Вскрытием месторождения или шахтного поля называют проведение комплекса вскрывающих выработок, которые открывают доступ с поверхности к полезному ископаемому и обеспечивают возможность проведения основных подготовительных выработок.

Различают схему и способ вскрытия шахтного поля.

Схемой вскрытия называют пространственное расположение сети вскрывающих выработок (стволы, штольни и др.) относительно границ шахтного поля (графическое изображение способа вскрытия).

Способом вскрытия - расположение системы вскрывающих выработок в шахтном поле относительно горизонтальной плоскости с учетом их функционального назначения

Основными факторами, определяющими выбор схемы и способа вскрытия шахтного поля или его части, являются: число вскрываемых пластов, угол падения пластов, свойства вмещающих пород, расстояние между пластами, мощность наносов или покрывающей непродуктивной толщи, наличие плывунов и других водоносных пород, нарушенность месторождения, глубина разработки, газоносность пластов, рельеф местности, производственная мощность шахты, размер шахтного поля, срок службы шахты, уровень развития горнодобывающей техники, подготовка шахтного поля, системы разработки и схемы вентиляции и др.

Способ вскрытия должен обеспечивать: рациональную разработку шахтного поля в течение всех этапов работы шахты и получение стабильной проектной добычи угля на каждом этапе; минимальный объем вскрывающих горных выработок; минимальные первоначальные капитальные затраты на вскрытие месторождения и строительство шахты; однотипность транспорта по всем горным выработкам; возможность периодического обновления горного хозяйства шахты; выемочный горизонт с достаточно большими запасами угля, чтобы промежутки между углубками стволов или изменениями элементов схемы были по возможности более длительными; концентрацию производства и грузопотоков и преимущественное применение конвейерного транспорта; максимальную производительность труда при минимальной себестоимости 1т угля; эффективное проветривание горных выработок.

Вскрытие шахтных полей или их частей требует тщательного и своевременного их исследования и может осуществляться в зависимости от горно-геологических условий залегания пластов и горнотехнических условий различными способами. Целесообразность применения того или иного способа вскрытия также должна быть обоснована экономическим сравнением различных вариантов, наиболее соответствующих данным условиям.

К основным вскрывающим выработкам относятся вскрывающие выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность (стволы, штольни, шурфы).

К вспомогательным - вскрывающие выработки, не имеющие непосредственного выхода на земную поверхность (квершлаги, гезенки, орты, слепые стволы).

Стволы или проходятся сразу на всю глубину шахтного поля, или постепенно углубляются по мере развития горных работ. В первом случае имеет место одногоризонтное вскрытие, во втором - многогоризонтное. Преимуществами вертикальных стволов по отношению к остальным вскрывающим выработкам являются большое сечение, что очень важно для подачи свежего воздуха в шахту; меньшие расходы по обслуживанию и поддержанию; возможность совмещения в одном стволе всех необходимых транспортных операций.

Недостатки вертикальных стволов: большая стоимость проходки, цикличность подъемных операций; сложность процесса углубки.

Наклонные стволы с конвейерной доставкой имеют большую пропускную способность, лимитируемую лишь производительностью установленных конвейеров и временем их непрерывной работы.

Недостатки наклонных стволов: большая, чем у вертикальных стволов, протяженность и трудоемкость проходки в сложных горно-геологических условиях.

Существует несколько основных схем вскрытия шахтного поля (рис.1):

I. Для пологих и наклонных пластов: - вертикальными стволами и капитальными квершлагами с отработкой всех запасов в шахтном поле на одном подъемном горизонте бремсберговыми бесступенчатыми уклонными полями; - вертикальными стволами и погоризонтными квершлагами (при значительных размерах шахтного поля по падению) с отработкой запасов бремсберговыми и уклонными полями на каждой выемочной ступени; - главными наклонными и вспомогательными стволами и капитальными квершлагами.

I. Для крутонаклонных и крутых пластов - вскрытие вертикальными стволами и этажными квершлагами.

II. Вскрытие наклонными стволами применяют при необходимости полной конвейеризации доставки угля на поверхность или при небольших наносах и размерах шахтного поля.

III. При горном рельефе поверхности вне зависимости от угла падения пластов - штольнями.

Кроме перечисленных основных схем вскрытия в каждом конкретном случае могут рассматриваться и другие прогрессивные, технически осуществимые схемы вскрытия или их комбинации.

При одногоризонтных способах вскрытия запасы шахтного поля отрабатываются на один транспортный горизонт, время службы которого соответствует сроку существования шахты. При многогоризонтных способах вскрытия запасы отрабатываются на несколько транспортных горизонтов.

Рациональный вариант вскрытия шахтного поля выбирается с учетом большого количества факторов, главными из которых являются: геологические, гидрогеологические, топографические, гидрографические, горнотехнические и экономические.

Выбранный вариант вскрытия должен удовлетворять требованиям безопасности и удобства ведения работ, быстрого введения шахты в эксплуатацию, обеспечения заданной производственной мощности, соответствовать принятой схемы подготовки и разработки угольных пластов.

Правильный выбор схемы и способа вскрытия, рациональное расположение поверхностных сооружений и подъездных путей, представляет серьезную инженерную задачу, от решения которой зависит нормальная деятельность и экономика предприятия.

Выбор схемы и способа вскрытия ведется последовательно выполняемыми этапами:

вычерчивание в масштабе геологического разреза и гипсометрический план участка;

проводится конструирование и выбор технически целесообразных для заданных условий вариантов схем вскрытия;

производится деление шахтного поля на этажи, если схема подготовки этажная;

проводится деление по падению на выемочные горизонты, если это позволяют размеры шахтного поля

проводится определение наивыгоднейшего для каждого из выбранных вариантов параметров вскрытия (размеры вскрывающих выработок, их длину и количество, вид транспорта, типы крепи);

производится определение по отобранным вариантам основных объемов первоначальных работ, а также объемы работ будущих периодов по учитываемым эксплуатационным расходам;

определяется время на сооружение тех объектов шахты, которыми отличаются сравниваемые варианты;

производится выбор одного варианта вскрытия путем сравнительной технико-экономической оценки конкурирующих вариантов.

На основании исходных данных и норм технологического проектирования выбирается схема подготовки шахтного поля, в зависимости от размеров шахтного поля по простиранию и по падению. Выбор схемы подготовки шахтного поля, ее параметров и конструктивных элементов относится к основным технико-экономическим вопросам, решаемым при проектировании новых шахт и горизонтов и планировании горных работ на действующих угольных шахтах. Неправильное решение этого вопроса ведет к удорожанию добычи 1 т угля, значительному увеличению первоначальных капитальных затрат на строительство шахт, ухудшению условий поддержания выработок, увеличению пожароопасности и другим неблагоприятным последствиям.

Подготовкой шахтного поля называют определённый порядок проведения выработок, осуществляемый после вскрытия шахтного поля и обеспечивающий возможность подготовки выемочных полей.

Подготовка выемочного поля (участка) при делении шахтного поля на панели заключается в проведении и оборудовании всех подготовительных выработок в ярусе, панели (при горизонтальном залегании пластов), включая проведение и оборудование ярусных штреков и разрезных печей. Подготовка выемочного поля при делении шахтного поля на этажи включает в себя работы по проведению и оборудованию всех подготовительных выработок в выемочном поле, начиная с участковых бремсбергов или уклонов и заканчивая разрезными печами.

Расположение основных подготовительных выработок относительно пласта и его элементов. По этому признаку каждая группа способа подготовки разделяется на подгруппы: индивидуальный - пластовый, полевой, пластово-полевой; групповой - полевой, пластово-полевой.

При пластовом способе подготовки все основные подготовительные выработки проводят и поддерживают по каждому из разрабатываемых пластов полезного ископаемого. Основные его достоинства - простота технологии проведения выработок и планировки горных работ, меньший выход породы, чем при полевом и пластово-полевом способах; недостатки - значительные потери угля в целиках и затруднения с поддержанием выработок. Пластовую подготовку необходимо применять для разработки пластов, неопасных по внезапным выбросам и самовозгоранию угля, при боковых породах, смещение которых не превышает допустимых запасов на осадку контура выработок, соответствующих податливости применяемой крепи.

Схема подготовки - характерное расположение объединенных с учетом функционального назначения в единый комплекс подготавливающих выработок, обеспечивающих деление шахтного поля на готовые к выемке части.

Существует 4 вида схем подготовки:

1. Панельная схема подготовки шахтного поля.

2. Комбинированная схема шахтного поля.

3. Погоризонтная схема подготовки шахтного поля.

4. Этажная схема подготовки шахтного поля.

Этажная схема подготовки шахтного поля - это совокупность выработок, разделяющих шахтное поле на этажи. Область применения б>25°. Но если размер по простиранию до 4000м, и отрабатываются газоносные пласты, что требует проведения минимального количества горных выработок, то этажная схема может применяться и при б<25°. Высота этажа при б<55° 800-400м, при б>55° 120-150м.

Отличительной особенностью этажной схемы подготовки является деление шахтного поля на этажи, вертикальная высота которых одинакова по всему простиранию пласта в шахтном поле. Разные по времени отработки этажи могут иметь различную вертикальную высоту. В зависимости от мощности и газоносности пластов, склонности угля к самовозгоранию, устойчивости вмещающих пород, опасности в отношении горных ударов, геологической нарушенности, а также производственной мощности шахты и других факторов вертикальная высота этажа принимается не менее 100-120 м.

При этажной схеме подготовки от околоствольного двора или места пересечения пласта капитальным квершлагом проводят главный откаточный штрек (пластовый или полевой) обычно на длину до 150м, а из него в середине шахтного поля - капитальный бремсберг с одним-двумя ходками для доставки грузов и передвижения людей. От капитального бремсберга в обе стороны проводят этажные откаточные и вентиляционные штреки с просеками (параллельными штреками), которые сбивают разрезными печами на расстоянии не менее 40 м от ходков (при прямом порядке отработки) или у границ этажа (при обратном порядке). После отработки запасов в первом этаже ведут очистную выемку во втором.

При отработке запасов последнего этажа в бремсберговой части шахтного поля приступают к подготовке этажей в его уклонной части. С этой целью на наклонную высоту этажа проводят капитальный уклон и два ходка, остальные подготовительные выработки проводятся по уже описанной схеме. Схемы проветривания уклонной части шахтного поля должны быть такими, чтобы свежий воздух для проветривания подавался из нижней точки уклонного поля по специально пройденным или предназначенным для этого выработкам.

В основном она используется при разработке пластов с углами падения более 25°. В некоторых случаях она применяется на пологих пластах: при вскрытии шахтных полей наклонными стволами, пройденными по пласту; при вскрытии вертикальными стволами полей с небольшими размерами по простиранию; при разработке сильногазоносных пластов.

Достоинства этажной схемы подготовки: простота проветривания; небольшой объем подготовительных выработок; возможность быстрого ввода шахты в эксплуатацию.

Недостатки - отсутствие возможности для широкого развития фронта очистных работ, необходимость в проведении этажных откаточных штреков на всю длину шахтного поля и поддержании их в течение всего периода отработки этажа.

Этажная система разработки "лава - этаж": 1 - наклонные выработки; 2 - этажный конвейерный штрек; 3 - просек; 4 - очистной забой (лава); 5 - этажный вентиляционный штрек; 6 - разрезная печь

Таблица 3.1

Классификация схем и способов подготовки шахтных полей

По геологическим данным способ подготовки шахтного поля будет проходить при пластовым способе и этажной схемы. Так как простота проветривания; небольшой объем подготовительных выработок; возможность быстрого ввода шахты в эксплуатацию.

5. Определение основных параметров подготовительной выработки

Рис.5.2 Схема к определению поперечного сечения конвейерного штрека

Под системой разработки угольных месторождений понимается определенный порядок проведения подготовительных и очистных выработок в пределах выемочного поля, участка, столба, увязанных в пространстве и во времени

Система разработки должна обеспечивать безопасное ведение работ, экономичность разработки, минимальные потери полезного ископаемого.

Рис.6.1 Требования к системам разработки угольных месторождений

Различают сплошную, столбовую и комбинированную системы разработки.

Таблица 6.1

Отличительные признаки систем разработки

Рис. 6.3 Элементы и параметры систем разработки угольных месторождений

Сущность сплошных систем разработки состоит в одновременном ведение очистных и подготовительных работ в выемочном поле (участке, столбе), при этом лава и забои подготовительных выработок движутся в одном направлении, как правило, от бремсбергов, уклонов или промежуточных квершлагов к границам выемочного поля (участка, столба). Принципиальная сущность сплошных систем определяет ряд важных особенностей, главными из которых являются: обеспечение постоянного динамического равновесия между очистными и подготовительными работами; поддержание выработок позади очистного забоя в зонах интенсивного влияния опорного давления.

Сплошные системы разработки могут применяться при любой схеме подготовки: этажной, панельной и погоризонтной. В зависимости от размеров выемочного поля по падению пласта в пределах этажа или яруса могут быть одна-две лавы. Сплошные системы разработки делятся на системы лава-этаж (ярус) и системы с делением этажа (яруса) на подэтажи (подъярусы).

Пространственная взаимосвязь очистных и подготовительных выработок обусловливает различные варианты сплошных систем. Опережение откаточного штрека должно составлять 150-200м, но в каждом случае оно определяется исходя из конкретных горно-геологических и горно-технических условий.

Транспортирование угля при наличии в этаже одной лавы происходит по откаточному штреку. При наличии в этаже двух лав транспортирование может производиться следующим образом: из верхней лавы уголь транспортируется по промежуточному (подэтажному) штреку, а из нижней лавы - по откаточному (конвейерному) штреку.

Лавы при сплошных системах проветриваются обособленно или последовательно с подсвежением струи.

Для изоляции подэтажей при обособленном проветривании лав между ними оставляют целик угля. При склонности пласта к самовозгоранию струи разделяют бутовой полосой, которая возводится между вентиляционным и откаточным подэтажными штреками. Средняя мощность пластов, отрабатываемых сплошной системой разработки, для разных бассейнов различна и изменяется от 0,93 до 1,5м. Длина лавы при этих системах составляет в среднем 110-170м.

Областью применения сплошных систем разработки являются в основном тонкие пласты и реже пласты средней мощности с любыми углами падения, при отсутствии геологических нарушений, сверхкатегорные по газу и склонные к внезапным выбросам угля и газа, пласты с пучащими породами почвы, с породами кровли, позволяющими проводить и поддерживать выработки в зоне влияния выработанного пространства. Наиболее широко эти системы разработки применяются в Донецком бассейне (Украина), реже в Кузнецком, Печорском и др.

Достоинствами этих систем разработки являются: быстрый ввод очистных выработок в работу; малые первоначальные затраты на подготовку участка; небольшой длины тупиковые выработки, что особенно важно при разработке весьма газоносных пластов.

Недостатки: сложность поддержания выемочных выработок, подвергающихся влиянию очистных работ, и в этой связи большие затраты на их ремонт; отсутствие предварительной разведки пласта подготовительными выработками, а отсюда опасность неожиданной встречи с геологическими нарушениями; очистные и подготовительные работы не разделены во времени и пространстве, что приводит к организационным помехам; ограничение нагрузки на забой по газовому фактору.

7. Определение основных параметров системы разработки. Расчет нагрузки на очистной забой и обоснование длины лавы

К основным параметрам, характеризующим систему разработки, относят длину очистного забоя, длину столба (выемочного поля), размеры охранных целиков, разделяющих выемочные выработки, а также нагрузку на очистной забой.

Длину очистного забоя (лавы) принимают исходя из длины в поставке комплекта механизированного очистного комплекса или на основании расчета. В глубоких шахтах длину очистного забоя проверяют по условию передачи тепла от горных пород и угля шахтному воздуху. В конечном счете принимают наименьшую длину забоя из сравниваемых значений.

Выбранную длину очистного забоя на каждом пласте согласовывают с общей линией действующих на шахте очистных забоев. При выборе оптимальной длины лавы, в основном ориентируются на максимальную нагрузку на забой и прогрессивные технологические схемы разработки пластов на угольных шахтах и рекомендации бассейновых научно-исследовательских угольных институтов.

Длину выемочного поля при делении этажа на два подэтажа и столбовой системе разработки, этажной подготовке и группировании крутых пластов, а также размер панели по простиранию определяют исходя из минимизации объемов подготавливающих и выемочных выработок.

Ширину целиков, оставляемых между выработками, обычно принимают исходя из следующих требований. Ширина целиков, оставляемых между панельными наклонными выработками не должна превышать 30м, ширина целиков, предназначенных для охраны панельных бремсбергов (уклонов) со стороны выработанного пространства 40м, ширина околоштрековых целиков в пределах этажа 15-25м, ширина целиков между длинными столбами, расположенными по падению, на пластах с углами падения до 12⁰ в пределах 5 - 15м; ширина целиков между полосами, расположенными по падению, при щитовой выемке крутых мощных пластов принимается равной 10-20м.

Нагрузка на очистной забой - количество полезного ископаемого добываемого при одном работающем очистном забое, является производной величиной от длины лавы при прочих одинаковых условиях. Длина лавы является одним из основных параметров системы разработки, влияющим на технико-экономические показатели работы не только участка, но и всей шахты. Так, от длины лавы зависят удельная протяженность (на 1000т добычи) проводимых подготовительных выработок и нагрузка на забой, транспортную выработку, пласт, увеличивается концентрация горного производства и т.д. Однако чрезмерное увеличение длины лавы вызывает ряд технических и организационных затруднений в доставке материалов и оборудования, в передвижении по лаве рабочих, особенно при небольшой мощности пласта.

Чрезмерно короткие лавы приводят к увеличению себестоимости 1т угля за счет роста расхода на работы вне лавы: проведение и поддержание выемочных штреков, транспортировка угля по выработкам и т.д. Однако при применении современных механизированных комплексов длина лавы часто предопределяется его конструктивной длиной, поэтому важно определять нагрузку на очистной забой как производную величину от длины лавы.

Рациональную длину лавы для различных горно-геологических условий и средств механизации рассчитывают по технологическим и организационным факторам и проверяют по фактору проветривания. Для комплексно-механизированных очистных лав длину рассчитывают:

где n_с - количество смен по добыче в сутки; Т - длительность смены, мин.; Т_пз - время на подготовительно-заключительные операции в смену, мин.; Т_пз = 15-20мин.; Т_{п -} время учитываемых технологических перерывов в смену, Т_п = 20-30мин.; Т_{о -} время на отдых, Т_о = 15-20 мин.; К_ц - коэффициент надежности технологической схемы участка; V_р - рабочая скорость подачи комбайна, принимается в соответствии с табл.1; t_в - время на вспомогательные операции по длине лавы, t_в = 0,1 мин/м; n_ц - количество циклов выемки в течение суток. Коэффициент надежности технологической схемы определяется по формуле