Вскрытие и подготовка шахтного поля

 

 

Федеральное агентство по образованию и науке РФ       

Сибирский государственный индустриальный университет

 

Кафедра Разработки пластовых месторождений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по дисциплине

Вскрытие и подготовка МПИ

 

Тема: «Вскрытие и подготовка шахтного поля»

 

 

 

 

 

                                                               

 

 

 

   Выполнил: ст. гр.

                                                         

                                                                 Проверил: ст. пр.

                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

Новокузнецк 2010

 

 

Введение

 

На современном этапе развитие горнодобывающей промышленности России, требуется совершенствование техники и технологии добычи полезных ископаемых, строительства новых и реконструкции действующих шахт и рудников.

      Объекты горной промышленности отличаются большой капиталоемкостью и требуют значительных материальных и трудовых затрат, длительных сроков проектирования и строительства. Эффективность капитальных вложений в горноподготовительные работы во многом  зависит от способа и схемы вскрытия месторождения.

      Необходимо стремиться к тому, чтобы выбранный способ вскрытия обеспечивал максимальную производительность труда при минимальной себестоимости 1 тонны угля. Этого можно достичь при выполнении ряда требований в период строительства и особенно эксплуатации шахты. К важнейшим из них следует отнести: минимальные первоначальные затраты и сроки строительства, концентрацию производства при условии увеличения до максимально возможных размеров нагрузки на очистной забой и на пласт при ограниченном числе одновременно разрабатываемых пластов, концентрацию грузопотоков на транспортные выработки и преимущественное применение конвейерного транспорта, эффективное проветривание горных выработок.

       Шахтные поля вскрывают различными способами в зависимости от ряда геологических, горнотехнических и экономических факторов: формы и размера шахтного поля, мощности и угла падения пластов, числа рабочих пластов и  расстояние между ними, глубины залегания, нарушенности месторождения и его газоносности пластов, производственной мощности шахты и срока ее службы.

       В данном курсовом проекте с учетом вышеперечисленных факторов на основе исходных данных необходимо рассмотреть альтернативные способы и схемы вскрытия, подготовки и отработки шахтного поля и выбрать наиболее оптимальный вариант.

Целью курсового проекта является, разработка двух вариантов вскрытия, подготовки и отработки шахтного поля и выбор оптимального варианта с точки зрения капитальных вложений.

 

 

 

1. Основные параметры шахты

 

1. Расчет промышленных запасов шахтного поля

 

Геологические запасы – это общие запасы месторождений, определяются по формуле:

 

Z геол =Zбал +Zзаб,                (1.1.)

 

где Zбал – балансовые запасы шахтного поля,

Zзаб-забалансовые запасы шахтного поля.

 

Балансовые запасы – это запасы, которые при существующем уровне развития техники и технологии отрабатывать экономически целесообразно.

 

Забалансовые запасы - это запасы, которые при существующем уровне развития техники и технологии отрабатывать экономически нецелесообразно (весьма тонкие,высокая зольность, пласты залегающие на больших глубинах).

     

 При развитии техники и технологии забалансовые могут вступать в разряд балансовых.

                   n

Zбал = SH ∑ (mi + γi)  ,        (1.2.)

                 i=1

 

где S – размер шахтного падения по простиранию, м;

Н – размер шахтного поля по падению, м;

 

∑Рi – суммарная производительность рабочих пластов, т/м2,

      i=1      определяется по формуле:

            Zбал= SH (m1γ+m2γ +m3γ + m4γ) ,                                                (1.3.)

 

где m1, m2, m3 – мощность пластов шахтного поля, м;

γ – объемный вес угля, т/м3;

 

Zбал=5200*4000*(2,5*1,5+2,4*1,5+1,7*1,5+1,5*1,5)=252720 тыс.т

 

       Часть балансовых запасов, которая  остается в недрах, называется  потери.

Часть балансовых запасов, подлежащая извлечению из недр, называется промышленными запасами.

 

                                   Zпром = Zбал –Zпотер                                  (1.4) 

 

Потери определяются по формуле:

 

                                   Zпот = Zобщ + Zо.г.н + Zэксп.                      (1.5)

 

где Zобщ – общешахтные потери,

      Zо.г.н – около геологических нарушений,

     Zэксп -  эксплуатационные потери.                             

                                   

                                   Zобщ = Z1 + Z2,                                             (1.6)

   

где Z1 – потери в охранных целиках,

 

                                                                           

                                        Z1 = 2L [S+(H-2L)] * mс* γ                       (1.7)

                                                                            

 

Z1 = 2*50 [5200+(4000-2*50)] *8,1*0,95*1,5 = 1050,4тыс.т.

     где L - ширина целика,

 

Z2 – потери в барьерных целиках, определяются по формуле:

Z2 = (0.01-0.02) * Z бал

Z2 = 0.01 * 252720 = 2527,20 тыс.т.

 

Zо.г.н. – потери, связанные с геологическими нарушениями,

 

                                  Zо.г.н = (0.01-0.015) * Z бал                           (1.8)

 

Zо.г.н =0.01 * 252720 = 2527,20 тыс. т.

 

Zэксп. – эксплуатационные потери, определяются по формуле:

 

                      Zэксп.= (Z бал- Zобщешахт. – Zо.г.н) * Kэксп             (1.9)

 

Zэксп. = (252720-3577,6-2572,6)* 0.1 = 24661,5 т.

 

Zпот = 1050,4+2527,2+2466,1 = 6043,4 тыс.т.

Z пр =252720 -6043,4 = 246677 тыс. т;

 

Коэффициент извлечения определяется по формуле:

 

     Кизвл = Z пр / Z бал =246677/252720 = 0.97

 

 

2. Расчет среднесуточной нагрузки на очистной забой выемочного участка

 

     Как наиболее мощный, принимается к первоначальной отработке пласт №4, по которому будут пройдены основные вскрывающие выработки.

Нагрузка на очистной забой устанавливается для всех пластов в зависимости  от системы разработки, очистных средств и других определяющих факторов.

 

Для пласта М4 нормативная нагрузка на очистной забой принимается:

А0 31= 2000*2.5 = 5000 т/сут

 

Для пласта М3 нормативная нагрузка на очистной забой принимается:

А0 32= 2000*2.4 = 4800 т/сут

 

Для пласта М2  нормативная нагрузка на очистной забой принимается:

А0 33=2000*1.7 = 3400 т/сут

 

Среднесуточная нагрузка на выемочный участок (Ауч.сут.)  устанавливается с учетом добычи угля из подготовительных забоев.

 

Ауч.сут.= А0 3/Коч,   т/сут            (1.10)

 

где   Коч - коэффициент выхода угля из очистных работ, Коч =0,9    

Ауч.сут.1= 5000/0,9 = 5550  т/сут

Ауч.сут.2= 4800/0,9 = 5330 т/сут

Ауч.сут.3= 3400/0,9 = 3770 т/сут

 

Среднемесячная нагрузка на выемочный участок составляет

 

Ауч.мес.= Ауч.сут.*Nдн.,   т/мес       (1.11)

где Nдн. – количество рабочих дней в месяце, принимаем  Nдн.=25

 

 

Ауч.мес.1= 5550*25 = 138750 т/мес

Ауч.мес.2= 5330*25 = 133250 т/мес

Ауч.мес.3= 3770*25 = 94250 т/мес

 

 

Месячная средневзвешенная нагрузка на выемочный участок будет составлять

             

             Ауч.мес.ср= ( Ауч.мес.i*mi)/ ( mi),  т/мес     (1.12)

 

 Ауч.мес.ср= (138750*2,5+133250*2,4+94250*1,7)/(2,5+2,4+1,7) = 110270 т/мес

 

 

1.3.   Расчет годовой мощности и срока службы шахты

 

Годовая мощность шахты определяется по формуле Малкина А.С.:

Агод = (k1 + k2)

  ,        (1.13)

где                           

К1 – коэффициент, учитывающий влияние числа угольных пластов в шахтном поле и принятых к одновременной отработке

 

   ,                    (1.14)

 

n1 – количество угольных пластов в шахтном поле, n1=4

n2 – количество угольных пластов, принятых к одновременной отработке, n2=3

К1=(3+ )/ =2

 

K2 – коэффициент, учитывающий влияние нагрузки на очистной забой

 

   ,              (1.15)

 

- коэффициент, отражающий степень нагрузки  на единый очистной забой, на  годовую мощность шахты  =0,0016

mср – средняя мощность всех угольных пластов, м

 

                                 

                                     ,                       (1.16)

mcp= (2,5+2,4+1,7+1,5)/4 =2,02 м

 

К2= =12,66

mp – мощность всех угольных пластов принятых к одновременной разработке, м

mc – мощность всех рабочих пластов в шахтном поле, м

К3 – коэффициент, учитывающий глубину разработки и угла падения угольных пластов

       К3=

   ,                  (1.17)

Hв – мощность наносов

Hн – глубина нижней границы шахтного поля

 

Hн= H*sin

,                        (1.18)

Hн= 4000*sin15о=1035м

 

К3= 1+(20/1035) = 1,01

 

В угольной промышленности принят целый ряд типовых значений годовой мощности угольных шахт: 1,2  1,5 1,8 2,1 2,4  3,0 3,6  4,5  6,0  7,5  (млн т/г)

 

 

Агод=(2+12,66) * =4012 тыс. т/год

 

Согласно типового ряда  примем годовую добычу Агод=3,6 млн.т/год

 

Зная промышленные запасы шахтного поля Z (млн т) и годовую производственную мощность шахты А.г (млн т/год), определяет срок ее службы (лет) по формуле

 

Тр=Z/А.г. ,                (1.19)

 

Тр=246615/3600 = 68 лет

 

         В течение такого периода шахта работает с постоянной производственной мощностью. Шахты с большой производственной мощностью нецелесообразно строить на короткий срок службы. Поэтому расчетный срок службы шахты производственной мощностью, например, 1,8 млн т/год  рекомендуется принимать равным не менее 50-60 лет.

         Помимо периода стабильной работы Тр шахта в течение времени tн наращивает производственную мощность до проектной и в течении времени tк  снижает ее до полного затухания.  Период  tн  принимают не более двух лет при Аг.=0,6-1,2 млн т/год и не более трех лет при Аг.=1,5-2,4 млн т/год.

         Для шахт с производственной мощностью свыше 3 млн. т /год или с глубиной разработки более 800м длительность tн  определяется проектом, но она не должна превышать 2-3 лет при разработке пологих пластов и 1-2 лет при разработке крутых. Продолжительность tк устанавливается проектом.

Полный срок службы шахты:

 

                                     Тп=Тр+ tн +tк ,                        (1.20)

 

                                 Тп= 68+3+2=73 года

 

 

4. Действующая линия. Число очистных забоев

  

Под действующей линией понимается суммарная длина очистных забоев, обеспечивающих плановую добычу.

 

                                 Hд= Агод*kд*kоч/Vгод*Рср , м       (1.21)

 

где  kд – Коэффициент добычи угля из действующих забоев, kд =0,9

 

Рср – средняя производительность пласта, т/м3          

                                           n               n

                                   Рср = Рi * mi / mi ,           (1.22)

                                           i=1             i=1

 

 

Рср =1,5*(2,52+2,42+1,72)/6,6 = 3,38 т/м2          

 

 

 

Vгод – средневзвешенное годовое подвигание линии очистных забоев, м/год

                      

                        Vгод = Аоз.сут.ср.* Nдн.год/Lср.*Рср.*kиву ,    (1.23)

 

Lср – средневзвешенная по пластам длина очистного забоя, принимаем Lср=200 м. , kу – коэффициент извлечения по выемочному участку, kиву –0,97

                                        n                        n

                        Аоз.сут.ср.= Аоз.сут.i * mi/ mi ,        (1.24)

                                        I=1                     i=1

Аоз.сут.ср.=(5000*2,5 + 4800*2,4 + 3400*1,7)/6,6 = 4515 т/сут

 

Vгод =4515*300/200*3,38*0,95 = 2109 м/год

 

Hд=3600*0,9*0,95/2109*3,38 = 431м

 

Определяем количество очистных забоев

 

   nоз.= Hд/ Lср                          (1.25)

nоз.=431/200 = 2

 

Принимается 2 очистных забоя.

 

1.5.   Режим работы шахты

 

     Главным звеном всего производственного процесса добычи угля на шахте являются очистные работы, поэтому наряду со своевременным воссозданием необходимого фронта очистных забоев, должна быть обеспечена всеми технологическими звеньями шахты непрерывная и ритмичная работа лав на основе организации производства и цикличности очистной выемки.

    В зависимости от числа рабочих дней в месяце режим может быть непрерывным (30 дней в мес.) и прерывным (25 дней в мес.).

    В данном курсовом проекте принимаем прерывный режим работы шахты, который характеризуется:

• число рабочих дней в месяц 25 ( 300 дней в год);
• 2 выходных дня в неделю: один общий для всей бригады, а второй предоставляется по скользящему графику в течение недели
• 6-ти часовой рабочий день;
• 4-х сменный график работы  ( первая смена - ремонтная).

    Применение такого графика организации работ обеспечит  максимальную производительность шахты.

2.   Вскрытие и подготовка шахтного поля

 

2.1. Планировка шахтного поля

 

      Основными факторами при планировке шахтного поля являются его размеры. В данном курсовом проекте рассматривается шахтное поле с размером по простиранию S=5200м и по падению H=4000м.

      Для обеспечения рациональной и экономически эффективной отработки запасов, целесообразно шахтное поле по падению разбить транспортным горизонтом на две выемочные ступени – бремсберговую и уклонную.

 

При этом бремсберговая часть будет иметь размер Нбр.=2000м , а уклонная Нукл.=2000м.

Шахта планируется двукрылая.

 

2.2.    Вскрытие шахтного поля

 

Существует три стадии разработки угольного месторождения:

-Вскрытие запасов шахтного поля

-Подготовка вскрытых запасов шахтного поля к очистным работам

-Очистные работы.

Вскрытие – это проведение сети вскрывающих выработок, обеспечивающих доступ к угольному пласту с поверхности.

Способы вскрытия классифицируют по следующим ниже перечисленным признакам.

 

    1. По типу главной вскрывающей выработки:

 

     -   вскрытие вертикальными  стволами;

     -   вскрытие наклонными стволами;

     -   вскрытие штольнями;

     -  комбинированный способ вскрытия: способ вскрытия, сочетающий в  себе элементы вскрытия вертикальными стволами, наклонными стволами и штольнями.

 

2. По типу вспомогательных вскрывающих выработок:

     -   с горизонтальными  вспомогательными вскрывающими  выработками;

     -   с вертикальными  вспомогательными вскрывающими  выработками;

     -   с наклонными  вспомогательными вскрывающими  выработками;

     -   комбинированный  способ;

     -   без вспомогательных  вскрывающих выработок.

 

Схема вскрытия шахтного поля – пространственное расположение сети горных выработок.

 

Схемы вскрытия классифицируют по следующим признакам:

1. По числу  транспортных горизонтов.

• Одногоризонтные.
• Многогоризонтные.
• Безгоризонтные.

2.По типу  дополнительных вскрывающих выработок.

• с квершлагами
• с гезенками
• со слепыми стволами
• без дополнительной вскрывающей выработки.

1. По расположению главных вскрывающих выработок относительно границ шахтного поля:

• с центрально-сдвоенными стволами
• с центрально-отнесенным
• фланговым
• блоковыми или секционными стволами
• комбинированные

2. По  месту вскрытия стволами в вертикальной плоскости:

• у верхней границы
• у нижней границы
• в середине шахтного поля
• на каждом горизонте или этаже
• через один или несколько этажей

 

     

 

     Схема и способ должны обеспечивать рациональную разработку шахтного поля в течение всех этапов работы шахты и получение стабильной проектной добычи угля на каждом этапе; минимальный объем вскрывающих выработок; минимальные первоначальные капитальные затраты на вскрытие МПИ и строительство шахт; однотипность транспорта по всем горным выработкам.

           В курсовом проекте принимается: схема вскрытия наклонными стволами (конвейерный, транспортный, вентиляционный). [Вариант №1]

Сущность: Применение наклонных стволов позволяет применить полную конвейеризацию на шахте, что существенно упрощает организацию транспорта полезного ископаемого на поверхность.

Шахтное поле вскрывается тремя наклонными стволами, которые проводятся до горизонта –0 м, затем проводится околоствольный двор, после чего начинается подготовка горизонта.

       Наклонные стволы проводят с поверхности по пласту полезного ископаемого или по достаточно устойчивым породам.  Скорость проведения наклонного ствола в среднем в 2-4 раза выше скорости проведения вертикального ствола той же площади поперечного сечения, что позволяет сократить общий срок строительства шахты на 20-30% ; стоимость проведения 1м наклонного ствола примерно в 1,2-1,5 раза меньше, чем вертикального; возможна полная конвейеризация угля от очистного забоя до поверхности.

      Наклонный ствол состоит из устья и  собственно ствола. Устье ствола проводят обычно в наносах, его длина зависит от мощности наносов и угла наклона ствола к горизонту. Возле устья главного ствола сооружают эстакаду, являющуюся продолжением ствола на поверхности, и здание приемного бункера для угля. Под бункер подводят рельсовый путь для загрузки углем железнодорожных вагонов.

 

Достоинства:

1) быстрый ввод шахты в эксплуатацию;

2) небольшие первоначальные затраты  на вскрытие шахтного поля;

3) возможность получения дополнительных  геологоразведочных данных;

4) упрощенная схема подземного  транспорта;

5) возможность использования полной  конвейеризации транспортирования  угля;

 

Недостатки:

1) значительные расходы на поддержание  наклонных выработок;

2) большое сопротивление крепи  наклонных стволов движению воздуха;

        3) ограниченная  пропускная способность вспомогательного  канатного подъёма по наклонным  стволам из-за большой их длины, меньшая допустимая скорость  движения подъёмных сосудов.

3. Подготовка шахтного поля

     Подготовкой шахтного поля называют  проведение после вскрытия шахтного поля системы подготавливающих горных выработок, обеспечивающих условие для эффективной и безопасной выемки полезного ископаемого. Подготовку шахтного поля обычно ведут частями и по мере их отработки подготавливают следующие части. Постоянное возобновление готовых к выемке запасов взамен отрабатываемых называют воспроизводством запасов.  При этом различают способ и схему подготовки.

    Способ подготовки шахтного поля или его части – расположение подготавливающих выработок в шахтном поле или его части относительно пласта и элементов его залегания.

    По расположению подготавливающих выработок относительно пласта различают:

1. Пластовый способ подготовки  шахтного поля – способ, при  котором весь комплекс подготавливающих  выработок проводится по пласту.

2. Полевой способ подготовки  шахтного поля – способ подготовки, при котором весь комплекс  подготавливающих выработок проводится по породе.

3. Пластово-полевой (комбинированный) способ подготовки шахтного поля  – способ подготовки представляет  собой комбинацию описанных выше  способов.

При подготовке пластов в свите различают два способа:

- Индивидуальная подготовка –  способ, при котором весь комплекс  подготавливающих выработок проводится для каждого пласта. Индивидуальная подготовка может быть как полевой, так и пластовой. Способ применяется при мощности междупластий >50 м. Отработку пластов при индивидуальной подготовке производят раздельно или совместно.

- Групповая подготовка – способ  подготовки, при котором комплекс  подготавливающих выработок (групповые выработки) используется для одновременной отработки двух и более пластов.

 

Схема подготовки – характерное расположение объединенных с учетом функционального назначения в единый комплекс подготавливающих выработок, обеспечивающих деление шахтного поля на готовые к выемке части.

 

Различают следующие схемы подготовки:

 

    - Погоризонтная схема подготовки шахтного поля

Погоризонтная схема подготовки – пространственное расположение горных выработок, делящее шахтное поля транспортными горизонтами на выемочные ступени, отрабатываемые затем по падению и восстанию. Область применения – пласт с a£100. Размер выемочной ступени по простиранию равен размеру шахтного поля, размер по падению 400 – 2600м.

     - Панельная схема подготовки шахтного поля

Панельная схема  подготовки шахтного поля  – совокупность выработок, разделяющих шахтное поле на панели. Область применения a<250. Размер по падению 1200-1500м, по простиранию 3500-4000м.

     - Этажная схема подготовки шахтного поля

 Этажная схема подготовки  шахтного поля  – совокупность  выработок, разделяющих шахтное  поле на этажи.

Область применения a>350. Высота этажа  a<55° 800-400м.  a>55°  120-150м.

       - Комбинированные схемы подготовки шахтного поля

Комбинированные схемы подготовки шахтного поля – схемы, при которых одновременно или последовательно шахтное поле делится на этажи и панели, панели и горизонты, этажи, панели и горизонты.

 

В данном курсовом проекте принимается способ подготовки - пластовый, схему подготовки – панельную. [Вариант №1]

 

     Сущность: Пласт по падению делится на два участка, разделённые квершлагом на бремсберговую и уклонные части, с которых по простиранию пласта в обе стороны проводятся штреки.

     Порядок отработки и подготовки лав – нисходящий, что обеспечивает быстрый ввод шахты в эксплуатацию. Нумерация лав – по обе стороны от наклонных пластов. Начало отработки – лава №1 в бремсберговой части пласта №1

      Подготовка уклонной части – второй этап строительства шахты относится ко второму пусковому комплексу (затраты будущих лет) и начинается после отработки бремсберговой части пласта №1.

После этого предусмотрена дальнейшая отработка пластов свиты с транспортировкой угля по ранее пройденному квершлагу и конвейерному стволу пласта №1 на поверхность.

Тип подготовки – пластовый, все выработки кроме главного квершлага, пройдены по углю.

 

4. Альтернативные варианты вскрытия и подготовки шахтного поля

        Курсовым проектом принимается альтернативный вариант вскрытия шахтного поля:

        В качестве альтернативного способа вскрытия шахтного поля принимается способ вскрытия вертикальными стволами. Применение данного способа вскрытия - является универсальным для широкого диапазона горно-геологических условий, позволяет эффективно вести горные работы при большой глубине разработки.

Шахтное поле вскрывается двумя вертикальными стволами, которые проводятся до горизонта – 0м. От вертикального ствола проводятся погоризонтный квершлаг на горизонте – 0м, вскрывающий свиту пластов, после чего начинается подготовка горизонта.

Применяется одногоризонтная схема вскрытия вертикальными стволами (главный, вентиляционный) и капитальным квершлагом.

 

Сущность: шахтное поле  транспортным горизонтом делится на бремсберговую и уклонную части. Стволы проходят сразу на проектную глубину до отметки откаточного горизонта. От стволов проводят откаточный квершлаг, который вскрывает все рабочие пласты свиты и служит в течение всего срока службы шахты.  Этот вариант приемлем для шахт с сухой технологией, гидротехнология – лишь в вынужденных случаях.