Типы горных выработок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

горный выработка месторождение

Геологическая разведка и определение балансовых запасов позволяют обосновать технологию и составить проект разработки месторождения полезного ископаемого. Вначале - 1 этап - это месторождение делят на рациональные участки, которые можно отрабатывать отдельными предприятиями. Такие участки называют шахтными полями.

На 2-м этапе проектирования обосновывают эффективные схемы вскрытия и подготовки шахтных полей к очистным работам (добыче угля) путем сложных расчетов (обычно по нескольким вариантам).

Вскрытие шахтного поля - это проведение горных выработок, открывающих доступ с поверхности земли к угольным пластам или участку месторождения. По ним, выработкам, в период эксплуатации транспортируют и выдают на-гора полезное ископаемое, доставляют оборудование и материалы, подают воздух и перемещают людей.

Срок службы вскрывающих выработок соизмерим со сроком существования шахты. Их относят к капитальным, включая в основные фонды предприятия.

Подготовка шахтного поля - это проведение после вскрытия горных выработок, завершающееся созданием очистных забоев в количестве, достаточном для достижения проектной мощности шахты.

В отличие от разломов, каньонов, ущелий, пещер, карстовых воронок, образовавшихся вследствие действия естественных факторов, горные выработки представляют собой искусственные полости (пустоты) в земной коре, созданные в основном путем извлечения полезного ископаемого или породы. Поскольку они возникли в результате целесообразной деятельности человека, то их следует относить к потребительным стоимостям - средствам производства или предметам потребления.

Так, средствами труда являются стволы, штреки, бремсберги, а предметами потребления - подземные переходы, погреба, землянки и др. однако не все горные выработки - чистые средства производства (их пассивная часть): очистные, например, забой которых служит не чем иным, как главным предметом труда горнодобывающей промышленности, необходимо выделить в особый класс, а остальные можно назвать обслуживающими.

Правильное понимание горной технологии немыслимо без предварительной характеристики её средств и предметов труда.

1. Типы горных выработках и их назначение

Горные выработки это искусственные выемки в массиве горных пород. Назначение их может быть разным. Они применяются достаточно широко при разработке месторождений в горнодобывающей промышленности, при проведении геологоразведочных работ, как инженерные сооружения в фортификации или при создании коммуникационных и транспортных сетей. Размеры их самые разные. Наиболее масштабные это системы связанных между собой выработок при отработке уникальных месторождений, как, например, Витватерсранд в Южной Африке. Протяженные системы подземных сооружений в метрополитенах многих крупных мегаполисов Мира, грандиозный тоннель созданный под дном Ламанша, который соединяет Англию и Францию. В данном учебном пособии рассматриваются те выработки, которые применяются в геологии при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, такие выработки называют геологоразведочными.

Прошли времена, когда люди спотыкались на развалах рудных тел, выходящих на дневную поверхность. Теперь геологу, чтобы найти месторождение, требуется видеть глубже. Для этого существуют различные методы и технологии, но наиболее надежными остаются бурение и проходка выработок. А при отработке месторождений без горных выработок и вовсе не обойтись, при этом здесь применяются наиболее солидные по объему выемки горной массы - эксплуатационные. Если геологоразведочные служат геологам для кратковременного обнажения горных пород, вмещающих полезные ископаемые, то эксплуатационные - для длительного пользования уже при разработке месторождений горняками. Эксплуатационные выработки по назначению подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные. Первые служат для обеспечения доступа к месторождению с поверхности, вторые - для подготовки его к отработке, а третьи являются собственно эксплуатационными, то есть с их помощью производиться выемка полезного ископаемого. Названия горных выработок преимущественно германоязычные. Они в России укоренились со времен Петра I. и отражают различия между ними по ряду признаков: по связи с дневной поверхностью, по положению в пространстве относительно вектора силы тяжести, по ориентировке относительно залегания тел полезных ископаемых и вмещающих пород, по направлению перемещения забоя; по направлению перемещения грузов и т.д.

По отношению к дневной поверхности все горные выработки делятся на открытые (поверхностные) и подземные. Различать их можно по форме поперечного сечения. Для подземных это сечение замкнутое контуром стенок, а для открытых выработок контур поперечного сечения открыт со стороны дневной поверхности. Сам объем выработок 6 для определения их типа при этом не имеет никакого значения. Горный карьер огромная по объему выработка, но она открытая, так же как и мелкая закопушка, а вот даже неглубокий шурф это уже подземная выработка.[1]

1.1 Открытые (поверхностные) выработки

К ним относятся закопушки, расчистки, канавы, траншеи, карьеры. Элементами формы выработок являются их дно (полотно) и боковые стенки. Забоем называют технологический элемент формы выработки, который перемещается по мере проходки. В шурфе это дно, в штольне - торцевая стенка, а в канаве то и другое. Размер поперечного сечения выбирается минимально возможным и определяется задачами проходки, глубиной залегания геологического объекта, устойчивостью боковых стенок и возможностью обеспечения нормальных условий ведения работ.

Канавы представляют собой не глубокие, но протяженные выработки, которые широко применяются на стадии поисковых и оценочных работ для обнажения рудных тел и коренных пород, залегающих близко к поверхности. Глубина канав обычно не превышает трех метров, а длина от первых до первых десятков метров. Они проходятся обычно без крепления, им придается трапециевидное (рис. 1) поперечное сечение, с наклоном стенок внутрь выработки под углом естественного откоса, обеспечивающего их устойчивость (порода со стенок не осыпается). Ширина канавы по полотну обычно 0,6м, а на поверхности в зависимости от наклона стенок от метра и более. Угол наклона стенок зависит от степени связности пород, чем устойчивей порода, тем круче угол, следовательно, меньше объем проходки. Для глин угол естественного откоса составляет 70°, для песков 50°, для скальных пород около 90°.

Траншеи от канав отличаются большей протяженностью, глубина их может достигать пяти метров, поэтому поперечный их профиль может быть ступенчатым, с дополнительными площадками - бермами для перевала породы. Может при этом применяться и искусственная крепь. Траншеи обычно проходятся уже на стадии оценки и разведки месторождений или их вскрытия для отработки.

Закопушка самая мелкая по объему горная выработка, это небольшая ямка. Применяется обычно при картировании и для отбора проб горных пород с поверхности.

Расчистка - это искусственное обнажение, не глубокое, но большое по площади, форма неправильная и определяется контуром необходимого вскрытия породы. Применяется при изучении геологических структур или отбора больших по объему проб.

Рис. 1. Типовое сечение канавы

Карьер - большая по площади и глубине открытая эксплуатационная выработка неопределенной формы, зависящей от расположения и морфологии рудных тел (рис. 2). Угольные карьеры называются также разрезами.[2]

Рис. 2. Карьер Стойленского железорудного месторождения (КМА).

1.2 Подземные горные выработки

По отношению к вектору силы тяжести подземные горные выработки делятся на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По направлению ведения проходческих работ различают нисходящие, когда они проходятся сверху вниз, или на восстающие, когда ведутся снизу вверх. К вертикальным относятся шурф и шахтный ствол, к горизонтальным - штольня, штрек, квершлаг и др.

Горизонтальные выработки

Штольня - в отличие от других типов горизонтальных выработок имеет непосредственный выход на дневную поверхность, называется так независимо от направления проходки. Применяются для вскрытия объекта с поверхности в условиях расчлененного рельефа. Начало выработки это ее устье, конец - забой, различают также кровлю, полотно и боковые стенки.

Параметры штолен могут быть различными. Длина достигает нескольких километров, форма поперечного сечения преимущественно трапециевидная или сводчато-прямоугольная.

Для штолен и других подземных горных выработок выделяют понятия: площадь поперечного сечения «вчерне» - без крепления; «в свету» - закрепленная выработка; «в проходке» - с учетом неточностей отбойки контуров горной выработки, примерно на 10 % больше сечения «вчерне». При проходке придерживаются стандартных размеров выработки в ее поперечном сечении, которому придают или форму трапеции, когда применяют деревянную крепь или сводчато-прямоугольную при бетонной крепи (табл. 1).

Площадь поперечного сечения «вчерне» рассчитывается с учетом диаметра элементов крепи, ширины зазоров между крепью и стенками выработки (рис.3). Поперечное сечение выбирается также из расчета применения крепи, высоты выработки, зазоров между крепью и боковыми породами, высоты и ширины откаточного оборудования, ширины свободного прохода, высоты балластного слоя. Для расчета ширины выработки по кровле и подошве и площади сечения учитываются допустимые зазоры между стенками, кровлей выработки и откаточным оборудованием, которые устанавливают на основании требований техники безопасности и приводятся в справочной литературе. [3]

Все горизонтальные горные выработки проходятся с некоторым подъемом (0,002- 0,008) для удаления воды из выработки самотеком.

Штрек-- горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по простиранию тел полезных ископаемых при наклонном их залегании, а при горизонтальном залегании тела --в любом направлении по протяженности месторождения (рис. 4). 9 Т

Таблица 1Площади поперечного сечения горизонтальных горных выработок

Рис. 3. Типовые размеры сечения горизонтальных подземных горных выработок трапециевидной формы

Квершлаг - горизонтальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проходимая по вмещающим породам или по телу полезного ископаемого под углом к их простиранию, чаще всего вкрест простирания.

Орт проходится по мощности полезному ископаемому и не выходит за его пределы.

Рассечка проходится из другой выработки под любым углом к телу полезных ископаемых, может выходить за его пределы. Длина обычно небольшая и не превышает 20- 30м.

Рис. 4. Подземные горные выработки: а - шурф; б - штольня; в - шахтный ствол (1) с квершлагами (2) и штреками (3).

Вертикальные выработки

Шурф - вертикальная выработка квадратного, прямоугольного или круглого сечения (шурфы круглого сечения носят название дудок), имеющая непосредственный выход на земную поверхность. Из шурфов нередко проходят горизонтальные выработки: рассечки, квершлаги, штреки.

Имеет типовые размеры в свету и чаще всего прямоугольную форму поперечного сечения (рис. 5, 6; табл. 2). Площадь сечения шурфа в общем случае зависит от его глубины. Шурфы сечением 0,8 и 0,9 м² проходятся на глубину до 20 м, шурфы сечением 1,3 м² проходятся на глубину до 30 м, 3,2 м² предусмотрено проходить на глубину до 40 м. Площадь сечения и размеры шурфа вчерне определяется в зависимости от толщины крепи. Действительная площадь сечения в проходке несколько больше. Допускается увеличение площади в 1,04-1,12 раза.[4]

Таблица 2Типовые сечения шурфов прямоугольной формы (ОСТ 41-02-206-81)

Проходческое звено, как правило, состоит из трех человек: двое на поверхности, один в шурфе, при площади поперечного сечения более 2 м2 на забое могут работать двое проходчиков.

Шахтный ствол имеет большее, чем шурфы сечение, большую глубину. Форма сечения обычно квадратная, размером от 4--6 до 10--16 м² (в зависимости от глубины, объема работ и сроков выполнения). Имеет выход на дневную поверхность; В некоторых случаях шахтный ствол проходится из горизонтальных подземных выработок, например из штолен, и называются «слепыми».

Гезенк в отличие от шахтного ствола не имеет непосредственного выхода на дневную поверхность, служит для спуска грузов и людей с верхнего на нижние горизонты.

Наклонные выработки

Уклон проходиться по падению пласта полезного ископаемого. При добыче полезного ископаемого используется обычно для подъема грузов с нижнего горизонта на верхний.

Бремсберг также проходиться по падению полезного ископаемого, но в отличие от уклона используется для спуска грузов и людей с нижнего на верхний горизонт.

Восстающий - это выработка, которая не имеет выхода на дневную поверхность и проходиться снизу вверх под любым углом.

Рис.5.Схема шурфа (проекция на вертикальную плоскость):

а - при креплении сплошной венцовой крепью; б - при креплении венцовой крепью на стойках; 1- шурфопроходческий подъемник; 2 - венцы; 3 - вентиляционный трубопровод; 4 - подвесная лестница; 5 - насос; 6 - бадья; 7 - предохранительный полок.

Рис. 6. Типовое прямоугольное сечение шурфа с венцовой крепью:

1- бадья; 2 - прогоны; 3 - расстрелы; 4 - обшивка досками; 5 - подвесная лестница

2. Способы проходки горных выработок

Проходка горных выработок трудоемкий процесс. Специфика геологоразведочных работ в том, что они ведутся преимущественно в условиях с не достаточно развитой инфраструктурой или при ее полном отсутствии. Проходка горных выработок может осуществляться тремя основными способами:

1) механизированным с применением специальных землеройных машин;

2) вручную с применением шанцевого инструмента;

3) с применением буровзрывных работ.

Способы проходки выбирают в зависимости от геологических и географоэкономических условий и масштабов проходческих работ. Геологические параметры сводятся к физико-механическим характеристикам горных пород, мощности покровных отложений и стадии геологоразведочных работ, определяющей масштабы и интенсивность работ.[5]

Механизированный способ проходки возможен в мягких, сыпучих, вязких трещиноватых горных породах (I - V категорий) и предусматривает использование экскаваторов, бульдозеров, скреперов и некоторых других агрегатов. Наиболее целесообразен на стадии поисков и разведки с относительно большими объемами проходческих работ. Проходка вручную осуществляется при небольших объемах работ или при невозможности применения землеройных машин в рыхлых, мягких и трещиноватых горных породах. В некоторых случаях возможна проходка вручную в крепких трещиноватых или слоистых породах с применением клиньев.

В твердых породах категорий VI - XX и мерзлых породах всех категорий проходка горных выработок осуществляется с применением буровзрывных работ.

2.1 Буровзрывной способ проходки горных выработок

При разведке месторождений буровзрывные работы наиболее широко используют в процессе проведения горных выработок, реже БВР применяют в геологоразведочных партиях при прокладке наземных транспортных трасс в гористой местности и при сооружении производственных площадок, с которых осуществляют разведочное бурение или проводят подземные горные выработки. Эти работы наиболее распространены при отбойке пород средней и выше средней крепости (коэффициент крепости f > 2). Назначение буровзрывных работ - предварительное рыхление скальных пород.

Буровзрывные работы (БВР) - это комплекс взаимосвязанных технологических процессов, выполняемых с целью отбойки и дробления скальных горных пород при проходке горных выработок. БВР состоят из нескольких последовательных процессов: бурение шпуров (скважин), размещение в них зарядов ВВ (заряжание) и взрывание этих зарядов.

Скважины предназначены для размещения зарядов ВВ. [6]

Шпур представляет собой искусственное цилиндрическое углубление (канал) в горной породе диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Скважиной называют канал цилиндрической формы любого диаметра глубиной более 5 м или любой глубины диаметром более 75 мм.

Взрывные работы - это работы по заряжанию и взрыванию зарядов взрывчатых веществ (ВВ).

Заряжанием называют процесс размещения заряда в зарядной камере, взрыванием -- процесс производства взрыва заряда ВВ

3. Освещение горных выработок

Поверхностные горноразведочные выработки легкого типа, проводимые, как правило, в пределах светового дня, в дополнительном освещении не нуждаются. Освещать приходится лишь подземные выработки.

Хорошее и рациональное освещение выработок имеет очень большое значение, так как от него в значительной степени зависят санитарные условия труда и безопасность работ, производительность труда и качество выполняемой работы.

Наибольшая освещенность предусматривается в камерных выработках, в которых размещены работающие машины (в частности, буровые станки), а в призабойном пространстве при бурении шпуров, креплении, погрузке и выполнении других проходческих работ.

Для освещения подземных горных выработок применяют следующие источники света:

1. Стационарные, действующие на протяжении всего срока службы выработки.

2. Полустационарные, которые по мере продвигания забоя могут перемещаться.

3. Местные, при которых осветительная установка монтируется на горнопроходческих машинах или механизмах.

4. Переносные или индивидуальные.

В качестве стационарных, полустационарных и местных светильников используются сетевые электрические светильники с лампами накаливания или люминесцентными 78 лампами. Переносные лампы могут быть пламенными /бензиновые и ацетиленовые/ и аккумуляторными.

Переносные лампы являются основным источником света не только в горноравведочных выработках, но и в очистных и подготовительных забоях эксплуатационных выработок. Спуск в шахту и передвижение людей по выработкам, а также производство работ без горящей переносной лампы запрещается.

Достаточная освещенность будет достигнута, если между светильниками мощностью 60-100 ватт будут выдержаны следующие расстояния:

3-4 м - в камерах, на подстанциях, на рудничных дворах.

5-6 м - в забоях очистных, подготовительных и горно-разведочных выработок.

15-20 м - в выработках с механической откаткой и доставкой, в людских ходках.

По всему стволу вертикальной выработки подвешиваются светильники мощностью 60-100 вт. черев каждые 20-30 м. Кроме того, забой, стационарные и подвесные полки этих выработок освещаются дополнительно из расчета 10-15 вт на каждый квадратный метр площади забоя или полка.

С целью увеличения освещенности повышают отражательную способность стен выработок путем их побелки.

На забое применяют лампы накаливания при напряжении 36 в, в остальной части выработки -127 в, и лишь при использовании люминесцентных ламп допускается напряжение 220в.

4. Водоотлив из горных выработок

Приток воды в поверхностные горние выработки (канавы, расчистки и т.п.) обусловливается исключительно атмосферными осадками. Водоотлив из таких выработок, в тех случаях, когда им приходится заниматься, обычно серьезных трудностей не представляет.

Водоприток подземных горных выработок зависит от обводненности месторождения и напора вод во вмещающих породах, от времени года. Приток воды в подземные горноразведочных выработки обычно не превышает 10 м 3 /час, в ряде случаев он может быть значительно меньшим, реже он достигает 40-50 м3 /час и более.

Вода в забое выработки является одним из основных факторов, снижающих скорость и производительность горных работ, увеличивающих стоимость проходки горных выработок. Успешная работа с водой в значительной мере решает успех проходческих работ Совокупность мероприятий и устройств, служащих для удалении воды ив выработки на дневную поверхность, называется водоотливом при проходке выработки или сокращенно -водоотливом.

Самотеком вода удаляется из наклонных выработок, проходимых снизу вверх (восстающих), а также из горизонтальных выработок, подошве которых придается продольный уклон от 0,002 до 0,008 в сторону устья. При этом в подошве горизонтальной выработки устраивают водоотводные канавки. При вскрытии разведочного поля штольнями вся вода, поступившая в подземные выработки, уровень которых расположен выше высотной отметки устья штольни, удаляется на поверхность самотеком. [7]

При значительных водопритоках в процессе проведения шурфов и стволов шахт вода удаляется из забоя выработки проходческими электрическими или пневматическими насосами по трубопроводам. Наибольшей подачей характеризуются стационарные насосные установки, которые размещают в подземных выработках, расположенных на разведочных горизонтах около стволов. Такие установки предназначены для откачки на поверхность по трубопроводам всей воды, поступающей из выработок горизонта.

При небольших водопритоках вода из вертикальной выработки может удаляться вместе с отработанной породой, для сбора просачивающейся воды в таком случае можно также устроить небольшой зумпф.

5. Природоохранные мероприятия при проходе и ликвидации горных выработок

Любые горные работы связаны с негативным воздействием на природную среду (ПС) и, прежде всего, это связано с тем, что если ПС формируется весьма длительное время, за которое ее компоненты достигают некоторого равновесного состояния, то первые весьма быстротечны и по своим последствиям носят разрушительный характер. Страдают в первую очередь растительный и почвенный покров, природные ландшафты. Поэтому на всех стадиях геологоразведочных работ предусматриваются мероприятия, как по снижению этого воздействия, так и по выполнению рекультивации нарушенных земельных участков.

Наибольшие негативные последствия имеют открытые работы. Ранее, например, широко практиковалась проходка канав с применением взрыва на выброс, что приводило к нарушению и загрязнению больших площадей. В настоящее время этот способ проходки запрещен. В связи с этим же не рекомендуется проходка канав бульдозерами.

При канавных работах осуществляется снятие плодородного слоя в пределах, как контура выработки, так и площади отвалов грунта. Почва складируется в бурты или лен- 80 точные отвалы. После документации и опробования канавы засыпаются материалом из отвалов с перекрытием слоем плодородных почв.

Подземные работы, также сопровождаются нарушениями ПС и, прежде всего в пределах производственных площадок. Поэтому здесь также предусматривается предварительное снятие плодородного слоя и последующая рекультивация. Формируются временные отвалы в пределах этих площадок, которые после завершения проходческих работ разбираются на засыпку шурфов, распределяют по поверхности при планировке. После демонтажа оборудования и сооружений грунт, бывший под ними, перепахивается и перекрывается почвами из буртов

Постоянные отвалы крупных горнорудных предприятий подлежат технической или лесохозяйственной рекультивации с целью борьбы с эрозией и пылением.

Влияние горноразведочных работ в виду их сравнительно небольших объемов на атмосферу и гидросферу незначительно, поэтому на эти компоненты природной среды специальных мероприятий не предусматривается.

Заключение

Прежде чем приступить к разработке месторождений полезного ископаемого или его части, необходимо провести ряд выработок, открывающих доступ с поверхности земли к месторождению. Такие выработки называются вскрывающими (штольни, стволы).

Применяется большое количество схем вскрытия месторождений полезного ископаемого. Основными факторами, влияющими на выбор схем вскрытия, являются мощность и угол падения пласта (жилы). Выбор схемы вскрытия месторождения осуществляют на основе технико-экологического сравнения нескольких вариантов.

После вскрытия месторождения полезного ископаемого проводят ряд капитальных выработок.

Сооружение угольного предприятия, включая все объекты под землей, на поверхности, а также монтаж оборудования и различных коммуникаций, завершается, как правило, проведением подготовительных и очистных горных выработок. После этого приступают к эксплуатации месторождения.

Список литературы

горный выработка месторождение

1. Брылов С.А. Горно-разведочные и буровзрывные работы / С.А.Брылов, Л.Г.Грабчак, В.И.Комащенко. Учебник для вузов. - М., Недра, 1989. - 287с.

2. Единые нормы выработки на горнопроходческие работы. М.: Недра, 1969. - 440 с.

3. Оксененко В.П. Проходка горноразведочных выработок / В.П.Оксененко. часть I. - Воронеж: изд-во ВГУ. - 1974. -200с.

4. Оксененко В.П. Проходка горноразведочных выработок / В.П.Оксененко. часть II. - Воронеж, 1974. -146с.

5. Прокофьев А.П. Технические средства разведки месторождений твердых полезных ископаемых / А.П. Прокофьев. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1975. - 232 с.

6. Советов Г.А. Основы бурения и горного дела / Г.А.Советов, Н.И.Жабин. - М.: Недра, 1991. - 368 с.

7. Шехурдин В.К. Горное дело / В.К. Шехурдин, В.И. Несмотряев, П.И. Федоренко. Учебник для техникумов. - М.: Недра, 1987. - 440 с.

Размещено на Allbest.ru