ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ Лекция 5 Тема: Проектирование рационального варианта вскрытия, подготовки шахтного поля и системы разработки по геомеханическим и стоимостным показателям. 1.Определение и обоснование рациональной схемы вскрытия. Вскрытием месторождения или шахтного поля называется проведение комплекса вскрывающих выработок, которые открывают доступ с поверхности к полезному ископаемому и обеспечивают возможность проведения подготовительных выработок. Различают схему и способ вскрытия шахтного поля. Схемой вскрытия называется пространственное расположение сети вскрывающих выработок (стволы, штольни, скважины и др.) относительно шахтного поля. Способом вскрытия называется проведение системы вскрывающих выработок в шахтном поле относительно элементов залегания пластов и их функциональное назначение. Основными факторами, определяющими выбор схемы и способа вскрытия шахтного поля или его части, являются: число вскрываемых пластов, угол падения пластов, свойства боковых пород, расстояние между пластами, мощность наносов или покрывающей непродуктивной толщи, наличие плывунов и др. 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, схема вентиляции и др.

Схема и способ вскрытия должны 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 затраты на вскрытие месторождения и строительства 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. Для устойчивой работы шахт, разрабатывающих пласты пологого и наклонного падения, вскрытые запасы угля на горизонтах должны обеспечить срок службы каждого не менее 20 лет – при пологом падении, 15 лет – при крутонаклонном, 10 лет - при крутом. Разделение пластов по углу наклона до 18° - пологие; 19°-35° - наклонные; 36°-55° - крутонаклонные; 56°-90° - крутые. В качестве основных схем вскрытия следует принимать: Для пологих и наклонных пластов: - вертикальными стволами и капитальными квершлагами с отработкой всех запасов угля в шахтном поле на одном подъемном горизонте бремсберговым и бесступенчатым уклонным полями с передачей добычи промежуточных горизонтов на основной горизонт по грузовым транзитным наклонным выработкам (рис.1); Рис.1

-вертикальными стволами и погоризонтнымп квершлагами (при значительных размерах шахтного поля по падению) с отработкой запасов бремсберговыми и уклонными полями на каждом подъемном го­ризонте (рис.2); - главными наклонными и вспомогательными вертикальными стволами и капитальными квершлагами - при глубине подъемного горизонта до 600 м и отсутствии плывунов и сильно водоносных пород (рис.3) Рис.2 Рис.3

Для крутонаклонных и крутых пластов в качестве основного принимать вскрытие вертикальными стволами и этажными квершлагами (рис.4). Для отработки полей пластов с газоносностью более 10 м 3 /т с.б.м. необходимо предусматривать проходку дополнительных, отнесенных по падению, вспомогательных вертикальных стволов для обеспечения прямоточного проветривания (рис.5). Рис.4 Рис.5

В случае отработки газоносных пластов на глубине более 700 м и размерах шахтного поля по простиранию более 6 км и падению более 3 км необходимо предусматривать отработку пластов блоками с размерами по простиранию до 4 км и по падению до 1,5 км с передачей добычи из отдаленных блоков к главным стволам по полевым магистральным выработкам или по поверхности. При газоносности пластов более 20 м 3 /т с.б.м. на шахтах мощностью более 1,5 млн.т в год необходимо предусматривать независимое (секционное) проветривание блоков с проходкой и функционированием соответствующего количества вспомогательных воздухоподающих и вентиляционных стволов или скважин большого диаметра, которые устанавливаются проектом. Для отработки шахтных полей с размерами по простиранию до 8 км без разделения на блоки необходимо предусматривать центральную схему проветривания с подачей свежего и выдачей исходящего воздуха по главным стволам при газоносности до 10м 3 /т с.б.м., и фланговую схему с использованием центральных и отнесенных фланговых стволов при газоносности более 10 м 3 /т с.б.м (рис.6). Рис.6

2. Определение и обоснование рациональной схемы подготовки по геомеханическому критерию. Подготовкой шахтного поля называется проведение подготовительных выработок после вскрытия шахтного поля и характеризуется она схемой и способом. Схемой подготовки называется такое пространственное расположение системы подготовительных выработок в шахт­ном поле, при котором оно разделяется на части, обеспечивающие условия для отработки выемочных полей. Способом подготовки называется проведение подготовительных выработок в шахтном поле относительно пласта и его элементов и их функциональное назначение. На выбор схем и способов подготовки, шахтных полей оказывают влияние горно-геологические и горнотехнические факторы. При этом из горно-геологических факторов наибольшее влияние имеют угол падения пласта, нарушенность месторождения, газоносность и водообильность пластов, а из горнотех­нических факторов размеры шахтного поля по простиранию, способ проветривания, скорость проведения подготовительных выработок и заданный объем добычи. Выбор схемы подготовки шахтного поля, ее параметров и конструктивных элементов является одним из основных технико-экономических вопросов, решаемых при проектировании новых шахт и горизонтов и планировании горных работ на действующих угольных шахтах. Задача выбора схемы подготовки шахтного поля при проектировании новых шахт и горизонтов наиболее эффективно может быть решена классическим методом технико-экономического сравнения вариантов, при этом схема вскрытия и система разработки в сравниваемых вариантах подготовки шахтного поля должны быть идентичными. Предполагается также, что порядок отработки шахтного поля также известен. В каждом из сравниваемых вариантов подготовки шахтного поля должна быть предусмотрена разработка очистными забоями рациональной длины. В случае разработки свиты пластов для каждой схемы подготовки шахтного поля должны быть выбраны рациональный вариант группирования пластов, оптимальные размеры выемочных полей, а также наиболее экономичные схемы транспорта.

Особенности методики выбора схемы подготовки заключаются в следующем: 1. Схемы подготовки шахтных полей сравниваются в идентичных горно-геологических условиях при одинаковых значениях нагрузки на пласт и размерах шахтного поля по простиранию и падению. 2. Основные параметры и конструктивные элементы сравниваемых схем подготовки шахтного поля приняты оптимальными, определенными применительно к конкретным природным и техническим условиям аналитическим методом. 3. Длина лавы и параметры очистной выемки в каждом варианте, определяемые вариантными расчетами, принимаются наивыгоднейшими. 4. Сечения подготовительных выработок выбраны по транспорту и проверены по допустимой скорости воздуха. 5. Окончательная область применения устанавливается с учетом требуемых темпов проведения подготовительных выработок, потерь угля в предохранительных целиках, условий вентиляции и др. Схемы подготовки следует принимать: - погоризонтную - для необводненных пластов при углах падения не более 10° с подвиганием очистного забоя в бремсберговых полях по падению, а в уклонных полях - по восстанию; для обводненных пластов при тех же углах падения - в бремсберговых и уклонных полях с подвиганием очистного забоя по восстанию (рис. 7); - панельную - для пластов с углами падения от 10° до 25° при любой их мощности и обводненности, а такие для водообильных пластов любой мощности с углами падения менее 10° как в бремсберговых, так и в уклонных частях шахтного поля (рис.8); - этажную - для пластов с углами падения более 25° (рис.9); - комбинацию различных схем подготовки следует применять, если в пределах шахтного поля условия залегания пластов существенно изменяются (рис.10). Для пластов с углом падения свыше 35° подготовку следует принимать этажную с групповыми полевыми штреками, проводимыми с главного квершлага на транспортном и вентиляционном горизонтах и блоковыми (промежуточными) квершлагами

Рис.7 Рис.8

Рис.9 Рис.10

Для Центрального и других районов Донбасса расстояние между промежуточными квершлагами м в зависимости от количества пластов и расстояния между ними. При этажной подготовке наклонная длина этажа при углах падения от 35° до 55° должна приниматься в пределах м, при больших углах падения - в зависимости от вертикальной высоты этажа, которая должна составлять м. При подготовке сближенных пластов (до 40 м) следует предусматривать их группирование с групповыми выработками, проводимыми, как правило, полевыми в устойчивых породах или по пластам с устойчивыми боковыми породами. Пластовую подготовку необходимо предусматривать для разработки пластов, неопасных по внезапным выбросам и самовозгоранию угля, при боковых породах, смещение которых не превышает допустимые запасы на осадку контура выработок, соответствующие податливости применяемой крепи. Полевую подготовку следует предусматривать для разработки свиты или одиночных пластов, а также для пластов угля, склонных к самовозгоранию и опасных по внезапным выбросам угля и газа, при боковых породах, смешение которых превышает допустимые запасы на осадку контура выработок, соответствующие податливости применяемой крепи.

3. Определение и обоснование рациональной схемы подготовки по стоимостному критерию. Экономико-математическая модель схем подготовки шахтного поля представляет собой математическое выражение суммы приведенных затрат, зависящих от схемы и способа подготовки и отнесенных к 1 т извлекаемых запасов. При определении приведенных затрат по подготовке шахтного поля следует учитывать следующие статьи расходов: проведение капитальных, панельных и участковых бремсбергов (уклонов) с ходками, наклонных рельсовых, конвейерных и вентиляционных ходков, коренных и этажных откаточ­ных штреков, ярусных и промежуточных штреков, просеков, сбоек и разрезных печей; сооружение приемно-отправительных площадок у наклонных выработок и лебедочных камер; поддержание капитальных и участковых горизонтальных и наклонных выработок; транспортирование угля и породы, а также вспомогательные операции по наклонным и горизонтальным выработкам; затраты, зависящие от длины лавы; первоначальные капитальные затраты по подготовке шахтного поля, необходимые для сдачи шахты в эксплуатацию, и их амортизация; капитальные затраты будущих лет, необходимые в процессе эксплуатации бремсберговой (уклонной) части поля, и их амортизация. По своему экономическому содержанию задача выбора рациональной схемы подготовки шахтного поля сводится к поиску такой схемы, которая обеспечит минимум (максимум) критерия эффективности.

Экономико-математическая модель выбора схемы подготовки шахтного поля при делении его на блоки (панели) или в целом всей шахты (при подготовке шахтного поля без деления на блоки) может иметь следующий вид: где Cо.зi затраты по очистному забою, грн/т; Cт.уi, Cт.мi, Cт.лi затраты на транспортирование в пределах блока соо­ветственно угля, материалов (оборудования) и людей, грн./т; Кпрi сумма затрат на проведение всех подготовительных выработок в пределах блока, грн.; Кпрi ' суммарная стои­мость проведения подготовительных выработок на момент сдачи шахты в эксплуатацию, грн.; Кподi сумма затрат на поддержание всех подготовительных выработок в блоке, грн.; Кт.пi сумма затрат на транспортирование породы, получаемой при проведении полевых выработок, от забоя до поверхности, грн.; Zблi балансовые запасы блока, т; Сблi коэффициент извлечения запасов блока; Аблi годовая мощ­ность блока, млн. т; t срок отработки совместно подготавливаемых пластов в группе, лет; Е нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений. В случае необходимости необходимо также учесть расходы на проветривание выработок в пределах блока (панели, шахты).

4. Определение и обоснование рациональной системы разработки по геомеханическому критерию Под системой разработки пластовых месторождений понимается определенный порядок проведения подготовительных и очистных выработок в пределах выемочного поля, увязанный в пространстве и времени. Условия залегания угольных месторождений весьма разнообразны и поэтому выбор системы разработки зависит от ряда геологических, технических и организационных факторов. Основными факторами, влияющими на выбор систем разработки угольных месторождений, являются: форма залегания пласта в недрах, их мощность, угол падения, строение; свойства угля и вмещающих пород; газоносность и водоносность месторождения; склонность пластов к внезапным выбросам угля и газа и самовозгоранию; расстояние между смежными пластами угля; глубина разработки; способы и средства механизации производственных процессов в очистных и подготовительных выработках и др. Весь процесс выбора системы разработки можно условно разделить на этапы. На первом этапе производят выбор системы разработки – с разделением пласта на слои по мощности или без разделения на слои. При этом для пластов мощностью до 3,5 м применяют систему разработки без разделения на слои. Хотя параметры современной техники позволяют увеличить выемку до 5,6 м иностранной и до 4,2-4,3 м отечественной. Для пластов большей мощностью следует принимать наклонные слои с выемкой угля в каждом слое длинными столбами, если не представляется возможным вести выемку пласта на полную мощность с применением механизированных комплексов. Количество и толщина слоя определяется общей мощностью и строением пласта.

На втором этапе выбирают отработку длинными или короткими забоями На пластах, пологого и наклонного падения при мощности пластов до 3,5 м, а при наличии соответствующих средств механизации - до 5 м следует принимать при панельной подготовке - длинные столбы по простиранию (рис.8), при погоризонтной подготовке - длинные столбы по восстанию или на необводненных пластах - по падению (рис.7). На пластах крутонаклонного и крутого падения, при мощности до 1,5 м должны приниматься длинные столбы, по простиранию в варианте "лава-этаж" с откаткой грузов и выводом исходящей струи на передние промежуточные квершлаги, при мощности пластов от 0,7 до 2,5 м - полосы по падению с щитовыми агрегатами (рис.11). Короткозабойные системы (камерные, камерно-столбовые, выбуривание пласта бурошнеками и др.) рекомендуется применять на пологих пластах средней мощности, не склонных к самовозгоранию, внезапным выбросам и горным ударам; на сильно нарушенных участках пластов, где применение длинных забоев затруднено или малоэффективно; на пластах разрабатываемых гидроспособом, под поймами рек, населенных пунктов и др. На третьем этапе приступают к выбору направления выемки угля относительно элементов залегания пласта. Длинные столбы на пластах с углами наклона до 10° размещают по падению или восстанию, для обводненных пластов выемка должна производиться только по восстанию, а при больших углах падения - по простиранию. При углах падения до 18° разрешено диагональное размещение столбов. На четвертом этапе производится выбор подгруппы системы разработки. Для пластов тонких и средней мощности при любых углах падения основными системами являются столбовая и комбинированная (комбинация столбовой и сплошной). В условиях слабых и неустойчивых пород на глубоких горизонтах предпочтительна сплошная система разработки с охраной выработок бутовыми полосами или их проведения по породам.

Транспортно-технологическая система шахт, разрабатывающих крутые пласты 1 – околоствольный двор, 2 –квершлаг, 3– этажные откаточные штреки, 5 – очистной комплекс КГУ, 6 – щитовой комплекс АНЩ, 7 – комбайновая лава, 8 – потолкоуступная лава, 9 – аккумуляторный электровоз АМ8Д, 10 – вагонетки ВГ-1,6. Рис.11

На тонких и средней мощности пластах необходимо ориентироваться на преимущественно безцеликовые системы разработки длинными столбами. При разработке пластов следует применять, как пра­вило, системы разработки без оставления целиков угля с повторным использованием выемочных выработок, в том числе с охраной их искусственными полосами из жестких или с заданной податливостью материалов, а также с проведением выемочных выработок вприсечку к выработанному пространству. Бесцеликовая отработка должна приниматься в следующих горно-геологических условиях: при повторном использовании выработок - в случаях разработки пластов мощностью до 2,5 м с породами кровли любой обрушаемости и породами почвы не ниже средней устойчивости; при проведении и поддержании выработок вприсечку к выработанному пространству - в случаях разработки, пластов мощностью более 2,5 м с породами кровли любой обрушаемости и породами почвы любой устойчивости; -при проведении выработок вслед за лавой в выработанном пространстве - в случаях разработки пластов мощностью до 2,0 м с породами кровли любой обрушаемости и неустойчивыми породами почвы. Сплошная система разработки с проведением штреков вслед за лавой допускается для тонких пластов с углами падения до 15°, на глубоких горизонтах и при пучащих вмещающих породах. Для пластов малой мощности в условиях Центрального района Донбасса допускается применение комбинированной системы разработки с откаткой грузов на передние и выводом исходящей струи, на задние промежуточные квершлаги, а для одиночных несамовозгорающихся пластов - сплошной системы. Для тонких и средней мощности пологих и наклонных пластов основной разновидностью является лава-этаж (ярус) без разделения этажа на выемочные поля.

Следующим этапом необходимо решить вопрос проветривания очистных забоев в этаже (ярусе) – последовательное, обособленное или комбинированное. Как правило, необходимо применять обособленное проветривание. Однако возможны случаи, в которых возможно экономически будет целесообразно принять последовательное проветривание забое в этаже, но при этом только на шахтах не опасных по выбросам угля и газа и суфлярным выделениям и с соблюдением ПБ. Выбор схемы проветривания выемочного участка производится с учетом газоносности пласта, склонности угля к самовозгоранию, устойчивости боковых пород и мощности пласта, нагрузки на очистной забой, возможности иметь фланговые выработки для прямоточного проветривания или подсвежающей струи и др. На весьма газоносных пластах применение возвратноточных схемы ограничивает нагрузку на очистной забой. При отработке самовозгорающихся пластов рекомендуется применение возвратноточной схемы проветривания выемочного участка. И на последнем этапе производится выбор механизации очистных забоев и способ управления кровлей. Проектом должна предусматриваться комплексная механизация и автоматизация в очистных забоях, отвечающая прогнозным горно-геологическим условиям с учетом работы высокопроизводительных лав в аналогичных или близких условиях, Выемку тонких пластов в сложных горно-геологических условиях следует, как правило, предусматривать с помощью бурошнековых машин без крепления очистного забоя и присутствия людей. Для шахт, разрабатывающих пласты антрацитов, а также энергетических углей, предназначенных для слоевого сжигания, в качестве выемочных машин должны применяться струговые установки. В качестве основного способа управления кровлей при всех системах разработки на пластах пологого падения следует принимать полное обрушение, а на пластах наклонного, крутонаклонного и крутого падения - полное обрушение, плавное опускание, частичную или полную закладку в зависимости от конкретных горно-геологических условий и опыта работы действующих шахт.

На пластах с трудноуправляемыми кровлями следует предусматривать разупрочнение пород основной кровли - передовое торпедирование или гидрообработку, а при неустойчивых кровлях - упрочнение пород непосредственной кровли: нагнетание упрочняющих составов, химическое анкерование или другие мероприятия, апробированные практикой действующих шахт. Далее выделяют несколько технически целесообразных для данных горно-геологических условий тщательно продуманных вариантов. Затем рассчитывают и принимают основные параметры для каждого варианта системы разработки: - способ выемки угля – комбайнами или стругами с индивидуальной или механизированной крепью, щитовыми агрегатами или др., ширину захвата, количество циклов в смену, в сутках; - максимальную суточную нагрузку на забой по производительности машин и механизмов и по условию вентиляции; - вид транспорта по участковым выработкам (а в некоторых случаях и по главным) как основной, так и вспомогательный; - способ проведения, расположения и охраны участковых выработок (а в некоторых случаях и основных), вид крепи, размер охранных целиков или бутовых полос, типовые сечения выработок; - оптимальную длину лавы и подвигание забоя за сутки, оптимальные размеры выемочного поля, потери угля и изменение качества (сортности, зольности и др.) и вызванный ими экономический эффект или ущерб; - себестоимость 1 т угля по забою (на основании норм и расценок или по статистическим данным), если в сравниваемых вариантах систем разработки применяются различные виды механизации очистных работ.

5. Определение и обоснование рациональной системы разработки по стоимостному критерию. В экономическом отношении избираемая схема выемочного участка должна иметь минимальные суммарные капитальные вложения и эксплуатационные расходы при выемке угля, проведению и поддержанию выработок, транспортирование угля в пределах выемочного участка, потерям, проветриванию и др. При сравнении схем выемочного участка учитываются следующие виды затрат: расходы в очистном забое; затраты на проведение выработок; затраты на поддержание выработок; затраты на транспортирование угля в пределах выемочного участка и др. Критерием выбора рационального варианта схемы технологического участка является минимум затрат на извлечение 1 т промышленных запасов угля в выемочном столбе. Если в сравниваемых вариантах приняты одинаковая технология выемки, нагрузка на забой, высота яруса и строго одинаковый порядок разработки ярусов в панели (восходящий или нисходящий), то сравнение можно производить в пределах яруса (или даже только крыла яруса). При этом, принимая во внимание, что система разработки определяется для каких-то средних условий (не 1-й ярус, не 1-я панель), то в качестве критерия сравнения принимают удельные затраты, которые определяют по формуле: где K, R, G соответственно затраты на проведение вырабо­ток, их поддержание и транспортирование угля в пределах яруса, грн.; Zяр промышленные запасы яруса, т.

Если нагрузка на очистные забои неодинаковая (это вызывает необходимость ввода в работу дополнительного числа забоев для обеспечения равной добычи из панели) или принята неодинаковая высота яруса Hяр (это требует сооружения разного числа приемных площадок у бремсбергов или уклонов) или же варианты отличаются последовательностью отработки ярусов в панели, то экономико-математическая модель составляется для всей панели и схем проветривания и будет иметь вид: где Z n промышленные запасы панели, т; С 0. 3 себестоимость 1 т угля по очистному забою, грн.; С у. п. ш удельный фонд заработной платы с начислениями условно-постоянного штата работающих, грн/т; С вент эксплуатационные расходы на проветривание горных выработок, грн/т. Если в сравниваемых системах проведение выработок и приобретение оборудования осуществляются за счет средств капитального строительства (например, при строительстве новой и реконструкции действующей шахты, при подготовке нового горизонта и др.), то необходимо составлять модель удельных приведенных затрат: где Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,12; Kпр - капитальные затраты, приведенные к начальному периоду строительства шахты или к году освоения проектной мощности, грн.; Апг – годовая добыча из панели, т.

Здесь Kперв - суммарные первоначальные капитальные затраты, вкладываемые до начала расчетного года, грн; Ен.п. - народнохозяйственный норматив приведения разновременных затрат, прини­аемый равным 0,08 - 0,20; t под - продолжительность подготовки пласта, панели или горизонта, лет; Кiб УД - капитальные затраты в ti году от начала расчетного года, грн.; ti - число лет, определяющее затраты на сооружение объекта от начала расчетного года. В вышеприведенных формулах в слагаемое K входит стоимость проведения выработок, финансируемых за счет как средств капитального строительства K, так и эксплуатации K э, а в Кiб УД включены только капитальные затраты. Если в сравниваемых вариантах систем применяются различные способы подготовки шахтного поля, необходимо составлять модель удельных приведенных затрат для пласта в пределах горизонта или блока или переходить на составление экономико-математической модели шахты в целом.