Формы и размеры поперечного сечения горных выработок

1. Понятие о горных  выработках.

2.Формы и размеры поперечного  сечения горных выработок.

3.Горизонтальные горные  выработки.

Введение

     Горные выработки могут быть подземными и открытыми. Поиски и разведка полезных ископаемых связаны с проведением разведочных, а разработка месторождения — эксплуатационных горных выработок. При этом доступ с земной поверхности к месторождению или его части обеспечивается капитальными вскрывающими выработками, подготовка отдельных участков продуктивной толщи к отработке — подготовительными выработками, непосредственно извлечение полезных ископаемых — очистными выработками. В общем случае в основе классификаций горных выработок лежат их назначение, заложение в толще горных пород, положение в пространстве и др. критерии (вспомогательные выработки, нарезные выработки, пластовые выработки, полевые выработки и др.).

Сеть горных выработок определяет тип, объёмы, сроки строительства и эффективность горного предприятия. Проведение горных выработок осуществляется с отделением горных пород от массива взрывным, гидравлическим способами либо с помощью их механического разрушения рабочими органами проходческих машин. Выбор способа и схемы проведения горных выработок зависят от её назначения и горно-геологических условий (о схемах проведения конкретных горных выработок см. в соответствующих статьях).

Горные выработки сооружаются вертикальными (стволы шахтные, шурфы, гезенки, буровые скважины и др.), наклонными (бремсберги, уклоны, восстающие и др.) горизонтальными (штольни, квершлаги, штреки и др.). Последние, как правило, имеют незначительный уклон (0,004-0,005) для облегчения транспортировки и обеспечения стока воды к водосборнику. Форма сечения горных выработок зависит главным образом от устойчивости горных пород, срока службы выработки, материала и конструкций крепи. Размеры поперечного сечения горных выработок определяются технологическими требованиями в зависимости от назначения горных выработок (проветривание, водоотлив, транспортировка грузов и др.).

1. Понятие о горных выработках.

   Горная выработка — это разработка подземных месторождений для разведки или добычи полезных ископаемых. В зависимости от вида полезного ископаемого и условий его залегания горную выработку осуществляют несколькими способами: бурением скважин (для нефти и газа), строительством шахт (для угля, металлических руд), открытыми выработками — шур­фами, канавами, штольнями.

Скважина имеет форму цилиндра, диаметром (обычно до 1 м) существенно меньшим ее длины. Начало скважины у поверхности земли называют устьем, дно — забоем. При строительстве шахт проходка с поверхности земли к мес­ту залегания полезного ископаемого начинается со ствола — на­клонного или вертикального канала в земле. Через ствол шахты ориентируют подземные выработки, вывозят породы, подают воз­дух, доставляют людей и механизмы. Ствол шахты может быть цилиндрической или прямоугольной формы размером в несколь­ко метров. Ствол, так же как и скважина, у поверхности земли начинается с устья. При выполнении буровых и горнопроходческих работ, а также при геологических изысканиях следует знать положение горной выработки на местности. При этом возникает необходимость в решении двух задач: перенесение проекта размещения выработки в натуру и привязка выработки, т. е. определение ее положения по всем трем координатам

     Горные выработки по назначению подразделяются на разведочные и эксплуатационные. Первые служат для целей разведки залежи полезного ископаемого, вторые - для его разработки. Разработка месторождений полезного ископаемого складывается из трех этапов: вскрытие, подготовка и очистная выемка. В связи с этим эксплуатационные горные выработки подразделяются на капитальные, подготовительные и очистные.

К капитальным относятся выработки, по которым осуществляется доступ к месторождению или его части. Это вскрывающие выработки.

Подготовительные выработки проводят от капитальных. Они служат для подготовки части залежи полезного ископаемого к очистной выемке.

После проведения подготовительных выработок приступают к очистным работам, в результате которых образуются очистные выработки.

По месту проведения горные выработки подразделяются на открытые и подземные. Открытые выработки проводят на по-верхности земли, подземные - внутри пород.

По положению в земной коре подземные выработки могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными. Они могут иметь непосредственный выход на земную поверхность или не иметь его ( см. рис.)

Начало выработки, выходящей на земную поверхность или в другую выработку, называют устьем. Поверхность, ограничивающая горную выработку и перемещающаяся в результате ведения горных работ, называется забоем. Забой, в котором систематически производят горные работы, называется действующим. Поверхности, ограничивающие выработки с боков, называют боками выработки. Поверхность, ограничивающая выработку сверху, называется кровлей, снизу - почвой (  см. рис. выше).

Совокупность горных выработок и технических сооружений, размещенных по определенному плану и оборудованных для добывания угля подземным способом, называется шахтой, а при добывании руды - рудником.

В административно-хозяйственном отношении под шахтой (рудником) понимается самостоятельная единица горного предприятия, имеющая целью добывание полезного ископаемого в пределах отведенной для нее части месторождения.

Проведением горной выработки называют выполнение комплекса работ по отделению породы от массива, ее погрузке и транспортированию, возведению крепи, а также выполнению ряда вспомогательных операций. Этот комплекс обеспечивает периодическое или непрерывное перемещение забоя выработки (подвигание) с запланированной скоростью. В зависимости от горно-геологических условий (физико-механических свойств пород, устойчивости массива, величины водопритоков) применяют обычные или специальные способы проведения выработок.

Если выработки проводят в условиях, когда породы позволяют обнажать забой и бока (стенки) и при этом не наблюдается больших водопритоков, то такие условия и соответствующие способы проведения выработок называют обычными. Если же выработки проводят по неустойчивым породам, не допускающим обнажения (пески, плывуны и др.) или в условиях сильного водопритока, то применяют специальные способы проведения (предварительное искусственное водопонижение, замораживание, тампонаж и т. д.).

В практике геологоразведочных работ специальные способы могут применяться лишь в исключительных случаях. Это обусловлено, в первую очередь, технической сложностью специальных способов и их высокой стоимостью. Обычными способами проводят выработки в однородной крепкой или мерзлой породе, в неоднородных породах и однородных мягких породах.

В значительной степени название обычного способа проведения выработки предопределено способом отделения породы от забоя, который выбирают в зависимости от их крепости. В породах с коэффициентом крепости по М.М. Протодьяконову f>4 и многолетнемерзлых породах применяют буровзрывной способ, в более слабых породах — также и способ отбойки с помощью отбойных молотков или средств гидромеханизации.

Комбайновый способ или проведение выработок способом бурения обеспечивают наиболее высокий уровень механизации, но в условиях геологоразведочных работ они распространения пока не получили, прежде всего, из-за экономической нецелесообразности.

Основным способом проведения выработок является буровзрывной. Такое положение сохранится, по-видимому, и в перспективе.

Производственные процессы, выполняемые при проведении выработок, делятся на основные и вспомогательные. Основные процессы связаны с разрушением породы на забое, ее уборкой и возведением постоянной крепи. Вспомогательные процессы обеспечивают условия для выполнения основных. К ним относятся возведение временной крепи, укладка временных рельсовых путей, навеска вентиляционных труб, устройство водоотводной канавки, наращивание труб для сжатого воздуха, воды, кабелей и др.

Совокупность основных и вспомогательных процессов, выполняемых в определенной последовательности за установленное время, в результате чего забой выработки перемещается на расчетную величину, называется проходческим циклом.

Основные процессы выполняются преимущественно последовательно и реже с частичным совмещением. Вспомогательные процессы целесообразно выполнять параллельно с основными. В этом случае они не будут влиять на продолжительность цикла.

2. Формы и размеры поперечного сечения горных выработок.

    Форма поперечного сечения выработок зависит от физико-механических свойств пересекаемых ими пород, срока службы выработки, назначения, а также свойств материала крепи. Наиболее распространенной формой поперечного сечения вертикальных стволов является круглая, редко им придают прямоугольную форму. Для крепления стволов, имеющих круглую форму поперечного сечения, применяют монолитный бетон, чугунные тюбинги, а прямоугольную — дерево. Формы поперечных сечений горизонтальных и наклонных выработок более разнообразны. При деревянной крепи выработкам придают форму прямоугольника или трапеции (рис. 1.4), при бетонной — типичной является сводчатая форма с вертикальными боковыми стенками, при металлической — арочная, при сборной железобетонной — полигональная, прямоугольная, арочная. В зависимости от величины и направления давления горных пород (бокового или со стороны почвы) выработкам придают круглую, подковообразную или овальную форму.

 
       Размеры поперечного сечения выработки определяются габаритами подъемных сосудов или транспортного оборудования (клети, скипы, вагонетки, электровозы, конвейеры и др.), необходимыми зазорами между крепью и указанным оборудованием, а также количеством воздуха, который должен проходить по выработке. Необходимо, чтобы площадь поперечного сечения выработок обеспечивала бы перемещение по ним воздуха со скоростями не более предельно допустимых; в стволах, предназначенных только для спуска и подъема грузов, — 12 м/с; в стволах, используемых для подъема людей, в квершлагах, откаточных и вентиляционных штреках, капитальных и панельных бремсбергах и уклонах — 8 м/с; во всех прочих горных выработках, проведенных по углю и породе — 6 м/с; в рабочем пространстве очистных забоев — 4 м/с.

    В вертикальных стволах дополнительно учитываются расположение и число подъемных сосудов, наличие другого оборудования (лестничное отделение, трубопроводы, электрокабели и др.), а в горизонтальных и наклонных выработках — число рельсовых путей. 
Площадь сечения выработки, определяемая по внутренним образующим крепи, называется площадью сечения в свету. Площадь поперечного сечения круглых стволов в свету характеризуется диаметром ствола, который принимается от 4 до 8,5 м с интервалом через 0,5 м (площадь сечения от 12,6 до 56,7 м2). Минимально допустимая площадь поперечного сечения горизонтальных и наклонных выработок составляет 3,7 м2. Отдельные выработки имеют площадь сечения 20—25 м2. Для облегчения определения размеров поперечного сечения выработок на производстве и при проектировании, а также для типизации характеризующих выработку параметров, проектными организациями разработаны типовые сечения различных горизонтальных и наклонных горных выработок с учетом особенностей разработки месторождений, различных видов крепи и применяемого транспортного оборудования.

При разработке проекта проведения выработок вопросы формы и размеров поперечного сечения являются важнейшими. Для горизонтальных разведочных выработок, стандартом установлены прямоугольно-сводчатая и трапециевидная формы сечения. Прямоугольно-сводчатое сечение горизонтальная разведочная выработка должна иметь в устойчивых породах, когда запасы прочности составляют не менее 4. Такую же форму имеет сечение выработки, пройденной в недостаточно устойчивых породах, когда запасы прочности породного массива по контуру сечения меньше 4, но недостаток устойчивости можно компенсировать возведением в выработке облегченной крепи — анкерной, набрызгбетонной или комбинированной (анкерная с металлической сеткой, анкерная с набрызгбетоном по металлической сетке).

    Если же запасы прочности пород существенно ниже указанного значения, то грузонесущей способности облегченной крепи оказывается недостаточно. В таких условиях выработке придают трапециевидную форму сечения, в которой возводят рамную крепь, преимущественно из дерева.

Размеры  поперечного  сечения  горных  выработок  определяются  количеством  воздуха,  пропускаемого  по  этим  выработкам;  максимальными размерами  транспортных  средств,  применяемых  для  транспортирования полезного  ископаемого,  доставки  материалов  и  оборудования;  допустимыми зазорами между наружным размером транспортных средств и внутренней  стенкой  выработки,  предусмотренными  правилами  безопасности (ПБ) и Строительными нормами и правилами (СНиП) по проектированию поперечного сечения.

Поперечные сечения горизонтальных и наклонных выработок должны соответствовать их типовым сечениям. В соответствии с действующими  правилами  безопаснос ти  минимальные  площади  поперечных  сечений горных выработок в свету устанавливаются (ПВ§118):

−  для  главных  откаточных  и  вентиляционных  выработок,  а  также людских ходков,  предназначенных  для  механизированной  перевозки  людей, − 9 м2 при высоте не менее 1,9 м от почвы (головки рельсов) до крепи или размещенного в выработке оборудования;   
− для участковых вентиляционных, промежуточных, конвейерных  и аккумулирующих штреков, участковых бремсбергов и уклонов − 6 м2  при высоте не менее 1,8 м;  
− для вентиляционных просеков, печей, косовичков и других выработок − 1,5 м2.  
Для  участковых  выработок,  находящихся  в  зоне  влияния  очистных работ, и для людских ходков, не предназначенных  для механизированной перевозки людей, минимальная площадь поперечного сечения допускается 4,5 м2 при их высте не менее 1,8 м.  
Размеры поперечного сечения выработок различают в свету и в проходке. Размеры в свету определяют в соответствии с правилами безопасности,  а  размеры в  проходке  складываются  из  размеров  в  свету,  толщины  
крепи, межрамных ограждений и переборов пород, которые  при  проведе- 
нии выработок должны быть не более 5% проектной площади их попереч- 
ного сечения.  
Ширина  выработки  в  свету  определяется  суммированием  ширины 

транспортных средств и требуемых зазоров.  
Минимальные величины прохода и зазора между крепью и наиболее  
выступающей час тью подвижного состава должны быть не менее 0,7 м и  
0,25 м при рамных крепях  не менее 0,7 м и 0,2 м при сплошной бетонной,  
каменной и железобетонной крепи. Зазор между наиболее выступающими  
кромками габаритов  встречных электровозов (вагонеток) должен быть не  
менее 0,2 м.  
На  двухпутных  участках  выработок  околоствольных  дворов,  отка- 
точных  и  вентиляционных  горизонтов,  стационарных  погрузочных  пунк- 
тах производительностью 1000 т в сутки и более в местах, где  производят- 
ся маневровые работы, сцепка и расцепка вагонеток или составов, а также  
в однопутных околоствольных выработках клетевого ствола зазоры долж- 
ны быть по 0,7 м с обеих  сторон.  
В местах посадки людей в  пассажирские поезда свободный проход  
должен быть не менее 1 м.  
Во всех выработках, оборудованных конвейерной доставкой, ширина 

прохода должна быть с одной стороны не менее 0,7 м,  с другой стороны −  
0,4 м. Расстояние от верхней выступающей час ти конвейера до верхняка  
должно быть не менее 0,5 м, а от натяжных и приводных головок  до верх- 
няка − не менее 0,6 м.  
При  монорельсовом  транспорте  расстояние  между  днищем  сосуда  
или  нижней  кромкой  перемещаемого  груза  и  почвой  выработки  должно  
быть не менее 0,4 м. Зазор между наиболее выступающей частью конвейе- 
ра и крепью с одной с тороны должен быть не менее 0,7 м, а с другой сто- 
роны − не менее 0,2 м.  
  

В горизонтальных выработках, оборудованных конвейерами  и рельсовым 

транспортом,  а  также  в  горизонтальных  и  наклонных  выработках, 

оборудованных конвейерами и монорельсовым  транспортом, зазор между  
конвейером  и  крепью  должен  быть  не  менее 0,4 м,  между  конвейером  и  
подвижным  составом  − 0,4 м,  между  подвижным  составом  и  крепью  −  
0,7 м.  
В наклонных выработках, оборудованных конвейерами и рельсовым  
транспортом, зазоры между крепью и конвейером должны быть 0,7 м, ме- 
жду конвейером и подвижным составом - 0,4 м, между подвижным соста- 
вом и крепью  0,2 − 0,25 м, в зависимости от вида крепи.  
Указанные выше боковые зазоры и проходы должны соблюдаться на   
высоте не менее 1,8 м от почвы (тротуара).  
Далее графически определяют минимальную ширину выработки в свету, а затем аналитически все остальные ее размеры и площадь поперечного сечения. Сущность графического способа состоит в следующем. На бумагу в  
определенном  масштабе  на  уровне  верхней  кромки    подвижного  состава  
или конвейера наносят габариты принятого оборудования, размещаемого в  
выработке,  минимальные  зазоры  и  расстояния  между  отдельными  меха- 
низмами, оборудованием  и  постоянной крепью выработки. Затем  по мас- 
штабу находят ширину выработки в свету на уровне верхней кромки под- 
вижного  состава  или  конвейерной  установки.  После  этого  аналитически  
определяют все остальные размеры.  
При  проектировании поперечного сечения выработки в свету  необ- 
ходимо учитывать запас на возможные осадки пород, зависящий от  типа  
выработки, условий ее поддержания  и мощнос ти  пласта угля.  В  типовых  
сечениях  [5]  предусмотрены  вертикальная  податливость  крепи 300 мм  и  
горизонтальная на уровне 1,8 м от почвы выработки – 230-290 мм. В выра- 
ботках, закрепленных податливой крепью, очень важно правильно ус тано- 
вить запас на осадку, что может обеспечить ее безремонтное поддержание  
на весь срок службы.

   3. Горизонтальные горные выработки.

   Искусственные полости, создаваемые в недрах земли или на ее поверхности в процессе разведки или разработки месторождений полезных ископаемых, называются горными выработками. В соответствии с назначением их делят на разведочные и эксплуатационные. 
В зависимости от положения выработок относительно земной поверхности различают выработки открытые и подземные. 
Под открытыми понимают выработки, расположенные непосредственно на поверхности земли и имеющие незамкнутый контур поперечного сечения. Подземные выработки могут иметь выход или не иметь непосредственного выхода на поверхность, но контур их поперечного сечения всегда представлен замкнутой линией. 
Положение выработок в пространстве определяется также углом их наклона к горизонтальной плоскости, в связи с чем их подразделяют на горизонтальные, вертикальные и наклонные. 
Наибольшие объемы горноразведочных работ приходятся на горизонтальные подземные выработки. К ним при разведке месторождений относятся штольни, штреки, квершлаги, рассечки, орты. 
Штольня — горная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность (рис. 20.1).

 
Штольни проходят в сильно пересеченной или гористой местности. В зависимости от рельефа поверхности и условий залегания горных пород они могут располагаться по простиранию, вкрест простирания или под некоторым углом к простиранию пласта или жилы. 
Длина разведочных штолен составляет от 100 до 4000 м, а площадь поперечного сечения в основном от 5,8 до 9 м2. 
Штрек — горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая по простиранию полезного ископаемого (см. рис. 20.1). Если залегание горизонтальное, то штреком будет называться горизонтальная выработка, пройденная по пласту в любом направлении. Штреки, пройденные не по полезному ископаемому, а по простиранию пустых пород, называются полевыми. Длина штреков изменяется в пределах от 50 до 1000 м, а площадь поперечного сечения — 5,1—7,5 м2. 
Квершлаг — горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и проводимая по пустым породам вкрест простирания или под некоторым углом к простиранию пород (см. рис. 20.1). Площади поперечных сечений квершлагов такие же, как у штреков. 
Рассечка — горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проводимая вкрест простирания горных пород (см. рис. 20.1). Рассечки проходят из штолен, штреков и некоторых вертикальных выработок. С помощью рассечек осуществляют не только разведку основного рудного тела, но также ведут поиск и разведку апофиз (ответвлений) от основного рудного тела, а также слепых тел полезного ископаемого. Длина рассечек составляет от 5 до 100 м, а площадь поперечного сечения — от 2 до 5 м2.

 Орт — выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проводимая в толще полезного ископаемого вкрест его простирания или под некоторым, отличным от 90°, углом к нему (см. рис. 20.1). Орты часто соединяют собой штреки, пройденные у противоположных границ мощной залежи.

   Поверхности, ограничивающие горизонтальную выработку в пространстве, имеют специальные названия. Кровля выработки — поверхность, ограничивающая выработку сверху; почва — поверхность, ограничивающая выработку снизу; бока — поверхности, ограничивающие выработку с боков; забой — поверхность, которая на стадии проведения выработки перемещается. Часть горной выработки, непосредственно прилегающая к забою и предназначенная для размещения рабочих и оборудования, называется призабойной зоной, или призабойным пространством.

  Камерами называются горные выработки, имеющие небольшую длину по сравнению с размерами поперечною сечения. Они предназначаются для размещения в них различных машин, оборудования, хранения материалов и других целей. Камеры в основном расположены около шахтных стволов.

Совокупность камер и выработок, примыкающих к шахтному стволу и предназначенных для обслуживания подземного хозяйства, называется околоствольным двором. В околоствольном дворе располагаются следующие камеры: электроподстанция, насосная, электровозное депо, камера ожидания, диспетчерская, водосборник, медпункт и др.

Выработки, образующиеся в результате выемки пласта   или залежи, где осуществляется основная добыча полезного ископаемого, называются очистными выработками.

Поверхность очистной выработки, с которой непосредственно осуществляется выемка полезного ископаемого, называется очистным забоем Очистной забой значительной длины называется лавой.

 Заключение

Горные выработки проводятся также для целей железнодорожного и автомобильного транспорта (тоннели), при строительстве гидротехнических сооружений и стока и перепада воды (водопроводные каналы, водоводы), для хранения нефтепродуктов и газообразных веществ (камеры, хранилища) и др.

В зависимости от способа финансирования работ различают капитальные и некапитальные горные выработки. Капитальные выработки проводятся за счет капитальных вложений, отпущенных на строительство предприятий или разведку месторождения, а некапитальные — за счет текущих издержек уже действующего предприятия (рудника, шахты).

По углу наклона к поверхности различают горизонтальные, наклонные и вертикальные горные выработки.

В зависимости от соотношения между площадью поперечного сечения и продольным размером горные выработки разделяют на протяженные (стволы, шурфы, квершлаги, штреки, траншеи, канавы и т. д.) и объемные (камеры и околоствольные дворы).

У горизонтальных и наклонных выработок, пройденных в недрах Земли, выделяют следующие ограничивающие их поверхности: забой, кровлю, бока и почву. Забоем называют перемещающуюся в пространстве полезного ископаемого или вмещающих пород поверхность, с которой непосредственно осуществляется их выемка. Бока выработки — поверхности горных пород, ограничивающие выработку с ее боков. Поверхность горных пород, ограничивающую горную выработку сверху, называют кровлей, а снизу — почвой.

В вертикальной подземной горной выработке различают забой и бока.Место примыкания подземной выработки к поверхности Земли или к другой выработке называют устьем выработки. Во всех подземных выработках (кроме длинных очистных) различают призабойное пространство — пространство внутри выработки, которое примыкает непосредственно к забою, где располагается забойное горнопроходческое оборудование и находится обслуживающий его персонал. Призабойное пространство достигает длины нескольких десятков метров. Расстояние, на которое перемещается забой выработки за определенный промежуток времени (смену, сутки, месяц), называют подвиганием забоя.

Список литературы

1. Егоров П.В., Бобер Е.А., Кузнецов Ю.Н. и др. Основы горного дела.-М.:Изд-во МГГУ.-2006.

2. Кузнецов Ю.Н., Лебедев В.И. Практикум по дисциплине «Основы горного дела». Ч.1.-М.:МГГУ.-2007.

3. Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К. Основы горного дела.-М.:ООО «Арт ПРИНТ».-2012.

4. Селезнёв А.И. Горное дело и БВР. Е.: УГК им. И.И. Ползунова, 2001.

5. Грабчак Л.Г. Горнопроходческие машины и комплексы. М.: Недра, 1990.

6. Пухов Ю.С. Рудничный транспорт. М.: Недра, 1983.