наклонных выработок, проведение и эксплуатация к-рых обходятся дороже, чем горизонтальных. При высокой водообиль-ности применяют аналогичную систему разработки с перемещением очистного забоя по восстанию пласта. Оба варианта системы разработки благодаря их технико-экономич. преимуществам являются наиболее прогрессивными для выемки тонких и ср. мощности пластов с углом падения до 12-15°.
Систему разработки длинными столбами по простиранию или по падению применяют также при выемке мощных пологих пластов.
При разработке тонких и ср. мощности наклонных и крутых пластов наибольшее распространение получила система разработки длинными столбами по простиранию. На выбор размеров выемочного поля по простиранию и длины очистного забоя решающее влияние оказывает способ выемки угля. При буровзрывной выемке угля длина выемочного поля не превышает 300-400 м, при механизированной может достигать 1000 м и более. Каждое выемочное поле вскрывают промежуточными квершлагами, от к-рых по пласту проводят откаточный (конвейерный) и вентиляционный штреки (рис. 13). Система разработки длинными столбами по падению (щитовая) применяется для разработки крутых пластов с передвижной оградит, крепью в виде щитового перекрытия. Впервые предложена в СССР Н. А. Чинакалом и применяется на шахтах Кузнецкого басе, начиная с 1938. Этаж высотой по вертикали 80-100 м разделяют на выемочные поля размерами по простиранию 250-300 м. Их, в свою очередь, делят на отд. щитовые столбы (см. Щитовая выемка). Длина очистного забоя и способ подготовки столба зависят от применяемой технологии выемки угля. При буровзрывном способе выемки угля (рис. 14) длина очистного забоя не превышает 24-30 м\ через каждые 6 м под щитовое перекрытие проводятся углеспускные печи (скважины). Эта система при буровзрывном способе имеет недостатки: высокие эксплуатационные потери, большой объём подготовительных работ, низкая степень механизации и высокий уровень ручного труда, высокая аварийность. Вследствие этого она неперспективна.
Рис. 12. Система разработки длинными столбами по падению: 1 - пластовый штрек; 2 - главный откаточный полевой штрек; 3 - конвейерный бремсберг; 4 - вентиляционный ходок; 5 - разрезная печь; 6 - главный вентиляционный полевой штрек.
Рис. 13. Система разработки длинными столбами по простиранию с разделением этажа на подэтажи: 1 - промежуточный квершлаг; 2 - пластовый откаточный штрек; 3 - разрезная печь; 4 - вентиляционный штрек; 5 - промежуточные штреки; 6 - скат; 7 - этажный вентиляционный штрек; 8 - этажный откатный штрек.
При механизированной отбойке угля с применением щитовых агрегатов доставка угля осуществляется по фланговым печам, а длина очистного забоя достигает 55 м.
При щитовой системе разработки боковые породы самопроизвольно обру-шаются вслед за опусканием щита по падению. Область применения этой системы разработки ограничивается пластами с углами падения св. 55°.
Рис. 14. Система разработки длинными столбами по падению (щитовая): 1 - углеспускные печи; 2 - ходовая печь; 3 - сбойки; 4 - обходная вентиляционная печь.
При столбовых системах разработки мощных пластов с разделением на слои пласты делят на наклонные, горизонтальные и поперечно-наклонные слои условными плоскостями, ориентированными в пространстве соответственно наклонно по падению пласта, параллельно почве (или кровле), горизонтально между лежачим и висячим боками и, наконец, с наклоном в сторону почвы под углом 30-40° к горизонту. Толщина слоя не превышает 3,5 м.
Система разработки горизонтальными полосами по простиранию в восходящем порядке применяется на пластах мощностью 3,0-4,5 м с углами падения св. 60° (рис. 15) при гидравлич. закладке выработанного пространства и выемке угля с помощью комбайнов. Пласты большей мощности могут отрабатываться послойно, толщина слоя при этом не должна превышать 4,5 м. Выемочное двукрылое поле размерами по простиранию 300-400 м вскрывается на откаточном и вентиляционном горизонтах промежуточными квершлагами. На флангах поля проводятся вентиляционные скаты, в его средней части по мере подвигания забоя по восстанию в выработанном и заложенном пространстве возводится углеспуск-ной скат. В целях совмещения работ по выемке угля и возведению закладочного массива полосы левого и правого забоя попеременно опережают друг друга по восстанию на половину высоты вынимаемой полосы, равной 4,5-5,0 м. Выемка угля осуществляется одним или двумя комбайнами в противоположных крыльях выемочного поля. Доставка угля от комбайнов к углеспускному скату производится конвейерами. По окончании выемки угля в крыле комбайн перегоняется в смежное крыло по переходной ферме, расположенной над углеспускным скатом, и производится приём гидрозакладки из пульповода, проложенного по фланговому скату.
Система разработки поперечно-наклонными слоями мощных крутых пластов применяется только при управлении кровлей путём закладки выработанного пространства. Выемка угля в слоях производится с помощью буровзрывных работ.
При разработке пологих мощных пластов наклонными слоями пласт делится на два и более слоев (рис. 16). Для этого от наклонных выработок до границы шахтного поля (панели) проводят откаточный штрек. В качестве вентиляционного используют откаточный штрек отработанного вышерасположенного этажа. У границы шахтного поля (панели) по верхнему слою проводят разрезную печь и два слоевых штрека - конвейерный и вентиляционный. Конвейерный слоевой штрек соединяют с откаточным, а вентиляционный слоевой - с этажным вентиляционным штреком.
Рис. 16. Разработка мощного пологого пласта с разделением на наклонные слои: 1 - откаточный штрек; 2 - сбойки; 3 - конвейерный штрек; 4 - слоевой конвейерный штрек; 5 - слоевой вентиляционный штрек; 6 - вентиляционный штрек.
Аналогично ведётся подготовка очистного забоя по нижнему слою. Очистные работы ведутся с опережением забоя верхнего слоя по отношению к нижнему. Величина опережения зависит от принятого порядка отработки слоев. Практикуют одновременную отработку слоев с небольшими опережениями между ними (до 100 м) и последовательную - с независимой подготовкой каждого слоя. Между слоями обычно оставляют пачки угля толщиной 0,3-0,6 м или реже используют гибкие перекрытия из металлич. полос и сетки (см. Перекрытие в горном деле). Выемку слоев производят по принципу длинных столбов по простиранию или падению (при углах до 12-15°).
Система разработки наклонными слоями мощных крутых и наклонных пластов применяется при управлении кровлей обрушением и закладкой выработанного пространства. При обрушении кровли слои отрабатывают в нисходящем порядке с применением буровзрывной выемки угля под гибким металлическим перекрытием. Такая система разработки применяется на пластах мощностью свыше 4,5 м.
При управлении кровлей закладкой выработанного пространства отработка наклонных слоев производится в восходящем порядке; количество слоев не превышает 4, толщина слоя 3,5 м. Наклонные слои вынимают буровзрывным или механизированным способами. При буровзрывной выемке угля размеры выемочного поля по простиранию не превышают 400 м, слои отрабатывают полосами по простиранию, длина очистного забоя в полосе не превышает 12 м. При механизированной выемке угля отработка наклонных слоев может производиться длинными столбами по простиранию или по восстанию.
Рис. 15. Система разработки горизонтальными полосами по простиранию в восходящем порядке: 1 - конвейерный квершлаг; 2 - вентиляционный скат; 3 - вентиляционный квершлаг; 4 - углеспускной скат; 5 - полевой вентиляционный штрек; 6 - полевой откаточный штрек.
Длина очистного забоя при этом 30-200 м, длина выемочных полей по простиранию 400-1200 м, толщина вынимаемого слоя 2,5-3,5 м. Технология выемки угля с применением комплексов предусматривает увеличение вертикальной высоты этажа до 200-250 м и применение в слоях упрочнённой закладки, к-рая, обладая высокой несущей способностью, обеспечивает безопасную работу механизированных крепей в последующих слоях без применения дополнит. перекрытий.
Комбинированная система разработки мощных пологих пластов наклонными слоями с выпуском межслоевой толщи угля при использовании спец. угольного комплекса впервые применена на шахтах Кузбасса. Она предназначена для пластов мощностью 7 -12 м с небольшой газоносностью. Пласт делят на два слоя, отрабатываемых независимо. Верхний, т. н. монтажный, слой имеет толщину 1,5-2,0 м. Его отрабатывают системой длинных столбов по простиранию (рис. 17).
Рис. 17. Комбинированная система разработки с выпуском угля межслоевой толщи при применении комплекса КТУ: 1 - вспомогательный бремсберг; 2 -конвейерный бремсберг; 3 - вентиляционный штрек монтажного слоя; 4 -конвейерный штрек монтажного слоя; 5 - основной вентиляционный штрек; 6 - вентиляционный ходок; 7 - конвейерный бремсберг; 8 - основной конвейерный штрек; 9 - главный откаточный штрек.
Одновременно с выемкой угля монтируют гибкое металлич. перекрытие. На это перекрытие производят обрушение пород кровли. Нижний слой отрабатывают столбами по падению. Длина столбов 300-500 м, очистного забоя 40-80 м. Выемку угля в слое на высоту крепи (2,8 м) производят комбайном, а в межслоевой толще - с помощью буровзрывных работ. Разрушенный уголь межслоевой толщи выпускают на забойный конвейер через люки, имеющиеся в ограждении крепи.
Системы разработки с короткими забоями делятся на камерные и камерно-столбовые. При камерных системах разработки длина камер может быть 200-300 м; ширина 4-15 м; междукамерных целиков от 2 до 6 м, участковых - 5-10 м. Размеры выемочного участка выбираются с таким расчётом, чтобы обрушение кровли происходило после его отработки, и на пологих пластах составляют 50-150 м.
Камерно-столбовая система разработки отличается от камерной тем, что между камерные целики частично погашаются (рис. 18), в результате чего повышается степень извлечения угля.
Рис. 18. Камерно-столбовая система разработки с выемкой целиков заходками: 1 - комбайн; 2 - самоходная вагонетка; 3 - раздвижной конвейер; 4 - самоходная буровая тележка.
Между конвейерным и вентиляционным штреками проходят одну - две камеры шириной 3,5-5 м, после чего погашают междукамерный целик, ширина к-рого 15-20 м. Междукамерный целик погашается заходками по 3,5-7,0 м с оставлением технологич. целиков между ними шириной 0,6-1 м. Штреки и камеры крепятся анкерной крепью; заходки не крепятся. Осн. условия применения технологии с короткими забоями: низкое качество угля (обычно энергетического с повышенной зольностью); мощность пласта 0,8-3,5 м; угол падения пласта до 15° (определяется возможностью работы самоходного оборудования); породы средней и вышесредней устойчивости; газообильность до 15 м3 на 1 т добычи; глубина ведения горных работ до 300 м (т. к. с её увеличением резко возрастают потери угля в недрах) и др.
Удельный вес различных систем разработки в общей добыче угля в СССР показан в табл.
За рубежом подземная разработка угля широко развита в США, ПНР, Великобритании, ФРГ, Франции. В европ. странах преим. распространение получили системы разработки с длинными очистными забоями. На шахтах США, Канады, Австралии применяются системы разработки с короткими забоями, что связано с наличием благоприятных геологич. условий.
В области систем разработки осн. задачами в угольной промышленности СССР являются дальнейшая концентрация и интенсификация горных работ. Это достигается: расширением применения систем разработки длинными столбами, особенно тех её вариантов, к-рые обеспечивают постоянство длины лавы, обособленное проветривание источников выделения метана; рациональным размещением подготовит, выработок в толще пласта и пород; прогнозированием геологич. нарушений для обеспечения стабильной работы комплексов и агрегатов; созданием новых вариантов систем разработки и высокопроизводит. средств комплексной механизации, обеспечивающих выемку угля без присутствия рабочих в очистном забое; разработкой новых и усовершенствованием существующих систем разработки мощных (особенно крутых) пластов с закладкой (преим. гидравлической); разработкой комплекса мероприятий ведения горных работ на глубоких горизонтах с предварительной дегазацией пластов; управлением массивом горных пород с поверхности до начала ведения горных работ с целью исключения внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и пр.; разработкой мероприятий по обеспечению комфортных и безопасных условий работы.
В 1973 подземный способ составил 71% общей добычи угля в СССР. См. также ст. Угольная промышленность.
Лит.: Шевяков Л. Д., Разработка месторождений полезных ископаемых, 4 изд., М., 1963; Технология подземной разработки пластовых месторождений полезных ископаемых, М., 1969; Килячков А. П., Тех-, нология горного производства, М., 1971; Технологические схемы очистных и подготовительных работ на угольных шахтах, ч. 1 - 3, М., 1971 - 72; Технология подземной разработки пластовых месторождений, М., 1972. Б. Ф. Братченко, А. П. Килячков.
Удельный вес систем разработки на угольных шахтах СССР (1973)
| | | | |||||
| | | | |||||
| | | | |||||
| Донецкий | 27,2 | 50,3 | - | - | 22,5 | - | |
| Подмосковный | - | 100,0 | - | - | - | - | |
| Кузнецкий | 0,5 | 79,6 | 12,4 | 5,5 | 11,7 | 2,7 | |
| Печорский | 3,5 | 89,0 | - | 6,5 | 1,0 | - | |
| Карагандинский | 1,5 | 61,3 | - | 37,2 | - | - | |
| По СССР | 14,5 | 63,5 | 2,2 | 7,4 | 13,8 | 0,8 | |
Рис. 1. Схема отработки пластовых место-, рождений выщелачиванием через скважины: 1 - узел приготовления растворов; 2 - нагнетательные скважины; 3 - дренажные скважины; 4 - компрессор; 5 -воздухопровод для эрлифта продуктивных растворов; 6 - коллектор для продуктивных растворов; 7 - отстойник; 8 - установка для переработки раствора.
Рис. 2. Схема подземного выщелачивания скальных руд: 1 - ёмкость для растворителя; 2 - насос; 3 - трубопровод рабочих растворов; 4 - отрабатываемый блок руды; 5 - ёмкость для сбора продуктивных растворов; 6 - насос; 7 - ёмкость для продуктивных растворов на поверхности; 8 - сорбционная установка; 9 - отстойник отработанного раствора; 10 - ёмкость для доукрепления растворов; 11 - пресс-фильтр.