Описание шахты. Общая характеристика шахты

Введение

Горное дело относится к одному из основных видов человеческой деятельности, обеспечивающей существование и уровень развития цивилизации. Горное дело охватывает разведку месторождений полезных ископаемых, их разработку, первичную переработку добываемого сырья, строительство горных предприятий и подземных сооружений различного назначения.

Горнодобывающая промышленность - это составная часть горного дела, цель которой состоит в добыче и первичном обогащении полезного ископаемого. Эта промышленность поставляет минеральное топливо (уголь, торф, горючие сланцы, нефть), руды (чёрных, цветных, редких и ценных металлов). Горнодобывающая промышленность имеет важную роль в экономике государства, определяет его самостоятельность.

Проектирование, строительство новых и реконструкция существующих предприятий по добыче твердых полезных ископаемых требует знаний технологических процессов, понимания и учета горно-геологических условий, специфики ведения горных работ, требования техники безопасности и охраны труда.

Шахта, как горное предприятие, характеризуется качественными и количественными параметрами. Качественные характеристики включают сведения, которые определяют принципиальные особенности предприятий и могут быть выражены только путем их описания, например, способ вскрытия и подготовки шахтного поля. Количественные характеристики (параметры) выражают с помощью чисел. К основным количественным параметрам относят: производственную мощность, срок службы, балансовые и промышленные запасы, размеры шахтного поля по простиранию и падению.

Задача данной курсовой работы - выбрать и обосновать выбранную систему подготовки шахтного поля и определить технические средства водоотливных работ.

Цель курсовой работы - научиться научным методам разработки  месторождений и научиться использовать наиболее эффективный, с технико-экономической точки зрения, метод для определения горно-геологических условий разрабатываемого месторождения, ознакомиться и изучить схемы подготовки шахтного поля, а также изучить водоотливные установки и методы откачки воды из шахты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание шахты. Общая характеристика шахты
1. Основные параметры шахты

Шахта - промышленное предприятие, осуществляющее добычу пластовых полезных ископаемых подземным способом и отгрузку их потребителю или на горнообогатительную фабрику. Промышленное предприятие, предназначенное для разработки или разведки месторождений полезных ископаемых, называют горным предприятием. Горное предприятие, осуществляющее добычу угля, руд и нерудных полезных ископаемых подземным способом, называют шахтой. В понятие шахты как самостоятельной производственно-хозяйственной единицы включают наземные сооружения и совокупность подземных горных выработок.

Современная шахта — высокомеханизированное предприятие, оснащенное производительными машинами и механизмами для добычи и транспортирования полезного ископаемого, проведения горных выработок, водоотлива и перемещения воздуха по выработкам.

Характеризуется качественными и количественными параметрами.

Качественные характеристики включают сведения, которые определяют принципиальные особенности предприятия и могут быть выражены путем их описания. К ним относятся горно-геологические условия залегания полезного ископаемого, технологическая система шахты, способ вскрытия и подготовки шахтного поля, система разработки очистных забоев и т.д.

Количественные характеристики шахты – численные значения важных с экономической точки зрения показателей. К ним относятся: производственная мощность, срок службы, балансовые и промышленные запасы шахтного поля, его размеры по падению и простиранию, угол падения пластов.

 

 

 

 

2. Промышленные запасы шахтного поля

 

Промышленные запасы – балансовые запасы за вычетом потерь, подлежащие выдаче на поверхность.

Запасы полезных ископаемых - это количество полезного ископаемого и его компонентов, заключенное в недрах земли на определенной площади.

Промышленные запасы подразделяются по степени их подготовленности на вскрытие, подготовительные и готовые к выемке.

Вскрытые запасы – запасы, к которым обеспечен доступ с поверхности земли, через выработки.

Подготовительные запасы – для их разработки проведены основные подготовительные выработки.

Готовые к выемке – запасы, для разработки которых найдены все без исключения подготовительные и нарезанные выработки, осуществлены необходимые работы, позволяющие приступить к очистной выемке месторождения.

Балансовые запасы - запасы, разработка которых экономически целесообразна. По качеству полезного ископаемого эти запасы отвечают требованиям их промышленного использования, а по количеству и условиям залегания пригодны для добывания при современном уровне техники. Они включают в себя промышленные запасы и потери.

Балансовые запасы шахтного поля определяются следующим образом :

Zб = S*H* ∑ P, тыс.т.        (1)

где S – размер шахтного поля по простиранию, м.;

H – размер шахтного поля по падению, м.;

∑Р - суммарное произведение пластов , т/м2.

∑ P= m1v1 +m2v2 +…+mnvn        (2)

где mn – мощность n – го пласта, м.;

n – количество рабочих пластов ;

vn – плотность месторождения n –го пласта, т/м2.

Промышленные запасы шахтного поля определяются по формуле:

Zпр  = C*Zб, тыс.т.         (3)

где С – коэффициент извлечения полезного ископаемого по шахте, доли ед.

Практикой эксплуатации шахт установлено, что коэффициент угла на шахтах составляет при углах падения пласта до 45˚  - 0,75-0,85 доли единиц.

 

3. Проектная мощность шахты

 

Проектная мощность шахты – это потенциально возможный объем добычи месторождения, предусмотренный утвержденным проектом и соответствующий заложенным решениям по технике, технологии и организации работ, т.е. тот объем добычи, который предприятие должно обеспечить в единицу времени.

Годовая мощность шахты определяется по формуле:

, тыс.т.     (4)

где  k1 – коэффициент, учитывающий влияние числа пластов месторождения в шахтном поле и принятых к одновременной разработке ;

(5)

 k2 – коэффициент, учитывающий влияние нагрузки на очистной забой на уровень проектной мощности шахты;

(6)

где – коэффициент, отражающий степень влияния средней нагрузки на единичный очистной забой на годовую мощность шахты;

А3 – месячная нагрузка на очистной забой, т/мес ;

A3=lc*υ*mi*v*C*N         (7)

mср – средняя мощность пластов месторождения;

mi – мощность одного пласта.

lc – наклонная длина отрабатываемого столба или лавы 200 м.

υ – суточное продвигание очистного забоя

υ=r*nц           (8)

где r – глубина вруба,

nц – количество циклов в сутки;

v – плотность месторождения, т/м2,

N – число рабочих дней в месяце,

С – коэффициент извлечения месторождения по очистному забою,

(9)

где Нв – глубина верхней границы шахтного поля;

Нн – глубина нижней границы шахтного поля, м;

Нн = Н*sinα           (10)

где α – угол падения пласта;

Н – наклонная длина поля шахты по падению, м;

(11)

 

4. Срок службы шахты

 

Срок службы шахты – время в годах, в течение которого будут извлекаться промышленные запасы полезного ископаемого в пределах шахтного поля.

На протяжении всего срока службы шахты выделяются следующие этапы:

- строительство и ввод в эксплуатацию,

- освоение проектной мощности,

- стабильная работа,

- подготовка новых горизонтов,

- затухание добычи и выбытие мощности.

Полный срок службы шахты определяется по формуле:

Тn = Tp + t1 + t2          (12)

где Тр – расчетный срок службы шахты

(13)

t1 – срок освоения годовой проектной мощности шахты;

t2 – срок затухания добычи к концу отработки запасов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технология и схема подготовки шахтного поля
1. Шахтное поле

 

В зависимости от размеров месторождения для его разработки может быть заложена одна или несколько шахт. В последнем случае месторождение делят на части. Часть месторождения, отведенная для разработки одной шахте, называется шахтным полем. Границами шахтного поля являются условные поверхности, ограничивающие его по простиранию и падению. В случае негоризонтального залегания месторождения обычно различают границы по восстанию (верхняя граница), падению (нижняя граница) и простиранию (боковые границы). Если месторождение разрабатывают только одной шахтой, то его форма предопределяет конфигурацию шахтного поля, а границы месторождения и шахтного поля примерно совпадают. В случае деления месторождения на шахтные поля, при выдержанных элементах залегания пластов шахтному полю по возможности придают форму прямоугольника, вытянутого по простиранию. В этом случае границы шахтного поля, а, следовательно, и его размеры устанавливаются проектировщиками на основании технико-экономических расчетов.

При невыдержанных элементах залегания пласта или залежи и в том случае, когда в пределах месторождения имеются крупные геологические нарушения или шахтные поля действующих шахт, а также охранные целики под водоемами, зданиями и сооружениями, шахтные поля проектируемых шахт могут иметь самую разнообразную конфигурацию. Их границы в данном случае являются фиксированными. Шахтное поле характеризуется размерами: для горизонтальных залежей — длиной и шириной; для пологих, наклонных и крутых — длиной по простиранию и глубиной.

Длина шахтного поля по простиранию достигает 20 км, по падению 4—5 км, а наиболее распространенные соответственно 6—7 и 2—3 км.

Шахтные поля со всеми расположенными в их пределах выработками изображают на специальных (маркшейдерских) планах: при пологом, наклонном и крутонаклонном залегании пластов в виде проекции на горизонтальную плоскость, при крутом — на вертикальную плоскость. Из этого следует, что длина наклонных выработок на планах, как правило, оказывается уменьшенной. Только горизонтальные выработки, нанесенные на планы, имеют неискаженную длину. Возможна проекция и на плоскость, параллельную пласту; в этом случае все выработки наносятся без искажения их размеров.

На маркшейдерских планах приводят также вертикальный разрез шахтного поля вкрест простирания пород. Пласты угля или залежи вычерчивают с соблюдением их истинного угла падения.

На маркшейдерские планы обычно наносят и изогипсы пласта, которые представляют собой линии пересечения почвы (или кровли) пласта с мысленно проводимыми на одинаковом расстоянии одна от другой горизонтальными плоскостями. Расстояние между плоскостями, следовательно, и между изогипсами по вертикали h принимают в зависимости от угла падения, сложности форм залегания месторождения и принятого масштаба. Например, для месторождений Подмосковного бассейна, где горизонтальные пласты в пределах шахтного поля имеют местные поднятия и опускания, изогипсы проводят через каждый метр. Если же пласты имеют выдержанные углы падения, то изогипсы проводят через 10, 50 и даже 100 м. Каждая изогипса имеет свою высотную отметку по отношению к уровню Балтийского моря.

Кратчайшее расстояние между изогипсами на горизонтальной проекции определяется по формуле:

      (14)

Следовательно, чем больше угол падения пласта, тем ближе располагаются изогипсы одна от другой, и наоборот.

Изогипсы почвы пласта предопределяют направление штреков, проводимых по пласту, особенно тонкому или средней мощности. Исключением являются месторождения типа Подмосковного бассейна, где, как отмечалось выше, угольные пласты имеют сложную гипсометрию. По изогипсам обычно проводят и нижнюю, и верхнюю границу шахтного поля.

 

2. Подготовка шахтного поля

 

Под подготовкой шахтного поля понимают проведение подготовительных выработок после вскрытия месторождения, обеспечивающих условия для ведения очистной выемки. В зависимости от условий залегания, конфигурации месторождения и его протяженности в состав шахтного поля может входить одна или несколько залежей. Шахтное поле иногда включает в себя все месторождение. Размеры шахтных полей в каждом конкретном случае определяются исходя из технико-экономических соображений. При этом сравнивают суммы капитальных и эксплуатационных затрат на 1 т добычи при различных размерах шахтного поля. Каждое шахтное поле характеризуется длиной и шириной в горизонтальных залежах, а в пологих, наклонных и крутых — длиной по простиранию и глубиной.

При разработке крупных месторождений длина шахтных полей может достигать 4—5 км и более.

В зависимости от степени разведанности месторождения, потребности в полезном компоненте, размера капитальных затрат и сроков ввода шахт в эксплуатацию разработку шахтных полей, входящих в состав одного рудника, ведут последовательно, одновременно или смешанно.

Последовательная разработка шахтных полей применяется в жильных месторождениях золота, редких и благородных металлов, а также в тех случаях, когда разработка месторождения связана с крупными капиталовложениями и длительным сроком освоения.

Смешанная разработка производится, когда шахтные поля вводятся в эксплуатацию последовательно по мере окончания разведки новых участков, а разрабатываются одновременно либо когда одна группа шахтных полей включается в разработку одновременно, а другая последовательно, после окончания разработки первой.

Одновременная разработка шахтных полей применяется, когда в состав рудничных полей входят мощные залежи с большими запасами полезных ископаемых, разработка которых может осуществляться отдельными шахтными полями в течение десятков лет.

Как видим, порядок разработки шахтных полей в определенной мере условный.

 

2.3. Выбор способа и схемы подготовки шахтного поля

 

После вскрытия месторождения в пределах шахтного поля приступают к его подготовке, позволяющей начать добычу полезного ископаемого в очистных забоях. Подготовку шахтопластов ведут частями и по мере их отработки подготавливают следующие части. Следовательно, задачей подготовки является постоянное возобновление готовых к выемке запасов взамен отрабатываемых. Постоянное возобновление запасов называют воспроизводством запасов.

Подготовка пласта к очистной выемке состоит из двух этапов. На первом этапе проводят подготавливающие выработки на уровне транспортного горизонта.

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

В основу разделения способов подготовки положены два признака: расположение подготавливающих выработок относительно угольного пласта и число разрабатываемых пластов, обслуживаемых подготавливающей выработкой. На этом этапе подготавливающими выработками являются транспортные (главные) штреки. В зависимости от расположения этих штреков относительно угольного пласта различают пластовую и полевую подготовку пластов.

При пластовой подготовке транспортные штреки проводят по угольному пласту. Ее применяют при устойчивых боковых породах, а также на пластах с углями, не склонными к самовозгоранию. Это, как правило, пласты тонкие и средней мощности. При неустойчивых боковых породах и на пластах с углями, склонными к самовозгоранию, применяют полевую подготовку, при которой полевые штреки проводят в породах лежачего бока. Для выхода на пласт от полевого штрека проводят промежуточные квершлаги. От этих квершлагов по пласту проводят пластовые штреки, которые погашают вслед за выемкой. Как правило, полевая подготовка сопутствует мощным угольным пластам.

В зависимости от числа пластов, обслуживаемых подготавливающей выработкой (штреком), различают индивидуальную и групповую подготовку пластов в шахтном поле.

Следующим этапом подготовки является проведение подготавливающих выработок в плоскости пласта. К ним относятся проводимые в пределах выемочного поля наклонные (бремсберги, уклоны, скаты) и горизонтальные выемочные (конвейерные и вентиляционные штреки) выработки. Результатом второго этапа подготовки является образование очистных забоев принятой длины в количестве, обеспечивающем принятую производственную мощность шахты.

По расположению подготавливающих выработок различают: пластовый, полевой и комбинированный способы.

Пластовый способ - способ, при котором весь комплекс подготавливающих выработок производится по пласту. Данный способ обладает рядом достоинств, таких как: попутная добыча полезного ископаемого, сбор дополнительной информации об элементах залегания пласта, а также высокие темпы производительных выработок. При пластовой подготовке все горные выработки проводят и поддерживают по каждому из разрабатываемых пластов. Основные выработки проводят, как правило, по пласту узким забоем, охраняя их целиком.

 

4. Схема подготовки шахтного поля

 

Схема подготовки - совокупность характерно расположенных с учетом функционального назначения подготавливающих выработок, обеспечивающих формирование готовых к выемке частей шахтного поля. Различают панельную, этажную и погоризонтную подготовку выемочных полей.

На основании исходных данных и норм технологического проектирования выбрана панельная схема подготовки шахтного поля, так как размеры шахтного поля по простиранию велики (S = 5000 м); размер по падению Н = 2500 м и угол падения а=15°

Сущность панельной схемы подготовки заключается в том, что на уровне околоствольного двора проводится главный откаточный штрек. Затем в пределах каждой панели проводят панельные бремсберги с ходками. Каждая панель отрабатывается частями по простиранию, называемыми ярусами. Проветривание очистных и подготовительных выработок в панелях осуществляется через центрально-сдвоенные стволы.

Различают двусторонние (двукрылые) и односторонние (однокрылые) панели. Наиболее часто применяются двукрылые панели. В двусторонней панели бремсберг (уклон) с ходками проводят в середине выемочного поля по простиранию.

Порядок отработки ярусов в панели, как правило, обратный, порядок отработки панелей в бремсберговой части шахтного поля преимущественно прямой, в уклонном - обратный. Число очистных забоев в панели, как правило, два-три.

Достоинства панельной подготовки: возможность создания крупных по мощности шахт за счет одновременной работы в нескольких панелях; возможность повышения концентрации горных работ и конвейеризация транспорта от очистных забоев до ствола; сравнительно малый объем постоянно поддерживающих выработок; сокращение объема поддерживаемых выработок, возможность достижения большой производственной мощности шахт. Недостатки: большие затраты на проведение и поддерживание панельных наклонных выработок; сложная схема проветривания, сложная система изоляции. Особенностью панельной подготовки является расположение очистного забоя по падению пласта, а подвигание - по простиранию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Шахтные водоотливные установки и методика откачки воды из шахты
4. Шахтные водоотливные установки. Их характеристика

 

Водоотливная установка — это комплекс технических средств для удаления воды из горных выработок и выдачи ее на поверхность. Для откачки подземных вод применяют водоотливные установки, которые в зависимости от назначения подразделяют на центральные, главные, участковые, вспомогательные, перекачные, проходческие и скважинные.

Центральная водоотливная установка предназначается для откачки воды из нескольких шахт; главная водоотливная установка — для выдачи непосредственно на поверхность притока воды всей шахты; участковые — для откачки воды из выработок какого-либо участка шахты или рудника в главный водосборник или на поверхность; вспомогательные, располагаемые на участках, уклонах, зумпфах, — для перекачки воды в водосборник главной и центральной водоотливной установки; перекачные, применяемые при волнистой почве пласта, — для откачки воды из участков в водосборник главной водоотливной установки.

Проходческими называют водоотливные установки, применяемые при проходке уклонов, наклонных и вертикальных стволов шахт. Они перемещаются по мере подвигания забоя или понижения уровня воды. При проходке уклонов перекачивают воду в водосборник главной водоотливной установки, а при проходке наклонных и вертикальных стволов выдают ее на поверхность.

Установки для понижения грунтовых вод называются скважинными.

Центральные, главные, вспомогательные и участковые водоотливные установки, как правило, размещаются в специальных камерах и являются стационарными.

При проведении горных выработок применяют передвижные водоотливные установки.

Водоотливные установки (рис. 1) оборудуются в основном центробежными насосами. Установка состоит из насоса (1) с двигателем, всасывающего трубопровода (9) с приемной сеткой (11) и клапаном (10), нагнетательного трубопровода (5) с задвижкой (3) и обратным клапаном (4), трубки (6) с вентилем (7) для заливки водой насоса перед его пуском. Давление во всасывающем (9) и нагнетательном (5) трубопроводах измеряется вакуумметром (8) и манометром (2).

Рисунок 1.

Вертикальное расстояние от уровня воды в заборном резервуаре (колодце) до оси насоса называется геодезической (геометрической) высотой всасывания hвс, а вертикальное расстояние от оси насоса до сливного отверстия трубопровода — геодезической (геометрической) высотой нагнетания hн. Сумма геодезических высот всасывания и нагнетания есть геодезическая (геометрическая) высота подачи Hг, которая по существу является полной геодезической высотой водоподъема. Центробежные насосы, применяемые на горных предприятиях, классифицируются по следующим признакам:

1. По назначению — для чистой воды и специальные (углесосы, шламовые, грунтовые, песковые и др.).

Специальные насосы отличаются от обычных наличием защитных устройств, обеспечивающих более долговечную работу агрегата при транспортировании агрессивной жидкости или гидросмеси.

2. По числу ступеней — одно- и многоступенчатые. Одноступенчатые насосы используют для оборудования вспомогательного водоотлива, а также для заливки главных насосов перед их пуском, многоступенчатые насосы — в главном водоотливе.
3. По характеру соединения рабочих колес — одно- и многопоточные.
4. По конструкции корпуса — цельнокорпусные, секционные и спиральные (с горизонтальным разъемом корпуса).
5. По расположению вала насоса — горизонтальные и вертикальные.
6. По расположению опор и рабочих колес — консольные, с вынесенными и встроенными в корпус опорами.
7. По размещению насоса относительно водоисточника: поверхностные, устанавливаемые у водосборников; подвесные (проходческие и зумпфовые); скважинные, используемые в системах дренажа шахтных полей, а также при добыче чистой воды для питья и технических нужд.

В главных насосных установках шахт и рудников широкое распространение получили горизонтальные центробежные секционные насосы (рис. 2) типа ЦНС (центробежный насос секционный), имеющие вертикальный разъем корпуса. Каждая секция имеет корпус (4) с направляющим аппаратом (5) и рабочее колесо (6) одностороннего всасывания. Рабочие колеса устанавливаются на одном валу, а корпуса секций вместе с крышками всасывания (8) и нагнетания (3) соединены стяжными шпильками (7) и образуют единый герметичный корпус насоса. Места выхода вала (1) из корпуса насоса герметизируются сальниковыми уплотнениями (2).

Рисунок 2.

При работе насоса жидкость последовательно проходит через все рабочие колеса, получая в каждой секции приращение напора. Жидкость из одной секции (ступени) в другую перетекает по каналам неподвижных лопаточных направляющих аппаратов.

В обозначениях типоразмеров насосов ЦНС цифры после букв: первая — подача (м3/ч) при максимальном значении к.п.д.; через дефис — напоры (м) — наименьший и наибольший. Если насос предназначен для откачки кислотных вод, то добавляется буква К, для грязевых насосов — буква Г.

В настоящее время для шахт и рудников промышленностью выпускаются следующие насосы:

- с частотой вращения (синхронной) 25 с-1: ЦНС 60-50 ... 250 ЦНС 180-85 . . . 425, ЦНС 300-120 . . . 600, ЦНСК 300-120 ... 600 ЦНСГ 850-240 .. .960:

- с частотой вращения (синхронной) 50 с-1 ЦНС 38-44 . . . 220, ЦНС 60-66 . . . 330, ЦНС 105-98 ... 490, ЦНС 180-500 .. . 900, ЦНС 300-650... 1040, ЦНСК 60-66... 330.

Направляющие аппараты и рабочие колеса центробежных насосов ЦНС и ЦНСГ чугунные (СЧ21 или СЧ28). Корпус направляющего аппарата может быть также чугунным или из сталей марок 35Л и 40ХН.

В насосах ЦНСК, предназначенных для откачки кислотных шахтных вод температурой от 1 до 40°С с содержанием механических примесей не более 0,2% по массе и размером частиц 0,2 мм, опорные кронштейны выполняются из чугуна, уплотняющие кольца, направляющие аппараты, втулки разгрузки — из прессматериала АГ-4В, остальные детали — из хромоникелевой стали.

Для привода насосных установок в основном применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором в нормальном исполнении единой серии А и АО на напряжение 380/660В.

Для водоотливных установок, работающих во взрывоопасных условиях, выпускаются электродвигатели серий МА, КО и ВАО на напряжение 380/660В и продуваемые под избыточным давлением электродвигатели повышенной надежности серий А, АО, АП, АЗП; взрывонепроницаемые двигатели серии ВАО мощностью до 1600 кВт и серии «Украина» мощностью 630 кВт на напряжение 6000 В.

Насос в процессе работы должен обеспечивать необходимые подачу, экономичность и устойчивость режима работы.

Необходимая подача обеспечивается, если:

Где Qд — подача насоса в действительном режиме работы, м3/ч; Qр — расчетная производительность водоотливной установки, определяемая по притоку воды в водосборник, м3/ч.

Экономичность режима работы обеспечивается эксплуатацией насоса в зоне высоких к.п.д., которая определяется из условия:

         (15)

где ηд — к.п.д. насоса в действительном режиме работы; ηmax— максимальный к.п.д. насоса.