ПОДЗЕМНАЯ РАЗРАБОТКА ТАЛЫХ РОССЫПЕЙ
Осушение россыпи
Рыхлые отложения, слагающие россыпь, в талом состоянии являются хорошо фильтрующим материалом. Поэтому осушение россыпи является важным мероприятием, которое обеспечивает условия для производства работ технологического цикла. Фильтрация воды в горные выработки приводит к необходимости усиленного крепления, резко увеличивает затраты труда и энергии на шахтный водоотлив. При больших же притоках воды подземная разработка становится невозможной.
Приток воды в подземные выработки может иметь место за счет подземных и поверхностных вод. Поверхностные воды при хорошей фильтрующей способности горных пород легко проникают в выработки. Поэтому работы по осушению россыпи можно разделить на два вида: работы по отводу поверхностных вод системой канав, чтобы они не могли проникнуть в подземные выработки, и работы по отводу подземных вод за пределы шахтного поля системой подземных выработок, проходимых специально для этой цели.
Приток воды при разработке талых россыпей зависит от многих факторов. Кроме обводненности самой россыпи на него оказывают влияние уклоны выработок, близость водоемов или водотоков, время года и др. Приток воды не является величиной постоянной. Например, во время дождей он может резко возрастать. Расчет всех работ по осушению должен производиться по максимальному притоку воды — для самых неблагоприятных условий. Как правило, поверхностные воды отводятся до начала горных работ. При большой обводненности горных пород необходимо понизить уровень подземных вод для обеспечения проходки вскрывающих выработок.
Поверхностные воды отводят с помощью канав, которые в данном случае и являются выработками осушения. Для отвода русла реки или ручья, если оно находится в непосредственной близости от шахтного поля, проходят руслоотводную канаву. Иногда для этой цели сооружаются сплотки. Для отвода вод, которые могут поступать с прилегающих склонов, проходятся нагорные канавы. Чтобы предотвратить движение воды по старому руслу, возводятся дамбы и плотины. Вокруг устьев выработок, выходящих на дневную поверхность, проходятся водоотводные канавы. Все канавы должны отводить воду за пределы шахтного поля. Канавы, пройденные для отвода поверхностных вод, предназначены также для перехвата и отвода паводковых вод. Поэтому при выборе и расчете размеров и уклонов канав необходимо предусматривать такую возможность.
Расстояние (м) от канавы до границы шахтного поля (рис. 13.1), исключающее возможность фильтрации в него воды из канавы, определяется по формуле
где l — коэффициент, учитывающий водонепроницаемость пород, угол залегания напластований, способ управления кровлей и тип крепления; Н р — глубина залегания россыпи, м.
Правила технической эксплуатации предусматривают следующие значения коэффициента l. Для глинистых и глинисто-галечных слабофильтрующих рыхлых отложений при закладке выработанного пространства l=0,8-1. Для хорошофильтрующих пород (песчано-галечные или галечные отложения) при закладке выработанного пространства l=1,5-1,8. Для аналогичных пород, но при обрушении кровли l=1,8-3.
Если канавы проходятся в породах с большой водопроницаемостью, то во избежание фильтрации воды дно и стенки канав необходимо укреплять (обкладывать мхом, дерном). При большом уклоне канав их необходимо закреплять деревянным креплением. Правила расчета, проходки и оборудования канав такие же, как и на открытых горных работах. С точки зрения отвода поверхностных вод в наиболее неблагоприятных условиях находятся россыпи, залегающие в пойменных частях долин. Здесь наиболее опасны паводки, а уклоны поверхности, как правило, незначительны, что обусловливает большую протяженность канав.
Осушение подземных выработок (отвод подземных вод). Существуют различные способы отвода подземных вод на поверхность. Если разрабатывается россыпь значительной длины, то на определенном этапе разработки может быть достигнут естественный сток воды из подземных выработок без проведения капитальной канавы. Такая же возможность иногда появляется при разработке россыпей, залегающих на террасах или склонах. Чаще же приходится проходить капитальную канаву, которая является как бы продолжением подземной выработки и направляет поток воды, изливающейся из нее. Дренаж россыпи достигается при помощи сети подземных выработок, собирающих воду, а отвод этой воды может быть осуществлен самотеком через водосливную выработку и капитальную канаву или с помощью насосных станций, установленных возле подземного водосборника. В последнем случае необходимость в капитальной канаве отпадает.
Тип подземной выработки для осушения выбирается в зависимости от степени обводненности россыпи. По коэффициенту водообильности, равному отношению притока воды к 1 м3 добываемых песков, профессор А.И. Марков разделяет россыпи на следующие типы.
Типы россыпей Коэффициент
водообилъности, т/м3
Сухие талые и мерзлые россыпи без таликов.................. 0
Маловодоносные россыпи....................................... <5
Средневодоносные россыпи..................................... 5—20
Водоносные россыпи................................................ 20—60
Очень водоносные россыпи..................................... >60
Для маловодоносных россыпей в качестве осушающей выработки может применяться передовой штрек. Дренаж при этом осуществляется выработками, пройденными из штрека по россыпи (просечками). Основным недостатком такого дренажа является трудность проходки самого штрека в условиях обводненности. Вода откачивается насосными установками, установленными в специально оборудованных камерах через вертикальный ствол.
Для россыпей средней водоносности применяется осушение с помощью штрека в плотике (рис. 13.2). Штрек проходится в породах плотика на 2—3 м глубже нижней границы россыпи. Верхняя часть коренных пород имеет значительную трещиноватость, за счет которой и происходит дренаж подземных вод. Опережение штрека в плотике по отношению к штреку по россыпи должно быть не менее 100—150 м. Для более точного определения опережения (м) можно пользоваться формулой (по Н.Н. Александрову)
где h з.ш — понижение уровня воды у забоя штрека по россыпи, м; h в.с — мощность водоносного слоя пород, м; k ф — коэффициент фильтрации, м/с.
Водоносные и очень водоносные россыпи целесообразно осушать с помощью водоотливного штрека, пройденного в коренных породах на глубине 6—8 м и несколько смещенного в сторону от штрека по россыпи. Водоотливной штрек соединяется с россыпью специальными сбойками для дренажа (рис. 13.3). Этот способ осушения обеспечивает благоприятные условия для проведения осушительных выработок и высокую скорость осушения.
Осушительные штреки имеют поперечное сечение 2x2,5 или 2,2x2,5 м. Просечки и сбойки могут быть различных размеров. Крепление осушительных выработок производится в зависимости от конкретных условий. Дренажные выработки (сбойки, просечки), как правило, имеют усиленное крепление (подхватное).
Сильно обводненная россыпь может быть осушена с помощью забивных иглофильтров или путем откачивания воды из глубоких скважин (или колодцев) погружными насосами. Этот способ широко применяется при разработке обводненных пластовых месторождений.
Проходка выработок
Размеры поперечного сечения выработок (рис. 13.4) определяются в зависимости от их назначения, исходя из размеров применяемого оборудования и допустимых зазоров, обеспечивающих безопасность передвижения людей по выработкам. Размеры вертикальных вскрывающих выработок определяются, исходя из размеров и числа подъемных сосудов (скипов, клетей), отделений в стволе (лестничное, для трубопроводов, для противовеса и др.) и допустимых зазоров. Вертикальные стволы при разработке талых россыпей имеют размеры от 2,6´3,8 до 4,5´4,4 м.
Проходка вертикальных выработок является одним из наиболее трудоемких процессов. Слабая устойчивость боковых пород и большая их обводненность затрудняют применение механизмов и часто приводят к необходимости проходить выработки с опережающим (забивным) креплением (рис. 13.5). В силу этих причин необходимо выбирать место заложения ствола с таким расчетом, чтобы он проходил по наиболее устойчивым породам, сознательно допуская увеличение его длины и объема подготовительных работ. Вертикальные стволы закрепляются сплошной венцовой подвесной крепью. Если ствол проходится в устойчивых породах, то возможно его крепление на бабках (стойках).
Размеры наклонных стволов определяются так же, как и размеры горизонтальных выработок. Наклонные стволы крепятся сплошной рамной крепью (рис. 13.6).
Крепление штолен производится аналогично креплению горизонтальных выработок. Горизонтальные выработки при разработке талых россыпей имеют трапециевидное поперечное сечение, наиболее благоприятное для деревянного крепления. При проходке горизонтальных выработок в коренных породах (например, при полевой подготовке) их поперечное сечение может быть сводчатой или прямоугольной формы (в зависимости от устойчивости пород). В устойчивых слаботрещиноватых породах горизонтальные выработки имеют сводчатое поперечное сечение. Если устойчивость пород позволяет проходить выработку без крепления, то сводчатое поперечное сечение также является наиболее удобным. Если же выработку необходимо крепить, то поперечное сечение может быть прямоугольным или трапециевидным.
При трапециевидной форме поперечного сечения ширина выработки указывается только поверху. Ширина понизу определяется наклоном стойки рамного крепления (угол наклона 7—10°) и превышает ширину поверху на 0,4—0,6 м.
Наиболее удобно проходить подготовительные выработки снизу вверх в направлении от вскрывающей. В этом случае облегчается водоотлив, так как вода самотеком поступает к насосной установке, которая расположена непосредственно у вскрывающей выработки, и оттуда насосом перекачивается на поверхность. При проходке выработок в обратном порядке вслед за подвиганием забоя проходится водоотливная канава, имеющая обратный уклон и заканчивающаяся промежуточным водосборником. Из последнего вода насосами перекачивается в основной зумпф, расположенный рядом со вскрывающей выработкой. Водоотлив является неотъемлемой и очень важной операцией проходческих работ при проходке выработок в талых породах.
Отбойка породы при проходке выработок производится различными способами в зависимости от крепости и устойчивости пород. В наименее устойчивых сыпучих породах отбойка отсутствует. Сыпучие пески из-под крепления выбираются вручную. В тех случаях, когда выработки проходятся в глинистых породах, отбойка может осуществляться при помощи отбойных молотков. В крепких и устойчивых породах применяется буровзрывная отбойка (например, при проходке выработок по коренным породам или подрывке пород плотика). В устойчивых глинистых породах буровзрывное рыхление производится аналогично буровзрывному рыхлению многолетнемерзлых пород.
Таблица 13.1
| Выработки | Ширина поверху, м | Высота, м |
| Штреки по россыпи: | ||
| однопутные | 3,4-3,6 | 2,4-2,8 |
| двухпутные | 3,6-4,5 | 2,4-2,8 |
| конвейерные | 3,5-5 | 2,4-3 |
| параллельные | 3,25-3,4 | 2,4-2,6 |
| Штреки в плотике: | ||
| в устойчивых породах | 2-3,25 | 1,8-3,25 |
| в трещиноватых породах | 2,2-3,5 | 2-2,2 |
| Нарезные выработки | 3,25-3,4 | 2-2,4 |
При проходке выработок в слабоустойчивых сыпучих породах главное значение приобретает крепление (см. рис. 12.5 и рис. 13.7). Расход крепежного леса на 1 м выработки составляет 0,8—2,5 или 0,13— 0,3 м3 на 1 м3 отбитой породы (в зависимости от размеров поперечного сечения).
Проходка выработок в талых рыхлых породах характеризуется большими затратами труда и средств. Поэтому и скорость проходки, как правило, очень мала и составляет не более 1 м в сутки. Только в отдельных случаях при наиболее благоприятных условиях она составляет 2,5—3 м/сут.
Уборка породы при проходке выработок производится при помощи ленточных конвейеров и погрузочно-доставочных машин. Одной из основных причин ограниченного применения канатных скреперов при подземной разработке талых россыпей является то, что при движении по закрепленной деревом выработке небольшой ширины возникает опасность выбивания скрепером стоек крепления, что может вызвать обрушение выработки.
Подготовка шахтных полей
Подготовкой шахтного поля называется проходка в нем подготовительных и нарезных выработок, которые позволяют приступить к очистной выемке. Подготовка может производиться сразу по всему шахтному полю и может затрагивать только отдельные его участки (крылья, блоки). Последнее наиболее характерно для талых россыпей, так как в этом случае размеры шахтных полей, как правило, достаточно велики.
При проходке подготовительных выработок в коренных породах (в плотике) подготовка шахтного поля называется полевой, а выработки, пройденные за пределами россыпи, — полевыми. Полевая подготовка применяется из-за трудностей, которые возникают при проходке выработок в неустойчивых и обводненных породах.
Подготовительными называются основные горизонтальные выработки, которые проходятся непосредственно из вскрывающих выработок. Главная подготовительная выработка — основной штрек. Иногда по расположению относительно вскрывающей выработки (ствола) его делят на верхнюю и нижнюю части. От ствола поперек россыпи проходятся поперечные подготовительные выработки, которые называются главными просечками. Из подготовительных выработок проходится сеть нарезных выработок — просечек и вспомогательных штреков. Нарезными называются выработки, которые непосредственно готовят (нарезают) поле или блок для очистной выемки (делят поле на выемочные участки). После проходки нарезных выработок начинается очистная выемка.
В зависимости от полноты проходки подготовительных и нарезных выработок различают запасы вскрытые, подготовленные и готовые к выемке. Вскрытыми называются запасы, к которым получен доступ в результате проходки вскрывающих выработок. Запасы шахтного поля или его участка, на котором пройдены подготовительные выработки, называются подготовленными. Запасы шахтного поля или его участка, на котором пройдены нарезные выработки, называются готовыми к выемке.
При подземной разработке россыпей существует также термин «пески, подготовленные к промывке». Здесь подразумевается, что эти пески могут быть немедленно направлены на промывочную установку (на фабрику). При разработке многолетнемерзлых россыпей подготовленными к промывке считаются пески, выданные на поверхность и уложенные в плоские отвалы. При разработке талых россыпей, когда промывка производится в течение круглого года, понятия «готовые к выемке» и «подготовленные к промывке» могут совпадать.
При проведении подготовительных выработок в плотике основная транспортная (откаточная) выработка проводится ниже уровня россыпи на 6—12 м, но несколько выше и в стороне от дренажной выработки (вассерштрека). Полевой штрек системой параллельных восстающих выработок соединяют с пластом. Эти восстающие и пройденные из них просечки соединяются между собой вспомогательным штреком по россыпи, из которого уже все поле нарезают на столбы.
Очистная выемка
Работы по выемке полезного ископаемого называются очистными. Очистная выемка при разработке талых россыпей мало отличается от выемки породы при проходке выработок. Даже в тех случаях, когда кровля устойчива и допускает разработку короткими лавами, подвигание лавы стремятся осуществлять отдельными участками небольшой ширины (до 4 м). Отличительной чертой организации очистных работ является также обязательное совмещение операций отбойки и крепления. Только в тех редких случаях, когда кровля обладает высокой устойчивостью, можно допустить некоторое отставание крепления, но оно должно возводиться сразу же после выемки породы. Размеры лав при устойчивой кровле также незначительно отличаются от размеров горизонтальных подготовительных выработок. Длина лавы превышает 12 м и ее разделяют на участки. Такое деление вызвано необходимостью крепления, так как ширина крепежных рам не превышает 4 м.
Условия очистной выемки на талых россыпях неблагоприятны для механизации работ, поэтому ручной труд имеет большое значение. Иногда при отработке лавами на уборке песков используются скреперные установки. Для этой цели наиболее рациональными являются трехбарабанные лебедки, позволяющие маневрировать скрепером по ширине забоя.
При системе разработки длинными столбами (рис. 13.8) число очистных заходок в каждом столбе зависит от устойчивости пород, доходя в отдельных случаях до пяти. В условиях устойчивых пород отбойка может производиться одновременно в двух заходках. В этом случае в двух заходках производится отбойка, а в остальных — зачистка, обрушение или закладка. Если же кровля неустойчива, то число заходок в столбе должно быть не более трех, и только в одной из них производится отбойка. Число действующих заходок в столбе, как правило, уменьшается в направлении от границ к центру шахтного поля.
Короткие столбы отрабатываются тремя заходками. В первую очередь отрабатывается средняя заходка, а затем боковые. Последние в неустойчивых породах отрабатываются поочередно. Если породы весьма неустойчивы, то ширина центральной заходки уменьшается до 2 м, а ширина столба — до 8 м (в обычных условиях ширина столба 9,5 м).
Таким образом, основной очистной выработкой при подземной разработке талых россыпей является заходка. Наиболее ответственная операция цикла очистных работ — крепление, особенно сопряжения очистных выработок с нарезными и очистных выработок между собой.
На рис. 13.9 приведены типовые сечения транспортных штреков и типы очистных горных выработок при подземной разработке россыпей.
Системы разработки
При разработке талых россыпей широкое применение получили система разработки длинными столбами и система разработки короткими столбами. Существуют варианты этих систем разработки, зависящие от применяемого способа управления кровлей, размеров самих столбов, расположения и очередности проходки подготовительных выработок и др. Кроме этого, применяются системы разработки заходками и лавами, а также комбинации различных систем.
Система разработки лавами наиболее производительна, однако область ее применения весьма ограничена. Она может применяться только при устойчивой кровле, что в случае разработки талых россыпей встречается редко (когда россыпь сложена сухим глинистым материалом). Наиболее часто применяется система разработки длинными столбами, которая по сравнению с системой разработки короткими столбами более производительна, позволяет механизировать некоторые процессы при меньшем объеме подготовительных работ.
При системе разработки длинными столбами (рис. 13.10) шахтное поле длиной 400—600 м разделяется на выемочные блоки — столбы. Размеры столбов зависят от устойчивости вмещающих пород (ширина 9,75—19,75 м; длина 30—50 м). В весьма устойчивых породах ширина столбов максимальна, в устойчивых — до 12 м, в неустойчивых — менее 12 м. Столбы отрабатываются заходками шириной 3,75 м. Отработка столбов ведется от границ к центру шахтного поля.
В устойчивых породах управление кровлей осуществляется обрушением. В этом случае обрушается третья отработанная заходка (считая от той, в которой ведется очистная выемка). Во второй заходке производится подготовка к обрушению. Для сохранения главных подготовительных выработок примыкающие к ним отработанные заходки закладывают камнем. При недостаточно устойчивой кровле обрушение не производится. В этом случае осуществляется полная или частичная закладка всех заходок. При частичной закладке кровля незаложенных участков поддерживается усиленной или простой крепью.
При большой мощности пласта песков разработка ведется слоями мощностью не более 3 м. Слои могут выниматься поочередно, т.е. верхний слой вынимается только после полной выемки и закладки нижнего слоя.
Система разработки длинными столбами проста и позволяет использовать ленточные конвейеры для транспортирования пород по выработкам. Недостатком этой системы является значительный объем подготовительных и нарезных работ (40 % общего объема добываемых песков). Наиболее высокие технико-экономические показатели могут быть достигнуты при системе разработки длинными столбами с обрушением кровли.
Система разработки короткими столбами (рис. 13.11) отличается от системы разработки длинными столбами размерами самих столбов. Короткие столбы приближаются по форме к квадрату с размерами 9,75´9,75 или 9,75´12 м. Ширина столбов (9,75 м) определяется шириной заходок (3,25 м), которая зависит от размеров деревянного крепления. Эта система разработки применяется при небольших размерах шахтных полей (длина поля 200—400 м). Малые размеры выемочных участков приводят к тому, что объем добываемой горной массы в процессе проходки подготовительных и нарезных выработок составляет 40 % и более. Большой объем работ по подготовке шахтного поля приводит к тому, что уже на стадии нарезных работ развивается значительное горное давление. Это обстоятельство и ограничивает область применения данной системы (длина шахтного поля должна быть небольшой). В тот период, когда все работы выполнялись вручную, большое число забоев в одновременной работе являлось достоинством системы. В настоящее время это стало ее недостатком, так как большое число забоев в одновременной работе не позволяет их механизировать.
Существует несколько вариантов системы разработки короткими столбами с поддержанием кровли и с ее обрушением. Наиболее высокие показатели работы могут быть получены при обрушении кровли.
При выемке столбов первая заходка отрабатывается посредине столба. Затем она закладывается камнем либо усиленно крепится. После закладки центральной заходки поочередно отрабатываются две боковые. При устойчивой кровле возможна одновременная отработка двух боковых заходок. Если применяется вариант системы с обрушением кровли, то обрушение достигается тем, что в отработанной заходке частично извлекается крепь. Извлечение крепи осуществляется из соседней закрепленной заходки. Выработки вдоль основного штрека также закладывают камнем, создавая тем самым искусственные целики, обеспечивающие длительное поддержание штрека.
В настоящее время появились более производительные системы разработки, однако они имеют ограниченную область применения. К таким системам относятся система разработки отдельными блоками, система разработки смежными или встречными заходками, системы разработки широкими забоями (лавами) и комбинированные системы.
При системе разработки отдельными блоками (рис. 13.12) подготовка и разработка россыпи осуществляются из полевого штрека, пройденного в плотике. Длина блока по простиранию определяется расстоянием между квершлагами, которое составляет 90—130 м. Ширина столба 25—30 м, длина 16,5—19,5 м. Применяется данная система разработки при значительных размерах шахтного поля и устойчивой кровле. Наибольший эффект достигается при длине шахтного поля более 600 м. Такая длина шахтного поля позволяет, маневрируя фронтом работ, достигнуть высокого уровня добычи уже на стадии подготовки блоков к очистной выемке.
Для разведочных целей из нарезных выработок проходятся квершлаги. При длине шахтного поля более 800 м спуск леса в шахту, подъем камней и проветривание производятся по вспомогательному стволу, который проходится на каждые 2—3 блока и одновременно служит запасным выходом. Очистные работы ведутся от бортов к основному штреку. Из каждой нарезной выработки отрабатываются два столба. В устойчивых породах работы ведут с обрушением кровли. В этом случае нарезные, подготовительные и очистные выработки, граничащие с соседними блоками, не обрушаются, а закладываются камнем на длину 4—6 м. Для обеспечения безопасности работ одновременная отработка двух смежных блоков на всю длину не допускается.
Система разработки лавами (рис. 13.13) применяется на небольших участках при устойчивой кровле для сокращения объема подготовительных и нарезных работ и ускорения подготовки шахтного поля к очистной выемке. Лавы отрабатываются в шахматном порядке одновременно по всему фронту. Шахтное поле подготавливается выработкой, являющейся продолжением штольни. Выработка может быть пройдена встречными забоями из шурфов. От выработки к границам шахтного поля в шахматном порядке нарезаются лавы длиной по 13 м. Целики шириной 13 м извлекаются обратным ходом. Запасные выходы устраиваются в шурфах, расположенных на расстоянии 25—28 м друг от друга. Объем подготовительных работ по отношению к запасам шахтного поля составляет 3—7%. Транспортирование песков осуществляется при помощи скреперных установок.
Система разработки смежными заходками применяется для разработки неглубоких россыпей шириной 30—40 м. Очистная выемка ведется участками длиной 70—100 м. Для доставки песков используются вагонетки и ленточные конвейеры. Подъем песков осуществляется в скипах. Россыпь разрабатывается от основной подготовительной выработки поперечными заходками до границ шахтного поля. При отработке россыпи без закладки выработанного пространства поперечные заходки крепятся подхватами и кострами при расходе леса соответственно 0,17—0,19 и 0,25—0,28 м3 на 1 м3 песков. При закладке выработанного пространства поперечные заходки отрабатывают в шахматном порядке. После закладки заходок, отработанных в первую очередь, отрабатываются заходки второй очереди.
Систему разработки встречными заходками наиболее рационально применять при наличии условий для обрушения кровли. При отсутствии таких условий она требует большого объема закладочных работ, а при отсутствии камня — большого количества леса на крепление погашенных выработок (расход леса 0,2—0,22 м3 на 1 м3 песков).
Подготовка выемочных блоков осуществляется путем проведения главного и вспомогательного штреков и нарезных выработок. Для запасных выходов в каждом блоке проходятся ходки размером 2´2,5 м. Ширина блоков 50—80 м, длина 40—60 м и более. Объем подготовительных и нарезных работ не более 1 %общего запаса песков в шахтном поле. Очистные работы ведут встречными заходками от верхней и нижней границ в направлении к стволу (рис. 13.14). Для этого из нарезных выработок отрабатываются продольные заходки шириной 2,2—3,5 м, длиной до 4 м, из которых одновременно в обе стороны отрабатываются встречные заходки шириной 3 м. Пески доставляются ленточным конвейером, который устанавливается по мере подвигания фронта работ в смежной с очистными поперечными заходками нарезной выработке (в начальной стадии работ) или в отработанной очистной заходке.
Достоинствами этого варианта системы являются небольшой объем подготовительных и нарезных работ и значительная протяженность фронта очистных работ.
Общим признаком всех систем разработки талых россыпей является деление шахтного поля на сравнительно небольшие выемочные участки, отработка которых производится узкими заходками (в редких случаях — короткими лавами).
При устойчивых вмещающих породах, допускающих значительные площади обнажения, могут применяться системы разработки, аналогичные системам, применяющимся при разработке многолетнемерзлых россыпей.
