А. А. Кологривко ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ Ш у' -' Министерство образования Республики Беларусь Белорусский национальный технический университет А.А. Кологривко ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию в области горнодобывающей промышленности М и н с к 2006 УДК 622.34+622 . 8 ) ББК З М 41я7Э К61 Рецензенты: генеральный директор Белорусского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной и химической промышленности ОАО «Белгорхимпром», доктор технических наук, профессор А Д . Смычник; и.о. председателя Белорусской горной академии, доктор технических наук, профессор B.C. Войтенко Кологривко, А.А К61 Подземные горные работы: учеб. пособ./ А.А. Кологривко. - Мн.: БНТУ, 2006. - 94 с. ISBN 985-479-541-1. В учебном пособии рассмотрены горно-геологические условия залегания ме­ сторождений полезных ископаемых, запасы и стадии их разработки. Изложены схемы вскрытия, подготовки и системы разработки пластовых и рудных месторож­ дений подземным способом. Описана технология ведения подготовительных и очистных работ. Приведены сведения о сдвижении горных пород и охране зданий и сооружений. Конкретизированы основные вопросы разработки Старобинского месторождений калийных солей. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 1-51 02 01 {(Разработка месторождений полезных ископаемых» дневной и заочной форм обу­ чения, а также может быть полезно студентам специальности 1-36 10 01 «Горные машины и оборудование». УДК 622.34+622.1 (075.8) ББК 33 .141я73 ISBN 985—479—541—1 © Кологривко А.А., 2006 © БНТУ, 2006 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время разработка полезных ископаемых ведется от­ крытым, подземным, в том числе геотехнологическим, подводным способами, где наибольшее распространение получили открытый и подземный. С переходом на более глубокие горизонты открытый способ становится все менее выгодным или невозможным в связи с большей глубиной залегания месторождений. Таким образом, под­ земная разработка занимает важное место в обеспечении государст­ ва полезными ископаемыми. В Республике Беларусь подземным способом разрабатываются калийные соли на Старобинском место­ рождении. По сходству технологического процесса добычи месторождения полезных ископаемых можно выделить в следующие группы: руд­ ные и нерудные месторождения, месторождения угля и горючих сланцев, месторождения нефти и газа, месторождения торфа, рос­ сыпные месторождения. Условия залегания месторождений, физико-механические свой­ ства полезного ископаемого и пустых пород определяют существен­ ные различия методов добычи между этими группами и сходство внутри групп независимо от их вида. Например, схожесть техноло­ гии добычи калийных руд на Старобинском месторождении и пла­ стовых пологопадающих угольных месторождений, а технология добычи рудного и россыпного золота имеет значительно больше от­ личий, чем разработка железной руды и апатитов. В связи с этим, учебное пособие методически построено сле­ дующим образом: вначале комплексно рассмотрена технология под­ земной разработки пластовых месторождений, а затем, в широком понимании, - рудных. При рассмотрении вопросов разработки пла­ стовых месторождений конкретизируются основные вопросы разра­ ботки калийных пластов на Старобинском месторождении. Вопросы рассмотрены в четкой последовательности ведения подземных гор­ ных работ. Такое построение позволит обеспечить активное освое­ ние материала учебного пособия и подготовить студента к дальней­ шему изучению профилирующих дисциплин специальности. Цель учебного пособия - закрепить и углубить знания, получен­ ные студентом на лекционных и практических занятиях при изуче­ нии дисциплины «Подземные горные работы». 3 1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОТКРЫТОГО И ПОДЗЕМНОГО СПОСОБОВ РАЗРАБОТКИ Открытый способ разработки месторождений полезных ис­ копаемых по сравнению с подземным способом характеризуется следующими особенностями: - возможностью применения мощных, высокопроизводительных машин и механизмов с любым видом привода, что обеспечивает вы­ сокий уровень комплексной механизации и автоматизации ведения горных работ, высокую производительность труда и меньшую себе­ стоимость добычи полезного ископаемого; - отсутствием стесненных условий работы, достаточное количе­ ство света и воздуха, что обеспечивает высокую безопасность, ком­ фортность, лучшие санитарно-гигиенические условия, и большую производительность труда рабочих; - возможностью широкого применения селективной выемки, что обеспечивает более полное извлечение полезного ископаемого из недр; - удельные капитальные затраты и сроки строительства карьера меньше чем рудника или шахты такой же мощности; - производственную мощность карьера можно увеличивать в бо­ лее короткие сроки, чем рудника или шахты. Однако интенсивное применение открытой разработки сдер­ живается следующими существенными обстоятельствами, из-за которых подземный способ является предпочтительнее: - большая глубина залегания месторождений или сравнительно небольшая мощность залежей, вследствие чего приходится перера­ батывать большие объемы вскрышных пород, в несколько раз пре­ вышающие объемы добычи полезного ископаемого; - зависимость от климатических условий, что создает большие трудности при работе в районах с суровыми климатическими усло­ виями, особенно в зимний период, где выпадает много осадков, а также в районах с постоянно меняющимся климатом; - нарушение значительных площадей земли, в том числе сельско­ хозяйственных угодий, загрязнение атмосферы и гидросферы, что отрицательно влияет на изменение регионального микроклимата и водного режима, а в последствие на рекультивацию земель, и других способов устранения отрицательного влияния на окружающую сре­ 4 ду, расходуются большие материальные средства и трудовые ресур­ сы. Подземную разработку месторождений полезных ископаемых ведут горные предприятия - шахты и рудники, в пределах отведен­ ных для них частях месторождений. Ш ахта - производственная единица горного предприятия, пред­ назначенная для подземной разработки полезного ископаемого (преимущественно горючего - угли, сланцы, битума) в пределах от­ веденной для нее части месторождения (шахтного поля). Шахтное поле - месторождение или его часть, отводимая одной шахте для разработки полезного ископаемого. В случае разработки (преимущественно подземным способом) руд, горно-химического сырья, строительных материалов пользуют­ ся понятием «рудник». И в случае разработки месторождения руд­ ником обычно пользуются понятием «рудничное поле». Рудник - горное предприятие, предназначенное преимуществен­ но для подземной разработки полезного ископаемого (руд, горно­ химического сырья, строительных материалов) в пределах отведен­ ной для нее части месторождения (рудничного поля). 2. ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Полезное ископаемое - природное минеральное образование ор­ ганического или неорганического происхождения, которое может с достаточным экономическим эффектом использоваться человеком. Полезные ископаемые добываются из недр, вод и на поверхности Земли. Под добычей (добыванием) полезного ископаемого понимают извлечение его из недр с целью его использования. Под недрами понимают верхнюю часть земной коры, в пределах которой при современном уровне развития техники и технологии возможна добыча полезных ископаемых. В более широком смысле недра — глубины земли, простирающиеся от ее поверхности до цен­ тра и включающие земную кору, мантию и ядро. Месторождение полезного ископаемого - природное скопление полезного ископаемого. Месторождение считается промышленным, 5 если разработка его в данных экономических и географических ус­ ловиях, при современном уровне техники и технологии целесооб­ разна. По физическому состоянию различают полезные ископаемые твердые (уголь, руды металлов, горно-химическое и строительное сырье и др.), жидкие (нефть, минеральные воды и др.) и газообраз­ ные (горючие газы). Классификация месторождений полезных ископаемых основыва­ ется на важнейших природных свойствах и направлениях использо­ вания минерального сырья. Они разделяются следующим образом: - горючие полезные ископаемые (уголь, сланцы, бтумы); - руды черных металлов (железо, марганец, хром, титан, ванадий); - руды цветных металлов (алюминий, магний, никель, кобальт, медь, свинец, цинк, олово, вольфрам, молибден, висмут, сурьма, ртуть); - руды благородных металлов (золото, серебро, платина); - руды радиоактивных металлов (радий, уран, торий); - руды редких и рассеянных элементов (литий, цезий, рубидий, бе­ риллий, итгирий, скандий, германий, рений, таллий, галлий, кад­ мий, индий, селен, теллур); - руды химической промышленности (соли, фосфориты, апатиты, сера, полевой шпат); - руды индустриального сырья (барит, флюарит, асбест, тальк, гра­ фит, пьезо- и оптические минералы, слюда, кварц, корунд, наж­ дак); - флюсы и огнеупоры для металлургической промышленности (из­ вестняк, доломит, магнезит, глина); - природные строительные материалы (бутовый, блочный и облицо­ вочный камни, гравий, песок, известняк, глина, гипс, туф, ангид­ рит); - алмазы и камнесамоцветное сырье (алмаз, сапфир, рубин, алексан­ дрит, изумруд, аквамарин, турмалин, кварц, хризолит, гранит, пи­ роп, алмандин, циркон, агат, оникс, бирюза, лазурит, лунный и солнечный камни, орлец, яшма, гагат, янтарь). 6 2.1. Форма и геометрические параметры залежи полезного ископаемого Залежь полезного ископаемого представляет собой тело с про­ мышленным содержанием полезных компонентов, размещенное в массиве горных пород и ограниченное поверхностями раздела с вмещающими породами. Поверхности раздела (контакты) могут быть действительными или условными. Действительными поверхностями раздела зале­ жи, или поверхностями контакта с вмещающими породами, являют­ ся, например, поверхности стратиграфических напластований, по­ верхности магматических внедрений или поверхности разрывных нарушений. Условные поверхности раздела устанавливаются для вкрапленных руд и россыпных месторождений, когда орудинение не имеет четких границ и содержание полезного компонента в руде по краям залежи постепенно уменьшается. Для таких залежей на осно­ вании данных опробований проводят условные поверхности раздела залежи по точкам с заданным бортовым содержанием полезного компонента в руде. По своей форме залежи подразделяют на пластовые и пласто­ образные, столбообразные, линзообразные, жильные, изометриче­ ские, сложные. Пластовые и пластообразные залежи ограничены двумя прибли­ зительно параллельными поверхностями и занимают значительную площадь. Пластообразная залежь отличается от пластовой менее вы­ держанной формой и мощностью. Для нее характерна прерыви­ стость орудинения, наличие резких утонений и раздувов, выклини­ вание одних рудных тел по простиранию и появлению других на том же рудоносном горизонте. Столбообразные залежи имеют значительную протяженность по глубине и небольшие размеры в поперечном сечении. Разновидно­ стью столбообразных залежей являются трубообразные залежи «трубки». Линзообразные залежи в сечении представляют собой форму линз, мощность которых в центральной части достигает сотни мет­ ров. Жильные залежи сформировались в результате заполнения мине­ ральным веществом трещин в горных породах. Жилы по морфоло­ 7 гическому признаку делят на простые и сложные. Простая жила представляет собой одиночное тело пластообразной формы, имею­ щее четкий контакт с вмещающими породами. Сложные жилы име­ ют разнообразное строение и их называют линзообразными, если утолщения чередуются с утонениями или даже выклиниваниями; сетчатыми, если они состоят из большого числа сближенных тонких жил и прожилков, пересекающихся в разных направлениях; ветвя­ щимися, если слагающие их ветви в отличие от сетчатых, не пересе­ каются и располагаются в одном направлении (то сближаются и со­ единяются, то удаляются одна от другой). Изометрические залежи одинаково развиты во всех трех направ­ лениях в пространстве. К их числу относятся штокообразные и гнез­ дообразные залежи; карманы, погреба и другие мелкие тела. Часто они имеют неправильную форму, но все три их измерения в про­ странстве резко не отличаются. Штоки отличаются от гнезд боль­ шими размерами, достигаемые сотен метров. Размеры гнезд малы - до нескольких метров. Сложные формы залежей имеют изменчивую форму. Они часто нарушены сбросами, сдвигами, бывают изогнуты, перемяты, раз­ дроблены и т.п. Представление о форме залежи и ее положении в недрах получа­ ют путем обобщения и изображения на планах, разрезах и других графиках результатов наблюдений (измерений) в естественных и искусственных обнажениях элементов залегания. Элементы залегания залежи - совокупность линейных и угло­ вых величин, замеренные в определенных точках, по которым мож­ но представить форму и пространственное положение залежи и дать ее изображение. Для наглядности описания элементов залегания залежи рассмот­ рим пластовую залежь (пласт) (рис. 1). К элементам залегания кото­ рой относятся: простирание, падение, угол падения, угол простира­ ния, мощность, глубина залегания. Элементы залегания определя­ ются в конкретной точке «а» с координатами X,Y,Z. Горные породы, в которых залегает залежь (пласт), называют бо­ ковыми (вмещающими) породами. Горные породы, лежащие не­ посредственно над пластом, называют кровлей пласта. Горные по­ роды, лежащие непосредственно под пластом, называют почвой пласта. У крутых пластов почву часто называют лежачим боком, а 8 9 кровлю - висячим боком. Пластом принято называть геологическое тело, сложенное одно­ родной осадочной породой, ограниченное двумя приблизительно параллельными поверхностями и занимающее значительную пло­ щадь. Пласт имеет три измерения: длину, ширину и толщину, которые называют соответственно его простиранием, падением и мощно­ стью. Направление линии простирания АВ называется простиранием пласта, которое определяется углом простирания (им может быть дирекционный угол а, азимут истинный А, или магнитный Ам). Нанесение на план или карту измеренных линий по их азимутам выполняют с учетом магнитного склонения 8 и сближения меридиа­ нов 7 , т.е. по дирекционным углам а, которые определяются (рис. 2) а = А М + (± S) - (± у ) , градус, (1) где Ам - магнитный азимут линии, градус; 8 - склонение магнитной стрелки («+» - если восточное склоне­ ние, «-» - если западное), градус; 7 - сближение меридианов («+» - если восточное сближение, «—» - если западное), градус; (+ 8) - (+ у) - поправка направлений, градус. Линией падения CD называют линию перпендикулярную к ли­ нии простирания, лежащую в ее плоскости и направленную в сторо­ ну наибольшего уклона пласта. Направление линии падения называется падением пласта. Направление, противоположное падению пласта, называется вос­ станием. Линию, перпендикулярную к линии простирания пласта и лежащую в горизонтальной плоскости, называют линией вкрест простирания. 10 юРис. 2. Связь между истинным азимутом А, дирекционным углом а, магнитным азимутом Ам. АВ - направление измеренной линии Итак, простирание пласта определяется углом простирания, ко­ торый отсчитывается по ходу часовой стрелки до линии простира­ ния (в данном случае). Поэтому в определенных случаях, отсчиты­ вая угол простирания по ходу часовой стрелки, простирание может получиться в одну или другую сторону. Для исключения такой не­ определенности и получения однозначного направления простира­ ния в горной практике установлено: за направление линии прости­ рания принимают такое направление, относительного которого па­ дение пласта будет справа, а восстание, соответственно, слева. Углом падения O' называется вертикальный угол, составленный линией падения с горизонтальной плоскостью. Угол падения изме­ няется от 0 до 90°. По углу падения рудные залежи (в том числе в форме пласта) разделяют на: - пологие (или пологопадающие) (а до 25°, в том числе горизонталь­ ные с а до 3°); - наклонные (а от 25 до 45°); - крутые (или крутопадающие) (ос от 45 до 90°). 11 Угольные пласты по углу падения разделяют на: - пологие (а до 18°); - наклонные («от 18 до 35°); - крутонаклонные (а от 35 до 55°); - крутые (а от 55 до 90°). Мощностью пласта ш называется расстояние по нормали между кровлей и почвой пласта. Такую мощность еще называют нормаль­ ной (или истинной) (рис. 3). Рис. 3. Мощности пластовой залежи (пласта) Кроме этой мощности различают следующие: - горизонтальную мощность шг - кратчайшее расстояние в горизон­ тальной плоскости между кровлей и почвой пласта; - вертикальную мощность т в - расстояние по вертикали между кровлей и почвой пласта; - кажущуюся (видимую) мощность т к - расстояние между кровлей и почвой пласта, измеренное по данному направлению; - среднюю мощность т ср - частное от деления объема пласта на его площадь. Для пластов с непостоянной мощностью указывают крайние пре­ делы ее колебаний. 12 Мощность пласта в разных его точках различна. При определе­ нии мощности залегания ее относят к точкам кровли (на рис. 3 это точка «а»). По мощности различают следующие группы рудных залежей (в том числе в форме пласта): - весьма тонкие (ш менее 0,7 м); - тонкие ( т от 0,7 до 2 м); - средней мощности ( т от 2 до 5 м); - мощные ( т от 5 до 20 м); - весьма мощные (ш более 20 м). Угольные пласты по мощности разделяются на: - весьма тонкие (ш менее 0,7 м); - тонкие ( т от 0,71 до 1,2 м); - средней мощности (ш от 1,21 до 3,5 м); - мощные (in более 3,5 м). Различают пласты простого и сложного строения (рис. 4). Пласт простого строения имеет однородное строение (т.е. состоит только из полезного ископаемого). В пласте сложного строения полезное ископаемое разделяется на отдельные слои (пачки) прослойками по­ роды. Рис. 4. Схемы строения пла­ стов: а - простое строение; б - сложное строение m Мощность пластов сложного строения различают по следующим основным ее технологическим видам: полная, полезная, вынимае­ мая. Мощность пласта вместе с находящимися в нем прослойками породы называют полной мощностью. Полезная мощность пласта равна его полной мощности за вычетом суммы мощностей всех про­ 13 слойков породы. Суммарную мощность пачек полезного ископаемо­ го и прослойков породы, фактически вынимаемых при разработке, называют вынимаемой (рабочей, эксплуатационной) мощностью пласта. Группа пластов, залегающих совместно в порядке их генетиче­ ского образования, чередующихся с вмещающими пустыми порода­ ми и объединяющихся по единому геологическому признаку (чаще всего - по возрасту), представляют собой свиту пластов. Одна или несколько свит составляют продуктивную толщу. Глубиной залегания Н называется расстояние по вертикали от земной поверхности до кровли пласта. Если месторождение крутопадающее, то глубину указывают по вертикали от поверхности до верхней и нижней границ месторожде­ ния. Большинство залежей (в том числе пластовых) имеют непостоян­ ную мощность и угол падения к горизонтальной плоскости. Это объясняется тем, что в ходе диагенеза и метаморфизма в недрах воз­ никали тектонические движения, которые и привели к изменению первоначальной формы залежи. Изменения в залегании слоистой толщи горных пород называют тектоническими нарушениями (или дислокациями) (рис. 5). Тектонические нарушения разделяют на: пликативные (складча­ тые) и дизъюнктивные (разрывные). Рис. 5. Тектонические нарушения: а - пликативное; б - дизъюнктивное; в - флексура Пликативным называется нарушение в залегании слоистых, осадочных или эффузивных горных пород, при которых образуются волнообразные изгибы без разрыва их слоистости, возникшие в ре­ 14 зультате пластической деформации горных пород. К основным пли­ кативным нарушениям можно отнести складки. Дизъюнктивным называется нарушение в залегании горных по­ род, перемещение отдельных частей которых сопровождалось раз­ рывом сплошности пород. К основным дизъюнктивным нарушениям можно отнести: сброс, взброс, сдвиг, пересдвиг, а также трещинова­ тость. Кроме пликативных и дизъюнктивных нарушений нередко на­ блюдаются формы нарушений, которые по своему характеру явля­ ются переходными от пликативных к дизъюнктивным. Такие нару­ шения называют флексурами. Они могут проявляться и как само­ стоятельные формы. Широко распространенной формой пликативного нарушения яв­ ляется складка (рис. 6) - разнообразные по форме изгибы слоев по­ род (присущие слоистым породам). К геометрическим параметрам складки относятся ее элементы залегания - азимут или дирекцион- ный угол простирания; угол падения крыльев, шарнира (оси) склад­ ки и осевой плоскости; угол складки (рис. 6а) и размеры - длина, ширина, высота, амплитуда (рис. 66). Крылья складки (АВВ,АЬ DCQDi) - боковые части, поверх­ ность которых близка к плоскости. Замок складки (BGCQGiBi) - криволинейная часть поверхно­ сти, по которой происходит постепенный переход от одного крыла к другому. Пространство, заключенное внутри складки, называется ядром складки. Шарнир складки (EEi) - линия пересечения плоскостей крыльев складки. Угол складки (ВЕС, BiEjCi) - двугранный угол между плоско­ стями крыльев складки. Осевая плоскость (EE,F|F) - плоскость, проходящая через бис­ сектрисы углов и шарнир складки. Осевая плоскость (биссекторная плоскость) проходит внутри складки через точки, равноудаленные от обоих крыльев. Ось складки (GGi) - линия пересечения осевой плоскости с зам­ ком складки. По направлению падения крыльев относительно шарнира разли­ чают складки антиклинальные и синклинальные. 15 Рис. 6. Складка: а - элементы залегания складки; б - размеры складок Антиклинальной складкой (рис. 6а) называют изгиб слоев гор­ ных пород, обращенный замковой частью вверх. Падение крыльев и осевой плоскости направлено от шарнира складки. У антиклиналь­ ных складок породы в ядре имеют более древнее происхождение, чем породы на периферии. Синклинальной складкой называют изгиб слоев горных пород, обращенный замковой частью вниз. Падение крыльев и осевой 16 плоскости направлено в сторону шарнира складки. У синклиналь­ ных складок породы в ядре являются более молодыми, чем породы на периферии. У антиклинальной складки замковая часть называется седлом, у синклинальной - мульдой. Длиной складки £ называется расстояние вдоль оси складки ме­ жду контурами одного и того же стратиграфического горизонта на противоположных концах складки. Шириной (горизонтальным размахом) складки b называется расстояние между срединными частями крыльев складки, измерен­ ное по одному и тому же слою, или расстояние между осевыми ли­ ниями двух соседних антиклиналей или синклиналей. Антиклинальные и синклинальные формы складок, у которых длина складки в 2 - 5 раз больше ее ширины, называются соответст­ венно брахиантиклиналь и брахисинклиналь. Высотой (вертикальным размахом) складки h называется расстояние по вертикали между замком антиклинали и замком смежной с ней синклинали, определяемое по одному и тому же слою. Амплитудой складки а называется кратчайшее расстояние между касательными плоскостями к верхнему и нижнему замкам одного и того же слоя двух соседних складок, измеряемое по осевой плоскости складки. Теперь перейдем к рассмотрению дизъюнктивных нарушений. В результате тектонических движений в земной коре возникают напряжения, которые при превышении предела прочности пород приводили к нарушению сплошности и образованию в них разрывов. Разрывы сплошности пород проявляются вначале в виде трещин скола или отрыва. При дальнейшем действии сил трещины, на концах которых обычно концентрируются напряжения, объединялись и перерастали в разрывные нарушения. Таким образом, для дизъюнктивного нарушения характерно наличие поверхности (трещины смещения), по которой произошли разрыв и последующее перемещение блоков. Эта поверхность называется сместителем. (рис. 7). У разрывных нарушений с наклонным (рис. 7а) и горизонтальным сместителем различают висгяче.е лежачее крыло. Блок пород, Цны его висячего 17 бока, т.е. находящийся над сместителем, называют висячим крылом, а прилегающий к смесителю со стороны его лежачего бока, т.е. находящийся под сместителем, — лежачим крылом. Рис. 7. Вертикальный разрез разрывного нарушения: а - с наклонным сместителем; б - с вертикальным сместителем У разрывных нарушений с вертикальным сместителем (рис. 76) также различают висячее и лежачее крыло. Относительно приподнятое крыло называют висячим, а относительно опущенное- лежачим. Линии пересечений плоскостей лежачего и висячего крыльев с плоскостью сместителя называют линиями скрещения (обреза) залежи (рис. 8). При большой мощности залежи нужно различать линию обреза по кровле и линию обреза по почве для каждого крыла в отдельности. Таким образом, крылья, сместитель и их линии пересечения являются основными элементами смещения. К основным геометрическим параметрам разрывного нарушения относятся линейные параметры (амплитуды ОСЬ; координаты точки наблюдения О) и угловые (углы простирания и падения крыльев залежи а р , б р ; углы простирания и падения сместителя cxq , 5 q ; угол дизъюнктивы V; угол вектора условного перемещения |3 ). Расстояние между двумя бывшими ранее смежными точками (OOi) называют амплитудой. 18 Углом дизъюнктива V называется линейный угол двугранного угла между плоскостями лежачего или висячего крыла и сместите­ лем. Рис. 8. Схема основных геометрических параметров разрывного нарушения. АВ, CD - линии скрещения залежи Важным показателем перемещения той или иной части разрывно­ го нарушения является вектор условного перемещения R , характеризующийся величиной перемещения (ООО и направлением перемещения ( р ). Вектор R расположен в плоскости смесителя и направлен от данной точки О линии обреза лежачего крыла к точке Oi линии обреза висячего крыла по кратчайшему расстоянию между ними. Величину угла р принято отсчитывать от линии падения плоскости смесителя против хода часовой стрелки до направления вектора R . 19 В зависимости от значения угла (3 выделяют следующие основ­ ные типы смещений (нарушений): - сброс - смещение висячего крыла вниз (по отношению к лежачему) по направлению падения сместителя (Р = 0°); - взброс - смещение висячего крыла вверх (по отношению к лежа­ чему) по направлению восстания плоскости сместителя (р = 180°); - сдвиг - смещение висячего крыла (по отношению к лежачему) по направлению простирания сместителя (р = 90°); - пересдвиг - смещение висячего крыла (по отношению к лежачему) по направлению, противоположному простиранию сместителя (Р = 270°). К одним из разновидностей дизъюнктивных нарушений относит­ ся трещиноватость - разрывы сплошности горных пород на блоки (отдельности) совокупностью разрывных плоскостей определенного направления (трещинами) без значительного относительного пере­ мещения по ним блоков. 2.2. Классификация запасов полезных ископаемых Запасы полезных ископаемых подсчитывают по наличию их в недрах без учета потерь при добыче, обогащении и переработке. Со­ став и свойства полезных ископаемых определяют в их природном состоянии. Запасы природных строительных материалов выражают в куби­ ческих метрах. Запасы руд благородных металлов выражают в кило­ граммах. Запасы других руд и горючих полезных ископаемых выра­ жают в тоннах (для руд черных металлов, кроме их количества по массе, указывают также и среднее содержание в них металла; для руд цветных металлов, кроме запасов руд подсчитывают и запасы металла в тоннах). Все запасы полезного ископаемого в пределах выявленной части месторождения называются геологическими (рис. 9). Их классифицируют по трем признакам: пригодности к промыш­ ленному освоению, степени изученности, готовности к промышлен­ ному освоению. 20 По пригодности к промышленному освоению геологические за­ пасы делят на: балансовые и забалансовые. Горная масса ~7---- 7*-----7 ---- Г ---- У- Проектные потери - / <п), / Т / / — Т Забалансовы е запасы / / ( ^ 3) / Рис. 9. Схема разделения запасов полезных ископаемых По степени изученности месторождений (т.е. Разведанности ме­ сторождения. качества сырья и горнотехнических Условий разработ­ ки) запасы полезных ископаемых разделяют на: разведанные - кате­ гории А, В, Ci и предварительно оцененные - категория С2. По готовности к промышленному освоению запасы месторожде­ ний разделяют на: вскрытые, подготовленные, готовые к выемке. Балансовые запасы Zk - запасы, разработка Которых экономи­ чески целесообразна при существующем уровне техники и техноло­ гии (т.е. это запасы удовлетворяющие требованиям кондиций). Забалансовые запасы Z, - запасы, разработка которых в на­ стоящее время экономически нецелесообразна вследствие малого 21 количества, малой мощности, низкого содержания ценных компо­ нентов, особой сложности условий эксплуатации, необходимости применения очень сложных процессов обогащения, но которые в дальнейшем могут быть объектом промышленного освоения (т.е. это запасы не удовлетворяющие требованиям кондиций). Итак, разграничение балансовых и забалансовых запасов осуще­ ствляется на основе кондиций. Кондиции на полезное ископаемое - комплекс требований к ко­ личеству и качеству полезного ископаемого, отражающих техниче­ скую возможность и экономическую целесообразность промышлен­ ного его использования в течение определенного периода (мини­ мальное количество полезного ископаемого в недрах, пригодное для промышленного его использования; бортовые и минимальное про­ мышленное содержание полезных компонентов; максимальное до­ пустимое содержание вредных компонентов в полезном ископае­ мом, минимальная мощность залежи и т. п.). Кондиции для подсчета запасов разрабатываются применительно к отдельным месторождениям полезных ископаемых (или для групп месторождений с аналогичными условиями) самими предприятиями или соответствующими научно-исследовательскими организациями. Определение кондиций является весьма сложным вопросом, и пра­ вильное решение его возможно только при совместном участии вы­ сококвалифицированных геологов, горняков, обогатителей, эконо­ мистов. В процессе разработки полезных ископаемых часть балансовых запасов не может быть разработана и соответственно остается в не­ драх, т.е. теряется. Потерями полезного ископаемого называется часть балансовых запасов, безвозвратно оставленная или не извлеченная из недр при разработке месторождения, добытая и отправленная в породные от­ валы, оставленная в местах складирования, погрузки и т. д. Потери, предусматриваемые проектом, называются проектными потерями П. Они делятся на: общешахтные и эксплуатационные. К общешахтным потерям относят потери в предохранительных (охранных) и барьерных целиках. К эксплуатационным потерям относят потери связанные с техно­ логией ведения горных работ. К ним относят также потери по геоло­ гическим и гидрогеологическим причинам. 22 Величина потерь оценивается в процентах или выражается в виде коэффициента потерь. Промышленными запасами Z называется часть балансовых за­ пасов, которая извлекается на поверхность при полной отработке месторождения. Т. е. промышленные запасы получают путем ис­ ключения из балансовых запасов проектных потерь. Кроме полезного ископаемого при разработке извлекают и пус­ тые породы. Часть из них выдается на поверхности отдельно от по­ лезного ископаемого, а часть смешивается с ним в процессе выемки. Выдаваемое на поверхность полезное ископаемое с примешанной пустой породой называют рудной массой, а совокупность рудной массы и пустых пород, выдаваемых отдельно от руды- горной мас­ сой. Примешивание породы к полезному ископаемому и происходя­ щее в результате этого снижение качества добытого полезного ис­ копаемого по сравнению с природным называют разубоживанием. Количество полезного ископаемого, добываемого из месторож­ дения, оценивается коэффициентом извлечения С, который пока­ зывает какую часть балансовых запасов выдают на поверхность. Его можно рассчитать из величины проектных потерь, которые преду­ сматриваются к безвозвратному оставлению в недрах при полной отработке запасов ^ zС = ——, д. ед. (2) или С = 1 -0 ,01 -П , д. ед. (3) При разработке одиночного пласта промышленные запасы шахт­ ного поля, имеющие форму правильного прямоугольника, можно ориентировочно подсчитать по формуле Z = S • Н • т Ср • р ср • С , т, (4) где S, Н - размеры шахтного поля соответственно по простиранию и падению, м; т<;р - средняя мощность пласта, м; р ср - средняя плотность полезного ископаемого, т/м3. 23 Произведение средней мощности пласта на среднюю плотность полезного ископаемого называется производительностью пласта р Р ~ m ep ’ Рер > т/м2- (5) Срок существования горного предприятия Т - время, в тече­ ние которого будут извлекаться промышленные запасы Т = - f -, год, (6) А где А - производственная мощность горного предприятия, т/год. Производственная мощность г о р н о г о предприятия А - мак­ симально возможная в реальных условиях добыча полезного иско­ паемого установленного качества в единицу времени (сутки, год), определяемая исходя из условий производства в рассматриваемом периоде на основе наиболее полного использования оборудования, рационального режима работы, эффективной технологии и органи­ зации производства при соблюдении требований безопасности и правил технической эксплуатации. Производственная мощность не является величиной постоянной. Под влиянием изменения горно-геологических условий, технологи­ ческого прогресса, возможной реконструкции она может меняться во времени. Теперь перейдем к рассмотрению геологических запасов по сте­ пени изученности (категории А, В, С] и С2). Категория А - запасы, детально разведанные с помощью сква­ жин и горных выработок; имеются все данные о качестве полезного ископаемого. Категория В - запасы, разведанные с помощью разведочных вы­ работок; выявлены основные особенности залегания и качества по­ лезного ископаемого без точного оконтуривания участков с конди­ ционными и некондиционными запасами. Категория Ci - запасы, определенные на основании более ред­ кой сети буровых скважин или разведочных выработок и экстрапо­ ляции по геологическим и геофизическим данным; условия, опреде­ ляющие ведение эксплуатационных работ, выяснены в общих чер­ тах. 24 Категория С-> - запасы, предварительно оцененные по геологи­ ческим данным; контур категории принят по данным примыкающих разведанных участков. При проектировании горного предприятия для определения пер­ спектив их развития наряду с запасами категорий А, В, Q и С2 учи­ тывают прогнозные ресурсы категорий Рь Р2 и Р3. Составление проектов и финансирование строительства и рекон­ струкции горных предприятий разрешается при определенном соот­ ношении запасов различных категорий и групп месторождений по степени сложности - 1, 2, 3, 4. Планомерная и эффективная разработка месторождения возмож­ на при условии строгой увязки во времени и в пространстве вскры­ тия, подготовки и очистной выемки и при обеспеченности горного предприятия достаточными запасами вскрытого, подготовленного и готового к выемке полезного ископаемого. В связи с этим запасы классифицируют по готовности к промышленному освоению. Вскрытые запасы - промышленные запасы месторождения или его части, находящиеся выше горизонта подсечки капитальными вскрывающими выработками, из которых намечается проведение подготовительных горных выработок. Подготовленные запасы - часть вскрытых запасов на участках, в которых пройдены все подготовительные горные выработки, пре­ дусмотренные проектом принятой системы разработки и дающие возможность начать проведение нарезных выработок. Готовые к выемке - часть подготовленных запасов на участках, в которых пройдены все нарезные выработки и устранены различ­ ные причины, которые могут задержать начало очистной выемки. При текущем учете промышленных запасов действующего гор­ ного предприятия они подразделяются еще и по степени возможно­ сти вовлечения их в добычу на активные и неактивные запасы. К активным относятся не только готовые к выемке запасы, но и та часть промышленных запасов, которые готовы для перевода их в более высокие категории, например, от вскрытых к подготовленным или от подготовленных к готовым к выемке запасам. К неактивным относят те части различных категорий промыш­ ленных запасов, которые в ближайшее время не могут быть выну­ тыми или подготовленными без выполнения специальных работ. 25 Это запасы во временных целиках, временно заваленные, временно затопленные и т.п. Наличие достаточного количества вскрытых, подготовленных и готовых к выемке запасов необходимо для того, чтобы: - по мере отработки одних выемочных участков месторождения своевременно и планомерно развивать добычу на других участках в количестве и с качеством, установленными проектом; - иметь резервные выемочные участки на случай временного пре­ кращения работ по вскрытию и подготовке или необходимости увеличения размера добычи, установленного проектом; - иметь запас времени для эксплуатационной разведки частей место­ рождения, вводимых в эксплуатацию. 2.3. Характеристика Старобинского месторождения калийных солей В настоящее время на Старобинском месторождении калийных солей работы ведут четыре рудоуправления 1РУ, 2РУ, ЗРУ, 4РУ РУП «ПО «Беларуськалий» (рис. 10). В состав рудоуправления вхо­ дит рудник и обогатительная фабрика. Ведется строительство Крас­ нослободского рудника. Переработка руд на хлористый калий осу­ ществляется на 1РУ, 2РУ, ЗРУ флотационным методом, на 4РУ - галургическим. Старобинское месторождение калийных солей площадью около 350км2 расположено в пределах Солигорского, Любанского и Слуц­ кого районов Минской области Республики Беларусь. В геологиче­ ском строении месторождения принимают участие осадочные ком­ плексы палеозойских, мезозойских и кайнозойских отложений. Соб­ ственно соленосная толща приурочена к фаменскому ярусу верхнедевонской формации палеозойских отложений. Кровля толщи залегает на глубине ЗОО-бООм. Мощность толщи в центре месторож­ дения составляет 550-880м, а на периферии выклинивается до нуля. Калийная залежь в соляной толще простирается в направлении, близком к широтному, падение пластов - северо-восточное (угол падения до 6°). Залежь состоит из четырех калийных горизонтов - с первого по четвертый (сверху вниз). Первый горизонт расположен в основном в центре месторожде­ ния. Кровля его залегает на глубине 350-620м. Мощность горизонта 26 2-7 м. Содержание КС1 составляет 19%, а нерастворимый остаток НО - 19-21 %. В настоящее время ведутся работы по изысканию ра­ циональных технологических схем отработки горизонта и техниче­ ских решений по разработке специального очистного оборудования. Второй горизонт мощностью 1-4,4м залегает на глубине 370-700м. Содержание КС1 составляет 27-32%, а нерастворимый остаток НО- 3-8%. Горизонт представлен двумя (верхним и нижним) слоями сильвинита и одним (средним) слоем каменной соли (галита). Строение разрабатываемого калийного пласта представлено на рис.11. Мощность пласта 2,1-2,8м. В пределах шахтных полей дей­ ствующих рудников горизонт в значительной степени разработан. Третий горизонт распространен по всех площади месторождения и включает три пласта: верхний сильвинитовый (с включением кар­ наллита), средний глинисто-карналлитовый, нижний сильвинито­ вый. Мощность верхнего пласта 1-4,5м, среднего 4,5-17м, нижнего 7-8м. Нижний пласт - промышленный. Он состоит из шести (снизу вверх) сильвинитовых слоев, разделенных пластами каменной соли. Пласты включают прослойки галопелитов, мощность которых воз­ растает в направлении к кровле пласта в восточной и северо- восточной частях. Слой VI включает гнезда карналлита и глинисто- карналлитовых отложений. В разработке находятся слои II, III, и IV суммарной мощностью 4-4,8м. Содержание КС1 составляет 21-24% (в сильвинитовых слоях 26,9-48,8%), нерастворимый остаток НО - 2-10%. Местами V и VI слои сильвинита замещены галитом и кар­ наллитом. Низкий пласт залегает на глубине 350-1200м. Глубина разработки составляет 585-800м. Галеопелитовые прослойки в пре­ делах третьего калийного горизонта имеют мощность от долей мил­ лиметра до 100мм. Суммарная их мощность достигает 0,6м. 27 ¥i f I J н / / У * / Г-У-Ц I У / - 1 a « г $ // ) ! / Л 1 i ■ / ; / / { 's\ 4 X / / // 1=4/ I д / w . t-HvH,/> r :/: Г S> 1 *V I b4s s / » I / / / > /К T i f c " " " i i, Л'&У 1 X/ X>ss оa<оH Z «О 2 омоSsюо §-sн о <Я 24>X и Й ^ Ё 51 § s g. £• ° 2 о 2 2 и. ° * 1 1 § "3 тата * Я Й Я сЗя я а д5 5 5 35 Щ К Ясч я* Sд1)а - £• 0 кЬй с> S s1 мч о >> S S- £ Й § О н Яо. I I 28 Гори­ зонт Пласт Разрез Наимено­ вание слоев Мощ­ ность, н Содержание компонентов, % ка НО II Второй калий* ный о ч_> ч-/ Vw/ Кровля О/ у у у т Ч> V г Верхний сильвини- товый 0,72-0,95 36,4-38,7 3,9-5,1 V_> *_/ V-У V-/ ч_/ Средний галитовый 0,47-0,79 3,2-4,0 4,4-11,4 r t f у уV V у Нижний сильвини- товый 0,87-1,05 36.6Ш.2 3,9-4,7 Ш Третий калий­ ный Кровля у * Г У ч> VI 0,17-0,30 L/ u Ч-/ ^ ч—^ ч~'' v—'/ V-VI 0,60-0,80 Уу ц) у V 0,15-0,30 ч_/ ч_> W/ ^ ч_/ <<_✓ IV-V 0,60-0,75 у у г т Y f Y Y IV 0,80-1,40 31,5-32,5 5,8-6,6 s«/ v-> V_/ v_^ Ш-IV 1,15-1,30 2,6-2,8 4,6-11,5 Ч' H' f 4> 4> г у у ш 0,80-0,90 36,1-37,5 4,8-5,2 ^ О U ^ п-ш 0,60-0,65 6,3-6,6 3,2-10,1 ш ЦУ ^ T Vp vp 4> y у 1 0,65-0,70 46,1-45,6 2,5-2,6 ^ V/ v»/ ^ 1-П 0,60-0,70 У f ' r r f у Y r I 0,18-0,20 к г и I- -|2 II з Ш Ш ч Рис. 11. Строение промышленных калийных пластов Старобинского месторож­ дения: 1 - сильвинит, 2 - галит (каменная соль), 3 - карналлит, 4 - глина 29 В настоящее время на 1РУ организована добыча и переработка каменной соли. Пласт каменной соли в районе опытного участка располагается на глубине 420-480 м и представлен чередованием слоев каменной соли и глин. Общая мощность разрабатываемого пласта 5,89 м. Содержание NaCl в пласте изменяется от 90,2 до 99,46%, нерастворимого остатка НО - от 0,27 до 7,38%. Характерными геологическими нарушениями калийных пластов Старобинского месторождения являются тектонические трещины и мульды. К ним приурочены газодинамические явления. Они проис­ ходят в виде внезапных и искусственно инициированных выбросов соли и газа, обрушений пород кровли, сопровождающихся газовы- делениями, и отжимом призабойной части пород, сопровождаю­ щихся звуковыми эффектами, разрушением и выносом разрушен­ ной породы в горную выработку. К трещинам часто приурочены скопления природных газов. Они являются естественными путями фильтрации газов при нарушении геомеханического равновесия в процессе ведения горных работ. Старобинское месторождение обрамлено крупными тектониче­ скими зонами, которым сопутствуют более мелкие дизъюнктивные нарушения, и разбито на блоки с различной амплитудой смещения. Большинство тектонических трещин локализуется в краевых частях шахтных полей в непосредственной близости от тектонических на­ рушений. Интенсивность появления трещин возникает в значитель­ ной степени по мере приближения к разрывным нарушениям. Тре­ щины имеют протяженность от десятков до нескольких сотен мет­ ров. Ширина трещин изменяется в пределах 1-5 см. Внезапные и искусственно инициированные выбросы соли и газа происходят только при вскрытии горными выработками локальных геологических нарушений в виде мульд, встречающихся при веде­ нии горных работ на Третьем калийном горизонте. Они имеют от­ носительно небольшие размеры в плане - 20-3 5м. Горизонтальное сечение мульд имеет форму близкую к эллипсу или кругу, а верти­ кальное сечение дает воронкообразную форму. Углы падения слоев соляных пород изменяются от пологих (не более 5-6°) - в краевых частях мульды до крутых (30-80°) - вблизи ее центра. Для большин­ ства мульд характерно наличие ядра, представляющего собой сфе­ рическое или изометрическое образование из перемятых и переме­ шанных пород. Обломки соляных пород в ядре представлены ка­ 30 менной солью и карналлитом, заполняющий материал - галопели- ты. Размеры обломков изменяются от 0,1 до 1 м. В области мульды отмечаются системы концентрических и радиальных трещин, за­ полненных галитом, сильвином и карналлитом, увеличивается ко­ личество разноориентированных прожилок. В пределах мульд все­ гда наблюдаются признаки выщелачивания и замещения сильвини­ тов, карналлитов и каменной соли, которые фиксируются по уменьшению мощности слоев, их «выклиниванию», изменению хи­ мического и минерального состава пород. В различной степени эти процессы проявляются в большинстве слоев сильвинита, карналли­ та и каменной соли. Мульды образовались в результате воздействия на породы Третьего горизонта агрессивных вод рассолов, недонасыщенных по тем или иным компонентам. Такое воздействие приводит к форми­ рованию зон измененных пород, которые характеризуются набором соответствующих признаков. Наиболее ярко эти признаки проявля­ ются в центральных частях мульд, на периферии они сглаживаются из-за естественной эволюции состава водных растворов. Плотность калийных солей колеблется в пределах 1,8-2,4 т/м3. Коэффициент крепости f соляных пород Старобинского месторож­ дения 2-4. Естественная влажность сильвинитов и каменной соли составляет 0,3 и 0,4%, влажность галитовых прослоев в 30-40 раз выше. Газоносность пород Старобинского месторождения по горю­ чим газам относительно невелика и не превышает 0,4 м3/м3. Калий­ ная пыль, образуемая при ведении горных работ, инертна и не пред­ ставляет опасности с точки зрения ее воспламенения. 3. ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА ПЛАСТОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 3.1. Стадии разработки месторождений Извлечение полезных ископаемых подземным способом предпо­ лагает три основные стадии: - вскрытие запасов шахтного поля; - подготовка запасов (или их части) к отработке; - очистная выемка подготовленных запасов. 31 Совокупность работ по вскрытию, подготовке месторождения и очистной выемке называют подземной разработкой полезных ис­ копаемых. Вскрытием называют обеспечение доступа с поверхности земли к месторождению (или его части) путем проведения горных выра­ боток для создания условий подготовки полезного ископаемого к выемке. Горные выработки, проводимые для вскрытия, называют вскрывающими. Их делят на главные (которые проводят с поверх­ ности земли) и вспомогательные (которые не имеют непосредст­ венного выхода на поверхность и служат для вскрытия пласта от главных вскрывающих выработок). К главным вскрывающим выработкам относят: вертикальные и наклонные стволы, штольни, шурфы, скважины большого диаметра. К вспомогательным вскрывающим выработкам относят: квер­ шлаги, слепые стволы, гезенки, в исключительных случаях - бремс­ берги и уклоны. Подготовкой называют проведение горных выработок после вскрытия, обеспечивающих условия для ведения очистной выемки. Горные выработки, проводимые для подготовки, называют под­ готовительными. К ним относят: штреки, орты, бремсберги, укло­ ны, ходки, промежуточные квершлаги, промежуточные гезенки. Очистной выемкой называют комплекс работ по извлечению полезного ископаемого в очистном забое (лаве, камере, полосе, рас­ коске). Период ведения очистных работ на горном предприятии назы­ вают эксплуатацией месторождения. Технологическая схема горного предприятия включает в себя вскрытие, подготовку, очистную выемку, транспортирование и подъем на поверхность полезного ископаемого, проветривание гор­ ных выработок и поверхностный комплекс. 3.2. Сдвижение вмещающих пород и земной поверхности. Предохранительные целики Горные выработки и пустоты, образовавшиеся после выемки по­ лезного ископаемого, заполняются со временем обрушающимися породами, в результате чего масса пород над месторождением мо­ 32 жет деформироваться и оседать. Этот процесс называется сдвиже­ нием горных пород. Сдвижение вызывает плавное оседание зем­ ной поверхности, без разрыва ее сплошности, либо резкое, со зна­ чительными смещениями и обрушениями - провалами. Процесс сдвижения г орных пород, достигая земной поверхности, деформирует ее и находящиеся на ней здания и сооружения. Рас­ смотрим основные параметры, которые характеризуют процесс сдвижения земной поверхности (рис. 12). При выемке части пласта а б г в процесс сдвижения горных по­ род достигает поверхности земли, вызывая ее деформацию. Часть земной поверхности АГБВ, подвергшаяся этим деформациям (сдвижениям) называется мульдой сдвижения. В мульде сдвижения выделяют два главных сечения, проходя­ щих через точку максимального оседания О по простиранию АБ и падению ВГ пласта (в данном случае падение условное, поскольку пласт залегает горизонтально). В этих сечениях размеры мульды сдвижения определяют с помощью углов: граничных 50, р 0,у 0; сдвижения 5, р, у; разрывов 5 , Р , у ; максимального оседания 0 ; полных сдвижений xi/j, v(/2, \)/3; сдвижения в наносах ф0,(р,(р. При Д1 » Н (разрез A-В), в главном сечении мульды сдвижения образуется плоское дно без возрастания максимального оседания при дальнейшем увеличении размеров Дь Такой случай подработки называют полной подработкой земной поверхности. При Д2 < Н (разрез В-Г), в главном сечении мульды сдвижения образуется вогнутое (криволикое) дно с возрастанием максимально­ го оседания при дальнейшем увеличении Д2. Такой случай подра­ ботки называют неполной подработкой. При увеличении угла наклона пласта, точка О смещается в сто­ рону его падения. Глубина, при которой и ниже горизонта которой горные работы не вызывают в сооружениях деформаций более допустимых, назы­ вается безопасной глубиной разработки Hfi. Она определяется в зависимости от величины допустимой деформации для охраняемого сооружения. 33 34 Ри с. 12 . Сх ем а сд ви ж ен ия го рн ы х по ро д пр и го ри зо нт ал ьн ом за ле га ни и пл ас та Если для охраняемого сооружения в качестве допустимой при­ няты: - горизонтальные деформации, то Н 6 = К е - - 2 - , м ; (7) М - если наклоны, то Н , = К , ~ , м , (8) [>.] где m - вынимаемая мощность пласта, м; [ед], [У - допустимые величины соответственно горизонталь­ ных деформаций и наклонов; К*, К; - коэффициенты, определяемые для каждого вида охра­ няемого сооружения в соответствии с «Правилами охраны». Безопасная глубина откладывается от охраняемого объекта вниз по вертикали. Разработка пласта ниже горизонта безопасной глуби­ ны может производиться без специальных мер охраны сооружений на поверхности. Разработка пласта выше горизонта безопасной глубины вызыва­ ет необходимость принятия мер, обеспечивающих их сохранность. К основной мере охраны относят оставление предохранительного целика под охраняемый объект. Рассмотрим последовательность его построения (рис. 13). На нижнюю часть листа чертежной бумаги наносят выкопировку из пласта контура AEDC охраняемой площади, линии координатной сетки и направление падения пласта. Сверху строят вертикальные геологические разрезы I-I (вкрест простирания) и II II (по простиранию), проходящие через центр О охраняемой площади. От точек О и О этих разрезов откладывают размеры охраняемой площади и получают точки С (A), D(E), А (Е ), С (D ). Кроме того, от поверхности земли вниз по вертикали откла­ дывают вычисленное значение Нб и получают горизонт безопасной глубины. Для построения контура целика сначала на разрезе I-I из точек С (А) и D(E) проводят линии под углом ф к горизонту в пределах наносов и, далее, в пределах коренных пород - до почвы пласта со­ ответственно под углами сдвижения у и /3 и получают точки 4(1), 35 УРис. 13. Построение предохранительного целика под здание 36 3 (2 ) на нижней и верхней границах целика (в данном случае ниж­ няя и верхняя границы условные, поскольку пласт залегает гори­ зонтально). Аналогичным образом на разрезе II-II из точек А (Е") и С (D ) в пределах наносов проводят линии под углом ф к горизонту и, далее, по коренным породам - под углом сдвижения 5. Проецируя верхнюю и нижнюю границы целика с разреза I-I на разрез II—II, получают размеры целика 1 (2 ) и 4 (3 ) по простиранию пласта соответственно в верхней и нижней его границах. Затем из­ вестным из начертательной геометрии способом строят контур 1234 целика в плане. Охране подлежит часть целика, расположенная вы­ ше горизонта безопасной глубины. 3.3. Вскрытие и подготовка месторождений 3.3.1. Деление шахтных полей на части Границами шахтного поля являются условные поверхности, ог­ раничивающие его по простиранию и падению. Шахтные поля мо­ гут иметь самую разнообразную конфигурацию (при невыдержан­ ных элементах залегания пласта, при крупных геологических нару­ шениях, при наличии соседних шахтных полей и т.п.) и наиболее распространенную - прямоугольную вытянутую по простиранию (при выдержанных элементах залегания пласта). Длина шахтного поля по простиранию достигает 20 км, по падению 5 км, а наиболее распространенные соответственно 6-7 км и 2-3 км. Для обеспечения рациональной и экономически эффективной отработки запасов шахтное поле делят (раскраивают) на более мел­ кие части. Они должны иметь приблизительно одинаковые геомет­ рические размеры, приблизительно одинаковую продолжительность отработки, одинаковые функциональные особенности. Это позволя­ ет придать системный и последовательный характер отработки за­ пасов шахтного поля. В конечном счете оно должно способствовать уменьшению объемов проведения и поддержания горных вырабо­ ток, повышению безопасности работ и снижению затрат на вскры­ тие и подготовку шахтного поля. Шахтные поля делят на горизонты и блоки (рис. 14), а также на горизонты и крылья (рис. 15). 37 Г о р и з о н т о м называют часть шахтного поля, ограниченную по простиранию границами шахтного поля, а по падению и восстанию соответственно верхней и нижней границами шахтного поля или горизонтальными разделяющими плоскостями (например, граница­ ми смежных горизонтов). Блоком называется часть шахтного поля имеющая отдельные стволы для поступающей и исходящих струй воздуха для самостоя­ тельного секционного проветривания, спуска-подъема людей, обо­ рудования и материалов. А-А граница шахтного пяля_ j l tOPUiOHm. (.5р&мсберго£ое поле) горизонт. ( у ка о иное, п о л е ) V / 1 * \ £ | |Iq I ^ I I / I / '___ /___ L___ /__ I Рис. 14. Деление шахтного поля на горизонты (а) и блоки (б) Рис. 15. Деление шахтного поля на горизонты и крылья 38 Крылом называется часть шахтного поля, ограниченная по вос­ станию и падению границами шахтного поля, а по простиранию- границей шахтного поля и вертикальной плоскостью, проведенной вкрест простирания пласта и проходящей через главные вскрываю­ щие выработки. Горизонты делят на более мелкие части: этажи, панели, длинные столбы по простиранию, падению, восстановлению пласта (рис. 16). Панели в свою очередь делят на ярусы. Этажи и ярусы можно де­ лить на подэтажи и подъярусы. Возможны и другие варианты деле­ ния горизонтов на конкретном месторождении. / эт \ож. -тол$ стол^ - s) N. Т У :1 \l яррс :r __ I панель L. T ~ T T -"1- I _ C T CTOaS 1 -i- 1 Li I I i f: i---------------- 1 - + - I i i ч» i jilt — -h- i i^i 1 § 1 i S i - 4 - 4 I i|ki I 1 1 i! 1 I I u I ------ 1 Рис. 16. Деление горизонтов на: этажи (а); панели (б); длинные столбы вытяну­ тые по падению или восстанию (в); длинные столбы вытянутые по простиранию (а) 39 3.3.2. Способы и схемы вскрытия шахтных полей. Вскрытие шахтных полей Старобинского месторождения Каждая шахта (рудник) по условиям безопасности должна иметь не менее двух отдельных выходов на поверхность. Для большинст­ ва горных предприятий выходами на поверхность служат стволы. Ствол - подземная вертикальная или наклонная горная выра­ ботка, имеющая непосредственный выход на поверхность и предна­ значенная для подъема полезного ископаемого и пустой породы, спуска и подъема людей, различных грузов, вентиляции, электро­ снабжения, водоотлива и других технических целей. Шахтные (рудничные) поля вскрывают различными способами в зависимости от геологических, горнотехнических и экономических факторов. Способ вскрытия - совокупность вскрывающих выработок в шахтном поле относительно элементов залегания пласта с учетом их функционального назначения. Способы вскрытия делятся на группы: - способ вскрытия вертикальными стволами; - способ вскрытия наклонными стволами; - штольневой способ вскрытия; - комбинированный способ вскрытия. Вскрытие вертикальными стволами является наиболее универ­ сальным и распространенным (рис. 17) в отличие от наклонных (рис. 18). Квершлаг - подземная горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность, пройденная по вмещающим породам вкрест простирания месторождения от ствола и предназначенная для обслуживания подземных горных работ (транспортирования полезного ископаемого и пустой породы, перемещения рабочих, водоотлива, прокладки электрических кабе­ лей и других технических целей). Ш трек - подземная горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и проведенная по простиранию полезного ископаемого (при наклонном его залега­ нии) или в любом направлении (при горизонтальном его залегании). 40 Рис. 17. Вскрытие пластов вертикальными стволами; а - пологий пласт, б - крутые пласты; 1 - стволы, 2 - квершлаг, 3 - откаточные штреки, 4 - уклон (поле­ вой), 5 - гезенк (восстающий), 6 - бремсберг (рудный, пластовый) 2 3 Рис. 18. Вскрытие пластов наклонными стволами: а - без вспомогательной вскрывающей выработки, б - с вспомогательной вскрывающей выработкой; 1 - ствол, 2 - квершлаг, 3 - откаточный штрек (полевой) Бремсберг - подземная наклонная горная выработка, не имею­ щая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для спуска грузов с верхних горизонтов на нижние. Уклон - подземная наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для подъема грузов с нижних горизонтов на верхние. Гезенк - подземная вертикальная или наклонная горная выра­ ботка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность, про­ водимая по восстанию и предназначенная для спуска полезного ис­ копаемого, породы, подъема и спуска материалов, перемещения людей с одного горизонта на другой и проветривания. Для рудных месторождений пользуются понятием восстающий. Выработка, проведенная по пустым породам называется полевой, а в рудном теле (или по пласту) - рудной (или пластовой). Выбор способа вскрытия вертикальными или наклонными ство­ лами производится на основании экономического расчета. Вскрытие наклонными стволами дает особенно хорошие резуль­ таты при углах падения пласта меньше 15°. В этом случае подъем по наклонному стволу производят конвейерами, что при небольшой глубине разработки дешевле, чем подъем по вертикальному стволу. При сложном рельефе местности (гористая или сильно пересе­ ченная) пласт вскрывают штольней (рис. 19). Штольня - подземная горизонтальная горная выработка, имею­ щая непосредственный выход на поверхность, проведенная на ме­ стности со сложным рельефом и предназначенная для обслужива­ ния подземных горных работ. При комбинированных способах вскрытия применяют разнотип­ ные вскрывающие выработки, например, штольню и слепой ствол в сочетании с квершлагом (рис. 2 0 ). Слепой ствол - подземная вертикальная или наклонная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для тех же целей, что и ствол. Графическим изображением способа вскрытия является схема вскрытия (см. рис. 17). Она представляется в виде проекций горных Рис. 19. Штольневой способ вскрытия: 1 - штольня Рис. 20. Комбинированный спо­ соб вскрытия: 1 - штольня, 2 - сле­ пой ствол, 3 - квершлаг 42 выработок на вертикальную и горизонтальную (или наклонную па­ раллельную пласту) плоскости. На вертикальную плоскость, прово­ димую вкрест простирания месторождения, проектируют пласты, а также главные и вспомогательные вскрывающие выработки (верти­ кальная схема вскрытия). На горизонтальную плоскость проекти­ руют выработки транспортного горизонта включая стволы и около- ствольные дворы, а также пластовые и полевые выработки, прове­ денные между транспортным и вентиляционным горизонтами (горизонтальная схема вскрытия). Схема вскрытия включает и выработки вентиляционного гори­ зонта, которые также проектируются на вертикальную и горизон­ тальную (или наклонную) плоскости. По месту расположения стволов относительно границ шахтного поля на горизонтальной плоскости различают следующие основные схемы вскрытия: с центральными стволами (рис. 21а), с центрально- отнесенными стволами (рис. 216), с секционными стволами (рис. 21 в) и комбинированными. Схема вскрытия - пространственное расположение вскрываю­ щих выработок относительно границ шахтного поля. П "» ь~I L_. - Л ' . . 1 Г Т I 1 ^ _|^--- -------- - ~*сЧ 1 1 4 I I I / I Рис. 21. Основные схемы расположения стволов в шахтном поле: 1 - главный ствол, 2 - вспомогательный ствол, 3 - воздухопадающий ствол, 4 - воздухоотво­ дящий ствол Центральное расположение стволов является наиболее распро­ страненным и применяется при различном угле залегания пластов, имеющих различную форму или тектоническую структуру. Стволы располагаются примерно посередине линии простирания шахтного поля и имеют чаще всего на поверхности общую промплощадку. 43 При центрально-отнесенном расположении стволов главный и вспомогательный стволы расположены примерно в центре шахтно­ го поля, а воздухоотводящий - у верхней границы шахтного поля на одной линии по падению с главным стволом. Все стволы находятся примерно посередине линии простирания шахтного поля. Цен­ трально-отнесенное расположение стволов характерно для отработ­ ки бремсберговой части шахтного поля. При переходе горных работ в уклонную часть шахтного поля из-за затруднений с проветрива­ нием проводят у нижней границы шахтного поля еще один возду­ хоотводящий ствол. Данная схема характерна для негоризонтально­ го залегания пластов. При этой схеме промплощадки стволов раз­ бросаны на поверхности. Секционное расположение стволов применяют при строительст­ ве мощных шахт (рудников), ведущих разработку на больших глу­ бинах, имеющих большие размеры шахтных полей и большую газо- обильность. В этом случае шахтное поле делят на ряд блоков с са­ мостоятельным проветриванием. Каждый блок имеет отдельные стволы для поступающей и исходящей струи воздуха. Комбинированное расположение применяют на шахтах (рудни­ ках) со сложной схемой вентиляции, а также в случаях, когда в про­ цессе реконструкции и строительства новых горизонтов проходят новые стволы. Оно предполагает сочетание нескольких схем распо­ ложения стволов. При вскрытии стволы проводят на заранее установленную глу­ бину до откаточного горизонта, где проводят ряд протяженных вы­ работок и камер. Совокупность горных выработок, образующих главный подземный транспортный узел шахты (рудника) и зоны размещения некоторых общественных производственных служб (камеры ожидания, водосборник, медпункт, насосная, электростан­ ция и др.), называется околоствольным двором. В зависимости от назначения стволы могут быть: главными, вспомогательными и вентиляционными. Главный ствол служит для подъема полезного ископаемого и породы на поверхности; вспомо­ гательный - используют для спуска и подъема людей, машин, мате­ риалов; вентиляционный - предназначен для подачи свежего возду­ ха (воздухопадающий) или выдачи загрязненного (воздухоотводя­ щий). 44 Эффективность работы горного предприятия во многом зависит от места заложения главного ствола в пределах шахтного поля. Под местом заложения главного ствола понимают точку, от которой на­ чинают его проведение. При выборе места заложения главного ствола по существу решается вопрос о месте выдачи полезного ис­ копаемого и породы на поверхность. При правильной (т.е. прямоугольной и выдержанной по мощно­ сти) форме шахтного поля рациональное место для закладки глав­ ного ствола по простиранию будет находиться в середине шахтного поля (рис. 22). При сравнении двух вариантов видно, что работа по перевозке грузов при положении I ствола в 2 раза меньше, чем при положении II, поэтому ствол целесообразно заложить в середине шахтного поля. Рис. 22. Место за­ ложения главного ство­ ла при правильной форме шахтного поля Теоретические основы решения этой задачи разработаны акаде­ миком Л.Д. Шевяковым: сумма всех транспортируемых грузов справа от главного ствола, сложенная с перевозимым грузом, долж­ на быть больше суммы грузов, свозимых слева от ствола, а сумма грузов слева от главного ствола, сложенная с тем же грузом, должна быть больше суммы грузов справа от ствола. Х Я п р ^ Я п ^ Х Я л е в ’ (9) S Я лев Яп ^ 2 Япр ’ 45 где I q np , I q JICB ~ суммы грузов, расположенных соответственно справа и слева от ствола; q„ - перевозимый груз. В случае если qn -* 0, тогда оба неравенства превращаются в ра­ венство ЕЯпр =ЕЯлев> (Ю) т.е. при непрерывно распределенных запасах в шахтном поле ра­ циональное место заложения ствола находится на линии, равноде- лящей запасы шахтного поля. При наличии в расчетном месте заложения ствола плывуна под наносами или других неблагоприятных факторов (например, неров­ ностей поверхности, жилых помещений и т.п.), его целесообразно перенести в другое место с более благоприятными условиями. Пе­ ренос места заложения ствола на небольшое расстояние существен­ ного влияния на экономические факторы не оказывает. Таким обра­ зом, рациональным местом заложения ствола является не точка, а некоторая область в виде прямоугольника со сторонами 0,1-S и 0,15-Н. Кроме того, необходимо стремиться, чтобы стволы распола­ гались в устойчивых породах. Нельзя проводить стволы через гео­ логические нарушения. Шахтные поля рудников Старобинского месторождения калий­ ных солей вскрыты вертикальными стволами (см. рис. 10). Диаметр стволов 7,0 м в свету. Шахтное поле рудника 1РУ вскрыто четырьмя вертикальными стволами, расположенными в центре шахтного поля. Ствол №1 глу­ биной 683,5 м оборудован скиповым и клетевым подъемами и вскрывает Третий калийный горизонт (горизонт - 430м) на глубине 585,9м (отметка - 431,5м). Ствол №2 глубиной 503,0 м также обо­ рудован скиповым и клетевым подъемами и вскрывает Второй ка­ лийный горизонт (горизонт -264м ) на глубине 419,0м (отметка - 264,0м). Ствол №3 глубиной 600,0м является вентиляционным для обоих рабочих горизонтов, оборудован двухклетевым подъемом и лестничным отделением. Ствол №4 является добавочным вентиля­ ционным для обоих рабочих горизонтов, оборудован клетевым подъемом. 46 Шахтное поле рудника 2РУ вскрыто тремя вертикальными ство­ лами, расположенными в центре шахтного поля. Ствол №1 глуби­ ной 528,5м оборудован скиповым и клетевым подъемами, вскрыва­ ет Второй калийный горизонт (горизонт - 290м) на глубине 462,1м (отметка - 286,6м ). Ствол №2 глубиной 690,6 м оборудован также скиповым и клетевым подъемами, вскрывает Третий калийный го­ ризонт (горизонт - 445м) на глубине 621,8м (отметка - 443,8м). Ствол №3 глубиной 635,0м является вентиляционным для обоих горизонтов, оборудован двухклетевым подъемом и лестничным от­ делением. Шахтное поле рудника ЗРУ вскрыто четырьмя вертикальными стволами, расположенными в центре шахтного поля. Ствол №1 глу­ биной 623,8м оборудован скиповым и клетевым подъемами, вскры­ вает Второй калийный горизонт (горизонт - 420м) на глубине 584,9м (отметка - 420,6м). Ствол №2 глубиной 822,3м вскрывает Третий калийный горизонт (горизонт - 620м) на глубине 784,0м (отметка - 619,8м), оборудован скиповым и клетевым подъемами. Ствол №3 глубиной 792,9м вскрывает Второй и Третий калийные горизонты, является вентиляционным для обоих горизонтов, обору­ дован двухклетевым подъемом с лестничным отделением. Ствол №4 грузовой и оборудован скиповым подъемом. Шахтное поле рудника 4РУ вскрыто четырьмя вертикальными стволами, расположенными в центре шахтного поля. Ствол №1 служит для спуска крупно-габаритных грузов и оборудования. Ствол №2 двухклетевой и служит для для спуска-подъема людей и материалов на Второй (горизонт — 440м) и Третий (горизонт - 670м) рабочие горизонты. Ствол №3 вскрывает Второй калийный горизонт на отметке - 440,0м и оборудован двумя скиповыми подъемами. Ствол №4 вскрывает Третий калийный горизонт на от­ метке - 670,0м и оборудован двумя скиповыми подъемами. 3.3.3. Проведение и крепление вертикальных стволов В практике проведения вертикальных стволов горнодобываю­ щих предприятий в основном применяют круглую форму попереч­ ного сечения, которое типизировано по диаметру (от 4 до 9м в свету через каждые 0,5м). Ствол состоит из устья, основной части и зумпфа, расположенных на разных участках по глубине. 47 Проведение ствола - это комплекс работ по разрушению поро­ ды в забое, погрузке и выдаче ее на поверхность и возведению по­ стоянной крепи. Под технологической схемой проведения ствола понимают взаимосвязь во времени и в пространстве выполнения основных проходческих процессов (выемка породы и возведения постоянной крепи) и армирования ствола. Различают три технологические схемы проведения стволов: по­ следовательная, параллельная, совмещенная. В настоящее время совмещенную схему применяют при строи­ тельстве стволов на большинстве горных предприятиях. Она обес­ печивает стабильные достаточно высокие средние скорости прове­ дения 65 - 80 м/мес. Совмещенная схема проведения стволов характеризуется после­ довательным (рис. 23а, б) или частичным совмещением (рис. 23в) выполнения работ по выемке породы и возведению постоянной крепи на одном небольшом по высоте призабойном участке. Вре­ менная крепь отсутствует. Рис. 23. Совмещенная схема проведения стволов: а - последовательное выпол­ нение работ по возведению крепи из монолитного бетона, б - последовательное выполнение работ по возведению крепи из тюбингов, в - частичное совмещение работ; 1 - подвесной полок, 2 - призабойная опалубка, 3 - бетонопровод, 4 - по­ грузочная машина 48 Высокие технико-экономические показатели проведения стволов обеспечиваются при применении комплексной механизации всех основных процессов проходческого цикла. В комплексах имеется оборудование для механизации бурения шпуров, погрузки породы, возведения крепи с полной технологической увязкой с остальными процессами (подъемом, водоотливом, вентиляцией и пр.). Комплексы разработаны для стволов трех групп: - неглубоких - не более 300м (комплексы КБ-1, ОСК); - средней глубины - 300-700м (комплексы КС-2у, 2КС - 2у); - глубоких и сверхглубоких - соответственно 700 - 1200м и более 1200м (комплексы КС-1м/6,2, КС-8 , КС-9, КС-10, КИЮ, ДТТТП-1). Для каждой группы стволов по глубине и диаметру подобрано соответствующее оборудование, эксплуатация которого в конкрет­ ных условиях обеспечивает максимальную производительность труда при минимальных капиталовложениях. Горная крепь (шахтная крепь, рудничная крепь) - это искусственное сооружение, возведенное в подземных горных выработках для предотвращения обрушений окружающих пород, сохранения необходимых форм и размеров поперечного сечения выработок, а также для управления горным давлением. Горное давление - силовое воздействие на контур или крепь выработки со стороны горных пород. Крепь вертикальных выработок не должна иметь нарушений, что обеспечивается необходимым запасом ее прочности. Существуют различные методики расчета величины горного давления на крепь стволов. Одни основаны на теории расчета подпорных стен (методы строительной механики), другие - эмпирические. Рассмотрим упрощенный метод, основанный на теории расчета подпорных стен, который дает общее представление и принцип расчета горного давления на вертикальные стволы. Если ствол пересекает разнородные по своим механическим свойствам породы и они не устойчивы на всем протяжении, то максимальное горное давление будет наблюдаться в ниженей части ствола и определяться 49 q H = p c P - g - H - t g ^ , Па, (11) _ _ h t -pt + h 2 -p2 + h 3 ~Рз + -- + h n4 -рц,! + h n pn 1 P Cp i l l i ihj + h 2 +h3 +... + hn_j +h n средневзвешенное значение плотности пород (здесь hb h2,h3, hn-i, hn - мощности слоев пород 1, 2 , 3, n-1, n; p j , p 2, Р з , p n_ i, p n - плотности пород соответствующие слоям), кг/м3; _ h t -у! + h 2 -<р2 + h 3 -ф3 +... + h n_1 • фп-1 + h n -//■' W / 7 ч? /// / /// /// /У/ /// 7/Л /V Я7 /М М 777 777— 777 ] С =-4 < Z 3 ///j////,/ tit— __аг__ ai ш. uj— ul. ~77Г />/ !И )!! //) Ш 1/> )>/ ~777-------7771 I Рис. 28. Схемы работы проходческих комплексов: а - на укороченном расстоя­ нии доставки с прямой загрузкой, б - на оптимальном расстоянии доставки с ис­ пользованием бункера-перегружателя, в - с увеличенным расстоянием доставки и перезагрузкой из вагона в вагон; 1 - комбайн, 2 - бункер-перегружатель, 3 - само­ ходный вагон, 4 - пункт разгрузки вагона Используя в составе комплекса два вагона, которые передают руду друг другу в середине расстояния доставки (схема «в»), можно в 1,5-2 раза увеличить предельное расстояние доставки в узких вы­ работках. Недостатком этой схемы является уменьшение емкости на 25-30% при перегрузке из вагона в вагон из-за недостаточной высоты заполнения кузова. Если ширина выработки позволяет двум вагонам разминуться, то они могут работать независимо. Разгрузка руды осуществляется в рудоспуск, на ленточный кон­ вейер, на скребковый конвейер. Чаще всего магистральным транс­ портом в рассматриваемых схемах является ленточный конвейер, но его приемная способность ниже производительности самоходного вагона. Чтобы сократить время разгрузки до минимального перед ленточным устанавливают короткий скребковый, способный рабо­ тать под завалом. Это позволяет загружать вагон максимально бы­ 61 стро, а пока самоходный вагон совершает очередную ходку, скреб­ ковый конвейер передает руду на ленточный. С помощью БВР выработки проводят при f > 4. Основными опе­ рациями являются: бурение, заряжание шпуров, взрывание, провет­ ривание, уборка породы и крепление выработки (при необходимо­ сти). Эти операции составляют один проходческий цикл. Горизонтальные выработки крепят деревянной крепью, металли­ ческой, бетонной, железобетонной, анкерной, каменной, комбини­ рованной. На Старобинском месторождении наибольшее распространение получила анкерная крепь. Используются винтовые анкера и метал­ лические клинораспорные ЭС-85П («Эстонсланец») (рис. 29). Дли­ на анкера £л для винтового анкера от 900 до 1800мм (через каждые 300мм), для ЭС-85П от 900 до 2000мм (через каждые 100мм). 039 а) Рис. 29. Конструкции анкерной крепи (размеры указаны в мм): а - винто­ вой анкер, б - металличе­ ский клинораспорный анкер ЭС-85П 62 Горное давление на крепь в горизонтальных выработках форми­ руется за счет веса той части породы, расположенной в кровле или боках выработки, которая испытывает неупругие деформации. Профессор Протодьяконов М.М. экспериментальным путем ус­ тановил, что над выработкой образуется свод, и теоретически дока­ зал, что свод очерчен по параболе. На крепь оказывает давление своим весом только порода, находящаяся внутри этого свода. Его Протодьяконов М.М. назвал сводом естественного равновесия (рис.30). Рис. 30. Схема к расчету горного давления при неустойчивой кровле и устойчивых боках в выработках трапе­ циевидной формы Рассмотрим упрощенный метод расчета горного давления на кровлю выработки, основанный на положениях и представлениях строительной механики. Интенсивность нормативного давления со стороны кровли qK оп­ ределяется по формуле qK = b -/0 g, Па, (12) где b = —-----высота свода естественного равновесия (здесь а - по- tg

где L - единица длины выработки, м. 63 3.3.6. Проветривание забоев В большинстве случаев проветривание забоев (или тупиковых выработок) осуществляется с помощью вентиляторов местного проветривания (ВМП). В зависимости от условий проведения выработок применяются следующие способы проветривания забоев: нагнетательный, всасы­ вающий, комбинированный. Рис. 31. Способы проветривания забоев Наиболее распространенным является нагнетательный способ проветривания (рис. 31а). Только этот способ допускается в шахтах и рудниках, опасных по газу и пыли. Свежий воздух подается по вентиляционному трубопроводу (как правило гибкому), проклады­ ваемому по выработке, а загрязненный удаляется непосредственно по выработке. Достоинство нагнетательного способа: свежий воздух подается непосредственно в рабочую зону. Недостаток: по всей длине выра­ ботки находится несвежая струя. С учетом этого недостатка, дан­ ный способ наиболее целесообразен в выработках длиной до 300м. При всасывающем способе проветривания (рис. 316) вся выра­ ботка, за исключением ее призабойной части, свободна от вредных 64 газов и пыли. Способ применяется в шахтах и рудниках не опасных по газу и пыли. Эффективность проветривания выработки зависит от расстояния меду концом всасывающего трубопровода и забоем, т.е. чем ближе трубопровод расположен к забою, тем быстрее про­ ветривается выработка. Наилучшее проветривание обеспечивается в том случае, если конец трубопровода находится на удалении от за­ боя всего на 2-Зм. Но на практике его можно расположить не ближе 6-8м. И по мере увеличения этого расстояния в призабойной части образуется застойная (плохо проветриваемая) зона и продолжи­ тельность проветривания выработки резко возрастает. Достоинство всасывающего способа: несвежий воздух отводится из призабойного пространства по трубопроводу, а по всей длине выработки движется свежая струя. Недостаток: трудно выдержи­ вать малое расстояние от конца трубопровода до забоя. Как правило при этом способе проветривания применяется жест­ кий трубопровод. Комбинированный способ проветривания (рис. 31 в) чаще при­ меняют при скоростной проходке. Способ применения в шахтах и рудниках не опасных по газу и пыли. В нем сочетаются достоинства нагнетательного способа (активное перемешивание газов в приза­ бойной зоне) и всасывающего (ограниченный объем проветрива­ ния). При комбинированном способе проветривания используется один или два вентилятора. В случае использования одного вентиля­ тора, он работает вначале на всасывание, а после удаления высоко­ концентрированного газового облака из забоя по трубопроводу в исходящую струю вентилятор переключается на нагнетание. При использовании двух вентиляторов основной вентилятор устанавли­ вается вблизи устья выработки и работает на всасывание. Второй вентилятор (вспомогательный) снабжается коротким нагнетатель­ ным трубопроводом и устанавливается в выработке вблизи забоя. Подача нагнетательного вентилятора должна быть на 20-30% меньше количества воздуха, которое поступает во всасывающий трубопровод. Для предотвращения распространения газового обла­ ка в сторону устья иногда в выработке на расстоянии 30-50 м от за­ боя устанавливается перемычка. В этом случае подача нагнетатель­ ного вентилятора может быть на 10% меньше количества воздуха, поступающего во всасывающий трубопровод. 65 В соответствии с «Правилами безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Бе­ ларусь» (§163, 178) рудники при разработке соляных месторожде­ ний подразделяются на газовые, в которых выделяется метан, водо­ род, сероводород, и негазовые. К рудникам, опасным по газу, относятся такие, в которых хотя бы на одном пласте (залежи) обнаружен метан, водород, сероводо­ род. Рудники, в которых обнаружен метан, водород или сероводород, должны переводиться на газовый режим. Проветривание проводимых выработок и их забоев должно обеспечить содержание кислорода в воздухе выработок, в которых находятся или могут находиться люди, не менее 20% (по объему), углекислого газа на рабочих местах не более 0,5%, метана - не бо­ лее 1,0% (по объему). Температура воздуха не должна превышать 26°С. При температуре свыше 26°С должны приниматься специаль­ ные меры по ее снижению или улучшению микроклимата на рабо­ чих местах (в Республике Беларусь эти меры согласовываются с Проматомнадзором Республики Беларусь). Разжижение газообраз­ ных продуктов взрыва и удаление их из забоя должна происходить не более чем за 30 мин после взрывания зарядов. В соответствии с «Правилами безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений Республики Бе­ ларусь» (§220, 222) забои подготовительных выработок во время нахождения в них людей должны непрерывно проветриваться за счет общерудничной депрессии вентиляторами местного проветри­ вания. Расстояние от конца вентиляционных труб до забоя при буро­ взрывном способе отбойки руды не должно превышать 110м, при механизированном - 20м. Установка вентиляторов местного проветривания в подготови­ тельных забоях должна производиться по проекту, утвержденному главным инженером рудника. При этом производительность венти­ лятора местного проветривания не должна превышать 70% количе­ ства воздуха, подаваемого к его всасу за счет общерудничной де­ прессии; вентилятор местного проветривания должен устанавли­ 66 ваться на свежей струе воздуха на расстоянии 110м от исходящей струи с таким расчетом, чтобы воздух из исходящей струи не мог вновь засасываться вентилятором. Расчет количества воздуха, необходимого для проветривания выработок при комбайновом способе отбойки руды на Старобин­ ском месторождении определяется по следующим факторам: взры­ воопасные и природные ядовиты газы, температура воздуха, мини­ мальная допустимая скорость движения воздуха, наибольшему ко­ личеству людей в смене. Вентилятор подбирают по производительности и напору. В на­ стоящее время изготовляются в основном регулируемые вентилято­ ры, что позволяют уменьшать их напор в начальной стадии прове­ дения выработки с целью экономии энергии. Для проветривания выработок применяются электрические осевые вентиляторы мест­ ного проветривания ВМ-ЗМ, ВМ-4М, ВМ-5М, ВМ-6М, ВМ-8М, ВМ-12М (цифра означает размер входного и выходного патрубков в дециметрах). Подача вентилятора регулируется с помощью направ­ ляющего аппарата с резиновыми профилированным лопатками, ко­ торые поворачиваются специальным механизмом на угол от +45° до -50°. Взрывоопасное исполнение двигателей этих вентиляторов по­ зволяет применять их в шахтах и рудниках опасных по газу и пыли. Вентиляторы ВМП-ЗМ, ВМП-4М, ВМП-5М, ВМП-6М (с пневмати­ ческим приводом) предназначены для проветривания тупиковых выработок в шахтах и рудниках опасных по внезапным выбросам и суфлярным выделениям. Подача вентиляторов этого типа регулиру­ ется с помощью сопел, подающих сжатый воздух на лопатки пнев­ матического привода. В связи с малым весом и хорошей транспортабельностью широ­ ко применяются гибкие трубопроводы типа МУ (из хлопчатобу­ мажной ткани чефир с двухсторонним покрытием из негорючей ре­ зины) диаметром 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 и 1,0 м. Жесткие трубы выполня­ ются из металла и синтетических материалов. 67 3.4. Очистные работы Очистные работы включают процессы: очистную выемку полез­ ного ископаемого, крепление очистного забоя и управление кров­ лей. Под очистной выемкой следует понимать совокупность произ­ водственных процессов (отбойку, погрузку, доставку полезного ис­ копаемого), выполняемых в определенной последовательности в пространстве и времени и направленных на получение готовой про­ дукции. Очистную выемку ведут в длинных очистных забоях - лавах и коротких - камерах. В лавах очистную выемку осуществляют очи­ стными комбайнами (входящих в состав механизированных ком­ плексов) или стругами, в камерах - проходческими (проходческо- очистными) комбайнами. 3.4.1. Технология очистных работ в лавах Рассмотрим технологию очистных работ в лавах с использовани­ ем механизированных комплексов с узкозахватными комбайнами, а затем с использованием стругов. Сущность технологии очистных работ в лаве заключается в том, что выемочный участок (столб) подготавливается с двух сторон подготовительными штреками - конвейерным 1 и вентиляционным 2 (рис. 32). Поперек столба проводится нарезная выработка соеди­ няющая два штрека. При дальнейшей выемке эта выработка назы­ вается лавой 3. В лаве монтируется комплекс оборудования со­ стоящий из очистного комбайна 4 (см. рис. 33), забойного скребко­ вого конвейера 5, механизированной крепи 6 , крепи сопряжения 7, насосной станции 8 (если есть необходимость откачки воды), а так­ же гидро- и электрооборудования. Комбайн, перемещаясь по раме забойного конвейера от конвейерного штрека к вентиляционному (и наоборот), отделяет от массива узкую полосу до 1м (при узкоза­ хватной выемке) полезного ископаемого 9 равную ширине испол­ нительного органа комбайна - шнека 10 (если исполнительный ор­ ган имеет ширину захвата более 1 м, то выемка называется широко­ захватной, которая применяется крайне редко и вытесняется узкозахватной выемкой). Шнек дробит полосу полезного ископае­ 68 мого на куски и грузит погрузочным устройством на забойный кон­ вейер 5. С последнего, в пункте 11 полезное ископаемое перегружа­ ется на ленточный конвейер 12 и далее транспортируется по кон­ вейерному штреку. 7 6 9 S 2 Рис. 33 Очистной комбайн: 1 - механизм подачи; 2 - левый шнек; 3 - левый ре­ дуктор поворота; 4 - левый домкрат; 5 - левый редуктор; 6 - электродвигатель; 7 - правый редуктор; 8 - правый шнек; 9 - правый редуктор поворота; 10 - правый домкрат; 11 - погрузочный щиток; 12 - электроблок; 13 - опорные лыжи По мере выемки полос забойный конвейер должен периодически передвигаться к забою. Для механизации передвижки и обеспече­ ния минимальной площади незакрепленного рабочего пространства 69 лавы вслед за проходом комбайна забойные конвейеры делают из­ гибающимися. Изгиб конвейера допускает его передвижку в лаве по частям. Применяют также передвигающиеся одновременно по все­ му фронту забоя скребковые конвейеры. Шаг передвижки забойно­ го конвейера зависит от ширины захвата комбайна. Перемещение комбайна вдоль забоя осуществляют в большинстве случаях по Челноковой схеме (в обоих направлениях). На калийных рудниках наибольшее распространение получили следующие очистные комбайны: ЭВ-200/230-ЛН, Электра 340-Сол, Айкхофф СЛ-300НЕ, ЭДВ-300/760-Л, КГС-800С/2БП, Электра 700- Сол, Айкхофф СЛ-300, ЭДВ-300/760-Л-230-СВ, Айкхофф СЛ-500С, Айкхофф ЭСА-150Л. Выемка полезного ископаемого сопровождается обнажением по­ род кровли. Для создания безопасных условий труда и эксплуата­ ции горного оборудования для поддержания очистного забоя ис­ пользуют механизированные крепи. Механизированными крепями называют самопередвигающие- ся крепи, предназначенные для поддержания кровли и ограждения рабочего пространства лавы от обрушения горных пород, управле­ ния горным давлением, передвижки забойного конвейера. В зависимости от соотношения функций защиты рабочего про­ странства и характера взаимодействия с породами кровли механи­ зированные крепи делят на четыре типа: оградительные (рис. 34а), поддерживающие (рис. 346), оградительно-поддерживающие (рис. 34в), поддерживающе-оградительные (рис. 34г). По характеру взаимодействия с кровлей очистного забоя при пе­ редвижке секций механизированные крепи делают передвигаемые без потери контакта с кровлей и с потерей контакта. Крепь сопряжения служит для предотвращения обрушения по­ род на сопряжении очистного забоя с прилегающими к нему штре­ ками. Теперь перейдем к рассмотрению вопроса об обрушении вме­ щающих пород. По сравнению с капитальными и подготовитель­ ными, очистные выработки имеют ряд особенностей, среди которых можно выделить: непрерывное движение забоя, обуславливающее постоянное изменение поля напряжений вокруг выработки; мень­ шее время эксплуатации. Общая картина процессов, происходящих 70 а) Г) Рис. 34. Типы передвижных механизированных крепей в массиве горных пород вокруг очистной выработки, заключается в изменении поля напряжений и, как следствие этого, в деформиро­ вании окружающих пород. В первую очередь на контуре вырабо­ танного пространства и в окружающем массиве пород происходят упругие смещения. Вслед за упругими смещениями пород кровли и стенок развиваются неупругие деформации и происходят локаль­ ные разрушения. Этому способствует развитие в окружающем мас­ сиве зон концентрации как сжимающих, так и растягивающих на­ пряжений. В процессе деформирования вовлекаются большие объ­ емы пород, а вследствие этого неоднородность низких порядков, по поверхностям которых массив наиболее ослаблен. В результате это­ го в очистных выработках развиваются процессы обрушения по­ крывающих пород. В зависимости от способности отдельных слоев породы кровли (почвы) к самообрушению (пучению), а также от расположения их по отношению к пласту различают ложную, непосредственную и основную кровлю, а также непосредственную и основную почву. В условиях очистных работ наиболее распространенная гипотеза определения горного давления является гипотеза консольной плиты (рис. 35). Эта гипотеза предполагает поддержание слоистых пород 71 над рабочим пространством главным образом за счет связи с непод- работанными породами. оснабная к роб л я иепо средс гбениая кровля л о мена, я Кровля Рис. 35. Схема к гипотезе консольной плиты Горное давление делят на первичное и вторичное. Первичное связано с породами непосредственной кровли и действуют на крепь в пределах рабочего пространства очистных забоев, вторичное соз­ дается основной кровлей и передается за пределы обнажения на по­ родный массив, или закладку, или на обрушенные породы непо­ средственной кровли, на которые ложится основная кровля. Гипоте­ за предполагает, что непосредственная кровля над рабочим пространством поддерживается главным образом за счет связи с неподработанным массивом и как бы представляет собой консоль. Наименьшее давление на крепь наблюдается у основания консоли, где она опускается незначительно. По мере удаления от забоя и приближения к свободному концу консоли смещение ее увеличива­ ется, давление возрастает. При очистной выемке кровлю периодически обрушают, передви­ гая механизированную крепь, чтобы сохранить консоль и тем са­ мым снизить горное давление. По мере дальнейшего подвигания забоя давление снова возрастает и картина повторяется. Расстояние, через которое происходит обрушение кровли назы­ вают шагом обрушения. При неустойчивой кровле шаг обрушения составляет 1 -2м, при устойчивой - до 1 Ом. Для предотвращения значительных деформаций и обрушений пород, обеспечения безопасности труда и создания нормальных ус­ ловий для осуществления очистных работ в лавах осуществляют \:Г у : . .'■> ■ • :/ 72 комплекс технических мероприятий по управлению кровлей. Наи­ более распространенными являются способы управления кровлей полным или частичным обрушением, а также полной или частичной закладкой выработанного пространства. Технология управления кровлей способом обрушения пород за­ ключается в обрушении (посадке) непосредственной кровли за пре­ делами призабойного пространства. Посадка производится перио­ дически через расстояния, равные шагу самопроизвольного обру­ шения непосредственной кровли. При использовании механизированной крепи посадки кровли происходит обычно после каждой передвижки крепи. Область применения данного способа ограничивается разрых- ляемостью непосредственной кровли и ее мощностью. Управление кровлей полной закладкой предусматривает запол­ нение выработанного пространства закладочным материалом, кото­ рый доставляется с поверхности или же готовится в подземных ус­ ловиях. Закладочный материал, заполнивший выработанное про­ странство, образует закладочный массив. Струговая очистная выемка - способ узкозахватной выемки, при которой разрушение полезного ископаемого осуществляется путем отбойки от массива тонких стружек толщиной до 10-12см на всю длину очистного забоя при высоких скоростях движения ис­ полнительного органа (струга) струговой установки (или стругового аппарата). Струговая установка работает в комплексе с механизированны­ ми крепями. Наиболее эффективное и перспективное направление струговой выемки - создание струговых аппаратов, в которых совмещены в единое целое струг (один или несколько), системы приводов, сред­ ства доставки полезного ископаемого вдоль очистного забоя и ме­ ханизированная крепь на основе автоматического и динамического управления оборудованием. Одним из новейших струговых агрегатов является «Континиум Лонгуолл Майнер» (КЛМ). В конструкции КЛМ в отличие от тра­ диционных струговых установок для осуществления процесса раз­ рушения забоя, погрузки на конвейер и транспортировки полезного ископаемого из лавы применяется только одна замкнутая в горизон­ тальной плоскости цепь. На ней закреплены скребки. Одни из них 73 обеспечивают перемещение полезного ископаемого по ставу кон­ вейера, а другие одновременно с этим являются базой для выемоч­ ных головок. Выемочные головки агрегата по контуру цепи разде­ лены на две группы. В то время как одна группа головок произво­ дит резание забоя, другая находится в рештачном ставе конвейера и перемещается в обратном по отношению к первой группе направле­ нии. Эти достигается непрерывная выемка и доставка полезного ископаемого из лавы без реверсирования движения тягового органа. Стандартная группа состоит из пяти выемочных головок (рис.36). Первая по направлению резания забоя выемочная головка группы оснащена резцами, работающими в режиме блокированного резания. Последующие резцы расширяют вруб. На последней вы­ емочной головке группы установлены два резца: один разрушает пласт в зоне контакта с почвой, другой - в зоне контакта с кровлей. Рис. 36. Схема разрушения забоя струговым агрегатом КЛМ 3.4.2. Технология очистных работ в коротких забоях Коротким забоем считают очистной забой длиной до 16м. При подвигании такой забой оставляет за собой выемочную камеру. Благодаря небольшой длине забоя процессы выемки полезного ис­ копаемого, крепления и управления кровлей сконцентрированы в ограниченном пространстве. При разработке пластов с устойчивы­ ми кровлями отсутствует необходимость в управлении кровлей, так как основную нагрузку от вышележащих пород воспринимают це­ лики полезного ископаемого, оставляемые между выемочными ка­ 74 мерами. Однако это связано с повышенными потерями полезных ископаемых в недрах. Выемку в коротких забоях ведут проходческо-добычными ком­ байнами или буровзрывным способом. На калийных рудниках для ведения добычных работ применяют следующие комбайны: ПК-8М, Урал-1ОКС. Короткими очистными забоями разрабатывают пласты калийных руд, горючих сланцев, угля. На рис. 28 показаны схемы работы проходческо-добычных ком­ плексов в камерах. 3.4.3. Системы разработки пластовых месторождений В качестве классификационного признака при разработке пла­ стовых месторождений принята очередность ведения подготови­ тельных и очистных работ. Системой разработки принято называть определенный порядок ведения подготовительных и очистных работ в пределах участка шахтного поля, увязанный в пространстве и времени. Система разработки должна обеспечивать: безопасность ведения очистных работ, их экономичность и высокую производительность труда, охрану недр, охрану окружающей среды. При применении длинных очистных забоев различают столбо­ вую и сплошную системы разработки. При применении коротких очистных забоев различают камер­ ную и камерно-столбовую системы разработки. При применении двух и более систем разработки различают комбинированные системы разработки. Столбовая система разработки предполагает разделение в про­ странстве и во времени очистных и подготовительных работ. При столбовой системе все подготовительные выработки в выемочном поле проводят до начала очистной выемки. Столб отрабатывается в обратном порядке. Столбовая система применяется при любых углах падения пла­ стов. Она дает наиболее высокие показатели на пластах мощностью от 1,21 до 3,5м и хорошие показатели при разработке пластов мощ­ ностью от 0,71 до 1,2м. При меньшей мощности пласта подготови­ тельные выработки проводят с подрывкой боковых пород, что уве­ 75 личивает стоимость проведения выработок, поэтому в этом случае выгодно применять сплошную систему разработки (которая рас­ смотрена ниже). При разработке мощных пластов (свыше 3,5м) за­ труднена работа вблизи забоя, поэтому целесообразнее переходить на слоевую выемку. Основным способом управления горным давлением в лаве явля­ ется полное обрушение, реже используют полную закладку вырабо­ танного пространства. При столбовой системе применяют возвратноточную (в боль­ шинстве случаях), так и прямоточную схему проветривания вы­ емочного участка. Возвратноточная схема характеризуется тем, что направление движения исходящей струи воздуха противоположно направлению движения свежей. При прямоточной схеме - свежая и исходящая струя имеет одно направление. Столбы могут располагаться длинной стороной по линии про­ стирания пласта (до 2000м): система разработки длинными столба­ ми по простиранию; по падению (восстанию): система разработки длинными столбами по падению (восстанию). Столбы могут иметь и небольшие размеры - 20-30 м: система разработки короткими столбами по простиранию, падению (восста­ нию). В зависимости от числа одновременно работающих лав разли­ чают варианты столбовых систем: одиночными и спаренными ла­ вами. К моменту отработки столба требуется своевременно подгото­ вить новый столб, не допуская запаздывания в подготовке и не соз­ давая излишних опережений (рис. 37). Запаздывание приводит к несвоевременному вводу в работу новых очистных забоев и, следо­ вательно к снижению добычи. Излишнее опережение вызывает преждевременные расходы денежных средств на поддержание пройденных, но еще не используемых выработок. Положение очистного забоя в отрабатываемом столбе, при кото­ ром необходимо начать подготовку нового столба X — Точ ' и0Ч; (14) где Точ - время отработки оставшейся части столба длиной х, м; иоч - скорость подвигания очистного забоя, м/мес. 76 Рис. 37 Схема соотношения подготовительных и очистных забоев На Старобинском месторождении калийных солей в зависимости от конкретных горно-геологических и горнотехнических условий применяются различные варианты столбовой системы разработки с валовой и селективной выемкой пласта с разделением и без разде­ ления его на слои, с общей и раздельной подготовкой лав. На рис. 38 представлена принципиальная технологическая схема и параметры валовой выемки Второго пласта и слоев И, II-III, и III Третьего пласта. Подготовка столба (панели) ведется в следующей последова­ тельности. В первую очередь проводятся панельный конвейерный штрек 1, конвейерный 2 и вентиляционный 3 штреки лавы. При этом для проветривания вентиляционного штрека нарезаются вспо­ могательные выработки 4, которые используются в дальнейшем для проходки разгружающего 5 и транспортного 6 штреков лавы. Про­ ветривание подготовительных и очистных забоев осуществляется следующим образом. Свежая струя воздуха поступает по панельно­ му конвейерному штреку, транспортному и конвейерному штрекам лавы, а исходящая струя воздуха уходит по вентиляционному штре­ ку лавы, который в процессе подготовки панели изолируется от свежей струи вентиляционными перемычками 7. 77 Рис. 38. Принципиальная технологическая схема валовой выемки пластов в ус­ ловиях Старобинского месторождения: а - межстолбовой (межпанельный) целик В описанной схеме предполагается работ двух комбайнов, хотя возможна схема однокомбайновой лавы без центрального вентиля­ ционного штрека. Сплошная система разработки предполагает одновременное ведение очистных и подготовительных работ в выемочном поле и в одном направлении. Забои подготовительных выработок незначи­ 78 тельно опережают в пространстве очистные забои. Ее использова­ ние требует строго соответствия между скоростями подвигания очистного и подготовительного забоев. Сплошная система применяется при разработке пластов мощно­ стью до 2 м, в основном на тонких с любым углом падения. Аналогично столбовым системам, забой при сплошной системе может подвигаться по лини простирания или падения (восстания). Основные преимущества столбовых систем разработки по срав­ нению со сплошными: - забои подготовительных и очистных выработок разобщены, что устраняет взаимную помеху при работе в этих выработках; - проведение подготовительных выработок дает ценные разведоч­ ные данные для очистных работ; - погашение подготовительных выработок по мере подвигания очи­ стных забоев позволяет извлекать крепь погашаемых штреков, что очень важно при металлической крепи; - возможность предварительной дегазации отрабатываемого столба через скважины, пробуренные из подготовительных выработок. Основные недостатки столбовых систем разработки по сравне­ нию со сплошными: - большой объем проведения подготовительных выработок до нача­ ла очистных работ, что увеличивает срок окупаемости капитало­ вложений; - сложность проветривания длинных подготовительных выработок, что усложняет вентиляционную сеть рудника (шахты); - необходимость поддержания подготовительных выработок до окончания очистных работ, что увеличивает эксплуатационные расходы. Благодаря указанным выше преимуществам в настоящее время столбовая система является основной. Камерная система разработки предполагает ведение очистных работ в камерах с оставлением между ними целиков. Расположение камер возможно под любым углом к линии простирания пласта в зависимости от схемы отработки шахтного поля и средств транс­ портирования. Систему применяют на пластах средней мощности с углом падения до 10° . На Старобинском месторождении калийных солей применяются следующие варианты камерной системы: с оставлением податливых 79 целиков (рис. 39а), с оставлением жестких целиков (рис. 396), с ре­ гулярным оставлением жестких и податливых целиков. Вариант камерной системы разработки с оставлением податли­ вых целиков предполагает такой характер деформирования очист­ ной выработки, при котором обеспечивается ее безопасное состоя­ ние лишь в течение заданного периода времени. Этот вариант мо­ жет применяться на большинстве участков месторождения, где имеется достаточная мощность водозащитной толщи. Вариант камерной системы разработки с оставлением жестких целиков предусматривает оставление в выработанном пространстве целиков высокой несущей способности, в результате чего они не разрушаются под влиянием горного давления в зоне ведения очист­ ных работ. Этот вариант может применяться на всех без исключе­ ния участках месторождения. Камерно-столбовая система разработки предполагает подго­ товку осуществлять длинными столбами по простиранию, а столб разделять на камеры, между которыми оставляют целики. Систему применяют при устойчивых и средней устойчивости вмещающих породах с мощностью пластов от 1,5 до 3,0м и углами падения до 15°. К основному достоинству камерной и камерно-столбовой систе­ мам разработки относится возможность применения как для очист­ ных работ, так и для проведения подготовительных выработок од­ ного и того же комплекта оборудования. К основному недостатку следует отнести значительные потери полезного ископаемого в це­ ликах. Комбинированная система разработки предполагает сочета­ ние характерных особенностей двух и более систем разработки. Например, на Старобинском месторождении калийных слей комбинированную систему разработки применяют на третьем ка­ лийном пласте. Сущность ее состоит в последовательной выемке калийных слоев различными системами. При этом в первую оче­ редь разрабатывают IV сильвинитовый слой с применением столбо­ вой системы, а затем с некоторым отставанием во времени и про­ странстве II и III сильвинитовые слои и каменную соль II-III камер­ ной системой. При комбинированной разработке пласта опережение работ в слоях должно быть не менее 150м. 80 Рис. 39. Варианты камерной системы разработки: а - с оставлением податли­ вых целиков, б - с оставлением жестких целиков 3.5. Календарный план отработки пласта Чтобы обеспечить бесперебойное выполнение рудником (шах­ той) установленного плана добычи полезного ископаемого, необхо­ димо своевременно производить подготовку новых участков шахт­ ного поля. Для этого необходимо знать, в какой последовательности должна вестись разработка каждого пласта во времени и в про­ странстве. Отсюда возникает необходимость составления календар­ ных планов отработки пластов отработки пластов, представляющих собой графическое изображение порядка и последовательности вы­ емки их в пределах шахтного поля или его части в определенные промежутки времени. Обычно календарные планы составляют по годам на первые 10- 20 лет разработки пласта, а свыше этого срока - на более крупные периоды времени (как правило через 5 лет), так как с развитием техники может измениться технология добычных работ, увеличить­ ся мощность предприятия, а следовательно, изменятся исходные данные для построения календарных планов. Порядок построения календарного плана производится в сле­ дующей последовательности: - производится выбор и расчет параметров систем разработки и подготовки; 81 - обосновывается порядок отработки пласта (или пластов); - вычерчивается в масштабе гипсометрический план шахтного поля в пределах его границ с изображением всех геологических наруше­ ний; - вычерчиваются на плане главные вскрывающие и подготовитель­ ные выработки как это принято в проекте; - вычерчиваются на плане целики под охраняемые объекты; - откладывают в том же масштабе, в каком вычерчен гипсометриче­ ский план, годовое подвигание очистных забоев в порядке и после­ довательности, принятым проектом при следующих условиях: в первый год после сдачи рудника (шахты) в эксплуатацию подвига­ ние забоев составит 50% от принятого, во второй год - 75% от при­ нятого. Это связано с тем, что в первый и второй годы после сдачи рудника (шахты) в эксплуатацию необходимо укомплектовать штат бригады рабочими, приобрести навыки и освоить технику работ в данных условиях. 4. ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 4.1. Особенности процесса сдвижения горных пород и охраны сооружений при разработке рудных месторождений Рудные месторождения характеризуются большим разнообрази­ ем физико-механических свойств и структурных особенностей гор­ ных пород, форм и элементов залегания залежи, а также применяе­ мых систем разработки. Это обуславливает не только разнообразие, но и сложность характера процесса сдвижения горных пород, в свя­ зи с чем и охрана сооружений имеет свои особенности. Применение используемого для пластовых месторождений метода аналогий в условиях рудных месторождений далеко не всегда приводит к удовлетворительным результатам. На рис. 40 рассмотрен характер сдвижения горных пород и зем­ ной поверхности при разработке крутой мощной рудной залежи на верхних горизонтах. По особенностям процесса сдвижения и величинам его парамет­ ров рудные месторождения разделяются на три основных типа: 82 j _ со слоистым строением вмещающих пород и согласно залегаю­ щими с ними залежами; II - с неслоистым строением вмещающих пород; III - со слоистым строением вмещающих пород и несогласно зале­ гающими с ними залежами. На месторождениях I типа преобладающей формой сдвижения является прогиб отдельных слоев по нормам к напластованию. При разработке мощных залежей помимо прогибов напластований с об­ разованием расслоений, трещин и разломов происходит обрушение пород. На месторождениях II типа вмещающие породы разбиты различ­ ными системами трещин на структурные блоки, по которым и про­ исходит сдвижение массива в виде сдвига, обрыва и обрушения. При наличии разрывного геологического нарушения сдвиг толщи массива происходит по плоскости сместителя, падающего в сторону разрабатываемой залежи под углом не менее угла внутреннего тре­ ния пород. Рис. 40. Схема сдвижений горных пород при разработке верхних горизонтов мощных рудных тел: 1 - зона плавных сдвижений, 2 - зона трещин, 3 - зона тер­ рас, 4 - зона провалов. /3, 7 - углы сдвижения; /У, У - углы обрушения 83 На месторождениях III типа характер процесса сдвижения зави­ сит от возможного расположения направлений и величин углов па­ дения вмещающих пород и рудной залежи. К этой группе в основ­ ном относятся некоторые месторождений жильного типа. Предохранительные целики для охраны сооружений применяют в крайних случаях, учитывая ограниченные размеры площадей за­ легания рудных залежей и сравнительно высокую ценность мине­ рального сырья. Стволы размещают в лежачем боку рудных тел (в исключительных случаях в висячем или одновременно в лежачем и висячем). Строительство зданий и сооружений на подработанных участках земной поверхности допускается только при наличии данных, под­ тверждающих полную их подработку после окончания общей про­ должительности процесса сдвижения. 4.2. Вскрытие и подготовка рудных месторождений При вскрытии рудных месторождений выделяют следующие способы вскрытия: вертикальными стволами, наклонными ствола­ ми, штольнями, комбинированным способом. Первые три способа можно объединить в группу простых спосо­ бов вскрытия. Главные вскрывающие выработки могут проходить: по место­ рождению; по пустым породам со стороны лежачего либо висячего боков или флангов; по пустым породам и руде, пересекая рудное тело. Простые схемы вскрытия: - вскрытие вертикальным стволом по месторождению, лежачему боку, висячему боку и флангам; - вскрытие наклонным стволом по месторождению, лежачему боку и флангам; - вскрытие штольней по месторождению, лежачему боку, висячему боку. Комбинированные схемы вскрытия: - вскрытие вертикальным стволом с поверхности с переходом в вер­ тикальный слепой ствол; - вскрытие вертикальным стволом с поверхности с переходом в на­ клонный ствол; 84 - вскрытие наклонным стволом с поверхности с переходом в на­ клонные слепые стволы; - вскрытие штольней с переходом в вертикальные слепые стволы; - вскрытие штольней с переходом в наклонные слепые стволы. При крутом и наклонном залегании месторождения подготовка шахтного поля к очистной выемке заключается в разделении его на этажи выработками основного горизонта - откаточными штреками и ортами, а также в разделении этажа на выемочные участки-блоки с помощью восстающих выработок. При пологом залегании месторождения шахтное поле делится подготовительными выработками - главными и панельными штре­ ками - на панели и столбы. Выбор между полевой и рудной подготовкой зависит от сле­ дующих факторов: мощности рудного тела, направления очистной выемки, способа проветривания (центральное или фланговое) и др. В мощных и весьма мощных рудных телах чаще применяют поле­ вую подготовку. 4.3. Системы разработки рудных месторождений по М.И. Агошкову В качестве классификационного признака (по М.И. Агошкову) принято состояние очистного пространства в период ведения очи­ стной выемки. Выделяют VIII классов систем разработки. К I классу - систем с открытым очистным пространством - отнесены системы, при которых очистное пространство, образую­ щееся в результате выемки руды, остается во время разработки вы­ емочного участка открытым, т.е. свободным, не заполненным за­ кладочным материалом, отбитой рудой или обрушенными порода­ ми. Бока и кровля открытого очистного пространства поддерживаются оставляемыми в рудном теле постоянными или временными целиками руды и крепью (распорками, стойками). Обязательным условием применения систем с открытым очист­ ным пространством является устойчивость руды и вмещающих по­ род. Применение их возможно в рудных телах с разнообразной формой, размерами, углом падения, ценностью руд. В зависимости от способа ведения очистной выемки выделяют пять основных групп систем данного класса: потолкоуступные сис­ 85 темы, системы со сплошной выемкой, камерно-столбовые системы, системы с подэтажной отбойкой, этажно-камерные системы. Ко П классу - систем с магазинированием руды - отнесены системы, при которых очистное пространство по мере выемки руд­ ного массива заполняется отбитой рудой, полностью выпускаемой только по окончании отработки блока (рис. 41.). Основным средст­ вом поддержания служат рудные целики, иногда распорная и ан­ керная крепь. Замагазинированная руда способствует поддержанию вмещающих пород между целиками, но роль ее как средства под­ держания является вспомогательной. Системы с магазинированием применяются в крепких устойчи­ вых рудах и устойчивых вмещающих породах. Руда не должна сле­ живаться, окисляться и самовозгораться. Угол падения рудного тела должен быть не менее 55- 60°. Рис. 41. Принципиальный вариант системы разработки с магазинированием ру­ ды: 1 - откаточный штрек, 2 - вентиляционный штрек, 3 - ходки, 4 - подсечной штрек По способу отбойки руды системы разделяются на три группы: системы со шпуровой отбойкой из магазина, системы с отбойкой руды из специальных выработок, системы с отбойкой глубокими скважинами. 86 К III классу - систем с закладкой очистного пространства - отнесены системы, при которых очистное пространство, образую­ щееся по мере выемки рудного массива, заполняется закладочным материалом. Закладка служит основным средством поддержания вмещающих пород. Иногда закладка служит только для того, чтобы противодействовать обрушению или оседанию поверхности. Крепь разной конструкции, простая и усиленная, возводится по мере очи­ стной выемки ранее, чем производится закладка. Иногда крепление не производится. Системы с закладкой очистного пространства применяют в ус­ тойчивых рудах и как правило неустойчивых вмещающих породах (однако устойчивость боковых пород не влияет на применение сис­ тем с закладкой); при мощности рудных тел от нескольких санти­ метров до 6м и более, и крутом падении рудных тел; при высокой ценности руды. Группы систем разработки с закладкой очистного пространства отличаются друг от друга направлением очистной выемки, спосо­ бом получения закладочного материала и формой очистного забоя. В зависимости от этих признаков различают основные группы: сис­ темы разработки горизонтальными слоями с закладкой, системы разработки наклонными слоями с закладкой, потолкоуступные сис­ темы разработки тонких жил с раздельной выемкой и закладкой, нисходящие системы послойной разработки с закладкой, системы разработки со сплошной выемкой руды и закладкой. К IV классу - систем с креплением очистного пространства - отнесены системы, при которых в очистном пространстве вслед за выемкой регулярно возводится усиленная крепь, которая служит основным средством поддержания вмещающих пород и руды. Системы с креплением очистного пространства применяются при разработке месторождений любой формы, и с любыми углами падения, мощностью до 4м. Вмещающие породы и руды не оказы­ вают большого горного давления, но без крепи могут отслаиваться или обрушаться. По виду крепи выделяют следующие группы систем с креплени­ ем очистного пространства: системы с усиленной распорной и стан­ ковой крепью, системы с каменной и комбинированной крепью. К V классу - систем с креплением и закладкой очистного пространства - отнесены системы при которых очистное про­ 87 странство регулярно поддерживается креплением и кроме того за­ полняется закладкой. Закладка и крепь в поддержании очистного пространства играют одинаковую роль. Системы с креплением и закладкой очистного пространства применяют при слабых неустойчивых рудах и вмещающих породах, непостоянной форме, мощности и углах падения, при наличии крупных включений и прослоек пустых пород в руде, высокой ее ценности. Группы систем с креплением и закладкой очистного пространст­ ва выделяют по направлению подвигания забоя и способ очистной выемки: системы разработки горизонтальными слоями по прости­ ранию, системы разработки вертикальными прирезками и коротки­ ми блоками, сплошные системы разработки. Из-за высокой стоимости ведения работ системы данного класса применяются в исключительных случаях и только при отработке богатых руд, полнота извлечения которых сможет окупить увели­ ченные расходы на очистную выемку. Данный класс практически вытеснен другими системами разра­ ботки. К VI классу - систем с обрушением вмещающих пород - от­ несены системы, при которых очистное пространство по мере вы­ емки заполняется обрушаемыми породами. Крепью поддерживается лишь призабойное рабочее пространство небольших размеров. Системы с обрушением вмещающих пород применяют при склонности вмещающих пород к самообрушению. По конструктивным признакам и условиям применения системы с обрушением вмещающих пород разделяют на две группы: систе­ мы слоевого обрушения (и как их разновидность - щитовые систе­ мы), столбовые системы. К VII классу - систем с обрушением руды и вмещающих по­ род - отнесены системы, при которых вначале обрушается подсе­ ченный снизу или сбоку массив руды, вслед за чем по мере выпуска обрушенной руды покрывающие ее пустые породы самообрушают- ся и заполняют выработанное пространство. Выпуск основной мас­ сы обрушенной руды под опускающимися в процессе выпуска пус­ тыми породами - наиболее характерная черта систем разработки этого класса, определяющая условия их применения, конструктив­ ные элементы и технико-экономические показатели. 88 Системы с обрушением вмещающих пород и руды делят на группы: системы подэтажного обрушения, системы этажного само- обрушения, системы этажного принудительного обрушения. к* VIII классу - комбинированных систем - отнесены систе­ мы, при которых этаж или панель делится на регулярно чередую­ щиеся и относительно близкие по размерам камеры и междукамер- ные целики, отрабатываемые последовательно в две стадии разны­ ми системами. Камеры отрабатывают в первую, а целики во вторую очередь по окончании выемки двух-трех (редко более) смежных камер. Комбинированные системы нельзя рассматривать как случай со­ вместного применения двух самостоятельных систем разработки, так как подготовка, нарезка и очистная выемка в камере и между- камерном целике, составляющих вместе выемочный блок, взаимо­ связаны. Соотношение запасов руды в камерах и целиках колеблет­ ся в среднем от 1:1 до 2:1. Комбинированные системы применяют при разработке мощных месторождений. По способу выемки камер комбинированные системы можно разделить на четыре группы, отличающиеся по условиям примене­ ния: комбинированные системы с открытыми камерами; комбини­ рованные системы с магазинированием руды; комбинированные системы с одновременной закладкой; комбинированные системы с последующей закладкой. 4.4. Процессы очистной выемки Очистная выемка при любой системе разработки включает три основных процесса, взаимосвязанных между собой: - отбойку руды; - доставку руды; - поддержание выработанного пространства. Под отбойкой руды понимается отделение части руды от масси­ ва с одновременным дроблением ее на куски. Отбойка руды производится с применением буровзрывных ра­ бот, механических средств и самообрушения. Выбор способа от­ бойки зависит от горно-геологических условий, физико­ механических свойств руды и принятой системы разработки. 89 Различают три метода буровзрывной отбойки: шпурами, сква­ жинами и камерными зарядами. Шпуровая отбойка применяется при мощности залежей до 6-10м, при невозможности одновремен­ ного взрывания больших зарядов из-за опасности нарушения руд­ ных целиков или крепления. Скважинная отбойка получила широ­ кое распространение при разработке мощных рудных тел и устой­ чивых рудах. Камерные заряды применяют при разработке мощных месторождений крепких руд при обрушении целиков и потолочин. Механическая отбойка производится с помощью комбайнов, от­ бойных молотков и применяется при добыче мягких руд. Самообрушение применяется крайне редко, так как при нем не­ возможно управлять качеством отбойки. Самообрушение происхо­ дит под давлением собственного веса руды и давления налегающих пород. Под доставкой руды понимается перемещение отбитой руды в пределах выемочного участка - от места отбойки до места погрузки в основные транспортные средства (в отличие от транспортирова­ ния руды). Различают два основных вида доставки: под действием силы тя­ жести и механизированную. Иногда доставку осуществляют силой взрыва, струей воды (гидравлическая доставка). Ценные полезные ископаемые во избежание потерь доставляют в плотно закрываю­ щихся металлических сосудах - контейнерах. Доставка под действием силы тяжести производится по очист­ ному пространству, по настилам, рудоспускам, желобам, трубам. Минимальный угол наклона для движения руды составляют 30 - 65° в зависимости от размера кусков, наличия в руде пылеобразного и липкого материала, влажности руды, шероховатости и неровности поверхности, по которой происходит передвижение. Механизированная доставка производится самоходными вагона­ ми, погрузочно-доставочными машинами, конвейерами, скрепера­ ми. Под поддержанием выработанного пространства понимаются мероприятия по управлению горным давлением применительно к очистному пространству. Т.е. это сохранение его устойчивости пу­ тем искусственного подпора боков и кровли очистного пространст­ ва целиками, закладочным материалом, отбитой рудой или крепью. 90 Л и т е р а т у р а 1. Агошков, М.И., Борисов, С.С., Боярский, В.А. Разработка руд­ ных и нерудных месторождений: учеб. для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1983. - 424 с. 2. Анистратов, Ю.И. Технологические процессы открытых гор­ ных работ: учебник для вузов. - М.: Недра, 1995. - 351с. 3. Горное дело./ Ю.А. Астафьев[и др.]. - М.: Недра, 1973. - 384 с. 4. Букринский, В.А. Геометрия недр: учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: МГГУ, 2002. - 549 с. 5. Васючков, Ю.Ф. Горное дело: учебник для техникумов. - М.: Недра, 1990.-512 с. 6. Задачник по подземной разработке угольных месторождений: учебн. пособие для вузов / К.Ф. Сапицкий [и др.] - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1981. - 311 с. 7. Кащеев, В.Д. Технология разработки угольных месторожде­ н и й-М .: Недра, 1971.-384 с. 8. Килячков, А.П. Технология горного производства: учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992. - 415 с. 9. Кологривко, А.А. Механические процессы в пластовых и соля­ ных месторождениях: метод, пособие. - Мн.: БГПА, 2002.-73 с. 10. Кологривко, А.А. Подземные горные работы: метод, пособие. - Мн.: БГПА, 2002 .-52 с. 11. Кологривко, А.А. Проведение и крепление подземных горных выработок: метод, пособие. В 3 ч. Ч.З.-Мн.: БГПА, 2001,- 111с. 12. Подземная разработка пластовых месторождений. Теоретиче­ ские и методические основы проведения практических занятий: учеб. пособие./Под ред. Л.А. Пучкова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: МГГУ, 2001. - 487 с. 13. Нормативные и методические документы по ведению горных работ на Старобинском месторождении калийных солей. - Солигорск-Минск; Изд-во Слуцкой укрупненной типографии, 1995.-214 с. 14. Правила безопасности при разработке подземным способом соляных месторождений в Республике Беларусь. - Мн.: Изд-во Речицкой укрупненной типографии, 1994. - 337с. 91 15. Проскуряков, Н.М., Ковалев, О.В., Мещеряков, В.В. Управле­ ние газодинамическими процессами в пластах калийных руд. - М.: Недра, 1998. - 239 с. 16. Синанян, P.P. Маркшейдерское дело: учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - 312 с. 17. Смычник, А.Д., Морев, А.Б. Технология и механизация горных работ на калийных рудниках Беларуси: учеб. пособие. - Мн.: УП «Технопринт», 2002. - 200 с. 18. Справочник по горнорудному делу / Под ред. В.А. Гребюнюка, Я.С. Пыжьянова, И.Е. Ерофеева. - М.: Недра, 1983. - 816 с. 19. Справочник по маркшейдерскому делу/ Под общ. ред. А.Н. Омельченко. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1973,- 448с. 20. Аэрология горных предприятий: учебник для вузов. / К.З. Уша­ ков [и др.]. -3 -е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. -421 с. 92 СОДЕРЖАНИЕ Введение............................................................ 3 1. Сравнительная характеристика открытого и подземного способов разработки.................. 4 2. Горно-геологическая характеристика ме­ сторождений полезных ископаемых............. 5 2.1. Форма и геометрические параметры залежи полезного ископаемого................................. 7 2.2. Классификация запасов полезных ископае­ мых....................................................................... 20 2.3. Характеристика Старобинского месторож­ дений калийных солей..................................... 26 3. Подземная разработка пластовых месторо­ ждений................................................................ 31 3.1. Стадии разработки месторождений................ 31 3.2. Сдвижение вмещающих пород и земной поверхности. Предохранительные целики... 32 3.3. Вскрытие и подготовка месторождений........ 37 3.3.1. Деление шахтных полей на части................... 37 3.3.2. Способы и схемы вскрытия шахтных полей. Вскрытие шахтных полей Старобинского месторождения................................................... 40 3.3.3. Проведение и крепление вертикальных стволов................................................................. 47 3.3.4. Подготовка шахтного поля. Подготовка шахтных полей Старобинского месторож­ дения.................................................................... 53 3.3.5. Проведение и крепление горизонтальных выработок........................................................... 56 3.3.6. Проветривание забоев....................................... 64 3-4. Очистные работы............................................... 68 3.4.1. Технология очистных работ в лавах............... 68 3-4.2. Технология очистных работ в коротких за­ боях....................................................................... 74 3-4.3. Системы разработки пластовых месторож­ дений.................................................................... 75 93 3.5. Календарный план отработки пласта............ 81 4. Подземная разработка рудных месторожде­ ний........................................................................ 82 4.1. Особенности процесса сдвижения горных пород и охраны сооружений при разработке рудных месторождений.................................... 82 4.2. Вскрытие и подготовка рудных месторож­ дений.................................................................... 84 4.3. Системы разработки рудных месторожде­ ний по М.И. Агошкову..................................... 85 4.4. Процессы очистной выемки............................. 89 Литература 91 Учебное издание КОЛОГРИВКО Андрей Андреевич ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ РАБОТЫ Учебное пособие Технический редактор Л.Д. Мартынюк ________Компьютерная верстка О.В. Дубовик_______ Подписано в печать 21.08.2006. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Уел, печ. л. 5.5. Уч.-изд. 4,3. Тираж 100- Заказ 827. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ №02330/0131627 от 01.04.2004. 220013, Минск, п р о с п е к т Независимости, 65.