Системи розробки вугільних пластів

4.5.1. Загальні поняття. Класифікація систем розробки

Для забезпечення можливості вибирання пласта в межах виймального поля (поверха, яруса, підповерха, під’яруса) необхідно провести відповідні підготовчі виробки, зберегти ці виробки на період проведення очисних робіт в межах цього поля, а в деяких випадках використати їх також і при відпрацюванні сусіднього виймального поля. Підготовчі виробки можна проводити до початку очисних робіт або одночасно з ними, а для їх підтримання залишати цілики невибраного вугілля, викладати з породи бутові смуги та ін.

Системою розробки називають певний порядок проведення підготовчих і очисних робіт, пов’язаних у просторі й часі. До системи розробки ставлять такі основні вимоги:

– безпечне проведення гірничих робіт;

– мінімальні матеріальні й трудові витрати на одиницю продукції;

– незначні втрати запасів корисної копалини.

На вибір системи розробки впливають ті самі чинники, які впливають на вибір технологічної схеми очисних робіт.

Класифікація систем розробки проводиться за рядом ознак. Залежно від потужності пласта і способу його виймання усі системи розробки вугільних пластів поділяють на два класи:

– системи розробки на повну потужність;

– системи розробки пласта з поділом на шари.

Родовища вугілля в Україні представлені переважно тонкими і середньої потужності пластами (до 3,5 м), тому тут знайшли застосування системи розробки першого класу. Залежно від форми і довжини вибою розрізняють дві групи систем:

– системи розробки з довгими очисними вибоями – лавами;

– системи розробки з короткими вибоями – камерами.

Системи першої групи, залежно від послідовності проведення очисних і підготовчих робіт в межах виймального поля, поділяють на три підгрупи:

– суцільні системи розробки;

– стовпові системи розробки;

– комбіновані системи розробки.

Характерною ознакою суцільних систем розробки є одночасне проведення очисних і підготовчих робіт в межах виймального поля. При стовпових системах розробки спочатку проводяться підготовчі роботи – нарізають так звані “стовпи”, а після їх закінчення починають вибирати корисну копалину у вибоях.

За ознакою напрямку переміщення очисного вибою відносно основних елементів залягання пласта вищевказані системи поділяють на системи з напрямком виймання за простяганням і системи розробки з напрямком виймання по падінню (підняттю) пласта.

В свою чергу кожна з вказаних груп та підгруп може мати декілька варіантів, які відрізняються способом охорони виробок, схемами провітрювання, транспортування, місцем проведення підготовчих виробок (у пласті чи породі) та ін.

 

4.5.2. Суцільні системи розробки

Сутність даного типу систем полягає в тому, що очисні й підготовчі роботи проводять одночасно в одному і тому ж напрямку, найчастіше від бремсбергів, ухилів чи поверхових квершлагів до меж виймального поля. Вентиляційні штреки переважно проводять слідом за лавою або з невеликим випередженням, а відкотні або конвеєрні – з випередженням лави на 50 м і більше. Якщо відкотний штрек охороняється ціликами, то паралельно штреку проводять просік (рис. 4.10).

Для вказаного варіанта системи розробки крутопадаючого пласта – “лава–поверх” вентиляційний штрек проводять з невеликим випередженням лави, породу від його проходження засипають в бутову смугу, яка використовується для охорони поверхового вентиляційного штреку. Для охорони поверхового відкотного штреку від обвалення використовують охоронні цілики. Відбивання вугілля в уступах передбачається відбійними молотками. Вибої мають стелеуступну форму, в кожному з них працює робітник. Відбите вугілля переміщується під дією власної ваги вздовж встановлених настилів до нижнього уступу – “магазину” і звідти відвантажується у вагонетки на штреці.

Рис. 4.10. Суцільна система розробки крутопадаючого пласта, варіант “лава-поверх” з стелеуступним вибоєм: 1– квершлаги; 2, 5 – етажні відкотний і вентиляційний штреки; 3 – просік; 4 – піч; 6 – вентиляційна піч

 

Варіант суцільної системи розробки “лава – поверх“ для пологого падіння без випередження очисного вибою відкотним штреком і без охоронних ціликів показано на рис. 4.11. Охорону штреків здійснюють бутовими смугами, для викладання яких породу отримують від проходження штреків. Вибій по пласту в лаві і в штреках спільний. Відсутність випереджаючих вузьких вибоїв в штреках різко зменшує вірогідність раптових викидів вугілля та газу, тому цей варіант рекомендується для застосування при розробці викидонебезпечних пластів. Це одна з переваг цього варіанту системи розробки.

Рис. 4.11. Суцільна система розробки пологого пласта без випередження очисного вибою штреками: 1– конвеєрний штрек; 2– вентиляційний штрек; 3 – бутові полоси

Варіанти суцільної системи “лава – поверх“ чи “лава – ярус“ прості, але вимагають значного обсягу підготовчих виробок, а саме – поверхових штреків, а на похилих та крутих пластах ще й поверхових квершлагів та приствольних дворів на кожному поверхові. Тому в цих умовах часто застосовують системи з поділом поверху (ярусу) на 2–3 підповерхи (під’яруси). Для шахт негазових допускається послідовне провітрювання лав з підсвіженням через проміжний (підповерховий) штрек (на рис. 1.5, а – ліве крило).

На шахтах, небезпечних за метаном (третьої категорії й вище), застосовують варіант системи з поділом на підповерхи з двома проміжними штреками: конвеєрним, по якому направляється свіже повітря у верхню лаву, і вентиляційним – для відведення відпрацьованого струменя повітря з нижньої лави на допоміжний бремсберг і далі на поверховий вентиляційний штрек.

Якщо потужність пласта не перевищує 0,9...1,0 м, а глибина розробки незначна (до 300...400 м), то для охорони штреків можуть застосовуватись цілики вугілля з розмірами за простяганням 40...50 м. Розмір цілика по падінню (висоту цілика) можна визначати з формули:

h_у = 0,04 mH + 6, м,

де m – потужність пласта, м; H – глибина розробки, м.

У практиці висота охоронних ціликів для штреків становить від 12...15 до 25...30 м.

При розробці вугільних пластів на більших глибинах, а також при наявності нестійких вміщуючих порід, охорона виробок ціликами виявляється неефективною, а негативний вплив ціликів відчувається при розробці нижчерозташованих пластів: під ціликами концентруються значні напруження, утворюється зона опорного тиску. Тому для вказаних умов більш ефективним являється захист виробок бутовими смугами.

При суцільних системах розробки застосовують переважно пластову підготовку; польові штреки використовують при нестійких породах, а також на шахтах глибиною більше 800...1000 м.

Перевагами суцільних систем розробки порівняно з стовповими є:

– невелика довжина підготовчих виробок при здаванні шахти в експлуатацію, а отже і значно менші капітальні витрати;

– відсутність довгих тупикових виробок, які важко провітрювати;

– сприятливі умови для видалення метану з виробленого простору, більш безпечні умови відпрацювання викидонебезпечних пластів.

Недоліки суцільних систем розробки такі:

 

– значні витрати на підтримання і ремонт виробок;

– відсутність попередньої детальної розвідки пласта;

– несприятливі організаційно-технічні умови для роботи машин і обладнання в лавах і підготовчих вибоях, що призводить до зменшення навантаження на очисні вибої.

 

4.5.3. Стовпові системи розробки

При цих системах розробки запаси корисних копалин в межах виймального поля (поверху, ярусу) повністю оконтурюють підготовчими виробками до початку очисних робіт, утворюючи своєрідний стовп, тобто підготовчі і виймальні роботи виконують послідовно в часі; організаційно одні роботи не заважають іншим.

Стовпові системи розробки знайшли найбільш широке застосування на шахтах України і інших вугледобувних держав. Ці системи розробки, як і суцільні, мають варіанти: без поділу на підповерхи (під’яруси) і з поділом на підповерхи. Приклад стовпової системи лава–поверх для крутопадаючого пласта наведено на рис. 4.4. Для суттєвого зменшення витрат на підтримання виймальних пластових штреків при даному варіанті останні проводять попередньо на величину виймального поля (300…500 м) і з’єднують проміжними квершлагами з груповими (польовими) штреками. Пластові штреки погашають після проходу лави.

Для стовпових систем розробки при варіантах з поділом поверху (ярусу) на підповерхи (під’яруси), на негазових шахтах і газових не вище третьої категорії, як і для суцільних систем, застосовують послідовну схему провітрювання лав з підсвіженням верхньої лави через єдиний проміжний конвеєрний штрек. Для шахт третьої і вище третьої категорії за газом провітрювання лав має бути автономним, незалежним. Приклад стовпової системи розробки з поділом поверху на 2 підповерхи для газових шахт приведено на рис. 4.3. Даний варіант з використанням ціликів для охорони штреків використовують для пластів пологого падіння. Для похилих та крутопадаючих пластів замість проміжних (дільничних) бремсбергів використовують скати.

Останнім часом досить широкого розповсюдження при розробці вугільних пластів з кутами нахилу до 10 (12) градусів знайшли стовпові системи розробки по падінню або підняттю одинарними та спареними лавами. Для зменшення втрат запасів застосовують варіанти безціликового виймання з використанням польових штреків.

 

Рис. 4.12. Стовпова система розробки спареними лавами за напрямком підняття з комбайновим вибиранням та індивідуальним кріпленням

 

Застосування варіанта спарених лав дає можливість заощаджувати проведення одного штрека (хідника) при підготовці двох лав. На рис. 4.12, наведено цей варіант з використанням спільного (збірного) вентиляційного хідника. На шахтах Львівсько-Волинського басейну, Західного Донбасу досить широко застосовують й інший варіант спарених лав: із спільним збірним конвеєрним хідником (штреком) і бортовими вентиляційними хідниками (штреками).

Перевагою систем розробки у напрямку підняття є можливість ефективного відведення води з заводнених очисних вибоїв. Недоліком варіантів зі спареними лавами є суттєве зменшення надійності роботи очисних вибоїв, а отже і навантаження на них. При порівнянні техніко-економічних показників стовпової і суцільної систем розробки переваги і недоліки цих систем, вказані в підрозділі 4.5.2, міняються місцями.

 

4.5.4. Комбіновані системи розробки

 

Це підгрупа систем розробки поєднує елементи суцільних і стовпових систем розробки. Характерним прикладом комбінованої системи є так звана система “парних штреків“, коли непарні яруси або поверхи відпрацьовують за суцільною системою розробки: від бремсбергів та ухилів до меж виймального поля, а парні яруси відпрацьовують у зворотньому напрямку за стовповою системою розробки.

До комбінованих систем розробки можна віднести систему розробки крутопадаючих пластів смугами по падінню (рис. 4.8). У цьому випадку пласт в межах поверху оконтурюють попередньо проведеними відкотним і вентиляційним штреками. Вуглеспускний скат з хідником також проводять до початку очисних робіт, а вентиляційний хідник – слідом за західкою. При відпрацюванні наступної західки цей хідник використовують як вуглеспускний скат. Функції руйнування вугільного пласта, транспортування відбитого вугілля до скату, кріплення очисного вибою виконує один з очисних агрегатів 1АЩ, чи 2АНЩ.

Комбіновані системи розробки поєднують у собі переваги і недоліки суцільної і стовпової систем розробки.

 

4.5.5. Системи розробки короткими очисними вибоями

До цієї групи відносяться системи розробки, довжина очисного вибою в яких не перевищує 20 м. Застосовують такі системи при відробці горизонтальних і пологих вугільних пластів потужністю 1,5...3,5 м, невеликому метановиділенні (до 10 м³/т) і глибинні залягання до 200…400 м

Застосовування систем розробки з короткими очисними вибоями спрощує окремі процеси, зокрема кріплення, що дає можливість суттєво збільшити продуктивність праці. Суттєвими недоліками коротко-вибійних систем є великі втрати вугілля в надрах. Найбільш поширеними системами розробки цієї групи є камерна та камерно-стовпова. При камерній системі розробки спочатку проводяться головні або панельні штреки на відстані 200...300 м, а запаси між штреками виймаються камерами шириною 4...12 м. Сама камера з’єднується з штреками так званою горловиною шириною 3…5 м. Виймання вугілля в камерах здійснюється комбайнами, принцип роботи яких подібний до прохідницьких комбайнів. Відбите вугілля навантажують в самохідні вагонетки на пневмоходу і транспортують до конвеєрного штрека. При міцних породах покрівлі камери не кріплять, а для недостатньо міцних порід можливе застосування анкерного кріплення. Провітрювання камер здійснюється за рахунок загальношахтної депресії та вентиляторів місцевого провітрювання.

Ця система розробки знайшла досить широке застосування на шахтах США, Канади та Австралії, а в Україні пройшла успішне випробування з комплексом техніки фірми “Джой” в Донбасі (м. Червоноармійськ) в 60–70–х роках. Але через значні втрати вугілля в ціликах, високу вартість обладнання не знайшла подальшого використання.

Дещо менші втрати притаманні камерно-стовповим системам розробки. В Україні камерні та камерно-стовпові системи розробки знайшли застосування при вийманні потужних родовищ кам’яної та калійної солей.

 

4.5.6. Особливості розробки потужних вугільних пластів

При вийманні потужних вугільних пластів (понад 3,5 м) застосовують дві групи систем:

– системи розробки без поділу пласта на шари;

– системи розробки з поділом пласта на шари.

Найбільш поширеною системою розробки потужних крутопадаючих пластів на повну потужність є щитова система розробки, при якій виймання вугілля в межах поверха здійснюють західками під захистом щита (рис. 4.13). Вуглеспускні печі проходять бурозбійними машинами. Відбивання вугілля у вибої здійснюється буропідривним способом, доставлення його до штреку самоплинне по вуглеспускних печах. Щити довжиною 24–36 м виготовляють у вигляді пов’язаних між собою чотирьох–шести секцій, конструкція яких має металеву основу і дерев’яний накатник. Для вибирання пластів потужністю до 5 м застосовують також безсекційні щити.

 

Рис. 4.13. Щитова система розробки потужного пласта: 1 – вуглеспускні печі; 2 – вентиляційний штрек; 3 – секція щита; 4 – відкотний штрек; б – очисний вибій

 

При застосуванні систем розробки з поділом пласта на окремі шари найбільш поширеною є система розробки похилими шарами; виймання кожного з цих шарів здійснюють аналогічно вийманню пластів середньої потужності з застосуванням відповідних вугледобувних комплексів. Шари можуть вибиратись як почергово, так і одночасно, але випередження між лавами повинно бути не менше 25…35 м, щоб обваленні породи встигали злежатись.

При системах розробки потужних пластів похилими шарами з закладанням відпрацьованого простору виймання шарів найчастіше здійснюють знизу вгору. Спосіб закладання може бути самоплинний (при кутах більше 5…35°), пневматичний чи гідравлічний.

При вийманні потужних пластів з кутами падіння не менше 30° градусів застосовують системи розробки з поділом пласта на горизонтальні шари переважно з закладанням відпрацьованого простору і в деяких випадках – з обваленням.

При вийманні крутопадаючих потужних пластів знайшли застосування також системи розробки поперечно-похилими шарами з закладанням відпрацьованого простору.