Zestaw VIII - Technologia podziemnej eksploatacji złóż

Techniki podziemnej eksploatacji złóż węgla.

1.     Czynniki wpływające na wybór systemu eksploatacji.

Warunki naturalne złóż węglowych :

- głębokość zalegania pokładu,

- grubość pokładu,

- warunki stropowo – spągowe,

- urabialność węgla, (jest okreslona wskaźnikiem protodiakonowa f)

- gazowość węgla,

- ochrona powierzchni,

- kąt nachylenia pokładu

2.     Klasyfikacja i zakres stosowania podziemnych systemów eksploatacji złóż.

Przygotowane do eksploatacji częśći i  złoża są wybierane przy zastosowaniu odpowiedmo dobranych systemów eksploatacji. Przez system eksploatacji rozumie się sposób planowego wybierania złoża za pomocą wyrobisk eksploatacyjnych o określonych wymiarach, z ustalonym kierunkiem przesuwania się przodków eksploatacyjnych i ustalo­nym sposobem likwidacji przestrzeni poeksploatacyjnych (zrobów). Różnorodność wa­runków geologiczno-górniczych sprawia, że dla eksploatacji złóż stosuje się olbrzymią ilość (setki) różnych systemów eksploatacji. Dla ułatwienia porozumiewania się oraz uła­twienia doboru systemów eksploatacji opracowano odpowiednie ich klasyfikacje. W Polsce funkjonuje klasyfikacja systemów eksploatacji opraco­wana przez prof. W.Budryka (1950 r.).

Ze względu na rodzaj wyrobiska eksploatacyjnego wydzielono

systemy ubierkowe,

zabierkowe,

komorowe i blokowe.

Zasadniczymi elementami decydującymi o zaliczeniu systemu do grupy systemów ubierkowych są długość frontu eksploatacyjnego i sposób likwidacji przestrzeni poeksploatacyjnej. Długość frontu obejmuje całą szerokość przygo­towanej części złoża (piętra, pola, filara eksploatacyjnego)!

Wyrobiska o największej długości nazywa się ścianami (powyżej 50 m). Podstawowymi elementami ściany są: długość (L), wybieg (W), szero­kość przodku (P), wysokość (h).

Długość ścian wynosi od 50 m do 350 m, wybiegi od 100 m do ponad 3000 m, szero­kość przodków od 2 do 8 m, a wysokość ścian od 1 do 5 m. Systemy ścianowe stosuje się głównie do wybierania złóż pokładowych, regularnie zalegających, słabo zaburzonych tektonicznie. Przy stosowaniu systemów ścianowych uzyskuje się duże wydajności przod­kowe i stanowią one główną grupę systemów stosowanych w kopalniach węgła kamiennego.

systemy filarowo-ubierkową różnią się od systemów ścianowych mniejszą długoś­cią przodka, poniżej 50 m.  Stosowano je w złożach o większych zaburzeniach tektonicznych, gdzie występowały trud­ności w utrzymaniu przodka ścianowe­go o dużej długości. Obecnie systemów tych nie stosuje się, Szerokość wybieranych pasów wynosi około 6 m.

Drugą grupę systemów stanowią zabierki.

Zabierka jest to wyrobisko o wąskim przodku, zwykle 4-8 m szerokości, w którym likwidacja zrobów następuje po wybraniu części złoża objętego: zabierką, Wysokość zabierki jest równa

grubości złoża lub wydzielonej warstwy i nie przekracza 8 m. Wybieranie złoża zabierką
postępuje w kierunku prostopadłym do dłuższej krawędzi filara. W systemach filarowo-zabierkowych długość zabierki dochodzi do 50 m, a w systemach długich zabierek do 100 m.

W systemach filarowo zabierkowych przygotowuje się złoże do eksploatacji podobnie jak w systemach filarowo-ubierkowych, tzn. dzieli się złoże na filary eksploatacyjne Filary wybiera się zabierkami . Systemy filafowo-zablerkowe stosuje się do wybierania złóż rud charakteryzujących się. zmienną miąższością i okruszcowaniem. W zależności od własności skał stropowych zabierki prowadzi się tuż przy zrobach lub pozostawia się między zabierkami niewybraną część calizny nazywaną płotem (~ 1 m) lub nogą (1+3 m). Systemy długich zabierek stosuje się do wybierania resztek złóż lub złóż zalegających w filarach ochronnych. W systemach łych nie wydziela się filarów eksploatacyjnych a rozcięcie złoża dostosowuje się do istniejącej sy­tuacji górniczej.

Trzecią grupę stanowią systemy komorowe. Miedzy komorami pozostawia się filary oporowe ciągłe, prostokątne lub kołowe. Zadaniem filarów jest stałe (s. komorowe właściwe) lub okresowe utrzymanie stateczności stropu. Obecnie stosuje się różnorodne odmia­ny systemów komorowych. Jako podstawową cechą tych systemów można przyjąć utrzy­mywanie przestrzeni poeksploatacyjnej o dużej powierzchni przez długi okres. Przed li­kwidacją przestrzeni poeksploatacyjnej następuje często wybieranie filarów międzykomorowych Przestrzenie poeksploatacyjne obejmujące wiele komór likwiduje się przez wywoływanie zawału robotami strzałowymi lub przez podsadzanie.

3.     Systemy wybierania pokładów grubych.

Dzielimy na warstwy grube pokłady na 2,5-3m. jak wybieramy do góry lepiej gdy mamy zagrożenie pożarowe.

Gdyby eksploatacja prowadzona była od dołu to warstwy górne pękają i dostarczane jest świeże powietrze w nastepnym przodku mogą powstać ogniska pożarowe. Niespotykany się już z tym systemem z wyprzedzeniem, dopiero po zakończeniu pierwszej zaczynamy drugą.

Gdy eksploatacja prowadzona jest pod zawałem, to można założyć siatkę podobna do ogrodzeniowej (ekspl ze sztuczną powałą stropu).

Ze wzglądu na grubość wydzielono systemy z wybieraniem złoża na całą grubość lub z podziałem na warstwy. Podziału na warstwy dokonuje się. w złożach grubych. Grubość wydzielonych warstw zależna jest od przewidywanego systemu eksploatacji. Dla systemów ścianowych stosowanych w kopalniach węgla kamiennego wydziela się war­stwy o grubości 2,5+3,0 m. Zależnie od kąta nachylenia i grubości złoża wydziela się war­stwy równoległe do uławicenia, warstwy poziome lub warstwy pochyłe. Podziału na warstwy równoległe do uławicenia dokonuje się w złożach poziomych i słabo nachylo­nych. W bardzo grubych i słabo nachylonych złożach wydziela się warstwy poziome. W przypadku stosowania systemów z podsadzką hydrauliczną korzystnie jest wydzielać warstwy pochyłe, co ułatwia grawitacyjne odprowadzenie wód podsadzkowych. Eksploa­tację w warstwach prowadzić można niezależnie, jak gdyby w oddzielnych pokładach lub wybiera się równocześnie kilka warstw zachowując odpowiednie wyprzedzenie między przodkami. Kolejność wybierania warstw zależy głównie od stosowanego sposobu likwi­dacji zrobów. W przypadku stosowania podsadzki warstwy wybiera się od niższych Ku wyższym, a w przypadku stosowania zawału stropu kolejność wybierania jest odwrotna .

4.     Specjalne systemy eksploatacji złóż  węgla kamiennego: (zwiercanie, systemy podbierakowe, hydro-urabianie, systemy krótko-frontowe).

5.     Sposoby likwidacji zrobów.

Wybór systemu likwidacji [przestrzeni poeksploatacyjnej uzależniony jest od rodzaju skał zalegających nad złożem, głębokości eksploatacji, zagospodarowania powierzchni i występujących zagrożeń naturalnych. W warstwach zalegających nad złożem wydzielić można:

- strop bezpośredni, czyli zespół warstw stropowych, który pod wpływem własne­go ciężaru odspaja się od warstw wyżej leżących, a nie podparty obudową o odpo­wiedniej podporności załamuje się i odpada do wyrobiska tworząc gruzowisko za­wałowe,

- strop zasadniczy, który stanowią mocne i sztywne warstwy skał zalegających nad stropem bezpośrednim albo bezpośrednio nad złożem, które po wybraniu załamują się. trudno i w dużych odstępach, -

-strop fałszywy występujący bezpośrednio nad złożem w postaci warstwy skał o ma­łej grubości (do 1 m) i niskich parametrach wytrzymałościowych, który trudno utrzymymać w postaci zwartej w przestrzeni roboczej w przodku, stąd odpada wraz z urabianiem złoża.

Jeżeli nad złożem występuje strop bezpośredni o odpowiednij grubości (powyżej 3m) to z powodzeniem można stosować systemy eksploa z zawałem stropu. Systemy z zawałem stropu charakteryzują się najniższymi

93 kosztami eksploatacji, ale wywołują największe deformacje powierzchni Zawał wywołanej lub przesuwanie do calizny obudowy zmechanizowanej. Przy eksploatacji z zawałem stropu wydziela się wzdłuż osi głębokości następujące strefy:

-         strefę zawału,

-         strefę spękań,

-         strefę osiadania ( ugięcia).

Strefa zawału obejmuje te warstwy skalne, które pozbawione podparcia opadają do wyrobiska wraz z obrotem brył i tworzą gruzowisko zawałowe, podpierające wyższe war­stwy skalne. Przebieg zawału oraz stopień wypełnienia zrobów uzależniony jest od rodza­ju skał stropowych oraz od ich uławicenia i łupności. Powierzchnie uławicenia powstały przy tworzeniu się skał osadowych i były pierwotnie poziome, a dopiero wskutek działa­nia sił tektonicznych otrzymały one pewne nachylenie. W czasie procesów tektonicznych powstała tzw. łupność oraz uskoki. Nachylenie płaszczyzn łupności wynosi najczęściej 70°-85°. Piaskowce mają bardzo rzadką sieć łupności i słabe uławicenie, stąd trudno ule­gają zawałowi. Z reguły stanowią one strop zasadniczy w kopalniach węgla kamiennego. Strop bezpośredni stanowią najczęściej łupki lub inne skały z rozwiniętą siatką podzielności.

Wynika stąd, że dla uzyskania pełnego podparcia stropu powinna ulec zawałowi war­stwa skał o grubości 1,2-2-krotnej grubości złoża. Wobec różnorodności występujących warstw skalnych przyjmuje się orientacyjnie, że wysokość strefy zawału wynosi:

h = 2 • m              gdzie:  m - grubość eksploatowanego złoża.

Gruzowisko zawałowe staje się podporą dla wyższych warstw stropu. Pod ich naciskiem gruzowisko uszczelnia się, a wyższe warstwy ulegają spękaniu i obniżeniu bez o n brył. Jest to tzw. strefa spękań, której wysokość szacuje się na

h=(1-1,5)m

a sumaryczna wysokość strefy zawału i spękań wynosi około 3,5 m. Powyżej strefy spękań warstwy skalne osiadają aż do powierzchni w zasadzie bez przerwania Przyjmuje się, te maksymalne obniżenie powierzchni nad rejonami, w który brano z zawałem stropu, wynosi:

Wmax= 0,7 • m

Jeżeli grubość stropu bezpośredniego jest mniejsza od przewidywanej wysokości strefy zawału i spękań, to można stosować systemy eksploatacji z częściowym zawałem stropu) lub z częściową podsadzką. Podsadzkę stanowi materiał nietoksycz­ny i niepalny, dostarczony z powierzchni lub wyrobisk drążonych w kamieniu, lokowany w przestrzeniach poeksploatacyjnych. Jeżeli nad złożem występuje strop zasadniczy, to zaleca się stosować systemy eksploatacji z podsadzką (rys. 8.19). Systemy z podsadzką należy stosować również w przypadku występowania stropu bezpośredniego o odpo­wiedniej grubości, gdy wymagana jest ochrona powierzchni lub wyżej zalegających warstw skalnych. W pierwszym przypadku chodzi o zabezpieczenie obiektów znajdujących się na powierzchni przed ich uszkodzeniem w wyniku nadmiernych deformacji, natomiast w drugim przypadku chodzi o niedopuszczenie do nadmiernego spękania skał nadległych stanowiących warstwę izolującą dla wyżej zalegających warstw wodonośnych lub ochronę wyrobisk użytkowanych w warstwach zalegających.

6.     Zbrojenie i likwidacja ścian.

7.     Sposoby prowadzenia ścian w trudnych warunkach geologiczno górniczych (uskoki, obwały, wymycia, ścienienia)

1.   Prowadzenie ścian w bezpośrednim sąsiedztwie uskoków miejscowych.

Uskoki te stanowią jeden z najbardziej uciążliwych elementów tektoniki pokładu ze względu na wielkość zrzutów, przekraczające grubość eksploatowanego pokładu, co wiąże się zawsze z koniecznością przezbrajania ściany.

Rozwiązania polegające na przekraczaniu frontem ściany tych uskoków z punktu widzenia techniczno - ekonomicznego są nieuzasadnione.

W przypadkach wystąpienia uskoków miejscowych w zależności od kierunku ich przebiegu w stosunku do linii frontu ścianowego, prowadzenie ściany w ich bezpośrednim sąsiedztwie może polegać na:

-  skracaniu ściany wzdłuż uskoku,

-  skosowaniu ściany,

-  przezbrojeniu ściany pełnym frontem,

-  przezbrojeniu ściany dzielonym frontem.

Ø      Skracanie ściany wzdłuż uskoku - stosowane jest w przypadkach gdy kąt zawarty między uskokiem, a linią ociosu ściany  jest stosunkowo duży (np. w granicach 40 - 80°), a uskok wystąpił w końcowym wybiegu pola ścianowego. W celu maksymalnego wykorzystania złoża w danym polu ścianowym, wykonuje się wzdłuż uskoku technologiczne diagonalne wyrobisko przyścianowe, wzdłuż którego następuje systematyczne skracanie ściany do długości ok. 50 m, co schematycznie pokazano na rysunku A.

Przy stosowaniu w ścianie obudowy zmechanizowanej, skracanie ściany wiąże się z systematyczną likwidacją sekcji obudowy zmechanizowanej w miarę postępu frontu ścianowego.

Jedną z istotnych zalet takiego sposobu prowadzenia ściany jest skrócenie czasu przezbrajania sekcji na ścianę następną., ze względu na ich częściowe wyrabowanie (w ok. 60%) jeszcze w trakcie normalnego biegu ściany.

Analogiczny sposób prowadzenia ściany można stosować również przy nieprostopadłym usytuowaniu pochylni ścianowych w stosunku do chodnika nadścianowego.

Ø      Skosowanie ściany - stosuje się, gdy płaszczyzna uskoku jest odchylona pod kątem bardzo ostrym (np.<40°) od płaszczyzny czoła ściany.

Wówczas w celu  maksymalnego wyeksploatowania zasobów danego pola ścianowego, w końcowym biegu ściany wykonuje się skrawy „klinowe” które w konsekwencji powodują odchylenie się czoła ściany od kierunku prostopadłego do wyrobisk przyścianowych.

Sposób wybierania ściany przy jej skosowaniu przedstawiono schematycznie na załączniku 2b. Jest on również bardzo często stosowany przy zbliżaniu się frontem ściany do chodnika wentylacyjnego.

Ø      Przezbrajanie ściany pełnym frontem - stosuje się w przypadkach gdy w polu ścianowym wystąpi uskok miejscowy równoległy do czoła ściany lub odchylony od niego pod bardzo małym kątem, a powyżej uskoku pozostaje część pola ścianowego pozwalająca na uruchomienie nowej ściany. W takich wypadkach, po zbliżeniu się frontem ścianowym do uskoku, eksploatacja zostaje zatrzymana i przystępuje się do likwidacji ściany. Odpowiednio wcześniej powyżej uskoku zostaje wykonana nowa obcinka ścianowa.

Po przygotowaniu zatrzymanej ściany do likwidacji, następuje rabowanie sekcji oraz ich transport i montaż w nowej obcince. Przezbrajanie dotyczy także pozostałego wyposażenia ściany. Schemat przezbrajania ściany pokazano na rys. A.

Wadą tego sposobu prowadzenia ściany jest konieczność okresowego wyłączenia oddziału z wydobycia lub posiadania uzbrojonego frontu rezerwowego.

Ø      Przezbrajanie ściany dzielonym frontem – stosuje się , gdy w polu ściany wystąpi uskok miejscowy znacznie odchylony od kierunku czoła ściany, a powyżej uskoku nożna uzbroić nową ścianę.

Na rysunku B pokazano schemat przezbrajania ściany zmechanizowanej zawałowej w rejonie uskoku miejscowego.

Technologia przezbrajania ściany obejmuje:

Þ    wykonane z odpowiednim wyprzedzeniem nowej obcinki ścianowej (część "a" i część "b") powyżej uskoku oraz pochylni między ścianowej, przechodzącej przez uskok miejscowy i sięgającej do wysokości projektowanego zatrzymania pierwszego odcinka ściany (odcinek "a" zatrzymanej ściany),

Þ    po zbliżeniu się frontem ściany do wysokości wykonanej pochylni międzyścianowej , zatrzymanie odcinka "a" ściany pomiędzy pochylnią I a pochchylnią międzyścianową. i dalsze kontynuowanie eksploatacji skróconym o połowę frontem ściany (odcinek "b") pomiędzy pochylnią międzyścianową i pochylnią II,

Þ    w trakcie prowadzenia eksploatacji skróconym frontem ściany , prowadzone jest przezbrajanie sekcji obudowy zmechanizowanej oraz wyposażenia z części "a" zatrzymanej ściany do części "a" nowej obcinki,

Þ    zatrzymanie czyści "b" frontu ścianowego z jednoczesnym uruchomieniem nowej ściany z uzbrojonej części "a" obcinki,

Þ    w trakcie prowadzenia nowej ściany skróconym frontem (część "a") nastąpi przezbrojenie obudowy i wyposażenia z części "b" zatrzymanej ściany do części "b" nowej obcinki,

Þ    po osiągnięciu frontem ściany części "a" wysokości uzbrojonej nowej obcinki część "b" nastąpi wydłużenie ściany do pełnej długości i dalsze jej prowadzenie całym frontem.

Przy tej technologii prowadzenia ściany ważnym jest aby czasy eksploatacji skróconych odcinków ściany i czasy przezbrajania odcinków ściany były sobie równe, co gwarantuje ciągłość prowadzenia eksploatacji, tylko z okresowym  zmniejszeniem zdolności wydobywczej frontu ścianowego.

Ø    Przekraczanie zaburzeń tektonicznych w ścianach.

Przekraczanie zaburzeń tektonicznych (uskoków) w ścianach wiąże się z dwoma niekorzystnymi zjawiskami:

§      możliwością opadu skał stropowych w strefie urabiania,

§      pozostawianiem w zawale ściany grubej warstwy węgla.

Konsekwencją opadu skał stropowych w ścianie, spowodowanego dezintegracją skał w strefie uskoku, może być:

§      postój technologiczny związany z pracami nad zabezpieczeniem wyrw w stropie, co wpływa na zmniejszenie postępu ściany, zwiększając prawdopodobieństwo rozwoju procesów samozagrzewania się węgla w zawale w strefie przewietrzania zrobów – rys. 8.

§      konieczność zabezpieczenia skał stropowych łatą węgla, która pozostanie w zrobach ściany.

Rys. 8. Migracja powietrza przez zroby ściany przewietrzanej w układzie "U"

1.     strefa przewietrzania zrobów - miejsce uaktywnienia procesów samozagrzewania

2.     strefa gasząca – zanik procesów samozagrzewania

Dlatego też przy przekraczaniu zaburzeń tektonicznych w ścianach istotne jest zastosowanie profilaktyki polegającej na klejeniu strefy uskokowej wyprzedzająco przed frontem ściany. Obecnie na rynku znajduje się szereg środków przeznaczonych do klejenia górotworu dostosowanych do różnych warunków górniczo-geologicznych (górotwór suchy lub mokry, bardziej lub mniej zwięzły). Są to w szczególności kleje poliuretanowe, mocznikowe, organiczno-mineralne i epoksydowe. W strefie uskoków wierci się szereg otworów wyprzedzających w zależności od warunków lokalnych. Kleje zatłaczane są do otworów specjalnymi pompami o napędzie hydraulicznym wykorzystującym ciśnienie emulsji zasilającej obudowę zmechanizowaną ściany. Własności penetracyjne klejów, ich wysoka wytrzymałość zapewniają bezpieczne przekraczanie zaburzeń.

Gabaryty oraz konstrukcja kombajnów ścianowych i przenośników zgrzebłowych ścianowych uniemożliwiają przejście frontem ściany przez zaburzenia tektoniczne (zwłaszcza uskoki o zrzucie równym lub większym od wysokości ściany) w sposób, przy którym nie pozostawiana jest gruba warstwa węgla. W pewnych zakresach można kierować ścianą w taki sposób, aby pozostawiana warstwa węgla była w warstwie przyspągowej, natomiast jak najmniejsza w warstwie przystropowej. Warstwa przystropowa łaty węglowej w zawale ulega rozkruszeniu, co przyśpiesza procesy samozagrzewania (rys. 9 i 10).

Rys. 9. Przejście przez uskok z pozostawieniem łaty węglowej w warstwie przystropowej – wariant niekorzystny dla potencjalnego zagrożenia pożarowego.

1.       łata w warstwie przystropowej, ulegająca rozkruszeniu w zawale ściany

Rys. 10. Przejście przez uskok z pozostawieniem łaty węglowej w warstwie przyspągowej – wariant korzystny dla ograniczenia zagrożenia pożarowego.

8.     Specjalistyczne roboty górnicze przy drążeniu wyrobisk korytarzowych.

9.     Dobór obudowy dla wyrobisk eksploatacyjnych i korytarzowych.

10. Sposoby ochrony wyrobisk korytarzowych przyścianowych.

...