Расположение стволов для угольной шахты

При проектировании шахты большое значение имеет правильный выбор места заложения шахтных стволов в шахтном поле, так как от этого зависит суммарная длина главных выработок, а следовательно, затраты на их проведение и поддержание; расходы на транспортирование грузов, проветривание горных выработок; потери полезного ископаемого в охранных целиках около стволов.

Расположение главного ствола по падению шахтного поля. Теоретически главный ствол может быть расположен в любой точке шахтного поля, например, у верхней границы шахтного поля, у нижней границы и, наконец, в любом месте между положениями I и II, где-то в средней части (рис. 2.6).

Расположение ствола у нижней границы шахтного поля имеет крупные недостатки: максимальную глубину стволов, а следовательно и наибольшие первоначальные капитальные затраты при строительстве шахты, более длительные сроки строительства; дополнительные расходы на подъем и водоотлив по вертикальному стволу.

При расположении ствола у верхней границы шахтного поля перечисленные недостатки отпадают, однако появляются другие. Так, при размерах шахтного поля по падению более 1200 м ходки, оборудованные канатным подъемом для вспомогательного транспорта, спуска и подъема людей, приходится проводить ступенчатыми, иметь две или более подъемные установки и передавать груз с одного ходка на другой, что усложняет и удорожает работу подземного транспорта. Увеличиваются расходы на поддержание уклонов и ходков, которые, будучи расположенными в целиках угля ограниченных размеров, испытывают повышенное влияние горного давления. Ухудшаются условия проветривания очистных и подготовительных забоев вследствие большой длины выработок, по которым должен пройти воздух до выхода на поверхность, а также в результате его утечек через всевозможные сбойки между уклонами и ходками и др.

Наиболее рационально в экономическом и техническом отношении расположение ствола в пункте 3 (см. рис. 2.6), при котором главный ствол делит шахтное поле на два примерно равных горизонта, т. е. размеры бремсбергового и уклонного полей примерно равны и имеют умеренную длину (1000—1200 м). Если же шахтное поле делят на три и более горизонта, то шахтные стволы первоначально проходят до первого горизонта с последующей их углубкой.

Расположение главного ствола по простиранию шахтного поля. При этом главный ствол может располагаться или около одной из границ шахтного поля (при однокрылом шахтном поле), или же на линии, делящей шахтное поле на две равные части (при двукрылом шахтном поле, см. рис. 2.6).

Предпочтение следует отдавать двукрылым шахтным полям. В этом случае очистные работы можно вести в двух крыльях, что вдвое увеличит фронт очистных забоев. В отдельных случаях крылья шахтного поля по длине могут быть существенно различными. Однако это приведет к неодновременной отработке запасов одного крыла по сравнению с другим и, как следствие, к разбросанности работ на нескольких этажах или горизонтах и усложнению схемы транспортирования грузов, увеличит объем работы подземного транспорта и расходы на поддержание штреков. Расчеты показывают, что объем работ по транспортированию угля и поддержанию этажных штреков при однокрылом шахтном поле в 2 раза больше, чем при двукрылом. Если же главный ствол будет пройден с отклонением от средней линии к любой из четырех границ на 5—8 % от соответствующего размера шахтного поля, то это существенно не повлияет на суммарные расходы по поддержанию выработок и транспортированию грузов.

Таким образом, местом заложения шахтного ствола является не точка, а некоторая область в виде прямоугольника со сторонами 0,1 5 и 0,15 Н. Расположение главного ствола вкрест простирания месторождения. Определяется рядом факторов, в том числе: расстоянием между крайними пластами свиты по горизонтали; расстоянием между отдельными смежными пластами внутри свиты; углом падения пластов и др. При этом ствол необходимо заложить таким образом, чтобы уменьшить объем работы подземного транспорта, снизить длину квершлагов, сократить потери полезного ископаемого в предохранительных целиках и исключить деформации стволов под влиянием горных работ. При вскрытии горизонтальных, пологих и наклонных пластов главный ствол преимущественно располагается в породах висячего бока и внутри свиты, пересекая отдельные пласты.

И только нижний участок ствола при многогоризонтном способе вскрытия в отдельных случаях может располагаться в породах лежачего бока свиты (положение I, рис. 2.7). Если же заложить стволы в лежачем боку свиты за пределами верхней границы шахтного поля нижнего пласта (положение II, рис. 2.7), то внешние участки квершлагов окажутся слишком длинными со всеми вытекающими неблагоприятными последствиями (увеличение срока и стоимости строительства шахты, повышение затрат на подземный транспорт). Задача выбора места заложения главного ствола с позиций минимального объема работы подземного транспорта математически точно и строго решается методом Р. А. Селецкого и Л. Д. Шевякова. В настоящее время при механизированной доставке грузов даже существенное смещение стволов влево или вправо от оптимального положения не вызывает заметного увеличения затрат на подземный транспорт.
Решающее влияние на выбор места заложения ствола оказывает привязка околоствольного двора к квершлагу: стволы должны быть пройдены таким образом, чтобы выработки околоствольного двора располагались в устойчивых, крепких породах с учетом влияния и других факторов.

При вскрытии свиты крутонаклонных и крутых пластов главный ствол (рис. 2.8) можно заложить в висячем боку свиты (положение 1), где-то между крайними пластами (положение 2), и, наконец, в лежачем боку свиты (положение 3).

Первый из этих вариантов отпадает, так как даже при отработке запасов первых этажей и оставлении охранных целиков больших размеров стволы могут попасть в зону влияния очистных работ и получат опасные деформации.

Внутри свиты стволы могут быть заложены в пределах широкой (например, заштрихованной) области. При этом суммарная длина квершлагов и объем работы транспорта по ним будут наименьшими. Однако и в этом случае для предотвращения деформаций стволов и квершлагов необходимо оставление охранных целиков.

При расположении стволов в лежачем боку необходимы более длинные этажные квершлаги, в результате чего затраты на их проведение и на транспортирование угля по ним получаются больше, чем при расположении стволов внутри свиты. Однако при таком расположении стволов отсутствуют потери полезного ископаемого в предохранительных целиках, а сами стволы не подвергаются деформациям. Поэтому при вскрытии крутонаклонных и крутых, особенно мощных пластов, когда потерн полезного ископаемого в предохранительных целиках могут достичь больших размеров, а влияние подработки сказывается особенно сильно, стволы рекомендуется закладывать в лежачем боку свиты.

Расположение вспомогательных стволов. Согласно § 40 ПБ (Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах) шахта должна иметь не менее двух отдельных выходов на поверхность. Поэтому кроме главного сооружают один или несколько вспомогательных стволов. По отношению к главному вспомогательный ствол может иметь центральное, центрально-отнесенное, фланговое и комбинированное расположение.

При центральном расположении (рис. 2.9,а) оба ствола шахты размещены в центре шахтного поля. Расстояние между их осями принимают равным 20 и 70 м или 50 и 55 м.

При центрально-отнесенном расположении (рис. 2.9, б) вспомогательный ствол пройдем у верхней границы шахтного поля, его используют главным образом для отвода исходящей струи воздуха из шахты на поверхность.
При фланговом расположении (рис. 2.9, в) главный ствол сооружен в центре шахтного поля, а вспомогательные — на флангах у верхней границы. Стволы выполняют те же функции, что и при центрально-отнесенном расположении.

При комбинированном расположении (рис. 2.9, г) в центре шахтного поля имеются два (реже три) ствола; у верхней границы в центре, на флангах, на каждую панель или группу панелей сооружают дополнительно вентиляционные стволы или шурфы. Центральные стволы выполняют транспортные функции и служат для подачи свежего воздуха в шахту (кроме ствола, оборудованного скиповым подъемом), а вентиляционные— используют для отвода исходящей струи воздуха из шахты.

Центрально-отнесенное и фланговое расположения имеют тот недостаток, что невозможно вспомогательные стволы использовать для спуска и подъема и компактно расположить технические здания на поверхности. Положительным является возможность применения рациональной прямоточной схемы проветривания выработок в бремсберговой части шахтного поля.

Достоинства центрального расположения стволов: компактность размещения технологического комплекса поверхности; наличие общего предохранительного целика для охраны стволов и комплекса от вредного влияния очистных работ; возможность быстрого соединения (сбойки) стволов выработкой на горизонте околоствольного двора, что обеспечивает нормальные условия для проветривания забоев проводимых выработок и позволяет расширить фронт работ в период дальнейшего строительства шахты; возможность использования одного из стволов для их углубки.
Центральное расположение стволов применяют при вскрытии горизонтальных, крутонаклонных и крутых пластов, а также в отдельных случаях пологих пластов при углах наклона не более 10°, когда ПБ допускается возвратноточная схема проветривания.

Однако при центральном расположении двух стволов не обеспечивается условие для надежного и безопасного провет­ривания выработок при разработке пологих, весьма газоносных пластов, а также пластов, склонных к внезапным выбросам или суфлярным выделениям метана. Поэтому при строительстве современных крупных шахт, при разработке пологих пластов применяют комбинированное расположение стволов, которое сочетает в себе преимущества центрального, централь­но-отнесенного или флангового их расположения.

Если шахтное поле разделено на блоки, то применяют так называемое секционное расположение стволов (рис. 2.10), при котором далеко не всегда выдерживаются те классические рекомендации, о которых говорилось выше. По­скольку шахтное поле, имеющее площадь порядка 70—100 км2, зачастую разбито крупными геологическими нарушениями, то конфигурация и взаимное расположение блоков могут быть самыми различными. Центральный блок, в котором сооружают главный и вспомогательный стволы шахты, может распола­гаться и на одном из флангов шахтного поля (особенно при четном числе блоков).

Центральные стволы выполняют все транспортные функции, в том числе подъем угля и породы.

В центральном блоке имеется и третий вентиляционный ствол (особенно при наличии пысокогазоносных пластов), рас­полагаемый обычно у верхней границы. В остальных блоках размещают по два так называемых блоковых ствола, один из которых воздухоподающий, второй — воздуховыдаю-щий. Кроме того, блоковые стволы могут выполнять и вспомо­гательные транспортные операции: спуск и подъем людей, ма­териалов, оборудования, водоотлив. Расположение блоковых стволов при угле падения пластов менее 10° центрально-сдвоенное или центрально-отнесенное(флан­говое). В последнем случае в отдельных проектах, поскольку каждый    ствол   расположен   изолированно,   для   обеспечения надежного проветривания горных работ в период строительства шахты рядом с блоковыми стволами предусматривается буре­ние вентиляционных скважин.

Кроме перечисленных, на выбор места заложения стволов существенно влияет ряд горно-геологических факторов, например, мощность наносов, наличие крупных геологических нарушений, карстовых пустот и плывунов. Стволы должны быть заложены так, чтобы обеспечить их сооружение до конечной глубины в наиболее благоприятных условиях. Пересечение стволами плывунов, обводненных пород удорожает их соору­жение.

Плывуны часто не имеют постоянной мощности, а иногда залегают в виде отдельных линз. Поэтому перед заложением стволов бурят дополнительные контрольные скважины для уточнения места, где нет плывунов или же они имеют мини­мальную мощность. При пересечении стволами нарушенных пород, особенно если выработанное пространство заполнено во­дой или метаном,а процесс оседания пород еще не закончился, расходы на сооружение стволов, а также поддержание крепи в исправном состоянии в период эксплуатации существенно возрастают, а процесс проведения усложняется и становится небезопасным. Необходимо наличие ровной незастроенной по­верхности для шахтной железнодорожной станции и технологического комплекса, обеспечивающей минимальный объем земляных работ при планировке площадки, удобный сток воды и благоприятные условия для проведения дорог.