Факторы, влияющие на выбор системы разработки
Основными факторами, оказывающими влияние на выбор системы разработки являются: мощность и угол падения пласта, свойства боковых пород, крепость угля, газоносность пласта и вмещающих пород, склонность угля к самовозгоранию, обводненность, глубина разработки, взаимное расположение пластов в свите, склонность пластов к внезапным выбросам угля и газа, способы механизации очистных и подготовительных работ и др.
Мощность пласта является одним из основных факторов при выборе системы разработки, оказывающим влияние на способ выемки угля, крепление очистных забоев, интенсивность сдвижений и обрушений вмещающих пород, способ управления горным давлением. По мощности все пласты разделяются на весьма тонкие — до 0,7 м, тонкие — от 0,71 до 1,2 м, средней мощности — от 1,21 до 3,5 м, мощные — свыше 3,5 м. Эта классификация пластов по мощности в известной степени условная и лишь отчасти характеризует особенности разработки пластов, отнесенных к той или иной группе.
Чем мощнее пласт, тем более интенсивно происходит сдвижение толщи пород над выработанным пространством, вследствие чего усложняются процессы крепления и управления кровлей. При этом приходится решать вопрос о способе выемки пласта — на полную мощность сразу или с разделением его на слои. На мощных пластах подготовительные выработки, как правило, проводятся без подрывки боковых пород, что значительно упрощает их проведение. Поэтому на таких пластах могут применяться системы, для которых характерен большой объем проведения выемочных выработок.
Параметры системы разработки также изменяются в зависимости от мощности пласта. Например, на весьма тонких пологих пластах длину лавы по условиям передвижения людей и ее обслуживания принимают в пределах 80-100 м. С увеличением мощности примерно до 2,5 м наблюдается увеличение длины лавы до 200¸250 м, а при дальнейшем возрастании мощности длина лавы вновь уменьшается.
Угол падения пласта также существенно влияет на выбор системы разработки. По углам падения угольные пласты подразделяются на горизонтальные до 5°, пологие — до 18°, наклонные — от 19 до 35°, крутонаклонные — от 36 до 55° и крутые — свыше 55°.
При углах падения до 10° возможно применение систем разработки с выемкой лавами по восстанию (падению), при больших углах — лавами по простиранию, а при углах свыше 50° — систем разработки с выемкой полосами по падению щитовыми агрегатами.
Если на пологих и наклонных пластах уголь вдоль очистного забоя перемещается с помощью специальных транспортных средств (конвейеры, скреперо-струги, металлические листы), то на крутых пластах отбитый уголь, а также обрушающиеся породы скатываются вниз под действием силы тяжести, что вызывает необходимость применять предохранительные устройства для защиты рабочих от падающих кусков угля и породы. В частности, при выемке отбойными молотками забою придают потолкоуступную форму.
Свойства боковых пород оказывают большое влияние на выбор способа выемки угля, крепления очистного забоя, управления горным давлением и охраны выемочных выработок. В результате проявления горного давления и поглощения глинистыми породами влаги и воды происходят так называемые явления "поддувания" почвы, что вынуждает производить периодически ее подрывку, а это приводит к значительным затратам и характеризуется высокой трудоемкостью работ. В таких случаях применяются специальные способы охраны выемочных выработок, например, двусторонними бутовыми полосами с проведением штреков позади забоя лавы, либо располагать штреки по пустым породам, т.е. проводить их полевыми. Оба случая предопределяют характерные модификации сплошной системы разработки.
Крепость угля оказывает влияние на способ выемки угля и производительность выемочных машин. При разработке мощных крутых и наклонных пластов с мягким углем производить выемку по восстанию опасно из-за возможных вывалов кусков угля, особенно когда кливаж угля расположен параллельно забою. В таких случаях предпочтение надо отдавать системам разработки с выемкой по падению или простиранию.
Газоносность пласта и вмещающих пород может существенно ограничивать нагрузку на очистной забой. Чем выше нагрузка, тем большее количество воздуха надо подать в забой, однако оно ограничивается площадью поперечного сечения очистной выработки и допустимой скоростью движения воздуха — не более 4 м/с. Для достижения высоких нагрузок на забой выбирают системы разработки, обеспечивающие подачу воздуха в забой по двум выработкам, а третья, вентиляционная, располагается посредине лавы, или же применяют комбинированную систему разработки с прямоточной схемой проветривания и подсвежающей струей воздуха. На весьма газоносных пластах целесообразно применять системы разработки с минимальным числом подготовительных выработок, особенно восстающих.
Склонность угля к самовозгоранию чаще проявляется при разработке мощных пластов. Причиной самовозгорания угля является его способность поглощать кислород, т.е. окисляться, в результате чего уголь самонагревается и, достигая критической температуры 70-80°С, самовозгорается.
Наиболее опасными в отношении возникновения пожаров являются раздавленные целики угля и скопления угольной мелочи в выработанном пространстве. При этом на развитие процесса самовозгорания большое влияние оказывают утечки воздуха через это пространство и их продолжительность. Для предупреждения пожаров следует применять системы разработки, которые бы исключали утечки воздуха через выработанное пространство. Если неизбежно оставление целиков, то следует принимать их таких размеров, чтобы они не были раздавлены. Размеры выемочных полей необходимо принимать из расчета, чтобы время их отработки по возможности было меньше инкубационного периода самовозгорания угля.
Обводненность пластов ухудшает условия работы и приводит к снижению производительности труда. Сильнообводненные глинистые породы становятся менее устойчивыми, приобретают склонность к вспучиванию. При разработке таких пластов стремятся выбрать такую систему разработки, при которой вода из пласта и вмещающих пород не поступала бы в забой. Для этих целей выемку осуществляют по восстанию или диагонально к линии простирания, а также применяют системы с опережающей сетью подготовительных выработок для предварительного осушения пласта. Нерационально проведение на обводненных пластах штреков с нижней раскоской.
Глубина разработки предопределяет величину горного давления, которая растет пропорционально глубине. При этом увеличивается давление на крепь, происходят деформации стенок выработок, что вызывает необходимость производить их перекрепление. Особенно интенсивно проявляется горное давление в зонах влияния очистных работ, где выработки деформируются более значительно. Эти особенности приходится учитывать при выборе способа расположения и охраны выработок, являющихся элементами системы разработки.
Большая глубина разработки исключает применение камерных систем разработки и усложняет применение щитовых систем на мощных крутых пластах.
Взаимное расположение пластов в свите при выборе системы разработки необходимо учитывать в связи с тем, что при сближенных пластах возможна групповая разработка пластов, когда подготовительные выработки в этаже (ярусе) проводятся и поддерживаются по одному из пластов, а по другим они поддерживаются в пределах выемочного поля и сразу же погашаются после его отработки, причем выработки группируемых пластов проводят меньшим сечением, что в конечном счете снижает затраты на проведение и поддержание выработок.
Кроме того необходимо устанавливать последовательность отработки сближенных пластов в свите, чтобы в одних случаях избежать вредного влияния подработки или надработки одного пласта другим, а в других, напротив, использовать положительное действие надработки или подработки для целей защиты пластов от внезапных выбросов угля и газа или горных ударов.
Выбросоопасность. К системам разработки пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, предъявляются повышенные требования, а именно: соблюдение прямолинейной формы очистного забоя, причем, на крутых пластах предпочтительнее с выемкой лавами по падению (с применением щитовых агрегатов); обособленное проветривание забоев с подсвежением исходящей струи; проведение выработок с углами падения более 10° сверху вниз и др.
Способы механизации очистных и подготовительных работ оказывают существенное влияние на выбор системы разработки, поскольку они тесно связаны между собой. В своё время переход от ручной выемки и доставки угля в очистных забоях к зарубке врубовыми машинами и доставке конвейерами позволил перейти на разработку пластов длинными лавами и широкому применению разновидности сплошной системы разработки лава-этаж вместо весьма распространенной при коротких лавах системы с разделением этажа на подэтажи. Применение щитовых крепей позволило внедрить эффективные системы разработки мощных угольных пластов с выемкой их сразу на полную мощность.
Создание высокопроизводительных горнопроходческих машин обеспечило повышение темпов проведения выработок и во многих случаях переход от сплошных систем к более эффективным столбовым.
Все перечисленные выше факторы должны учитываться при выборе приемлемых вариантов систем разработки для конкретных горно-геологических и горнотехнических условий. При этом следует иметь в виду, что влияние отдельных факторов в ряде случаев может оказаться противоположным. В конечном итоге окончательный выбор системы разработки производится путем экономического сравнения различных ее вариантов.