К статье ГОРНОЕ ДЕЛО
Сплошная система разработки. Для угольных шахт и ряда нерудных горнодобывающих предприятий разработано оборудование, позволяющее значительно снизить временне потери.
В камерно-столбовой системе разработки широкое применение нашли баровые добычные комбайны. Они, как правило, устанавливаются на гусеничном шасси и оснащены рядом резцов, укрепленных на нескольких параллельных цепях, формирующих режущую головку шириной не менее 60 см. Эти цепи вращаются вокруг ведущих звездочек на режущей головке, внедряющейся в глубь забоя. Продвижение исполнительного органа вперед достигается с помощью гидравлической системы или путем перемещения всей машины. Добытый материал направляется назад по резцам и цепям на конвейер, подающий его в вагонетки, откатываемые к главной конвейерной системе.
Корончатые комбайны для поточной добычи оснащены режущими головками с резцами, прикрепленными к вращающимся рукояткам. Эти резцы устанавливаются таким образом, что они перекрываются, поэтому при вращении резцовой головки разрушается вся площадь забоя.
В угольных шахтах США широко применяются дисковые добычные комбайны, действие которых аналогично баровым комбайнам, но они оснащены режущими дисками. Их исполнительный орган движется в вертикальной плоскости, срезая уголь по всей высоте пласта и формируя камеры шириной 4,5-6 м. Часто после того, как уголь отбит по всему простиранию пласта, извлекаются целики, оставленные для поддержания кровли (на этапе отработки обратным ходом кровля поддерживается деревянной крепью до завершения отработки пласта, после чего обрушается). Хотя эти машины имеют производительность до 15 т/мин, их возможности реализуются редко, так как комбайн либо ожидает доставочную машину для погрузки угля, либо после отработки примерно 6 м его приходится перемещать на другое место, чтобы провести крепление выработки. Комбайны для поточной работы затрачивают на добычу угля примерно 30% времени. Способы повышения эффективности связаны с развитием систем непрерывной откатки и включения в комбайны устройств для анкерного крепления кровли. Анкеры имеют диаметр 15-18 мм и устанавливаются по регулярной сетке с шагом 1-2 м.
Разработка длинными очистными забоями. При разработке длинными очистными забоями (лавами) подготовка крупных угольных блоков осуществляется с использованием стандартных камерно-столбовых систем. Ширина такого блока, как правило, 180 м, а длина - 900-1800 м. Для управления кровлей и почвой, а также для защиты людей и оборудования после подготовки блока вдоль его меньшего измерения устанавливается гидравлическая крепь. Добычная машина обычно представляет собой два вращающихся режущих барабана, укрепленных на гидравлических консолях на каждом из концов корпуса машины таким образом, что один из барабанов срезает верхнюю часть пласта, а другой - нижнюю. Выбирая диаметр барабанов и выдвигая гидравлические консоли, можно отрабатывать пласты с меняющейся мощностью. Добычная машина связана со скребковым конвейером, бегущим по всей ширине блока. Этот конвейер присоединяется к крепи посредством гидравлических цилиндров, которые после каждой заходки вдоль блока или забоя проталкивают всю систему к забою. Врубовые барабаны срезают полосу шириной ок. 1 м на забое, после чего с помощью гидравлических плунжеров, установленных на крепи, конвейер проталкивается вперед. Затем крепь забоя опускается и передвигается вперед для следующего прохода комбайна. Кровля выработки за крепью обрушается. Таким способом из недр извлекается до 90% угля. В среднем за смену каждой такой системой добывается ок. 3000 т, а рекордная производительность за сутки составила 20 тыс. т с одного забоя.
Проходка стволов. При проходке стволов бурятся комплекты шпуров, в которые помещают заряды ВВ, после чего породы разрушаются взрывом. В особых случаях, когда стволы проходятся через водоносные горизонты, их герметизируют, закачивая в скважины вокруг ствола под давлением цементный раствор, либо воды замораживают циркулирующим охлаждающим агентом.
Отбитая горная масса поднимается на поверхность. В большинстве механизированных стволопроходческих установок для погрузки руды используют грейферы; грузы поднимаются на поверхность в бадьях или скипах (контейнерах, открытых сверху для загрузки и для опорожнения опрокидыванием; в некоторых из них имеются донные заслонки для разгрузки).
Для подъема руды или угля на поверхность через стволы применяются подъемные машины с барабаном для навивки троса и каната. Иногда нагруженные вагонетки помещают непосредственно в клеть. Чаще для последующей доставки на поверхность отбитый материал, откатываемый или транспортируемый по конвейеру к околоствольному двору, разгружается в специальные бункеры, сформированные буровзрывным способом в горных породах, примыкающих к стволу. Затем материал перепускается в скипы для подъема на поверхность по ручным или автоматическим скатам.
Дренаж и водоотлив. Поверхностные и подземные воды сильно осложняют ведение горных работ. Степень обводнения выработок поверхностными и подземными водами зависит от рельефа поверхности, климата и горногеологических условий.
Положение горизонта подземных вод изменчиво, особенно в горных районах, а в пустынных районах он может вообще отсутствовать. Встречающиеся выше этого горизонта поверхностные воды подвержены сезонным изменениям. Режим обводнения ниже горизонта подземных вод более постоянный, однако и он меняется по мере продвижения горных выработок от проницаемых к водоупорным породам.
Дренажные горные выработки. Ниже горизонта горных работ часто проходятся дренажные горные выработки. В идеале такие выработки могут служить также в качестве подготовительных и откаточных. Чтобы дренажные выработки были рентабельными, необходимо благоприятное сочетание горногеологических условий и рельефа местности.
Водоотлив. Когда проходка дренажных выработок оказывается неэффективной, используют водоотлив. Первоначально подземные воды накапливаются в водосборниках, где осаждаются шлам и песок, представляющие опасность для некоторых видов насосов. Большинство рудничных насосов представляет собой многоступенчатые электроприводные центробежные устройства, способные работать под водой. Они обладают высокой производительностью (до 30 м3/мин). В подготовительных выработках и слепых стволах (гезенках) используются центробежные насосы меньших размеров. В особых случаях иногда применяются эрлифты и поршневые насосы.
В районах с месторождениями битуминозных углей шахтные воды создают серьезные проблемы, прежде всего из-за ущерба, который они причиняют, попадая в поверхностную дренажную систему. Содержащийся в угле пирит окисляется и частично растворяется в водах, скапливающихся в прекративших работу угольных шахтах, слегка подкисляя воду. Когда такая вода попадает в ручьи и реки, она пагубно влияет на все живое. Поэтому в США, например, принято законодательство, обеспечивающее контроль за кислотностью сбрасываемых в реки вод. Кислотные шахтные воды разрушают насосы и трубы, для утилизации агрессивных вод требуются дорогостоящие кислотоупорные материалы.
Вентиляция используется для очистки воздуха, загрязненного образующимися при буровзрывных работах мелкими частицами пыли, газами (углекислым и метаном) и для охлаждения горных выработок. Вентиляция позволяет также снижать влажность воздуха. В некоторых глубоких шахтах с естественно высокой температурой горных пород применяется кондиционирование воздуха. Первые механические кондиционеры были установлены в золотых рудниках ЮАР.
При проведении горных выработок необходимы по меньшей мере две параллельные выработки, которые обеспечивают аварийный выход, если одна из них будет повреждена, и позволяют проветривать участок горных работ. Во многих шахтах и рудниках существует естественная вентиляция. Однако для обеспечения наиболее крупных рудников воздухом требуется система принудительной вентиляции.
Поскольку метан в угольных пластах находится под давлением, требуются разветвленные и тщательно контролируемые системы вентиляции, обычно вытяжного типа. Загазованный воздух удаляется из шахты мощными вентиляторами, установленными на поверхности в устьях выработок. Чистый воздух поступает через рабочий ствол или устье штольни. Для управления потоком воздуха в подземных выработках используются вентиляционные двери и другие виды барьеров. Рабочие забои проветриваются чистым воздухом, поступающим через вентиляционные трубы или направляемым с одной из сторон вентиляционной перегородки. Перегородка представляет собой барьер, изготавливаемый из влагостойкого материала для продления срока ее службы в условиях высокой влажности, типичной для многих шахт. Продольная перегородка прикрепляется к рядам стоек и натягивается от кровли до почвы горной выработки таким образом, чтобы поток воздуха направлялся вдоль одной из ее сторон. Перегородки часто используются в камерах при камерно-столбовой разработке угля. Они устанавливаются параллельно стенкам камеры, достигая точки, достаточно близкой к забою, обеспечивая шахтеров чистым воздухом, поступающим с одной из сторон перегородки.
Для проветривания горных выработок обычно применяются осевые вентиляторы. На многих старых разработках используются высокопроизводительные центробежные вентиляторы. Большинство вентиляторов, расположенных на поверхности, приводится в действие электродвигателями или сжатым воздухом. Часто, особенно в забоях выработок и туннелей, применяются струйные системы. Объемы воздуха, используемого для проветривания выработок, весьма значительны и рассчитываются на основе норм на одного человека с поправками на удаление пыли, газа и снижение температуры. Минимальная норма подачи воздуха обычно составляет 8,5-14 м3/мин на одного человека; на практике во многих шахтах объем циркулирующего воздуха достигает 42 м3/мин. Развитие вентиляционных систем связано с преодолением аэродинамического сопротивления горных выработок без увеличения скорости воздушного потока.
Освещение. Там, где имеются источники электроэнергии, светильники располагаются вдоль откаточных выработок, штреков и квершлагов, а также в околоствольных дворах и других постоянно работающих объектах. Во многих выработках используются флюоресцентные лампы. Горняки обычно экипируются индивидуальными электрическими головными лампами, работающими от аккумуляторных батарей (массой 1,6-1,8 кг).
Яркое постоянное электрическое освещение в подземных условиях стало мощным фактором повышения безопасности и эффективности горных работ, а в загазованных выработках позволило устранить опасность пожаров и взрывов, которые возникали от открытого пламени применявшихся первоначально карбидных ламп.