Выбор и обоснование системы разработки

Система разработки – установленный порядок ведения подготовительных и очистных работ увязанных во времени и пространстве в пределах этажа, яруса или горизонта.

Факторы, влияющие на выбор системы разработки:

1. Мощность пласта;

2. Угол падения пласта;

3. Механические свойства полезного ископаемого;

4. Свойства боковых пород;

5. Водоносность;

6. Склонность угольных пластов к самовозгоранию;

7. Глубина разработки.

Системы разработки пластовых месторождений разделяются на два основных класса в зависимости от порядка ведения очистных и подготовительных работ:

1. Сплошная система разработки;

2. Столбовая система разработки.

1. Сущность сплошных систем разработки состоит в одновременном ведении очистных и подготовительных работ в выемочном поле; при этом лава и забои обслуживающих ее выработок движутся в одном направлении, как правило, от бремсбергов, уклонов или квершлагов к границам выемочного поля.

Принципиальная сущность сплошных систем определяет ряд важных особенностей; связанных с их применением, главными из которых являются: обеспечение постоянного динамического равновесия между очистными и подготовительными работами; поддержание выработок позади очистного забоя в зонах интенсивного влияния опорного давления.

Сплошные системы разработки применяют в основном на тонких и реже на пластах средней мощности при любых углах падения.

Средняя мощность пластов, отрабатываемых сплошной системой разработки, для разных бассейнов различна и изменяется от 0,93 до 1,5м. Средняя длина лавы при этих системах изменяется в пределах 110 — 170м.

Областью применения сплошной системы являются пласты сверхкатегорийные по газу и склонные к внезапным выбросам угля и газа, пласты с пучащими породами почвы и кровли, позволяющими проводить и поддерживать выработки в зоне влияния выработанного пространства.

Достоинствами сплошных систем разработки являются: небольшая протяженность подготовительных выработок, проводимых до начала очистных работ в выемочном поле (ярусе), и, следовательно, небольшой срок его подготовки; отсутствие глухих забоев подготовительных выработок, упрощающих схему вентиляции.

В качестве основных недостатков сплошных систем разработки необходимо отметить следующие: большие расходы на ремонт подготовительных выработок; отсутствие предварительной разведки пласта горными выработками.

2. Столбовые системы разработки характеризуются независимым ведением очистных и подготовительных работ в пределах выемочного поля. На момент начала функционирования очистного забоя все подготовительные выработки, соединяющие забой с системой откаточных и вентиляционных выработок шахты, должны быть пройдены на полную длину.

В этой связи главной особенностью столбовых систем разработки является отсутствие взаимного влияния подготовительных и очистных работ, что весьма положительно сказывается на эффективности использования современного высокомеханизированного очистного и проходческого оборудования.

Областью применения этих систем являются тонкие, средней мощности и мощные угольные пласты.

Существуют три дополнительных признака систем разработки:

1. Технология выемки угля;

1.1. Длинными очистными забоями;

1.1.1. Выемка на полную мощность;

1.1.2. Слоевая выемка;

1.1.1.Система разработки длинными столбами лава-этаж предполагает размещение в пределах этажа одной лавы.

Подготовка этажа может осуществляться пластовыми или полевыми выработками. При пластовой подготовке от главных наклонных выработок параллельно с откаточным штреком проводят вентиляционный штрек (просек). Расстояние между штреками принимается 15 — 25м. Между собой штреки соединяются вентиляционными печами. На границе выемочного поля штрек соединяется разрезной печью. По мере подвигания лавы вентиляционный штрек постепенно погашается. При этом частично погашаются и надштрековые целики.

Свежая вентиляционная струя поступает по откаточному штреку в лаву. Исходящая струя отводится к стволу по этажному вентиляционному штреку.

При полевой подготовке выемочное поле готовится: полевыми откаточными и вентиляционными штреками, проводимыми в почве пласта, и пластовыми вентиляционным и конвейерным штреками, периодически соединяемыми наклонными гезенками (скатами, квершлагами) с соответствующими полевыми штреками. Свежая струя поступает по полевому откаточному, штреку, гезенку, конвейерному штреку в лаву, а исходящая струя выходит через вентиляционный штрек в соответствующий гезенк на полевой вентиляционный штрек.

Полевая подготовка позволяет поддерживать в хорошем состоянии этажные штреки, но вместе с тем значительно возрастает трудоемкость проведения этих выработок по сравнению с пластовой подготовкой.

Основным достоинством столбовой системы разработки: является простота и надежность схем участкового транспорта и вентиляции, что наиболее важно для современных высокомеханизированных средств очистных работ. Недостатком системы является невысокая степень концентрации работ.

1.1.2. Пласты, выемка которых затруднена сразу на всю мощность, разделяют на отдельные слои. Существует несколько способов расположения слоев: наклонные слои, расположенные параллельно плоскости напластования; поперечно-наклонные слои, расположенные с наклоном около 30˚ между висячим и лежачем боками пласта; горизонтальные слои, ограниченные горизонтальными плоскостями.

При слоевой выемке слои в пласте могут отрабатываться в нисходящем (восходящем) или комбинированном порядке. Нисходящий порядок предполагает первоначальную выемку верхнего слоя, а затем нижележащих слоев. При восходящем порядке выемка слоев производится, начиная с нижнего слоя. Выбор того или иного порядка, высоты отдельных слоев зависит от физико-механического состава и свойств вмещающих пород и угля, мощности и угла падения пласта.

Областью применения системы разработки наклонными слоями с обрушением кровли являются мощные пологие и наклонные пласты без существенной тектонической нарушенности. Применение этой системы разработки на наклонных и крутых пластах ограничено условиями управления кровлей и средствами механизации основных производственных процессов.

1.2. Короткими очистными забоями; 

1.2. К группе систем разработки короткими очистными забоями относят системы, длина очистных забоев которых не превышает 20м. При коротких забоях все процессы очистной добычи упрощаются, в результате чего значительно увеличивается скорость их подвигания, причем одновременно в действии может находиться большое число забоев, что обеспечивает высокую нагрузку на пласт. Вместе с тем системы разработки короткими забоями имеют крупный недостаток — высокие потери полезного ископаемого.

Системы разработки короткими очистными забоями системы разработки могут эффективно применяться в первую очередь на пологих пластах угля и горючих сланцев средней мощности, не склонных к самовозгоранию, не опасных по горным ударам, имеющих устойчивые боковые породы и залегающие на сравнительно небольшой глубине. В условиях крутых пластов камерные системы могут применяться только при слоистых породах кровли средней устойчивости.

2. Подвигание очистного забоя;

2.1. По простиранию;

2.2. По падению;

2.3. По диагонали;

3. Технологическая схема ведения очистных работ с делением:

3.1. Этажа на подэтажи;

3.2. Яруса на подъярусы;

3.1. Система длинных столбов по простиранию с разделением этажа на подэтажи широко применяется при разработке крутых пластов мощностью 1,2 — 2,4 м. Для подготовки к выемке при этой системе проводят этажные штреки, сбиваемые между собой скатами. От скатов проводят промежуточные штреки, число которых зависит от наклонной высоты этажа, устойчивости боковых пород и принятого способа выемки. По мере подвигания очистного забоя промежуточные штреки погашают.

Управление кровлей чаще всего производится способом полного обрушения, а иногда — полной закладки. В большинстве случаев посадку пород кровли при полном обрушении производят на органную крепь, в некоторых случаях — на режущие целики. К последним прибегают в том случае, если при применении органной крепи не удается избежать завалов в призабойном пространстве. Иногда кровлей управляют способом полной закладки с перепуском закладочного материала с верхнего горизонта.

Очистные выработки проветривают, как правило, последовательной струей с подсвежением воздуха, поступающего в верхние подэтажи. Для проветривания одиночных тупиковых выработок применяют вентиляторы местного проветривания. При высокой газоносности разрабатываемых пластов применяют обособленное, проветривание лав верхнего и нижнего подэтажей.

Уголь вынимают с опережением верхних подэтажей на двойной шаг обрушения кровли, т. е. на 10 — 12 м. Добытый уголь транспортируют на передний скат.

3.2. При панельной подготовке ярус разбивают на два подъяруса или больше. В зависимости от горно-геологических условий возможны две схемы подготовки лав к очистной выемке.

При необходимости осуществляют обособленное проветривания лав. Ярусные и подъярусные штреки проводят спаренными или с просеками. Уголь транспортируется из лав на отдельный штрек, а затем на панельный бремсберг. Обычно в пределах панели осуществляют полную конвейеризацию.

Межштрековые охранные целики принимаются в зависимости от размеров зоны опорного давления, срока службы штреков.

По мере отработки лав обратным ходом запасы в целиках частично извлекают. Ярусы отрабатывают в нисходящем порядке. Верхние лавы опережают нижнюю на 10 — 20 м. При делении яруса на подъярусы длина лав колеблется в пределах 100 — 180 м.

При последовательном проветривании лав ярусные и подьярусные штреки проводят одинарными. По мере отработки ярусапогашают все штреки. Следовательно, откаточный ярусный штрек не используется как вентиляционный для следующего яруса, и в последнем по угольному массиву заново проводят ярусный вентиляционный штрек. В результате между ярусами остаются барьерные целики, уголь из которых частично выбирают по мере погашения вентиляционного ярусного штрека.

При этой схеме добытый уголь из обеих спаренных лав транспортируется на общий сборный штрек, а опережение между лавами принимают равным 2 — 4 м.

4. Специальные системы разработки;

4.1. Щитовая система разработки;

4.2. Камерно-столбовых система разработки;

4.3. Система разработки без постоянного присутствия людей в очистном забое.

4.1. Сущность системы разработки с выемкой пласта на полную мощность состоит в том, что выемочное поле разделяется на столбы, вытянутые по падению пласта. Каждый такой столб разрабатывается самостоятельно с применением одного щита. Щит ограждает очистной забой от обрушенных пород кровли. Ширина выемочного столба по простиранию на 2 м больше длины очистного забоя (щита) за счет того, что между очистными забоями (щитами) оставляются целики угля шириной 2 м на всю высоту этажа. Эти целики ограждают щитовой забой от прорыва обрушенных пород со стороны отработанного столба. Длина щитового столба равна наклонной длине этажа. Направление выемки столба от вентиляционного штрека к транспортному. Порядок отработки щитовых столбов принят обратный, от границы выемочного поля к квершлагу. Очистной забой располагается по простиранию пласта и перекрывается щитовой крепыш, который перемещается по падению пласта вслед за подвиганием очистного забоя. Очистные работы ведутся буровзрывным способом.

Длина щитового забоя обоснована в результате долголетней инженерной практики, которая показала, что при длине забоя 24 — 30 м достигается наиболее надежное выполнение важнейшей технологической операции — управление щитом. Выемочное поле обычно однокрылое. Длина его 200 — 300 м.

4.2. Камерно-столбовых система разработки является комбинацией камерных и столбовых систем разработки. Вначале проводят камеры, которыми нарезают междукамерные столбы, отрабатываемые обратным ходом. В связи с этим при камерно-столбовых системах разработки используются два типа забоев; камеры и заходки. Из забоев камер добывают 25 — 50%, а из заходок, погашающих столбы, 50 — 75% извлекаемого угля. Целики обычно извлекаются не полностью, но потери при камерно-столбовой системе разработки, как правило, меньше, чем при камерной, и составляют 25 — 35%, а в отдельных случаях. 12 — 18%.

При камерно-столбовой системе, когда ширина камер составляет 4 — 12м, ширину междукамерных целиков принимают равной 4 — 15м. Проведение камер начинают с горловины. При двустороннем расположении камер длину их принимают равной 80 — 100 м. Таким образом, камерами нарезают длинные столбы, которые затем вынимают обратным ходом. Столбы вынимают обратным ходом на всю ширину столба или отдельными заходками. В последнем случае теряется больше полезного ископаемого и не устраняется опасность возникновения эндогенных пожаров.

Уголь в камерах и столбах вынимают буровзрывным и механическим способами. По мере выемки в камерах, со стороны горловины, наращивают конвейер, который используют и при выемке столбов.

Ширину камер подбирают с учетом горного давления. Давление вышележащих горных пород в период выемки камер воспринимают междукамерные целики.

Для устойчивости кровли в период выемки целиков необходимо, чтобы общая линия забоев была прямолинейной.

4.3. При системе разработки без постоянного присутствия людей в очистном забое нахождение людей для управления и выполнения работ по обслуживанию очистного оборудования, а также профилактических, наладочных и ремонтных работ на выемочном участке, предусматривается в подготовительной или капитальной выработке.

Достоинства этих систем:

- исключают необходимость присутствия человека в наиболее трудных и опасных условиях подземных работ (усиленное горное давление, запыленность, загазованность, стесненность и т. п.), особенно на пластах, опасных по горным ударам и внезапным выбросам угля и газа;

- вовлекают в разработку весьма тонкие (меньше 0,6 м), а также сильно нарушенные со сложной гипсометрией пласты, эффективная разработка которых другими известными в настоящее время системами затруднена или вовсе невозможна;

- имеют сравнительно невысокую стоимость применяемого оборудования и отличаются простотой технологического процесса выемки.

Недостатки систем разработки без постоянного присутствия людей в очистном забое:

- нестабильность показателей функционирования системы во времени;

- большие потери угля, доходящие до 50 — 60% при отработке отдельных выемочных полей;

- неприемлемость большинства из этих систем (из-за больших потерь) для разработки пластов, склонных к самовозгоранию, а также для выемки защитных пластов из-за оставления в выработанном пространстве целиков, концентрирующих на себе давление вышележащей породной толщи;

- трудности с проветриванием очистных работ вследствие наличия большого числа тупиковых выработок и скважин, перекрытия пути движения воздушной струи обрушенными породами и др.;

- большой объем нарезных работ, дающих при малой мощности и нарушенности пластов много породы.