Формы и размеры поперечного сечения выработок

Форма поперечного сечения выработок зависит от физико-механических свойств пересекаемых ими пород, срока службы выработки, назначения, а также свойств материала крепи.

Наиболее распространенной формой поперечного сечения вертикальных стволов является круглая, редко им придают прямоугольную форму. Для крепления стволов, имеющих круглую форму поперечного сечения, применяют монолитный бетон, чугунные тюбинги, а прямоугольную — дерево.

Формы поперечных сечений горизонтальных и наклонных выработок более разнообразны. При деревянной крепи выработкам придают форму прямоугольника или трапеции (рис. 1.4), при бетонной — типичной является сводчатая форма с вертикальными боковыми стенками, при металлической — арочная, при сборной железобетонной — полигональная, прямоугольная, арочная. В зависимости от величины и направления давления горных пород (бокового или со стороны почвы) выработкам придают круглую, подковообразную или овальную форму.

а.

Рис. 2. Формы поперечного сечения выработок: а — прямоугольная; б — трапециевидная; в-сводчатая; г — арочная; д — полигональная

Размеры поперечного сечения выработки определяются габаритами подъемных сосудов или транспортного оборудования (клети, скипы, вагонетки, электровозы, конвейеры и др.), необходимыми зазорами между крепью и указанным оборудованием, а также количеством воздуха, который должен проходить по выработке. Необходимо, чтобы площадь поперечного сечения выработок обеспечивала бы перемещение по ним воздуха со скоростями не более предельно допустимых; в стволах, предназначенных только для спуска и подъема грузов, — 12 м/с; в стволах, используемых для подъема людей, в квершлагах, откаточных и вентиляционных штреках, капитальных и панельных бремсбергах и уклонах — 8 м/с; во всех прочих горных выработках, проведенных по углю и породе — 6 м/с; в рабочем пространстве очистных забоев — 4 м/с.

В вертикальных стволах дополнительно учитываются расположение и число подъемных сосудов, наличие другого оборудования (лестничное отделение, трубопроводы, электрокабели и др.), а в горизонтальных и наклонных выработках — число рельсовых путей.

Площадь сечения выработки, определяемая по внутренним образующим крепи, называется площадью сечения в свету. Площадь поперечного сечения круглых стволов в свету характеризуется диаметром ствола, который принимается от 4 до 8,5 м с интервалом через 0,5 м (площадь сечения от 12,6 до 56,7 м²).

Минимально допустимая площадь поперечного сечения горизонтальных и наклонных выработок составляет 3,7 м². Отдельные выработки имеют площадь сечения 20−25 м^.

Для облегчения определения размеров поперечного сечения выработок на производстве и при проектировании, а также для типизации характеризующих выработку параметров, проектными организациями разработаны типовые сечения различных горизонтальных и наклонных горных выработок с учетом особенностей разработки месторождений, различных видов крепи и применяемого транспортного оборудования.

Под добычей полезных ископаемых понимают извлечение их из недр в результате разработки месторождения. Различают два способа добычи: без изменения и с изменением агрегатного состояния полезного ископаемого. К первому относят добычу твердых полезных ископаемых подземным, открытым и подводным способами; ко второму — подземную газификацию угля или выплавку серы методом Фраша.

Подземный и открытый способы являются традиционными, освоенными и широко применяемыми. Однако в последние десятилетия возрастает значение добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов. Крупные месторождения газа эксплуатируются под водами Северного моря. У берегов Аляски морские драги моют золото, у берегов Намибии — алмазы, у берегов Шри Ланки и Западной Австралии идет добыча из морских россыпей минералов, содержащих титан и цирконии.

Подземная газификация заключается в том, что каменный или бурый уголь под воздействием химически активных компонентов — кислорода, паров воды и диоксида углерода превращаются на месте залегания в энергетический или технологический газ.

Идея подземной газификации угля, высказанная Д. И. Менделеевым, впервые была реализована в нашей стране, найдены и проверены в разнообразных природных условиях технические решения основ ее практического осуществления.

Горное давление в очистном забое. Классификация вмещающих пород При подземной добыче полезного ископаемого в толще горных пород образуются пустоты — выработанное пространство. Выработки, из которых производится выемка полезного ископаемого, называются очистными. Для обеспечения устойчивости очистных выработок, а в отдельных случаях и для защиты земной поверхности от образования провалов и трещин, в выработанном пространстве иногда оставляют участки полезного ископаемого — опорные целики — или же ведут очистные работы с закладкой или обрушением вмещающих пород. Опорные целики предназначены для удержания вышерасположенных пород от обрушений, а земной поверхности от опускания. При разработке месторождения с закладкой выработанное пространство заполняют пустыми породами (закладочным материалом); если разработка ведется с обрушением, то породы кровли над выработанным пространством не удерживают ни целиками, ни закладочным массивом, и они обрушаются, заполняя выработанное пространство и воспринимая на себя давление вышележащих пород. Указанные мероприятия направлены на защиту горных выработок от воздействия на них так называемого горного давления.

Горное давление — это силы, возникающие в массиве горных пород, окружающем горную выработку. Проявляется оно в деформациях и разрушении крепи, опускании и обрушении пород, окружающих горную выработку, пучении почвы, раздавливании целиков, уплотнении закладочного массива и т. д. Основные причины, вызывающие горное давление, — собственный вес пород, тектонические силы и температурные градиенты.

В комплексе вопросов, с которыми встречаются горная наука и практика, горное давление занимает одно из важнейших мест, так как эффективность и безопасность ведения горных работ в значительной степени зависят от характера его проявления и от, умения управлять им.

Факторы, влияющие на характер проявления горного давления, весьма разнообразны и могут быть разделены на две группы: геологические и горнотехнические. К первой группе относят физико-механические свойства горных пород и пласта, его угол падения и мощность, глубину залегания, обводненность вмещающих пород, строение кровли, почвы и мощности слагающих их слоев и др. Ко второй — размеры выработки, срок ее поддержания, скорость подвигания забоя лавы, способ выемки полезного ископаемого, тип и характеристика применяемой крепи, способ управления горным давлением.

Физико-механические свойства горных пород являются главным фактором, определяющим характер проявления горного давления, их устойчивость и склонность к самообрушению.

В зависимости от способности отдельных слоев породы кровли и почвы к самообрушению, а также от расположения их по отношению к угольному пласту различают ложную, непосредственную и основную кровлю, а также непосредственную и основную почву.

Ложной кровлей называют залегающий непосредственно над разрабатываемым пластом слой породы незначительной мощности (до 0,5−0,6 м), который легко обрушается одновременно с выемкой угля или с некоторым отставанием от нее. Следует отметить, что многие пласты не имеют ложной кровли.

Непосредственной кровлей называют залегающую над пластом или ложной кровлей толщу пород, которая легко обрушается, причем на небольших площадях после удаления индивидуальной или передвижения механизированной крепи очистной выработки.

Основной кровлей называют толщу крепких, устойчивых пород, залегающих над непосредственной кровлей и обрушающихся при значительной площади обнажения. Основная кровля может залегать и непосредственно над пластом угля.

Ложная кровля обычно состоит из углистых и слабых аргиллитов; непосредственная кровля чаще всего представлена алевролитами или аргиллитами, а основная — известняками и песчаниками, реже крепкими аргиллитами.

Толщу пород, залегающую непосредственно под угольным пластом, называют непосредственной почвой. Со свойствами непосредственной почвы связаны явления пучения пород, вдавли-, вания в нее крепи, а на крутом падении — сползание и обрушение.

Толщу пород, залегающую ниже пород непосредственной почвы, называют основной почвой.

Породы кровли разделяют на четыре класса (по классификации бывшего ВУГИ) по их обрушаемостщ в основу классификации положены характер обрушаемости и высота их обрушения.

Класс I — в непосредственной кровле залегает толща легко-обрушающихся пород. Мощность этой толщи, состоящей из нескольких слоев, более 6−8-кратной мощности разрабатываемого пласта.

Класс II — в непосредственной кровле залегает толща легко обрушающихся пород мощностью менее 6−8-кратной мощности разрабатываемого пласта. В основной кровле залегают трудно-обрушающиеся породы, которые обрушаются лишь спустя некоторое время после выемки угля и обнажения кровли на значительной площади.

Класс III — в непосредственной кровле залегает относительно мощный пласт труднообрушающихся пород. В отдельных случаях непосредственная кровля отсутствует и над пластом залегает основная кровля, допускающая обнажения на значительной площади.

Класс IV — в непосредственной кровле залегают породы, способные плавно прогибаться без значительных разрывов и трещин (при мощности пласта до 0,8−1,0 м).

Породы кровли имеют различную устойчивость. Устойчивостью называют свойства пород удерживаться от сдвижения, деформации или обрушения при обнажении их по мере выемки угля. В зависимости от площади и времени сохранения устойчивости без применения крепи различают кровли совершенно неустойчивую, неустойчивую, средней устойчивости, устойчивую и весьма устойчивую.

Способы бесцеликовой охраны выработок Установлено, что с ростом глубины отработки запасов ширина предохранительных целиков около подготавливающих выработок увеличивается приблизительно в соотношении 10 м на каждые 100 м глубины.

При ведении горных работ на глубине 600 м и более охрана выемочных выработок целиками угля, размеры которых достигают 45−60 м, становится нерациональной: увеличиваются потери угля в недрах, повышается опасность газодинамических явлений, горных ударов, завалов лав и выработок на соседних пластах в зоне влияния оставленных целиков, усложняется транспорт угля, растет газообильность выемочных участков вследствие дренирования метана из целиков.

В этой связи рациональными являются также технологические схемы отработки пластов, при которых исключается необходимость оставления целиков угля для охраны выработок, обеспечиваются достаточно высокая концентрация горных работ и нормальные условия функционирования всех технологических звеньев шахты. Для этого выемочные выработки необходимо располагать в зонах с пониженным горным давлением, т. е. там, где используется эффект разгрузки пород от напряжений в краевой части угольного массива, прилегающей к выработанному пространству, применять так называемые бесцеликовые технологические схемы отработки пластов.

Указанные выше схемы разделяются на две группы: с повторным использованием выработок, например, вначале для транспортных, а затем вентиляционных целей, и с проведением указанных выработок вприсечку к выработанному пространству, в зоне установившегося горного давления.

Проведение выработок вприсечку производится с отставанием от забоя лавы не менее чем на 60−120 м на пластах, склонных к самовозгоранию, и не менее 120−180 м в зависимости от характера обрушаемости и слеживаемости пород в прочих условиях. При этом предусматривается запас поперечного сечения выработки на осадку в пределах 500−700 мм. Выработки крепятся металлическими арками с плотностью установки не менее 1,5 арки на 1 м.

Присечка может быть с частичным сохранением старой выработки, полная и с оставлением между вновь проводимой выработкой и обрушенными породами полосы угля шириной до 1 м (рис. 8.7). Последнюю схему следует применять только на непожароопасных пластах.

Бесцеликовая схема с повторным использованием горных выработок применяется преимущественно в благоприятных горно-геологических условиях: при глубине работ не более 700 м; мощности пластов до 3,5 м, если их угол падения не превышает 35°, и до 1,5 м — при любых углах падения; породы кровли любые по устойчивости; при отсутствии пучащих пород в почве пласта и притока воды, т. е. в тех случаях, когда с помощью имеющихся технических мероприятий обеспечивается нормальное состояние выработок без больших объемов работ по их поддержанию. Выемочные выработки для поддержания позади очистного забоя с целью повторного использования необходимо охранять с помощью специальной крепи или искусственных ограждений: железобетонные тумбы — при пластах мощностью менее 1,5 м при среднеобрушаемых породах кровли и прочных породах почвы; органную крепь — при мощности пласта от 1,5 до 3 м, костры — при наличии ложной кровли; жесткие полосы из быстротвердеющих материалов — при среднеи труднообрушаемых породах кровли, особенно при необходимости обеспечения изоляции выработанного пространства.

Для улучшения устойчивости повторно используемых выемочных выработок во всех случаях, когда смещение пород превышает конструктивную податливость выбранной крепи, впереди забоя лавы на 20−30 м и позади его на 100−120 м устанавливают специальную крепь усиления из металлических стоек с несущей способностью не менее 100 кН на 1 м выработки.

Крепь усиления устанавливают под каждый верхняк арки впереди движущейся лавы, а в зоне установившихся смещений вмещающих пород, т, е, позади лавы, ее в направлении подвигания забоя с той же скоростью демонтируют, транспортируют на штрековом конвейере и вновь устанавливают.

выработка пласт ископаемое горный.