Системы разработки наклонными слоями с закладкой выработанного пространства

Системы разработки наклонными слоями с закладкой выработанного пространства имеют те же конструктивные элементы, что и системы с управлением кровлей обрушением. Отличие их заключается в том, что выемка слоев может производиться как в восходящем, так и нисходящем порядке, причем, в слоях могут применяться не только длинные, но и короткие очистные забои (заходки).

Наиболее распространенным является вариант выемки слоев в восходящем порядке, при котором кровлей слоя служит толща угля (или породного прослойка), что обеспечивает более надежную и безопасную работу в очистном забое, чем при выемке слоев в нисходящем порядке, при котором кровлей слоя является закладка.

Применяются следующие варианты системы разработки наклонными слоями с закладкой: с выемкой слоев по простиранию лавами и с выемкой полосами по простиранию. Поскольку в конструктивном отношении система разработки с выемкой лавами по простиранию мало чем отличается от систем с управлением кровлей обрушением, рассмотрим более подробно вариант системы разработки с выемкой полосами по простиранию, получившая распространение при разработке мощных крутых и наклонных пластов (рис. 8.3). Применяется эта система как с гидравлической, так и с пневматической закладкой. При восходящем порядке отработки слоев предпочтение отдают гидравлической закладке, как более дешевой и обеспечивающей большую плотность закладочного массива.

Сущность системы заключается в том, что этаж наклонной высотой порядка 100 м по простиранию делится большей частью на односторонние выемочные поля, каждое из которых, в свою очередь, делится на 2–3 выемочных участка длиной по простиранию 100–150 м каждый.

Рисунок 8.3 – Система разработки мощного пласта наклонными слоями с закладкой с выемкой полосами по простиранию а – забой полосы; б – углеспускная печь; в – детали крепления полосы

1, 2 – соответственно транспортный и вентиляционный полевые этажные штреки;
3 – промквершлаг транспортный; 4 – пластовый основной штрек; 5 – слоевая закладочная и вентиляционная печь; 6 – промквершлаг вентиляционный; 7 – конвейерный квершлаг; 8 – бункер-скат; 9, 10 – соответственно транспортный и вентиляционный полосовые штреки; 11 – очистной забой (полоса); 12 – углеспускная печь; 13 – дренажная печь

Выемочное поле разделяется по высоте этажа на полосы (короткие лавы), ширина которых находится в пределах 10–15 м. Выемка полос в слое производится в восходящем порядке — от основного штрека к вентиляционному.

Подготовка выемочного поля начинается с проведения промежуточного квершлага, от которого у лежачего бока пласта проводят пластовый штрек, переоборудуемый впоследствии в водосборник. С основного штрека до вентиляционного горизонта по границам и посредине выемочного поля проводят закладочные печи, которые на вентиляционном горизонте соединяют с квершлагами, проводимыми с полевого вентиляционного штрека.

Посредине каждого выемочного участка над основным штреком проводят короткие транспортные квершлаги, оборудованные ленточными конвейерами. Эти квершлаги у лежачего бока пласта примыкают к углеспускным печам, а на другом конце через скаты-бункера соединяются с полевым транспортным штреком.

Первая нижняя полоса в нижнем слое отрабатывается без оставления целика над основным штреком. Отбитый в этой полосе уголь поступает непосредственно на этот штрек и далее через промежуточный квершлаг на полевой транспортный штрек. Выработанное пространство нижней полосы закладывается до уровня верхняков основного штрека, которые сверху перекрываются сплошным накатником из стоек, обшиваемых сверху металлической сеткой, и усиливается многоугольной стропильной крепью. Таким образом, основной штрек в выемочном поле остается и поддерживается в закладочном массиве и после выемки нижней полосы нижнего слоя используется в качестве водосборника для нижнего и второго слоев.

Очистные работы в каждом выемочном участке ведут от закладочных печей к углеспускной, сооружаемой в закладочном массиве. Рядом с углеспускной печью по обе стороны от нее на расстоянии 4–5 м сооружают дренажные печи, предназначенные для осушения закладочного массива. Углеспускная печь имеет два отделения: одно — для спуска угля и обшивается у почвы листовой сталью или же оборудуется стальными трубами диаметром 0,6–0,7 м (как показано на рис. 8.3), второе — для передвижения людей, оборудованное лестницами.

Отбойка угля в забое полосы производится буровзрывным способом или отбойными молотками, крепление — деревянными рамами. Верхняя рама усиливается стропильной крепью для предупреждения обрушения угля.

После подвигания забоя на расстояние 10–15 м (шаг закладки) выемка угля временно прекращается и производится закладка выработанного пространства. Закладочный материал подается в забои с вентиляционного горизонта по закладочным печам. При возведении закладки верхняя часть полосы оставляется незабученной, в результате чего образуется искусственный полосовой штрек, который служит для прокладки закладочного трубопровода, подачи материалов в забой полосы и вентиляции. В последующем при выемке смежной вышерасположенной полосы этот штрек используется для транспортирования угля скребковым конвейером от очистного забоя до углеспускной печи.

Таким образом, каждый очистной забой полосы обслуживается двумя полосовыми штреками: верхним вентиляционным и нижним транспортным. По мере подвигания забоя верхний полосовой штрек удлиняется, оставаясь в закладочном массиве, а нижний закладывается, что является характерной особенностью этой системы разработки.

Схема транспорта угля: 11–9–12–7–8–1.

Схема проветривания участка: 1–8–7–12–9–11–10–5–6–2.

По окончании выемки нижнего слоя в выемочном участке приступают к выемке второго слоя. Для его подготовки проводят нижний полосовой штрек и закладочные печи. Поскольку водосборник используется повторно и для второго слоя, нижний полосовой штрек последнего проводится на уровне конвейерного квершлага на 4–5 м выше транспортного горизонта, и таким образом под ним остается целик 4–5 м.

Достоинства системы разработки наклонными слоями с выемкой полосами по простиранию:

― отпадает надобность в проведении и перекреплении выемочных штреков, так как они искусственно образуются в выработанном пространстве и удовлетворительно сохраняются в закладочном массиве;

― довольно широкая область применения;

― высокая концентрация работ;

― обособленное проветривание очистных забоев;

― сравнительно небольшие потери угля;

― уменьшение опасности самовозгорания угля;

― высокая плотность закладочного массива, что обеспечивает сохран­ность поверхности от сдвижений.

Недостатки системы:

― большой объем проведения закладочных печей, проводимых в каждом слое, углеспускных и дренажных печей, сооружаемых в закладочном массиве;

― трудность механизации очистных работ в полосе;

― большой расход лесоматериалов;

― высокая трудоемкость закладочных работ.

Условия применения: пласты мощностью 4–12 м с углами падения свыше 30–35° и углями не ниже средней крепости.

Глава 9. СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ СЛОЯМИ

При этих системах мощный пласт разделяется на горизонтальные слои толщиной 3,0–3,5 м. Отработка слоев может производиться как в восходящем, так и нисходящем порядке в зависимости от применяемого способа управления кровлей и крепости угля. Большие потери угля при управлении кровлей полным обрушением и обусловленная этим высокая пожароопасность, сложность управления кровлей и аварийность работ при зависании перепускаемых пород с отработанных слоев по причине малой длины лавы ограничивают применение системы разработки горизонтальными слоями с обрушением кровли.

При выемке слоев снизу вверх с закладкой последняя, уплотняясь, вызывает оседание и растрескивание угольного массива, что может приводить к вывалам кусков угля, а также способствовать самовозгоранию пласта. В связи с этим в последнее время предпочтение отдается нисходящему порядку отработки слоев с закладкой (рис. 9.1).

Рисунок 9.1 – Система разработки горизонтальными слоями 1, 2 – соответственно транспортный и вентиляционный полевые этажные штреки; 3 – транспортный про­межуточный квершлаг; 4, 5 – пластовые основные штреки; 6 – углеспускная печь; 7 – вентиляционная

печь (она же и закладочная); 8, 9 – соответственно конвейерный и вентиляционный слоевые штреки; 10 – вентиляционный квершлаг; 11 – полевая вентиляционная сбойка; 12 – разрезной орт; 13 – фланговая воздухоподающая печь; 14 – межслоевые сбойки для проветривания

Поскольку областью применения системы являются мощные пласты с углами падения свыше 30–35°, то в основном применяется этажная подготовка шахтного поля с полевыми или групповыми штреками, проводимыми по другим пластам. По простиранию этаж разделяется на односторонние или двусторонние выемочные поля длиной соответственно 150 и 300 м.

Каждое выемочное поле (двустороннее) посредине вскрывается с полевого штрека промежуточным квершлагом, который продолжается центральным ортом и пересекает пласт на всю мощность. От центрального орта по пласту у почвы и кровли проводят два основных штрека, а от них в середине выемочного поля проводят две центральные печи, которые крепят сплошной крепью. В каждой из печей устраивают два отделения — грузовое и ходовое. Печь, расположенную у кровли пласта, используют в качестве углеспускной, а у почвы пласта — для доставки крепежного леса, оборудования и для вентиляции. В нижней части углеспускной печи устраивают бункер.

В породах почвы пласта или по расположенному вблизи пласту (если он имеется) проводят вентиляционно-закладочную печь и от нее — короткие вентиляционные квершлаги из расчета один квершлаг на два слоя. Печь состоит из двух отделений — ходового с трубопроводом для спуска закладочного материала и рабочего, служащего для спуска леса и оборудования.

У каждой из границ выемочного поля проводят также по две печи (у кровли и у почвы пласта), используемые для подготовки горизонтальных слоев.

Слоевые штреки обычно проводят с помощью буровзрывных работ и в большинстве случаев крепят деревянной крепью. Для большей устойчивости они проводятся не на всю высоту слоя, а с оставлением угольной потолочины толщиной 1,0–1,5 м.

Очистные работы в слое начинаются от разрезного орта, проводимого у дальней границы выемочного участка. Обычно выемка угля производится буровзрывным способом. Перед взрыванием шпуров забойный конвейер устанавливают у самого забоя, а к первому ряду стоек на ²/₃ их высоты прибивается металлическая сетка. Благодаря этим мероприятиям обеспечивается взрывонавалка угля. Только около 40% отбитого угля убирается вручную.

Транспортирование угля производится скребковым конвейером по слоевому штреку до углеспускной печи и далее по промежуточному квершлагу на этажный транспортный штрек.

Закладочный материал по трубам подается с вентиляционного штрека по вентиляционно-закладочной печи, вентиляционному квершлагу и слоевому штреку в выработанное пространство слоя. Чаще всего применяется пневматическая закладка. При этом закладочная установка располагается на вентиляционном горизонте в районе промежуточного квершлага.

Проветривание выемочного поля осуществляется по схеме: 1–3–5–13–8'–14–8–очистной забой–9–7–10–11–2.

Достоинства системы разработки горизонтальными слоями:

― возможность разработки пластов со значительно изменяющейся мощностью;

― малые потери угля и небольшая вероятность возникновения пожаров при технически правильном ведении закладочных работ;

― удобное положение рабочих в забое.

Недостатки:

― большой объем проведения подготовительных выработок;

― небольшая длина очистного забоя, затрудняющая применение высокопроизводительной техники;

― слоевые штреки подвержены интенсивному влиянию очистных работ;

― большой расход леса;

― имеющиеся в пласте породные прослойки вынимаются вместе с углем.

Условия применения: пласты с углами падения более 30 градусов [16] и мощностью свыше 8 м, с углями любой крепости и газоносности при боковых породах любой устойчивости. Особенно желательно применение системы на пластах с изменяющейся мощностью, на сильно нарушенных участках, в местах раздутия пластов и т.д.

Дальнейшее совершенствование системы ведется по пути создания средств комплексной механизации очистной выемки в забое с твердеющей закладкой для исключения необходимости возведения предварительной крепи.

Глава 10. СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ ПОПЕРЕЧНО‑НАКЛОННЫМИ СЛОЯМИ

Сущность системы заключается в том, что мощный пласт отрабатывается слоями толщиной 2,7–3,0 м и в редких случаях до 3,5 м, имеющими наклон 30–40° к горизонту (рис. 10.1).

Рисунок 10.1 – Система разработки поперечно-наклонными слоями

1, 2 – соответственно транспортный и вентиляционный полевые этажные штреки;
3 – транспортный промквершлаг; 4 – вентиляционный промквершлаг; 5 – основной пластовый штрек; 6 – фланговые вентиляционно-закладочные печи; 7 – конвейерный квершлаг; 8 – бункер-скат; 9 – углеспускная печь в закладке: 10 – дренажная печь; 11, 12 – соответственно транспортный и вентиляционный слоевые штреки;
13 – очистной забой

При угле падения пласта около 60° поперечно-наклонный слой располагается почти нормально к плоскостям напластования. Благодаря наклонному положению слоя обеспечивается самотёк угля и закладки в очистном забое. Наклон забоя предопределяет и положение слоевых штреков: у висячего бока находится верхний штрек, служащий для доставки закладки и леса, а у лежачего бока — нижний для транспортирования угля.

В общем случае разработка поперечно-наклонными слоями менее эффективна, чем горизонтальными слоями. Повышенные затраты и трудоемкость крепления выработанного пространства и слоевых штреков, а также их поддержание при разработке поперечно-наклонными слоями значительно превышают эффект от самотечного движения угля и закладки в забое. Поэтому эта система разработки применяется сравнительно редко и лишь тогда, когда необходимо сохранить поверхность от подработки: наклонное положение забоя обеспечивает при гидравлической закладке большую степень заполнения выработанного пространства закладочным материалом и большую плотность закладочного массива, а следовательно, меньшие деформации и сдвижения боковых пород. По этой причине систему разработки поперечно-наклонными слоями целесообразно применять в варианте с выемкой слоев снизу вверх и с гидравлической закладкой.

Как правило, применяется полевая подготовка. Этаж разделяется на двусторонние выемочные поля. На транспортном горизонте у лежачего бока пласта устраивают водосборник. На флангах выемочного поля (а при его делении на выемочные участки на их флангах) проводят вентиляционные печи, которые используются также для спуска лесоматериалов и подачи закладки по трубопроводу. В центре каждого выемочного участка (на рис. 10.1 выемочное поле не разделено на участки) после отработки трёх слоев проводят конвейерный квершлаг, соединяющий полевой транспортный штрек с углеспускными печами, которые в процессе выемки слоев сооружаются в закладочном массиве. По обе стороны от углеспускной печи также в закладочном массиве сооружаются дренажные печи.

Отличительной особенностью разработки пласта поперечно-на­клонными слоями является то, что слоевые штреке не проводятся по углю, а сооружаются в закладочном массиве позади очистного забоя разрабатываемого слоя. При этом конвейерный штрек разрабатываемого слоя всегда располагается в закладочном массиве нижележащего отработанного слоя.

Выемка угля в слое осуществляется с помощью буровзрывных работ или отбойных молотков, крепление — деревянной рамной крепью, состоящей из верхняков, под которые подбиваются стойки, устанавливаемые на лежни.

Отбитый уголь под собственным весом скатывается по почве слоя или по рештакам на скребковый конвейер, установленный в слоевом штреке, и доставляется к углеспускной печи в закладке, далее по конвейерному квершлагу к сбойке-бункеру, из которого грузится в вагонетки на полевом штреке.

Доставка в очистные забои материалов производится через вентиляционные печи и верхние слоевые штреки.

Проветривание участка осуществляется по схеме: 1–8–7–9–11–13–12–6–4–2.

Достоинства системы разработки поперечно-наклонными слоями:

― возможность разработки пластов переменной мощности;

― обеспечение создания плотного закладочного массива;

― самотечное движение угля в забое и самонавалка его на конвейер в слоевом штреке;

― малые потери угля; относительная безопасность системы в пожарном отношении.

Недостатки:

― небольшая добыча из очистного забоя;

― сравнительно низкая производительность труда рабочих, что связано со сложностью крепления забоя и применением закладки;

― опасность растрескивания и сдвижения угольного массива в процессе выемки слоев;

― большой расход крепежных материалов;

― невозможность оставления породы в шахте из прослойков в пласте.

Областью применения системы являются пласты мощностью свыше 5 м и углами падения более 40° с крепкими и вязкими углями и породами любой устойчивости при необходимости создания плотной закладки для охраны объектов на поверхности.

Глава 11. КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ МОЩНЫХ ПЛАСТОВ С ГИБКИМ ПЕРЕКРЫТИЕМ

Сущность систем этой группы состоит в том, что мощный пласт разделяют на два наклонных слоя не равной толщины. Верхний слой, получивший название монтажного, толщиной 1,3–1,8 м отрабатывается первым системой разработки длинными столбами по простиранию. При его отработке по мере выемки угля на почве слоя монтируется гибкое перекрытие из металлических полос, укладываемых в переплет, и металлической сетки, настилаемой поверх полос. На каждый метр почвы слоя по падению и простиранию укладывается до 8 полос. Нижний слой может отрабатываться различными системами разработки.

В настоящее время наибольшее применение на шахтах Кузбасса получил вариант системы с выемкой угля под гибким перекрытием системой подэтажных штреков, приведенный на рис. 11.1.

Этаж с наклонной высотой 80–100 м делят на два подэтажа, а по простиранию — на односторонние выемочные поля длиной 200–250 м или реже двусторонние длиной 400–500 м. Выемочные поля на транспортном и вентиляционном горизонтах вскрываются промежуточными квершлагами от полевых штреков.

Подготовка выемочного поля состоит из двух этапов: подготовки верхнего монтажного и нижнего основного слоя. Верхний слой подготавливается проведением фланговых печей у висячего бока и трех штреков по пласту — нижнего транспортного, верхнего вентиляционного и среднего подэтажного (рис. 11.1, а). При наклонной высоте менее 50 м этаж в пределах верхнего слоя может отрабатываться одной лавой без разделения на подэтажи.

Подготовка нижнего слоя (рис. 11.1, б) начинается по окончании очистных и монтажных работ в верхнем слое и заключается в проведении промежуточных печей через каждые 50 м по простиранию у лежачего бока пласта на всю высоту этажа. Эти печи имеют два отделения — углеспускное и ходовое. Кроме того, проводятся подэтажные штреки, которые располагаются примерно посредине нижнего слоя (рис. 11.1, в). Наклонная высота подэтажей составляет 12–15 м.

Очистные работы в нижнем слое ведут с отставанием не менее чем на 25–30 м от очистных работ в монтажном слое. Уголь вынимают буровзрывным способом под защитой гибкого металлического перекрытия, которое по мере выемки угля постепенно опускается.

Рисунок 11.1 – Комбинированная система разработки мощного пласта с гибким перекрытием и подэтажной отбойкой угля в нижнем слое: а – схема подготовки верхнего (монтажного) слоя; б – то же нижнего слоя; в – очистная выемка в нижнем слое 1 – этажный транспортный штрек нижнего слоя; 2 – то же верхнего слоя; 3 – наклонный орт; 4 – слоевой вентиляционный штрек верхнего слоя; 5 – то же нижнего слоя; 6 – промквершлаг; 7, 8 – печи, соответственно у лежачего и висячего бока пласта; 9, 10 – то же на границе выемочного поля; 11 – наклонный орт; 12 – промежуточная печь; 13 – подэтажный штрек нижнего слоя; 14 – то же верхнего слоя

Отбитый уголь грузят на скребковый конвейер и по транспортному штреку доставляют к ближайшей углеспускной печи на этажный транспортный штрек.

Очистные забои монтажного и нижнего слоев проветриваются обособленно, а подэтажей в слоях — последовательно.

При мощности пласта свыше 7 м подэтажные штреки в нижнем слое проводят как у почвы пласта, так и под гибким перекрытием. В последнем случае их называют «проходами». Эти штреки соединяют между собой наклонными ортами, располагаемыми под углом 25–30° к горизонту. Штреки являются основным рабочим местом при выемке в нижнем слое, так как обуривание забоя производится в основном из них и в незначительном объёме из наклонных ортов.

Достоинства комбинированной системы разработки с подэтажной отбойкой:

― широкая область применения, в том числе и на нарушенных пластах;

― простота и безопасность работ в нижнем слое без присутствия рабочих в очистном забое;

― отсутствуют трудоемкие процессы по креплению забоя и управлению кровлей нижнем слое.

Недостатками системы являются:

― большая трудоемкость монтажных работ в верхнем слое;

― большой объём подготовительных работ;

― сложная сеть выработок, усложняющая транспорт и проветривание.

Область применения системы — пласты мощностью 6–12 м с углами падения свыше 40° со сложным залеганием, но с породами кровли не ниже средней устойчивости, так как при слабых породах усложняется монтаж гибкого перекрытия.

В Кузбассе в небольшом объеме применяется вариант комбинированной системы разработки с гибким перекрытием с выемкой столбами по падению. Очистные и монтажные работы в верхнем слое аналогичны тем же работам при системе с подэтажной выемкой. Очистные работы в нижнем слое ведутся по аналогии с очистными работами под щитом с той лишь разницей, что они производятся под защитой гибкого перекрытия.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите нашедшие применение в практике способы разделения мощного пласта на слои и изобразите их графически.

2. В какой последовательности производится выемка слоев, и чем это определяется?

3. Изобразите графически системы разработки наклонными слоями с выемкой лавами по простиранию; по падению и с выемкой полосами по простиранию. Дайте им оценку и укажите области применения каждой.

4. Каким образом предотвращают попадание обрушенных пород или закладки из одного слоя в другой при нисходящем порядке их отработки?

5. Изложите сущность и изобразите графически систему разработки горизонтальными слоями. Дайте оценку ей и укажите область её применения.

6. Почему нецелесообразно применять разработку горизонтальными слоями при углах падения пластов менее 30°?

7. Изложите сущность и изобразите графически систему разработки поперечно-наклонными слоями. Дайте ей оценку и укажите область применения.

8. Изложите сущность и изобразите графически комбинированную систему разработки с гибким перекрытием с подэтажной отбойкой угля в нижнем слое. Дайте ей оценку и укажите область ее предпочтительного применения.

9. Почему не рекомендуется применять комбинированные системы разработки с гибким перекрытием на пластах со слабыми породами кровли?

Раздел 2. ОСОБЫЕ СЛУЧАИ РАЗРАБОТКИ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Глава 12. РАЗРАБОТКА СБЛИЖЕННЫХ ПЛАСТОВ