Горизонтальні гірничі виробки.

ЛЕКЦІЯ 1

УМОВИ І ЕЛЕМЕНТИ, ВЛАСТИВОСТІ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЗАЛЯГАННЯ ГІРНИЧИХ ПОРІД. ШАХТА, ШАХТНЕ ПОЛЕ.

· 1.1. Елементи залягання вугільних пластів і рудних тіл.

Тілом корисної копалини називається відокремлене скупчення мінерального утворення, що за якістю відповідає вимогам промисловості.

Природні геологічні тіла відрізняються складними геометрично неправильними формами. За співвідношенням розмірів в трьох напрямках серед них виділяють ізометричні (штоки, штокверки), плитоподібні (пласти, жили), трубоподібні та тіла складної форми. Форма тіл корисних копалин залежить від генезису родовищ, тектонічної будови ділянки земної кори та складу вміщуючих порід.

Пласт– найбільш розповсюджена форма покладу осадових родовищ рудних покладів і нерудних корисних копалин. Пластом називається тіло, складене однорідними мінеральними утвореннями і обмежене двома практично паралельними поверхнями – поверхнями напластування. Нижня поверхня даного пласта є його підошвою, верхня – покрівлею.

Пласти гірських порід, що нахилено залягають у просторі, визначаються елементами залягання. До них належать лінія простягання і кут падіння (рис. 1-2).

Рис. 1‑2 – Елементи залягання пласта

Лінія простягання пласта – це лінія його перетину з горизонтальною площиною.

Лінія падіння пласта являє собою лінію, що лежить у площині пласта перпендикулярно до лінії простягання і направлена в сторону його падіння.

Кут падіння пласта – це кут, утворений площиною шару з горизонтальною площиною. За кутом падіння вугільні пласти поділяються на пологі (2-18°), похилі (18-35°), крутосхилі (36-55°) та круті (55-90°). Пласти з кутом падіння до двох градусів умовно називають горизонтальними.

Найважливішим елементом при розробці вугільного пласта є його потужність. потужність – це відстань по нормалі між підошвою та покрівлею пласта. У вітчизняній практиці підземної розробки вугілля вугільні пласти по потужності підрозділяються на дуже тонкі (до 0,7 м), тонкі (0,71-1,2 м), середньої потужності (1,21-3,5 м) і потужні (більше 3,5 м). Основними об’єктами підземної розробки є пласти середньої потужності, але в ряді вугленосних районів значна частина належить також тонким і навіть дуже тонким пластам. Потужність пласта дуже впливає на техніку і технологію його відробки.

Будова вугільних пластів змінюється від простого (без породних прошарків) і помірно складного (з одним або кількома породними прошарками) до дуже складного (перешарування численних вугільних і породних прошарків). Породні прошарки складаються глинистими, глинисто-пісковиковими, пісковиковими породами, а також різною ступеню їх вуглефікованими різновидностями. Розрізняють поняття: загальна, корисна і виймальна потужність пласта (рис. 1-3).

Рис. 1‑3 – Будова вугільного пласта:

а – простий; б – складний; в – вельми складний; 1 – вугілля; 2 – вуглистий сланець; 3 - алевроліт

Загальна потужність – це сумарна товщина вугільного пласта разом з прошарками породи; корисна потужність – це сумарна товщина тільки вугільних прошарків. Іноді, з технологічних причин, пласт виймають не на всю потужність. Товщина пласта, при якій розробка його технічно можлива і економічно доцільна, називається виймальною.

Переважна більшість осадових порід формується на рівній поверхні дна морів і океанів, тому спочатку вони залягають горизонтально або майже горизонтально. Таке первинне горизонтальне залягання шарів називають непорушеним. Під дією тектонічних рухів шари гірських порід деформуються, первинні умови їх залягання порушуються, і виникають вторинні структурні форми. Таке вторинне залягання шарів називають порушеним.

Тектонічні порушення:, або дислокації є двох типів

складчасті, або плікативні (пластичні), суцільність шарів при яких не порушується, а змінюється лише форма їх залягання;

розривні, або диз’юнктивні, коли суцільність шарів порушується і утворюються різні розриви.

Складки – це хвилеподібні згини шарів гірських порід. Розрізняють два типи складок: випуклі – антиклінальні і ввігнуті – синклінальні (рис. 1-4).

Розривні порушення утворюються тоді, коли напруження, що виникають у земній корі, досягають величин, які перевищують межу міцності гірських порід. виділяють дві групи розривних порушень: розриви без зміщення гірських порід і розриви зі зміщенням гірських порід.

Рис. 1‑4 – Складки:

а – антиклінальна; б – синклінальна

Розриви зі зміщенням характеризуються зміщенням гірських порід уздовж тріщини розриву. В них виділяють зміщувач – тріщину, якою відбувається зміщення, і крила – зміщені блоки гірських порід, розташовані по обидва боки від зміщувача. Крило, розташоване вище площини зміщувача, називають висячим, а протилежне – лежачим. Відстань між висячим і лежачим крилами називають амплітудою зміщення.

До розривних тектонічних порушень зі зміщенням належать скиди, підкиди, насуви (рис. 1-5), зсуви та складніші порушення – скидо-зсуви, східчасті скиди, грабени, горсти (рис. 1-6).

Скид – це порушення в масиві, коли висяче крило зрушилося вниз відносно лежачого крила.

Підкид – розрив з крутоспадним (понад 45°) зміщувачем. по якому висяче крило підняте відносно лежачого.

Рис. 1‑5 – Типи розривних порушень:

а – скид; б – підкид; в – насув; 1 – лежаче та 2 – висяче крило

Рис. 1‑6 – Системи розвинутих порушень:

а – східчастий скид; б – горст; в – грабен

Насув – розривне порушення з пологим (до 45°) нахилом зміщувача, при якому висячий бік піднятий відносно лежачого і насунутий на нього. Насуви розвиваються при утворюванні складок в процесі пластичних деформацій.

Зсув – переміщення масиву в горизонтальному напрямку.

Рудні родовища за формою відрізняються від вугільних. часто вони трапляються в формі пластоподібних покладів, жил, штоків, штокверків, трубоподібні.

Трубоподібні тіла характеризуються збільшенням одного розміру над двома другими. Форма поперечного перетину трубоподібного покладу може бути різною: від близької і ізометричної до витягнутої неправильної. Положення трубоподібних тіл в просторі характеризується орієнтуванням їх вісі за кутом і напрямком скочування, тобто зміщенням рудних тіл від лінії падіння. Кут скочування – це кут, утворений віссю витягнутості рудного тіла в площині його падіння з проекцією вісі витягнутості на горизонтальну площину. Кут, утворений віссю найбільшої витягнутості рудного тіла в площині його падіння з лінією простягання, називається кутом схилення (рис. 1-7).

Часто рудні тіла мають складну форму.

Вивчення форм і умов залягання рудних тіл має велике практичне значення, особливо для раціональної детальної розвідки та експлуатації родовища.

Рис. 1‑7 – Схематичне зображення лінзоподібного рудного тіла:

АВ – лінія простягання; СД – лінія падіння; СЕ – вісь рудного тіла (лінія найбільшої витягнутості рудного тіла); АГБ – кут падіння; ВСЕ – кут схилення

· 1.2. Головні технологічні властивості гірничих порід і масивів.

Вугільні родовища мають ряд специфічних природних властивостей, що впливають на умови, технологію і техніку їх розробки. До них відносяться:

1. Значне площинне розповсюдження вугільних пластів при невеликій їх потужності. Це визначає великі розміри шахтних полів, ділянок і очисних вибоїв та пов’язану з цим складність забезпечення стійкості гірничих виробок з урахуванням гірничого тиску, зсуву і обвалювання вміщуючих порід і вугілля;

2. Висока мінливість морфології, потужності і будови вугільних пластів, їх розщеплення, наявності локальних розмивів, складчастості, тектонічних розривів, що ускладнюють ведення гірничих робіт;

3. Різка різниця в речовиннім складі і властивостях вугілля і вміщуючих порід, значна фаціальна мінливість вміщуючих порід на відносно невеликих відстанях, що обумовлює необхідність великого обсягу вивчення інженерно-геологічних властивостей порід покрівлі і підошви вугільних пластів;

4. Підвищена складність гідрогеологічних умов, наявність ізольованих та взаємопов’язаних водоносних горизонтів, при цьому найбільш висока багатоводність пов’язана з підвищеною тріщинуватістю і водопроникливістю;

5. Метаноносність, що досягає 40-45 м³/т горючої маси. Нерідко метан утворює крупні накопичення і інтенсивно виділяється при руйнуванні гірського масиву, при викидах вугілля, породи і газу, розкритті тектонічних і послаблених зон, обваленнях покрівлі, суфлярних виділеннях, що суттєво ускладнюють ведення гірничих робіт і є дуже небезпечні для життя людей;

6. Схильність вугілля до самозаймання, утворенню вибухонебезпечного та шкідливого для здоров’я людей вугільного і природного пилу.

Вказані особливості поведінки вміщуючих порід суттєво впливають на їх властивості, що характеризують деформації, осідання, обвалення тощо при вийманні вугільних пластів.

Покрівлю пластів підрозділяють на несправжню, безпосередню і основну. Несправжня покрівля – шари порід невеликої потужності (0,5-0,7 м), що знаходяться безпосередньо над вугільним пластом і обвалюються одночасно з вийманням вугілля. Безпосередня покрівля – товща порід, що залягає безпосередньо над вугільним пластом або несправжньою покрівлею, обвалення яких в вибійному або відробленому просторі виникає слідом за зніманням кріплення або його пересуванням. Тривалість безпосередньої покрівлі невелика, тому без кріплення вона обвалюється протягом кількох годин на висоту до 10 м. Основна покрівля – товща міцних і тривких порід, що залягають над вугільним пластом або над безпосередньою покрівлею, і здатна зависати й обвалюватися при вийманні вугілля на значних площах.

Стійкість порід безпосередньої покрівлі залежить від літологічного і мінерального складу, здатності до розшарування, характеру тріщинуватості, інтенсивності прояву малоамплітудних розривів, обводненості тощо. Незалежно від потужності шарів обвалюються після зняття кріплення породи з міцністю при стискуванні 45-55 МПа; нижче певної межі потужності шару обвалюються і більш міцні породи. Незалежно від літологічного складу нестійкими є інтенсивно вивітрені обводнені і інтенсивно порушені породи, а також породи на ділянках, що знаходяться поблизу крупних тектонічних порушень.

Гірничо-геологічні властивості основної покрівлі виявляються у формі первісних і вторинних (періодичних) осадок після їх зависання при посуванні вибою. Чим більше міцність порід, тим більшим є шаг первинного і вторинного обвалення. Шаг обвалення крім міцності визначається також глибиною і величиною гірничого тиску попереду лави. На великих глибинах він визначається в основному величиною гірничого тиску і основна покрівля обвалюється у вигляді рівномірних осадок невеликих блоків.

Підошви вугільних пластів звичайно представлені різними породами (глинистими і піщано-глинистими породами, рідше піщаними і карбонатними різностями порід). Для більшості пластів характерні: відсутність шаруватості, неоднорідна грудкувата будова, наявність залишків коріння та інших залишків рослинності. Перехід їх у вугілля в цьому випадку поступовий. Але бувають і різні поверхні розподілу і чітка шаруватість.

Підошви пластів також підрозділяють на несправжні, безпосередні і основні. Несправжньою називають підошву потужністю до 1 м з низькою механічною міцністю з вугільними прошарками, підвищеною вологістю, структурними послабленнями. Як правило, це вуглисто-глинисті аргіліти і сильно глинисті алевроліти.

Із властивостями несправжньої та безпосередньої підошви пов’язані явища сповзання, здимання та вдавлювання в неї кріплення.

Стійкість гірських порід не може характеризуватись тільки показниками міцності, а знаходиться в залежності від цілого ряду факторів.

З точки зору технології, вміщуючі вугільний пласт породи характеризуються наступними властивостями:

обрушуваність (керованість) масиву гірських порід над пластом (умовне позначення категорій – А);

стійкість нижнього шару покрівлі (умовне позначення категорії – Б);

стійкість безпосередньої підошви (умовне позначення категорії – П).

Категорії встановлюються за технологічними ознаками та геомеханічними критеріями. Основними критеріями є технологічні ознаки, що встановлюються з досвіду роботи у аналогічних умовах.

Технологічними критеріями обрушуваності порід є: спосіб управління покрівлею з технологічними рішеннями, необхідними для його виконання; оптимальні силові параметри кріплення, а також показники кратності його посилення до первісної осадки покрівлі.

Технологічними критеріями стійкості нижнього шару покрівлі є: схеми кріплення з заходами по підвищенню його стійкості та крок установлення кріплення.

Технологічним критерієм стійкості підошви є її спроможність утримувати обладнання, яке застосовується, в тому числі і кріплення, не руйнуючись під їх силовим впливом.

Геомеханічні критерії:

обрушуваності масиву порід – середня відносна величина приростання опускання покрівлі на 1 м ширини привибійного простору, показник її мінливості – коефіцієнт варіації К, а також крок першої (Ш_о) і послідуючих (Ш_п) осадок масиву порід;

стійкості нижнього шару покрівлі – його потужність (висота) В та відстань між тріщинами в ньому Г, а також розмір стійкого кроку зависання його у виробленім просторі Д після виймання (зняття, пересування) кріплення;

стійкості підошви – міцність її на вдавлювання (σ_вд).

По обрушуваності покрівлі розрізняють.

А₁ – легкообрушувані породи – масив порід з чергуванням шарів аргілітів, сланців, вуглистих прошарків, алевролітів, розшарованих пісковиків (f_ср = 4), що здатні регулярно обвалюватися у виробленому просторі, починаючи з монтажного ходка (печі), поступово утворюючи всі зони зсуву порід. При таких масивах характер зміщення порід по ширині привибійного простору і характер навантаження кріплення рівномірний, періодичні осадки масиву спокійні, зовні непомітні.

Середня відносна величина прирощення опускання покрівлі на 1 м ширини привибійного простору складає α = 0,04 від потужності пласта, коефіцієнт варіації < 15 %. Шаг первісної осадки Ш_о 10 м, послідуючих осадок – не проявляється. При таких масивах доцільно використовувати найлегше кріплення, в тому числі і дерев’яне. При управлінні покрівлею повним обваленням і використанні дерев’яного кріплення, необхідно посилювати його останній ряд органним кріпленням або пересувними кострами.

А₂ – породи середньої обрушуваності. Представлені чергуванням шарів міцних сланців, алевролітів, пісковиків, вапняків (4 ≤ f_ср < 6), що при управлінні покрівлею повним обваленням здатні зависати в якій-небудь з зон зсування над виробленим простором (нерегулярне обвалення з осадками покрівлі різної інтенсивності, з яких найбільш небезпечна – перша).

Характер зміщень покрівлі цієї категорії менш рівномірний α = 0,025, ≤ 30 %, Ш_о ≤ 25 м, Ш_п ≤ 15 м.

При застосуванні механізованого кріплення необхідно приймати мехкріплення з високим початковим і робочим опором (0,5-0,72) МН/м. При застосуванні індивідуального кріплення – стійки нового технічного рівня, а при відході з розрізної печі – посилювати його ще однією стійкою, бутовими смугами, бутокострами. Можна використовувати примусове обвалення покрівлі.

А₃ – важкообрушувані породи. Представлені однорідним масивом міцних алевролітів, сланців, пісковиків, вапняків (6 < f_ср < 10), при яких управління покрівлею повним обваленням супроводжується періодичними інтенсивними осадками шарів, що зависають на великих площах, створюючи аварійні ситуації у привибійному просторі.

α = 0,015, < 50 %, 25 м < Ш0 ≤ 50 м, 15 м < Шп ≤ 30 м.

При таких породах у лавах можуть використовуватись тільки мехкріплення важкого типу (КМТ, КД-90, ДТ), або управління покрівлею частковим обваленням або частковою закладкою. Також доцільно використовувати штучне ослаблення порід.

А₄– дуже важкообрушувані породи. Представлені однорідним масивом пісковиків, вапняків або сланців (f_ср > 10). Використання управління покрівлею при таких породах повним обваленням виключається. недоцільно також використовувати часткове обвалення або часткову закладку. В таких умовах доцільна повна закладка, або залишення ціликів між блоками.

А₄' – породи, що схильні до плавного прогину (6 ≤ f_ср < 12). Це вапняки або сланці, що гарно прогинаються і управляються способом плавного опускання. потужність пласта при використанні плавного опускання не більше 1 м, при цьому підошва повинна бути схильною до здимання.

По стійкості нижнього шару покрівлі.

Б₁ – дуже нестійкі породи – вуглисто-глинистий аргіліт або сланець (f < 2), що обвалюється разом з вийманням вугілля («хибна» покрівля). В=0,01-0,2 м, Г = 0,005-0,1 м, Д=0.

Б₂ – нестійкі породи – тріщинуваті, неміцні (2 < f ≤ 3) вуглисто-глинисті, глинисті або пісковиково-глинисті сланці (аргіліти, алевроліти). Для підвищення стійкості використовують зміцнення хімічними розчинами, анкерами, штанговим кріпленням. В=0,05-0,3 м, Г=0,1-0,4 м, Д → 0.

Б₃– малостійкі породи. Сланці, пісковики і вапняки (3 < f ≤ 5), що здатні створювати відносно стійкі оголення на невеликій площі і припускають використання механізованого кріплення з коефіцієнтом затяжки покрівлі ≥ 0,8, а індивідуального кріплення з шпальними брусами і стійкою під вибоєм.

Б₄ – породи середньої стійкості. Сланці або пісковики, вапняки (5 < f ≤ 7), які утворюють стійкі оголення у привибійному просторі. Припускають використання механізованого кріплення з коефіцієнтом затяжки покрівлі < 0,8, а при індивідуальному кріпленні – металеві верхняки.

Б₅ – стійкі покрівлі. Монолітні пісковики, вапняки, пісковикові сланці (f > 7), при яких припускається використання любого кріплення.

По стійкості підошви.

П₁ – дуже нестійкі породи. Неміцні (f < 1 МПа) сланці «кучерявої» текстури («хибна» підошва), що руйнуються при взаємодії з технологічними засобами видобутку і транспорту вугілля.

П₂ – малостійкі породи. Сланці (f ≤ 2,5), які не руйнуються при взаємодії з технологічними засобами при вийманні вугілля, але не можуть бути надійною опорою для секцій і стійок кріплення, що вдавлюються в ці породи або зразу при розпорі, або в процесі підтримання покрівлі. Для попередження вдавлювання використовують поширювачі, дерев’яні лежні.

П₃– стійкі породи. Сланці або пісковики (f > 2,5), при яких нема ускладнень з використанням засобів кріплення.

· 1.3. Шахта, шахтне поле.

Шахта – це гірничопромислове підприємство, яке здійснює видобуток корисних копалин підземним способом. При видобутку підземним способом руди шахту називають рудником. При видобутку вугілля відкритим способом – розрізом.

В поняття «шахта» входять наземні споруди та сукупність гірничих виробок, призначених для розробки родовища в межах шахтного поля.

Шахтне поле – це родовище або його частина, відведена для розробки однією шахтою. В шахтному полі вугільної шахти може бути один або декілька вугільних пластів. Шахтне поле має свої кордони, які визначають його розміри. Кордони шахтного поля бувають природними, коли вони проходять по великим геологічним порушенням, або коли пласти виходять під наноси, та штучними – визначеними в процесі виділення поля конкретної шахти.

Шахтному полю бажають придати форму прямокутника, витягнутого в напрямку простягання пласта. відстань між кордонами шахтного поля по простяганню називають розміром шахтного поля по простяганню і позначають літерою S (рис. 1-8).

Рис. 1‑8 – Зображення шахтного поля на гірничих кресленнях

Нижній і верхній кордони шахтного поля, якщо вони є штучними кордонами, прагнуть задати по ізогіпсам пласта. Верхній кордон АВ називають кордоном по підняттю, або верхнім технічним кордоном, нижній кордон DС – кордон по падінню, або нижнім технічним кордоном, лінії AD і ВС – кордонами по простяганню. Відстань між верхнім і нижнім технічними кордонами називають розміром шахтного поля по падінню і позначають літерою – Н.

На рис. 1-8 зображено шахтне поле, яке розміщене на непорушеному пласті, що має вигляд правильної площини. Такі пласти в природі зустрічаються рідко. Частіше пласти мають хвилясту поверхню і поділені на окремі ділянки тектонічними порушеннями. Тому шахтні поля мають різноманітні конфігурації.

Реальні розміри шахтних полів такі: для пологих пластів від 3 до 10-12 км по простяганню та 1,5-5 км по падінні; для крутих – 2,5-7 км по простяганню та 0,8-1,5 км по падінню. Характер залягання вугільного пласта досить повно відображається на графіках ізогіпсами, тобто лініями, отриманими внаслідок перетинання пласта горизонтальними площинами на даній глибині.

Для зображення форми залягання пласта вугілля ізогіпси його підошви або покрівлі проектують при падінні під кутом 0…60⁰на горизонтальну, а при більшому куті падіння – на вертикальну площину.

ЛЕКЦІЯ 2

ГІРНИЧІ ВИРОБКИ

· 2.1. Класифікація гірничих виробок

Розробка родовищ корисних копалин як підземним, так і відкритим способами зв’язана спорудженням цілої сітки гірничих виробок.

Гірнича виробка – це порожнина, зроблена в надрах землі або на поверхні. Підземні гірничі виробки, незалежно від наявності безпосереднього виходу на поверхню, мають замкнутий контур поперечного перетину. Виробки, що розміщені на поверхні землі мають незамкнутий контур поперечного перетину (канава).

Залежно від призначення, розрізняють гірничі виробки розвідувальні та експлуатаційні. Перші використовують для пошуків і розвідки родовищ корисних копалин, другі – для розробки родовищ, тобто для виймання корисних копалин із надр. Експлуатаційні виробки, в свою чергу, залежно від призначення поділяються на розкриваючі, підготовлюючі і очисні.

Розкриваючі виробки служать для розкриття шахтного поля.

Підготовлюючі виробки споруджуються для підготовки шахтного поля до розробки.

Очисні – це виробки, в яких безпосередньо ведеться добування корисних копалин.

Залежно від того, по яким породам пройдена виробка, вони поділяються на пластові і польові. Перші проходяться по пласту вугілля, другі по пустим породам.

Залежно від співвідношення між площиною перетину виробки та її подовжнім розрізом, розрізняють виробки протяжні та об’ємні. Залежно від положення в просторі, протяжні гірничі виробки поділяються на горизонтальні, похилі і вертикальні.

Вертикальні гірничі виробки.

Ствол – це вертикальна капітальна гірнича виробка, що має безпосередній вихід на земну поверхню і призначена для обслуговування підземних гірничих робіт. По шахтних стволах підіймають корисні копалини, породу, матеріали, устаткування, людей та рухається повітряна течія.

Залежно від основного призначення, шахтні стволи поділяють на головні й допоміжні. Головний ствол служить для підйому на поверхню корисних копалин. Допоміжні стволи відповідно до їх функцій підрозділяються на вантажно-людські – для спуску та підйому людей, матеріалів, устаткування і вентиляційні – для провітрювання і т. ін.

Сліпий ствол – це вертикальна підземна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, що служить, у першу чергу, для підйому корисних копалин з нижчих горизонтів на основний. Використовується також для спуску і підйому людей, матеріалів, устаткування, водовідливу та вентиляції.

Гезенк – вертикальна підземна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню та призначається для спуску корисних копалин із верхніх горизонтів на основний під впливом власної ваги або у спеціальних посудинах механічним способом. Як і сліпий ствол, гезенк може бути використаний для допоміжних цілей – спуску та підйому людей, матеріалів, устаткування, вентиляції.

Шурф – вертикальна гірнича виробка невеликої глибини, що має безпосередній вихід на земну поверхню, споруджена з поверхні і призначена для допоміжних цілей та вентиляції. Є шурфи тільки для цілей розвідки.

Свердловина – гірнича виробка циліндричної форми глибиною понад 5 м і діаметром більше як 75 мм. За своїм призначенням свердловини діляться на розвідувальні, експлуатаційні, допоміжні (вентиляційні, тампонажні, замулювальні, заморожувальні, дегазаційні, водовідливні, вибухові, тощо).

Похилі гірничі виробки.

Похилі стволи і похилі шурфи мають такі ж призначення та функції, що й вертикальні стволи та шурфи. Різниця тільки в їх положенні у просторі.

Бремсберґ – похила гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню і призначена для транспортування вугілля з верхніх горизонтів на нижчі.

Рис. 1‑9 – Гірничі виробки:

1 – шурф; 2 – головний ствол; 3 – допоміжний ствол; 4 – відкатний квершлаг; 5 – вентиляційний квершлаг; 6 – етажний відкатний штрек; 7 – етажний вентиляційний штрек; 8 – проміжний штрек; 9 – капітальний бремсберґ; 10 – проміжний бремсберґ; 11 – ходки при капітальному бремсберґу і уклоні; 12 – капітальний уклон; 13 – просік; 14 – лава; 15 – вироблений простір; 16 – похилі стволи; 17 – скат; 18 – орт; 19 – зумпф; 20 – штольня; 21 – головний відкатний штрек; 22 – головний вентиляційний штрек; 23 – гезенк; 24 – сліпий ствол; 25 – польовий штрек

Уклон – похила гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, споруджена по падінню пласта і призначена для піднімання вугілля з нижчих горизонтів на верхні.

Ходок – похила гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, розташована паралельно уклону чи бремсберґу і служить для допоміжних процесів та механізованої доставки людей (такі ходки називають людськими)

Скат – похила підземна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню і призначена для спуску вугілля під дією власної ваги.

Піч – похила підземна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, споруджена тільки в межах вугільного пласта та призначена для цілей вентиляції, транспортування вугілля, пересування людей тощо. Піч, яка призначена для монтажу в ній вибійного устаткування, а потім і для початку добування вугілля, зветься розрізною.

Горизонтальні гірничі виробки.

Штольня – горизонтальна гірнича виробка, яка має безпосередній вихід на поверхню, яка служить для тих же цілей, що і стволи шахти.

Тунель – це штольня, яка має два виходи на поверхню і служить для транспортування та інших потреб.

Квершлаг – горизонтальна (інколи похила) гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, споруджена навхрест простяганню пласта і використовується для транспортування, вентиляції та всіх інших робіт.

Штрек – горизонтальна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, споруджена по простяганню пласта. За своїм призначенням штреки можуть бути транспортними, вентиляційними, корінними, головними, бутовими та ін. Штреки, які споруджені по пласту вугілля звуться пластовими, які по породі – польовими.

Косовик – горизонтальна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню, споруджена паралельно штрекові, котрий охороняється бутовою смугою.

Просік – горизонтальна гірнича виробка, споруджена тільки по пласту вугілля, паралельно штрекові, який охороняється ціликом вугілля.

Орт – горизонтальна підземна гірнича виробка, яка не має безпосереднього виходу на земну поверхню і споруджена навхрест простяганню потужного крутого пласта між його підошвою та покрівлею.

Лава, смуга – очисні горизонтальні або похилі гірничі виробки великої довжини, в яких безпосередньо добувається вугілля.

Камера, заходка – очисні виробки похилі або горизонтальні з короткими вибоями (4-6 м).

ЛЕКЦІЯ 3 ПРОЯВИ ГІРСЬКОГО ТИСКУ У ОДИНОЧНІЙ ВИРОБЦІ . ФОРМИ І РОЗМІРИ ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕТИНУ ВИРОБОК

· 3.1. Прояви гірського тиску у одиночній виробці

У недоторканому масиві, тобто до проведення виробки, гірські породи знаходяться в об'ємному рівноважному напруженому стані. Звичайно вважається, що напруження зумовлені тільки щільністю товщі порід, а масив умовно розглядається як однорідний та ізотропний. В переважній більшості умов вертикальна компонента напружень перебільшує горизонтальні, але в деяких районах земної кулі існує аномальний розподіл напружень, коли бокові напруження в 2–5 разів більше вертикальних завдяки тектонічним процесам.

Проведення підземних гірничих виробок викликає зміну напруженого стана порід, що існував до цього, і в контурі виробки виникає концентрація напружень, що характеризується коефіцієнтом концентрації, який виражається відношенням значення напруження, що виникає після проведення виробки, до значення напруги, що існувала у тій же точці в недоторканому порідному масиві. Значення коефіцієнта концентрації може коливатися в широких межах. У звичайних умовах його значення коливається від 2 до 3^{^[1]} (рис. 2-1).

Рис. 2‑1 – Розподіл напружень навколо виробки у ідеально пружному масиві:

1 – виробка; 2 - епюра напружень; 3 – рівень напружень у недоторканому масиві

Глибина зони концентрації напружень практично не перебільшує (3—5) l (l – найбільший лінійний розмір перетину виробки). При розташуванні в масиві зближених виробок виникає їх взаємний вплив, який викликає додаткову концентрацію напружень.

Характер проявів гірського тиску залежить від співвідношення величини напружень і міцності масиву навколо виробки. Якщо напруження відносно високі, вони можуть викликати руйнування або пластичне деформування порід в певній зоні навколо виробки і для її нормальної експлуатації необхідно застосування гірничого кріплення. Величина напружень в зоні руйнування знижується і навколо неї виникає зона знижених напружень (непружних деформацій) (рис. 2-2). Зона максимальних напружень відсувається від контуру вглиб масиву. Зміщення контуру виробки, викликане пружними і непружними

Рисунок

деформаціями порід, може досягати декількох десятків і навіть сотень міліметрів.

Рис. 2‑2 – Розподіл напружень навколо виробки у пружно-пластичному масиві

1 – виробка; 2 – зона непружних деформацій; 3 – епюра напружень; 4 – рівень напружень у недоторканому масиві

Гірський тиск може виявлятися в різних формах.

1. Пружне або пружно-в’язке зміщення порід без їх руйнування.

2. Вивалоутворення (місцеве або регулярне) в слабких, тріщинуватих та дрібношаруватих породах.

3. Руйнування і зміщення порід (в тому числі вивалоутворення) під впливом граничних напружень в масиві по усьому периметру перетину виробки або на окремих його ділянках.

4. Видавлювання порід у виробку внаслідок пластичної течії, в тому числі – з боку підошви (обдимання порід).

У підготовчих, а іноді і в капітальних виробках, що потрапляють в зони опорного^{^[2]} тиску, мають місце підвищені деформації порід, запобігти які майже неможливо. У таких випадках необхідно застосування податливих конструкцій кріплення.

· 3.2. Форми і розміри поперечного перетину виробок.

Форма поперечного перетину горизонтальних виробок встановлюється відповідно до фізико-механічних властивостей порід та стану порід, якими вони проводяться, величини та напрямку гірського тиску, терміну служби та прийнятої конструкції кріплення.

Якщо виробку не кріплять, їй надається склепінна форма поперечного перетину, яка наближається до форми склепіння природної рівноваги.

Прямокутна форма (рис. 2.3, а) найчастіше використовується при відсутності бокового тиску порід й у тих випадках, коли виробки кріпляться дерев’яним, штанговим або змішаним кріпленням (бетонні стінки і перекриття з металевих балок).

Трапецієподібне кріплення сприймає як вертикальний, так і боковий тиск. При цій формі виробки звичайно кріплять деревом, металом, збірним залізобетоном (рис. 2.3, б). Поширено при проведенні нарізних виробок.

Рис. 2‑3 – Форми поперечного перетину виробок

Полігональна форма приймається у тому випадку, коли виробки кріплять залізобетоном, рідше – для посилення трапецієподібного дерев’яного кріплення (рис. 2.3, в).

Склепінну форму застосовують при кам’яному або бетонному кріпленні. При цьому склепіння буває трьохцентрове (коробкове) і півциркульне з прямолінійними або криволінійними стінками (рис. 2.3, г).

Аркове кріплення використовується за наявності вертикального і бокового тиску гірських порід (рис. 2.3, д). Звичайно виробки кріпляться металевими арками різних конструкцій.

Кругла форма найбільш підходить при наявності всебічного тиску (рис. 2.3, е). У цьому випадку виробки кріплять збірними залізобетонними елементами, бетоном або металевим кріпленням. Вуглеспускні свердловини можуть взагалі не кріпитися. Якщо один з компонентів гірського тиску значно більший за інші, використовується еліпсоподібне кріплення (рис. 2.3, ж, з).

Перелічені форми поперечного перетину виробок використовують у всіх підготовчих і капітальних виробках з урахуванням впливу на них різних факторів.

Розміри поперечного перетину виробки у світлі залежать головним чином від її призначення та зумовлюються габаритами рухомого составу або конвеєра, кількістю рейкових шляхів, зазорами між кріпленням та найбільш виступаючою частиною рухомого составу або конвеєра, способом переміщення людей та кількістю повітря, яке проходить виробкою.

При проектуванні поперечного перетину виробки у світлі необхідно враховувати запас на можливі усадки порід, що залежить від типу виробки, умов її підтримки і потужності пласта m.

У типових перетинах передбачена вертикальна податливість кріплення 300 мм і горизонтальна на рівні 1,8 м від підошви виробки – 230—290 мм. У виробках, закріплених податливим кріпленням, дуже важливо правильно установити запас на осадку, що може забезпечити її безремонтне підтримання на весь термін служби.

Мінімальну висоту виробки вимірюють від рівня голівки рейок до внутрішньої поверхні кріплення, і вона повинна за Правилами безпеки (ПБ) дорівнювати 1,9 м у головних відкаточних і вентиляційних виробітках та 1,8 м у дільничних підготовчих виробітках.

ЛЕКЦІЯ 4

МАТЕРІАЛИ І КОНСТРУКЦІЇ КРІПЛЕННЯ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК.

· 4.1. Матеріали для кріплення виробок

Дерев'яне кріплення (рис. 2-4). Недоліками такого кріплення є недовговічність, горючість, схильність до загнивання і невелика абсолютна міцність. Основним видом дерев'яного кріплення в горизонтальних виробках є кріпильна рама, що складається з верхняка і двох стояків. Таку раму називають неповною (а, в). Кріпильні рами звичайно бувають трапецієподібної форми (а, б), рідше прямокутної (в), а в окремих випадках у вигляді неправильної трапеції.

Дерев'яне кріплення доцільно застосовувати там, де за термін служби виробки не буде потрібно суттєвих ремонтів і перекріплень, тобто при терміні служби не більш 2—3-х років.

Елементи рам виготовляють із круглого лісу діаметром 16—32 см. Кріпильні рами встановлюють суцільно одна до одної (суцільне рамне кріплення) або на відстані в осях 0,5—1,2 м (кріплення врозбивку). у останньому випадку покрівлю і боки виробки затягують обаполами або дошками.

Звичайні кріпильні рами вважаються жорстким кріпленням. Неповним рамам можна надати вертикальну податливість до 10—12 см загострюванням кінців стійок по формі конуса або клина. При певному навантаженні на раму загострена частина стійок зминається і рама опускається.

При значному гірському тиску кріпильні рами посилюються або за допомогою середньої стійки або стропильними чотирьох – восьмигранними конструкціями.

Рис. 2‑4 – Дерев’яне кріплення

1 – верхняк, 2 – стійка, 3 – затяжка, 4 – клини, 5 – лунка для стійки, 6 – лежень

Металеве кріплення. Металеве кріплення унаслідок високої його міцності, довговічності, вогнестійкості і можливості повторного використання широко застосовують у капітальних і підготовчих виробках у вигляді арок, трапецієподібних діжкоподібних рам і кілець, що можуть бути жорсткими, податливими і шарнірними (рис. 2-5).

Рис. 2‑5 – Металеве кріплення

Трапецієподібні металеві рами відносяться до жорсткого кріплення і застосовуються у виробках із значним терміном службі (більше 3—5 років).

Трапецієподібні металеві рами застосовують у виробках із терміном служби від 3 до 10 років при стійкому гірничому тиску. Елементи трапецієподібних рам виготовляють із двотаврових балок № 16—17. З'єднання верхняка зі стояками здійснюють за допомогою накладок або спеціальних башмаків. Перевагами металевого трапецієподібного кріплення є простота виготовлення й установки. Недоліками є відсутність податливості, і менша несуча спроможність елементів кріплення, чим в аркових конструкціях.

Аркове кріплення виконується у вигляді жорстких, шарнірних або податливих конструкцій. Жорстке кріплення виготовляється у вигляді двохшарнірної арки із двотавру № 14—20, із залізничних та рудничних рейок і звичайно складається з двох піварок, що поєднуються у замку за допомогою металевих накладок і болтів.

Найбільш поширене аркове податливе трьохланкове кріплення КМП-А3 зі спецпрофілю СВП, що складається з 3-х елементів: верхнього сегмента, обкресленого одним радіусом, і 2-х бічних елементів, криволінійних по всієї довжині або що мають прямолінійну ділянку (рис. 2-6). Елементи арки з'єднують внахлест і стягують двома хомутами. Арки звичайно встановлюють через 0,5—1,2 м і з'єднують між собою в 3-х місцях міжрамними стяжками (розстрілами). Податливість кріплення обумовлюється ковзанням елементів у вузлах їхніх сполучень після того, як зовнішнє навантаження перебільшує сили тертя. У трьохланкового кріплення вертикальна податливість досягає 300—350 мм.

Рис. 2‑6 – Конструкція аркового металевого податливого кріплення; замок

1, 2 – скоба, 3 – верхня планка, 4 – нижня планка, 5 – гайка

В умовах, коли необхідно забезпечити більшу податливість, використовується п’ятиланкове аркове кріплення КМП-А5 з податливістю до 1000 мм, яка досягається за рахунок використання додаткових стійок.

Для забезпечення стійкості у подовжньому напрямку між рамами, арками або кільцями кріплення обов’язково повинні встановлюватись дерев’яні або металеві розпірки в кількості не менше двох на кожний елемент. Іноді дерев’яні розпірки встановлюють суцільно, тоді вони виконують роль звичайної затяжки.

Кам'яне і бетонне кріплення застосовують для кріплення виробок із великим терміном служби і при значному гірському тиску поза зоною впливу очисних робіт (рис. 2-7). Бетоном і каменем кріплять переважно основні виробки приствольного двора, камери, квершлаги, польові штреки.

У якості основної форми застосовують склепінну з прямолінійними або (при значному боковому тиску) криволінійними стінами. Кріплення складається із фундаментів, стін і склепіння. Фундаменти являють собою частину стін, що розташовується нижче рівня поверхні підошви, та мають глибину: з боку водовідливної канавки 500, з іншого боку 250 мм. Товщина бетонного кріплення приймається в залежності від розмірів поперечного перетину виробки у світлі і міцності порід. В практиці гірничих робіт товщина бетонного кріплення звичайно знаходиться в діапазоні 150—500 мм.

В породах, схильних до здимання, бетонному кріпленню надають замкнуту форму у вигляді конструкції із зворотнім склепінням і кільцевої.

Кам'яне кріплення зводиться зі штучних каменів на цементно-пісковому розчині. При значному гірському тиску і зсуві порід застосовують податливе кам'яне кріплення, що будується з литих каменів з укладкою між ними пружних прокладок. В загальному обсязі кріплення кам’яне кріплення є мало поширеним, оскільки для його зведення необхідна цеглина особливої якості (звичайні цеглини швидко розмокають і руйнуються), а також із-за високої трудомісткості зведення. Те ж стосується і кріплення із бетонних блоків (бетонітів).

Рис. 2‑7 – Конструкції кам'яного та бетонного кріплення

а – кам’яне, б – бетонне, в – змішане;

1 – склепіння; 2 – стіни; 3 – фундаменти; 4 – замок; 5 – п'ята.

Гідністю кам'яного кріплення є його здатність сприймати гірський тиск відразу після зведення, що визначає його застосування при швидкому розвитку гірського тиску. Недоліки – значна трудомісткість робіт із зведення кріплення, наявність швів, що знижують міцність і монолітність кріплення.

Бетонне монолітне кріплення характеризується більшою міцністю в порівнянні з кам'яним і кращим приляганням до породи. Крім того, її зведення можна цілком механізувати, що різко підвищує продуктивність праці і знижує трудомісткість і вартість робіт.

Оскільки звичайне бетонне кріплення добре сприймає лише стискаюче навантаження,у найбільше відповідальних капітальних виробках або їхніх ділянках при великих навантаженнях, особливо нерівномірних, застосовуютьмонолітне залізобетонне кріплення, яке завдяки арматурному посиленню здатне сприймати також розтягуючі і зсувові навантаження.

При зведенні монолітного залізобетонної кріплення гірничих виробок застосовують гнучку, жорстку і змішану арматуру. Гідність монолітного залізобетонного кріплення полягає у великій несучій здатності, монолітності, гарному приляганні до навколишніх порід і можливості застосування при різноманітній формі поперечного перетину виробок. Водночас таке кріплення характеризується великою трудомісткістю в зведенні і витратою значної кількості металу.

Змішаним називають кріплення, основні несучі елементи якого виконують із 2-х або більш видів матеріалів. Металеві верхняки або 3-х шарнірні арки застосовують у поєднанні з дерев'яні стояками при відносно великих прольотах виробок і значному вертикальному тискові, але при невеликому терміні служби виробки. У капітальних виробках при відсутності бічного тиску часто застосовують металеві верхняки з двотавру у поєднанні з вертикальними кам'яними стінами. Між металевими верхняками влаштовують невеликі бетонні або кам’яні склепіння, або цей простір затягують з/б затяжками. Застосовують також склепінне кріплення зі стінами з каменів і бетонним склепінням.

У сполученні із звичайними видами кріплення може використовуватись штангове кріплення (див. наступний матеріал). Достоїнства і вади змішаних конструкцій визначаються видом використовуваного матеріалу.

Штангове кріпленняявляє собою систему закріплених у шпурах штанг, розташованих у масиві порід по контурі виробки і призначених разом із підтримуючими елементами (підхопленнями або опорними плитами) для зміцнення породного масиву з метою забезпечення стійкості гірничої виробки (рис. 2-8).

Принципова особливість такого кріплення складається в тому, що штанги (анкери), зміцнюючи масив порід, дозволяють максимально використовувати його власну несучу здатність, завдяки чому в більшості випадків відпадає необхідність у застосуванні звичайних підтримуючих видів кріплення.

Рис. 2‑8 – Схеми кріплення виробок штангами

а, ж – з опорними плітками; в, д – з прямолінійними підхопленнями з дерева або металу з дерев’яною затяжкою; б, г, е, з – з арковими стальними підхопленнями

Штангове (анкерне) кріплення, при правильному його застосуванні, дозволяє з мінімальними витратами матеріалу і праці забезпечити підтримку виробок у справному стані в різноманітних умовах: при шаруватих і нешаруватих тріщинуватих породах, поза зоною і у зоні впливу очисних робіт, у виробках різноманітних форм поперечного перетину у якості постійного і тимчасового кріплення, самостійно або в сполученні з іншими видами кріплення. В даний час застосовують штанги металеві, залізобетонні, дерев'яні і сталеполімерні.

Металеві анкера (найбільше поширені) складаються з круглого стержня, на однім кінці якого є різьблення і гайка, а на другому так званий замок, за допомогою якого штанга закріплюється в шпурі.

Замки виготовляють із металу і розділяють на клино-щілинні, розпірні і вибухо-розпірні.

В якості опорно-підтримуючих елементів на анкерах застосовують сталеві опорні плитки, підхвати з прокатних профілів (швелер, спецпрофіль, спарені кутки та ін.) або дерев’яних пластин, а також затяжку (металеву сітчасту або решітчасту, дерев’яну, або з тонких профільованих сталевих листів). Для захисту оголених порід від вивітрювання і елементів кріплення від корозії в необхідних випадках застосовують торкрет- або набризкбетонне покриття.

· 4.2. Кріплення вертикальних виробок

При кріпленні вертикальних гірничих виробок переважно застосовують монолітне бетонне, кам’яне та металеве кріплення.

Кріплення з монолітного бетону застосовують товщиною 200—600 мм, воно характеризується значною міцністю, повним приляганням до породи, гарним зчепленням із ній, відносно невеликим аеродинамічним опором, довговічністю і вогнестійкістю.

Бетонне кріплення (рис. 2-9) будують як з опорними венцями, так і без них. У першому випадку їх (венці) влаштовують по висоті ствола через 20—40 мм і більш. Бетон для опорного венця застосовують такий, що швидко твердіє.

Рис. 2‑9 – Бетонне кріплення ствола:

1 – устя, 2 – кріплення, 3 – сполучення із горизонтальними виробками, 4 – зумпф, 5 – вінець; б – вінці

З огляду на гарне зчеплення бетонного кріплення з породами і високою трудомісткістю зведення опорного венця при породах f > 2 застосовують кріплення з бетону, що швидко твердіє, без опорних венців.

Кам'яне кріплення вертикальних стволів виконують звичайно з цеглини або бетонних каменів і будують у межах ланки в напрямку знизу нагору. Простір між кріпленням і масивом забучують бетоном або дрібною породою, що заливається цементним розчином.

Монолітне залізобетонне кріплення подібне до бетонного, але завдяки наявності у ньому арматури спроможне сприймати не тільки великі стискувальні напруги, а також напруги, що розтягують. Наявність арматури ускладнює і збільшує вартість роботи з кріплення, тому монолітним залізобетонним кріпленням кріплять стволи при великому нерівномірному гірському тискові, ліквідації аварій, устя стволів і сполучення з приствольним двором.

Збірне залізобетонне кріплення застосовують головним чином для кріплення стволів круглого поперечного перетину. Кільцеві кріплення збирають із сегментів без спеціальних зв'язків між ними (блоків) або зі зв'язками (тюбінгів). Тюбінгове кріплення має велику несучу здатність: задовільно працює при несиметричних навантаженнях; спроможне сприймати гірський тиск відразу; виготовляється індустріальним методом і не потребує опалубки при зведенні.

Металеве кріплення. Постійне металеве кріплення виконується з чавунних (рідше сталевих) тюбінгів, відрізняється великою несучою здатністю, водонепроникністю і довговічністю. Застосовують його в складних гідрогеологічних умовах при спеціальних способах проходки і в інших особливих випадках. Відрізняється великою дорожнечею і великими витратами металу.

Кріплення похилих виробок

Дерев'яне кріплення. При кутах нахилу виробки до 15—20° застосовують звичайні трапецієподібні кріпильні рами. Між рамами в замків ставлять дерев'яні розпірки, що з'єднуються з верхняками рам металевими скобами.

При кутах нахилу 20—45° застосовують прямокутні кріпильні рами, із з'єднанням елементів у лапу і розпірками між рамами поверху і понизу. При кутах нахилу більш 30º установлюють повні кріпильні рами, через небезпеку сповзання порід підошви виробки.

При кутах нахилу більш 45º виробки кріплять вінцевим кріпленням так само, як і вертикальні виробки. Для утримання кріплення від здвижки униз через кожні 3—5 метрів встановлюють опорні рами, що мають подовжені верхняки і лежні, кінці яких заводять у бічні породи на глибину 0,5—0,7м.

Металеве кріплення. При кутах нахилу до 30° має ті ж конструктивні форми, що й у горизонтальних виробках. При кутах нахилу більш 30° металеве кріплення застосовують рідко, а якщо і застосовують, то рами повинні бути замкнутої конструкції.

Кам’яне і бетонне кріплення застосовують у капітальних похилих виробках. При кутах нахилу до 15º виробки кріплять так само, як і горизонтальні. При кутах нахилу від 15° до 45° фундаменти повинні мати горизонтальну підошву, для чого їх роблять східчастої форми з висотою щаблів 0,4—1м. Кладку кам'яного кріплення ведуть горизонтальними рядами. При кутах нахилу від 45° до 75° застосовують кріплення кільцевої і склепінної форми з оберненим склепінням. У цьому випадку через 10—20 м по довжині виробки встановлюють опорного венця по всьому контурі виробки. При кутах нахилу більш 75° виробки кріплять так само, як вертикальні стволи.

ЛЕКЦІЯ 5

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 671; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!