14. ОСОБЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Выше мы рассмотрели обычные способы разработки месторождений полезных
ископаемых, но есть еще особые, специфичные способы. Рассмотрим
некоторые из них.
Разработка сближенных пластов. Для рациональной разработки таких пластов
необходимо учитывать их влияние друг на друга.
Первоочередная разработка нижнего пласта называется подработкой. Ее
влияние сказывается при любом расстоянии между пластами, но особенно
сильно в пределах 40 мощностей нижнего пласта. Подрабатываемый
вышерасположенный пласт в зависимости от расстояния между смежными
пластами и состава род междупластья испытывает деформации, перемещения,
может даже разрушиться.
Надработка — это первоочередная разработка верхнего пласта. Влияние
надработки сказывается на расстоянии порядка 60 м, наиболее сильно — до
12 м.
Подработанный или надработанный пласт подвергается
усиленной дегазации. Будучи водоносным, он легко осушается
(подработанный), разгружается от напряженного состояния.
Если расстояние между пластами меньше, чем определено по этой формуле,
то разрабатывать их следует в нисходящем порядке.
При подработке целики, оставляемые в выработанном пространстве пласта,
вынимаемого первым, препятствуют плавному опусканию верхнего пласта и
пород. В результате при восходящем порядке выемки пластов над целиками
происходит изгиб и даже разрыв верхнего пласта.
Если пласты вынимаются в нисходящем порядке, то целики угля, оставляемые
на верхнем пласте, выполняют роль опоры, воспринимают большую часть
нагрузки, которая ранее распределялась более или менее равномерно, и
передают эту сконцентрированную нагрузку на залегающие ниже породы и
пласт. Над целиками появляется зона повышенных напряжений. Поэтому в
зонах влияния целиков крепь горных выработок испытывает большие
деформации. Во избежание этого при разработке сближенных пластов выемка
угля должна быть по возможности полной, без оставления целиков в
выработанном пространстве. Лавы должны быть длинными и прямыми, их
скорость подвигания — высокой и равномерной, чтобы обеспечить как можно
более плавное опускание пород.
Разработка пластов, опасных по внезапным выбросам угля, газа, пород ы.
Внезапными выбросами угля и газа называются динамические явления, при
которых в течение нескольких секунд из угольного забоя в горную
выработку выбрасывается большое количество измельченного и разрушенного
угля (иногда до нескольких тысяч тонн). Одновременно под действием
горного давления выделяется значительное количество метана или
углекислого газа.
Первый внезапный выброс в России произошел в 1906 г. в шахте «Ново-Смоляниновская»
при вскрытии пласта. Затем выбросы пласта наблюдались и в других районах
Донбасса, а позднее и в разных угольных бассейнах. В настоящее время
выбросоопасные пласты разрабатываются в шести угольных бассейнах и
месторождениях: Донецком, Карагандинском, Кузнецком, Воркутинском,
Сучанском и Егоршннском.
Наибольшее число выбросов в Донецком бассейне происходит в Центральном и
Донецко-Макеевском районах. На шахте нм. Ю. А. Гагарина 13 июля
1969 г. произошел самый крупный в мировой практике выброс. Из пласта
мощностью 1,03 м было выброшено около 14 ООО т угля и 250 000 м3 метана.
Выброс случился при вскрытии пласта.
При разработке пластов, опасных но внезапным выбросам, проводится две
группы специальных мероприятий:
1. Региональные, при которых воздействию подвергаются значительные
участки разрабатываемых пластов до подхода очистных забоев. К ним
относятся: предварительная отработка защитных пластов; микро-капиллярное
увлажнение угля через длинные скважины, пробуренные из откаточного или
вентиляционного штрека параллельно очистному забою; заблаговременная
длительная дегазация и частичная разгрузка пластов дренажными
скважинами; гидравлическое расчленение пластов через скважины,
пробуренные с поверхности.
2. Локальные, осуществляемые в отдельных подготовительных и очистных
забоях: сотрясательное взрывание, бурение дренажных скважин в забоях
очистных и подготовительных выработок; нагнетание воды в пласт через
скважины, пробуренные из очистного или подготовительного забоя в
направлении его подвнгания или под некоторым углом; все меры борьбы,
применяемые при вскрытии угольных пластов и др.
Наиболее эффективны региональные и, в частности, предварительная
отработка защитных пластов. Сущность этого способа заключается в
следующем: если первым отрабатывать неопасный или менее опасный пласт,
то подрабатываемый или надрабатываемый им опасный теряет способность к
выбросам и связи с разгрузкой пород и частичной дегазацией угля.
Предварительно разрабатывается сближенный пласт (защитный). Этот метод
борьбы с выбросам!: абсолютно надежен, но не всегда такие пласты есть,
особенно на пологом падении. Тогда в качестве за щитных могут
использоваться угольные пропластки мощностью 0,25—0,45 м. Однако
существующая технология их отработки с помощью стругов и канатных пил
пока еще далеко не совершенна.
Внезапный выброс породы — это динамическое явление, происходящее только
при взрывных работах. В результате разрушается призабойная часть массива
породы и выносится в выработку в течение нескольких секунд.
Разработка пластов, опасных по горным ударам. Горный удар — также
динамическое явление. Оно сопровождается разрушением целика или части
массива угля, породы, воздушным толчком с образованием пылевого облака,
а также сотрясениями, распространяющимися в окружающих породах в виде
сейсмических волн, ощущаемых даже на земной поверхности. Иногда во время
горных ударов происходит сравнительно небольшое выделение метана.
В зависимости от интенсивности протекания горные удары делятся на
следующие четыре группы:
1. Стреляния — от стенки массива (целика) отскакивают куски угля или
породы.
2. Толчки — разрушения пласта с сотрясением горного массива (без выброса
угля); при толчках возможно осыпание угля со стенок выработки,
образование пыли и воздушной волны.
3. Микроудары характерны незначительным, с резким звуком выбросом угля в
горные выработки без нарушения крепи, сопровождающимся образованием пыли
и сотрясением массива.
4. Горные удары большой интенсивности отличаются сильным и резким
звуком, образованием пыли, сотрясением массива и разрушением крепи.
Основная причина таких ударов — повышение опорного давления и затем
мгновенное освобождение энергии, накопленной при упругих деформациях
горного массива. Меры борьбы с ударами применяют в основном те же, что и
при внезапных выбросах угля н газа: дистанционное управление выемочными
и проходческими машинами; технологические схемы, обеспечивающие выемку
угля без присутствия людей в очистном забое; проведение подготовительных
выработок широким ходом; поддержание выработок бутовыми полосами и
податливыми крепями; специальный режим ведения взрывных работ и др.
Внезапное поднятие пород — это также динамическое явление, оно
происходит, когда за очень короткий промежуток времени порода,
расположенная ниже подошвы выработки, разрывается с резким ударом,
приподнимается и растрескивается на отдельные глыбы или блоки.
Способы борьбы с внезапными поднятиями и выбросами пород находятся в
стадии промышленной проверки. Однако предварительная отработка защитных
пластов—наиболее радикальная мера предупреждения таких явлений. Она
позволяет разгрузить опасные зоны от больших напряжений. Так, например,
на шахте им. Поченкова (Донбасс) песчаник, по которому проводился
полевой штрек, предварительно надрабатывался лавой. После этого было
пройдено более 2000 м выработки и выбросов не произошло.
Подземная гидравлическая добыча угля. Этот метод был предложен в 1935 г.
В. С. Мучником. Первые испытания проводились на шахтах Урала и Донбасса,
После окончания Великой Отечественной войны опыты были продолжены. В
настоящее время в Кузбассе и Донбассе действуют несколько гидрошахт.
Применяется гидродобыча и в ПНР, ЧССР, КНР, США, Японии, Англии и Повой
Зеландии.
Метод основан на использовании кинетической энергии воды, выбрасываемой
с большой скоростью из специального аппарата — гидромонитора, основное
назначение которого — формировать мощную компактную струю для разрушения
угля и пород. Скорость истечения струи из выходного отверстия насадка
гидромонитора — 70—100 м/с.
Технология подземной гидродобычи угля (рис. 14.1)—это сочетание поточно
выполняемых процессов: гидроотбойки, гидротранспорта и гидро-подъема.
Вода с поверхности по высоконапорному трубопроводу подается в
подготовительные и очистные забои к гидромониторам. Струя воды
производит отбойку и дробление угля. Пласт угля большой крепости
предварительно разрушают буровзрывным способом. Смесь воды и угля
(пульпа) транспортируется по желобам до пульпосборника, из которого
углесосами выдается по трубопроводу на поверхность. На поверхности уголь
обезвоживают, обогащают и отправляют потребителю.
Основной недостаток гидравлического способа — большие потери угля,
достигающие 30%, высокий выход угольной мелочи (шлама), влажность угля и
рудничной атмосферы. Однако, благодаря поточности и малооперационности
производства, этот способ весьма дешевый и по мере совершенствования
технических средств найдет более широкое применение.
Подземная газификация угля. Идею подземной газификации угля впервые
высказал великий русский ученый Д. И. Менделеев в 1882 г., а первую
технологическую схему предложил проф. Б. И. Бокнй. Сущность подземной
газификации заключается в том, что уголь на месте его залегания сгорает,
выделяя горючие газы, используемые на поверхности в качестве
газообразного топлива или исходного продукта для получения химических
веществ.
Первые опыты подземной газификации при помощи скважин были проведены в
1933 г. на одной из шахт Подмосковного бассейна, затем этот вопрос
изучался на шахтах Донецкого и Кузнецкого бассейнов.
Процесс подземной газификации начинается с розжига угольного пласта
между двумя стволами или скважинами. Возникший огневой забой
продвигается по восстанию пласта. Через подающую скважину (реже ствол) в
пласт нагнетается воздух, пар, кислород или их смесь. По отводящей
скважине на поверхность выпускают газ.
Схема газификации с горными выработками (рис. 14.2) впервые испытана в
Донецком бассейне. По мере выгорания пласта образуется пространство,
которое заполняется шлаком, обрушившимися породами и водой.
При поступлении воздуха в огневой забой в его начале происходит реакция
окисления углерода с образованием углекислого газа и выделением большого
количества тепла (С+02 = С02). Разогретый углекислый газ п пары воды
продвигаются вдоль огневого забоя и вступают в реакцию с углеродом новых
участков пласта. В результате происходит восстановление двуокиси
углерода с образованием его окиси (C02-f-C = 2C0). Реакции протекают с
поглощением тепла, и температура потока газов снижается. За счет
оставшегося тепла пласт на следующем участке забоя разогревается до
такой степени, что происходит сухая перегонка угля и выделение летучих
продуктов. Генераторный газ, выходящий на поверхность, перед
использованием очищается и охлаждается в специальных установках.
Малая распространенность подземной газификации объясняется тем, что еще
слабо изучены закономерности процессов, протекающих в подземных
газогенераторах. Не решен ряд вопросов управления горным давлением и
регулирования режимов генерирования газа. Метод сложен, довольно высока
стоимость бурения скважин. Основное его преимущество — создаются условия
для полного освобождения человека от работы под землей, что имеет
большое социальное значение.