Системы разработки пластовых (угольных) месторождений

Системы разработки угольных месторождений не могут быть по аналогии с системами разработки рудных месторождений разделены на классы по способу поддержания выработанного пространства, так как при одной и той же системе в зависимости от свойств пород кровли применяются различные способы управления горным давлением.
Ниже приводится несколько измененная классификация систем разработки пластовых месторождений, предложенная акад. Л.Д. Шевяковым:
I класс — системы- разработки без разделения пласта на слои: сплошные, столбовые;
II класс — системы разработки с разделением пласта на слои: горизонтальными слоями, ,наклонными слоями.

Наиболее характерными условиями применения сплошных систем разработки являются небольшая или средняя мощность пологих, наклонных или крутых пластов с относительно выдержанными элементами залегания, и преимущественно устойчивыми вмещающими породами. Сущность сплошных систем разработки заключается в выемке угля в пределах этажа (или подэтажа) сплошным забоем (прямолинейным или уступным) без предварительного проведения большого количества подготовительных выработок впереди очистного забоя. Наибольшее распространение эти системы имеют на шахтах Донецкого бассейна.

Сплошные системы разработки пологих наклонных пластов. Наиболее простой вариант сплошной системы разработки без разделения на подэтажи, получивший название лава-этаж, изображен на рис. 197. Откаточный (нижний) штрек проводят обычно с опережением лавы, однако при разработке месторождения на больших глубинах, где пласты подвержены суфлярным выделениям или внезапным выбросам метана, забой штрека является общим с лавой. Вентиляционный штрек проводят вслед за лавой, подрывая при небольшой мощности угольного пласта вмещающую породу и отделяя его от очистного забоя бутовой полосой. Отбойку угля в лаве ведут комбайнами, стругами или с помощью врубовых машин и буровзрывных работ. Отбитый уголь грузят на конвейер и доставляют до откаточного штрека. Выработанное пространство обычно поддерживают крепью в сочетании с полным или частичным обрушением.
Все большее применение при этой, как, впрочем, и при других системах разработки, находят комплексы оборудования для выемки угля главным образом из пологих пластов. Комплексы предназначены для механизации отбойки угля, навалки его на конвейер, доставки угля по лаве с погрузкой в транспортные средства в откаточной выработке, крепления, призабойной части выработанного пространства, передвижки крепи и забойного конвейера и для частичной механизации вспомогательных операций.
Один из таких комплексов, применяемый в маломощных и средней мощности пластах, представлен на рис. 198. Для проветривания лавы свежий воздух подают из откаточного штрека через печи в забой; омывая его, струя воздуха выходит в вентиляционный штрек.

Рассматриваемый вариант системы разработки характеризуется минимальным объемом подготовительных выработок и возможностью эффективного использования выемочных и доставочных машин; к недостаткам его следует отнести небольшую скорость подвигания очистного забоя (при значительной длине лавы), затрудняющую поддержание выработанного пространства, осложнения в выполнении производственных операций в очистном забое при встрече геологических нарушений и изменчивости элементов залегания пласта.
В варианте системы разработки, представленной на рис. 199, этаж разделен промежуточными (подэтажными) штреками на подэтажи, в соответствии с чем систему разработки называют «сплошной с разделением на подэтажи».

В данном случае очистной забой разделен на две лавы (возможно деление и на большее число лав). Уголь из очистного забоя верхнего подэтажа доставляют по промежуточному штреку до бремсберга и на откаточный штрек. По мере удаления очистных забоев от бремсберга длина промежуточного штрека увеличивается, соответственно с чем растут сложность и затраты на его поддержание, а также на доставку по нему грузов. С учетом этого длину промежуточного штрека ограничивают 200—300 м за счет устройства нового бремсберга. При этом ранее действующий бремсберг и промежуточный штрек между бремсбергами становятся ненужными и «погашаются». Сложность поддержания промежуточных штреков и бремсбергов в выработанном пространстве, повышенные затраты на доставку угля из верхнего подэтажа являются недостатками рассматриваемой системы.
Сплошные системы разработки крутых пластов. В связи с крутым падением пластов устойчивость вешающих пород и угля приобретает особое значение, определяя параметры системы разработки и способ управления горным давлением. Наиболее надежным способом поддержания вмещающих пород, склонных к обрушению и сползанию, является полная закладка выработанного пространства.
Забой лавы, расположенный по падению пласта, может иметь потолкоуступную или прямолинейную форму. Потолкоуступную форму забою придают при отбойке угля отбойными молотками, прямолинейную — комбайнами.
К общим достоинствам оплошных систем разработки относят минимальную протяженность подготовительных выработок, проводимых до начала очистных работ; отсутствие или небольшое число тупиковых забоев подготовительных выработок, что приобретает особое значение при разработке газообильных пластов. Из недостатков сплошных систем необходимо отметить следующие: значительные расходы на ремонт подготовительных выработок, попадающих в зону влияния очистных работ; отсутствие предварительной подготовки, обеспечивающей устойчивую добычу, и отсутствие предварительной разведки горными выработками особенностей залегания пласта в пределах выемочного тюля.

При средней мощности пластов поддержание подготовительных выработок, расположенных вблизи или непосредственно в выработанном пространстве, становится затруднительным, так как, во-первых, уменьшается .или исключается возможность получения бороды для выкладки защитных бутовых полос (получаемой при подрывке почвы или кровли пласта) и, во-вторых, возрастает интенсивность сдвижения пород кровли, вследствие чего поддержание выработок бутовыми полосами и целиками угля становится менее эффективным. Поэтому подготовительные выработки целесообразно располагать в нетронутом массиве угля и погашать по мере их попадания в выработанное пространство. Это может быть достигнуто при опережающей подготовке выемочных участков, характерной для столбовых систем разработки.
Таким образом, отличительной особенностью столбовых систем разработки является нарезка выемочного поля до начала очистных работ на части — столбы с помощью сети подготовительных выработок. Столбовые системы разработки применяют на пластах преимущественно средней мощности, с различными углами падения, залегающих как в сравнительно устойчивых, так и в неустойчивых породах. Столбовые системы разработки в последнее время получают все более широкое распространение, в том числе и на пластах небольшой мощности. В отечественной практике применяют различные варианты столбовых систем разработки.
Столбовые системы разработки пологих и наклонных пластов. На рис. 200 представлен вариант системы разработки длинными столбами по простиранию с доставкой угля на передний участковый бремсберг. Этаж подготовляют этажными откаточными и вентиляционными штреками; эти выработки проводят до начала очистных работ по крайней мере на длину выемочного участка или на всю длину шахтного поля. В пределах этажа пласт разделяют участковыми бремсбергами на выемочные участки и подэтажными штреками на длинные столбы. Параллельно (правому на рисунке) участковому бремсбергу со стороны выработки вскрытия проводят разрезные печи и начинают разработку столбов в направлении к (лезому на рисунке) участковому бремсбергу. Отставание лав нижних подэтажей по отношению к верхним предотвращает преждевременную деформацию участкового бремсберга в его рабочей части. По мере подвигания очистных забоев подэтажные штреки погашают.

На рис. 201 изображен вариант системы с так называемым двусторонним бремсбергом, пройденным не на границе, а в середине выемочного поля и обслуживающим, таким образом, вдвое большее число лав.
Столбовые системы разработки крутых пластов. Тонкие крутые угольные пласты часто разрабатывают системой длинных столбов но простиранию без разделения этажа на подэтажи; при средней мощности этаж делят на подэтажи.
В практике разработки мощных крутых пластов получила применение так называемая «щитовая» система, при которой выемочный участок в пределах этажа нарезается на длинные столбы, расположенные вкрест простирания (по восстанию).
Щитовые системы применяют для пластов, имеющих угол падения не менее 55°, мощность — до 9 м и выдержанные элементы залегания. Один из вариантов этой системы представлен на рис. 202. В данном варианте длинные столбы по восстанию нарезают спаренными печами, соединяющими откаточный и вентиляционный штреки. В каждой паре одна печь предназначена для спуска угля, другая является людским ходком; обе выработки соединяют сбойками. Кроме того в столбе выбуривают углеспускные печи. В почве вентиляционного штрека между двумя печами проводят канаву, которая является призабойным (рабочим) пространством. Затем столб перекрывают крепью своеобразной конструкции — «щитом», монтируемым в штреке или при значительной мощности пласта — рассечке (расширении штрека). Конструкции щитов различны, наибольшим распространением пользуются щиты, состоящие из секций, представляющих металлические рамы, на которые в несколько рядов укладывают бревенчатый накатник. Секции щита связывают между собой стальным канатом. На смонтированный щит обрушают налегающие породы. Выемку угля под щитом ведут с помощью буровзрывных работ или отбойными молотками, вследствие чего канаву под щитом расширяют. Щит удерживается на целиках угля, оставленных у висячего и лежачего боков. Отбиваемый уголь перелопачивают или скреперуют к углеспускной печи. После проведения в почве выработанного пространства очередной канавы взрывают опорные целики угля и щит-под действием силы тяжести, и веса обрушенных пород перемещается вниз.
Значительные потери угля и в связи с этим повышенная пожарная опасность являются основными недостатками рассмотренных систем разработки.

Условия разработки мощных угольных пластов отличаются большой сложностью. В частности, значительная высота рабочего пространства в очистных забоях при выемке, допустим, пологого пласта на всю мощность осложняет крепление и управление кровлей. Поэтому для разработки мощных пластов применяют своеобразные системы. Сравнительно широкое распространение в практике подземной разработки мощных угольных месторождений получили системы с послойной разработкой пластов («слоевые» системы). При этих системах мощный пласт угля разделяют на несколько слоев (наклонных или горизонтальных), каждый из которых разрабатывают последовательно в определенном порядке, как пласт средней мощности (рис. 203).

Толщину слоя выбирают с учетом условий залегания и технико-экономических показателей добычных работ. По правилам безопасности она не может быть более 3,5 м. Слои разрабатывают поочередно или одновременно с определенным опережением очистных забоев смежных слоев. Порядок выемки слоев может быть нисходящим или восходящим. В первом случае выемку слоев ведут при наклонных слоях в направлении от кровли к почве пласта, а при горизонтальных и поперечно-наклонных слоях — сверху вниз. Выемку слоев при восходящем порядке ведут в противоположном направлении. Слои разрабатывают с обрушением кровли или полной закладкой выработанного пространства. Управление кровлей обрушением предопределяет нисходящий порядок разработки слоев, при закладке выработанного пространства выемку пластов можно производить в нисходящем и восходящем порядке.