НЕПРЕРЫВНЫЙ БУРОВЗРЫВНОЙ СПОСОБ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ СПИРАЛЬНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ НЕЗАСЫПНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
CONTINUOUS DRILL AND BLAST METHOD TO PRODUCE MINERALS IN SPIRAL ENTRIES BY NON-FILLING DEVICES

Изобретение относится к горной промышленности, касается способа добычи полезных ископаемых, устройства его исполнения, безопасности горных работ и может быть использовано в угольной и других добывающих отраслях.
При любом способе извлечении твердых полезных ископаемых из недр земли их вместе с прикрывающими или вскрывающими породами горных выработок предварительно разрушают для возможности перемещения.
Основным экономичным способом этого дробления полезных ископаемых и породы горных выработок является буровзрывной способ, включающий в себя последовательно бурение скважин или шпуров, их заряжание взрывчатым материалом, взрыванием с дроблением и последующим транспортированием отбитой породы или полезного ископаемого от забоя с многократным повторением этого проходческого цикла.
Каждый процесс этого способа имеет свои различные технологические особенности как по продолжительности, так и по виду применяемых механизмов:
- бурение скважин, шпуров производится бурильными установками с возможностью передвижения к забою и по забою;
- процесс заряжания скважин сопровождается с необходимостью доставки ВВ к месту закладки и свободной площади забоя без бурильных установок;
- взрывная отбойка требует удаления из забоя на безопасное расстояние механизмов и оборудования, обслуживающего персонала с последующим проветриванием;
- сортировка с погрузкой и транспортированием взорванной породы, полезного ископаемого производится с применением погрузочных и транспортных машин, требует также свободного доступа к забою, смена которых затрудняет организацию эффективного непрерывного поточного метода ведения буровзрывных работ.
В открытых карьерах добыча полезного ископаемого с полным его извлечением идет сплошным измельчением буровзрывным способом всего выделенного объема частями с горизонтальной внешней поверхности для удобства ведения буровых и заряжающих работ с нее и торцовым ведением забоя, подъездные пути к которым имеют прямые или спиральные съезды с технологических дорог, выполненных также по прямой, кривой, серпантинной или спиральной схеме, ограниченные наклонными бортами выработки (1. Потапов М.Г. Карьерный транспорт. Недра. 1985 г., стр.124).
Высокая производительность и низкая себестоимость обеспечивается вместе с применением большой единичной мощности непрерывностью буровзрывных работ, обусловленных большой территорией с созданием на ней широкого фронта работ и чередованием на нем производственных процессов. Тем не менее горные работы приостанавливаются на время перестановки оборудования, взрыва породы и полезного ископаемого (2. Килячков А.П. Горное дело. Недра, 1989 г., стр.231).
При потере рентабельности в связи с увеличивающимся объемом перемещающей горной массы и плечом транспортной составляющей переходят на подземный способ добычи, горные выработки которого имеют ограниченное пространство при их большой протяженности, в которых затруднено маневрирование специальных машин с созданием широкого фронта работ, поэтому операции (бурения шпуров, заряжания шпуров, взрывания ВВ, проветривания и приведения забоя в безопасное состояние, погрузки и транспортирования породы, возведение постоянной крепи и др.) буровзрывной технологии по продвижению забоя ведутся поочередно, чем обусловлена одна из основных причин низкой производительности ограниченных подземных горных работ и высокой себестоимости добычи с неполным извлечением полезного ископаемого (3. Петров А.И. Проходчик горных выработок. Недра. 1991 г., стр.48).
В угольных шахтах взрывание в горных выработках сопряжено с риском вспышки метана и угольной пыли, возгоранием пластов угля, а затратные меры на технику безопасности увеличивают себестоимость добычи и не исключают подобных аварий, т.к. взрывная или механическая отбойка угля с интенсивным выделением метана и образованием угольной пыли в любом случае производится непосредственно в открытом пространстве горной выработки.
Известны комплексы для непрерывного ведения горных выработок с установленными на нем механизмами и оборудованием, осуществляющие непрерывную отбойку породы или полезного ископаемого от забоя по всему сечению выработки механическим способом, что менее производительно, чем механическое бурение скважин значительно меньшего размера с последующим разрушением оставшегося массива взрывом, с непрерывной погрузкой отбитой породы и полезного ископаемого от забоя через себя в транспорт, находящегося сзади, работа которого циклична из-за удаления места разгрузки полезного ископаемого или породы, что делает работу всего комплекса непроизводительной (3. стр.48).
Известен способ добычи полезного ископаемого, осуществляемый одной наклонной горной выработкой, состоящей из ступенчатого ряда соединенных между собой горизонтальных выработок (камер) сплошным дроблением разрабатываемого массива буровзрывным способом с последующей сортировкой и транспортировкой.
Преимуществом перед открытым способом является сокращение транспортной составляющей до размера горизонтальных камер и общей наклонной выработки.
Недостатком является низкая производительность цикличностью продвижения забоев горизонтальных выработок в разрабатываемый массив буровзрывным способом, состоящего из нескольких поочередно проводимых операций с соответствующей приостановкой продвижения забоев, из которых наиболее проблемной является взрывная отбойка породы или полезного ископаемого, требующая повышенных мер безопасности из-за близости забоев и незначительной мощности заряда и соответствующего незначительного продвигания забоя за один проходческий цикл (4. RU 2367793 С1, 5. RU 2367794 С1).
Цель изобретения - повышение производительности и снижение себестоимости при добыче полезных ископаемых ведением горных работ непрерывным поточным наиболее производительным буровзрывным способом проходческого цикла с повышением безопасности отсутствием взрывной отбойки разрабатываемого массива в полости горной выработки и в зоне нахождения людей и устройств.
Для достижения поставленной цели достаточно изменить направление движения горизонтальной горной выработки и направить ее не прямо в разрабатываемый массив, а продвигаться вдоль разрабатываемого массива по спирали витками по предварительно ранее разрыхленной сплошной взрывной отбойкой горной выработке, при этом произойдет разделение фронта работ проходческого цикла буровзрывным способом в пространстве при единовременном их проведении с непрекращающимся бесконечным в пределах выделенного поля продвижением вдоль разрабатываемого массива:
- бурение скважин или шурфов осуществляется горизонтально в бок будущей горной выработки в отличие от вертикального бурения сверху при открытом способе или горизонтального бурения в торец при подземном способе, т.е. процесс бурения переносится на третью угловую сторону, что практически не меняет условия;
- закладка зарядов в скважины происходит одновременно с буровыми работами по мере продвижения выработки и освобождения фронта работ от предыдущей операции бурения, тогда как при торцовом ведении горной выработки у забоя необходимо сменить оборудование с повышением производительности;
- процесс взрывания с отбойкой породы и с формированием новой горной выработки производится при достаточном продвижении выработки так, как удаление от заряженного забоя на безопасное расстояние оборудования предыдущих процессов при торцовом ведении горной выработки, но без прекращения процессов бурения скважин и их заряжения;
- процесс подготовки нового фронта работ буровзрывного способа осуществляется перемещением взорванной породы в пройденную выработку с очищением и обнажением боков новой выработки также на достаточном безопасном расстоянии от места взрывной отбойки без прерывания предыдущих процессов так же, как осуществляется перевалка породы из новой выработки в отработанную с одновременной рекультивацией при открытом способе добычи полезного ископаемого, но на значительно меньшее расстояние примыканием выработок значительно меньшего размера.
Непрерывный проходческий цикл выполняется последовательно одновременно с формированием горной выработки взрывной отбойкой предварительно уложенными зарядами с позиций другой пройденной с последовательным витковым переходом одной выработки в другую и имеют примыкающий характер для непрерываемости проводимых работ, поэтому прилегающие бока пройденной и формируемой горной выработки являются общими на всем протяжении цикла, траектория которых представляет сжатую вплотную спиральную пружину или несколько пружин с размещением их между витками, причем они могут быть как криволинейные, так и прямолинейные (6. Скороходов Е.А. Общетехнический справочник. Машиностроение, 1990 г., стр.45, 46) и не имеют конца или начала в отведенном поле в отличие от разработки частями с окончанием работ в конце и возобновлением их в начале каждого блока.
При отработки горизонта отрабатывается нижний, который находится под насыпной горной массы предыдущих проходов с необходимостью оставления предохранительного целика, как при подземной разработке, из которого проблематично извлечь полезное ископаемое, поэтому эффективней отрабатывать месторождение сразу на всю глубину залегания полезного ископаемого или большими частями.
Описываемый непрерывный способ проходческого цикла способен развить ступенчатые способы добычи полезных ископаемых, раскрытых в описании к изобретениям в RU 2367793 С1 и RU 2367794 С1 (4 и 5), где изменяют направление продвижения целого ряда горизонтальных ступенчатых выработок, ограниченных с одной стороны насыпным отвалом, а с другой - разрабатываемым ступенчатым массивом также по горизонтальной спирали, как и одиночная описанная выше горная выработка с тем необходимым дополнительным требованием, чтобы каждая вышестоящая выработка не засыпала нижестоящую не только со стороны отвала, но и по пути продвижения выработок с выполнением непрерываемого проходческого цикла синхронно этим рядом:
- бурение скважин или шурфов производится в бока вновь формируемых горных выработок ступенчатого ряда по мере их обнажения буровыми установками с ряда устройств, где каждое находится под защитой вышестоящего с перекрытием на величину откоса разрыхленной породы с учетом общего наклона ступенчатых выработок и отвала, который ограничивает высоту бортов;
- закладка зарядов с дистанционным взрыванием производится в готовые скважины с продвигающего устройства без прерывания процесса бурения, причем доставка зарядов к месту укладки производится независимо через общую наклонную выработку;
- процесс взрывания с формированием новой горной выработки происходит при достаточном удалении устройств от этого места с резервом времени для возможного любого порядка взрывания неограниченного объема и размеров при непрекращающемся процессе бурения скважин и укладки в них зарядов, тогда как при открытом способе на время взрыва из-за открытого пространства приостанавливаются другие работы с удалением на безопасное расстояние оборудования и машин других процессов, а при подземном способе - освобождение призабойного пространства с остановкой буровзрывных работ других процессов, причем в предлагаемом варианте взрыв происходит в окружении ранее отбитой породы, что препятствует распространению взрывной волны и разлетающихся кусков породы, а в угольных шахтах дополнительно распространению метана и угольной пыли по шахте, одновременно перекрывая доступ воздуха к углю, что полностью предотвращает возможность вспышки метана и угольной пыли без мер противопожарной безопасности (предварительная дегазация пластов, проветривание, подавление пыли и т.д.), не гарантирующих подобные несчастные случаи, причем выгодна и безопасна даже принудительная или внезапная вспышка выделившегося метана и образовавшейся угольной пыли от взрывания последующих зарядов на этом безопасном расстоянии в закрытом пространстве, а также во избежание распространения метана через верхние и нижние открытые выработки, что полностью гарантирует непопадание их в рабочие зоны;
- перегрузка отбитой породы из горной выработки в отвал с повторным заполнением ее с формированием опорных площадок допускает подпор борта отвала со стороны противоположно направлению движения и не допускает бокового подпора во избежание заклинивания устройства и происходит параллельно без остановки предыдущих трех последовательных циклов буровзрывного способа добычи, т.к. фронт буровых и закладочных работ находится в прилегающей стороне и освобождается по мере выполнения этого процесса освобождения выработки и продвижения устройства в отличие от обязательного завершения освобождения забоя и призабойной площадки для возобновления буровых работ.
Продвижение устройств осуществляется по разрыхленной породе путем ее переброски с борта или забоя взорванной породы, угол откоса которого не должен засыпать устройства через себя в образующийся нижестоящий отвал освобождаемого пространства, угол откоса борта которого также не должен засыпать устройства за счет перекрытия, поэтому верхнее устройство должно перекрывать нижнее с возможным подпором отвалом заднего оградительного щита с одновременным требованием широкого фронта работы с обеих сторон при минимальном транспортном расстоянии, тогда как при прямой проходке ступенчатого ряда через разрабатываемый массив перекрытие требуется только со стороны, что осуществляется ступенчатым смещением устройств по уступам отвала, поэтому требуется такая форма перекрытий, чтобы перекрывала сразу с трех сторон.
С боковой стороны устройства опираются на опорные площадки уступов ранее образованного отвала предыдущим витком с приданием ему наклонного борта с безопасным углом откоса, причем действие борта уступа при случайном сползании должно действовать как можно на меньшую площадь с созданием меньшего давления во избежание засыпания и заклинивания устройств, т.к. давление будет действовать поперек движения в отличие от прототипа, продвигающихся между вертикальных бортов прочного массива и защитных оградительных боковых щитов устройств, которые не соприкасаются с боковыми бортами горизонтальных выработок и где угол наклона общей наклонной выработки может быть меньше безопасного угла откоса за счет возможного подпора отвалом по ходу движения, тогда как в предлагаемом варианте этот общий угол не может превышать безопасного угла наклона борта смещением его на каждой опорной площадке с тем же возможным подпором по ходу движения.
Если при прямой тупиковой проходке массива устройства упирались в забой с целью предотвращения засыпания призабойной площадки, то в предлагаемом варианте, наоборот, устройства с другой боковой стороны не должны соприкасаться с разрабатываемым массивом для продвижения, что вполне осуществимо, т.к. взрывная отбойка с формированием горной выработки произошла давно и на достаточном удалении с приобретением кровли и боков выработки устойчивого положения.
Одновременно в бок будущей выработки производятся две операции проходческого цикла - бурение скважин и закладка зарядов, поэтому длина устройства на этом участке должна быть больше для совместного ведения этих операций, чем при последовательном выполнении этих операций в тупиковом забое подземной горной выработки.
При ступенчатом расположении устройств верхнее должно перекрывать нижнюю с учетом углов откоса бортов разрыхленной массы в отличие от вертикальных бортов неразрушенного массива, обрушение которых маловероятно, т.к. размеры их соизмеримы с размерами вертикального забоя и с которым не проводят никаких операций, причем во избежание случайного просыпания породы с верхнего устройства стороны устройства должны быть параллельны бокам пройденной выработки, которые при взаимном параллельном смещении не перекрывают друг друга на угол откоса, как задние стороны, поэтому боковые стороны предлагаемого устройства должны занимать промежуточное положение между параллельными боковыми сторонами и задней перпендикулярной стороной.
Этим требованиям отвечают устройства треугольной или трапециевидной формы в горизонтальной плоскости, причем равнобедренной или не имеющие сторон под прямым углом к направлению продвижения, т.к. в этом случае ступенчатое смещение устройств не вызовет с этой стороны увеличивающееся перекрытие нижестоящей, где уменьшенная площадь формы по сравнению с прямоугольной компенсируется увеличением длины трех сторон с расширением фронта производимых работ и уменьшением длины со стороны опорного отвала, чем снижается транспортное расстояние и снижается вероятное давление с него, тогда как при прямом проходе сторона опорного отвала является рабочей зоной, с которой ведется его формирование, и поэтому прямое использование ступенчатого ряда устройств, предназначенного для тупикового ведения, не работоспособно для ведения спиральных горных выработок.
Увеличенная длина сторон, ведущих забой и отвал, позволяет увеличить фронт работ с увеличением производительности и увеличением сечения горной выработки формированием ее за пределами устройств с возможностью взрывного поэтапного формирования требуемого профиля и объема, как это происходит при ведении тупикового забоя с задержкой или очередностью взрывания разных по мощности зарядов, ограниченных рабочей зоной призабойного участка и очередностью горных работ.
Общая наклонная выработка вместе с горизонтальными перемещается в массиве по мере его отработки, и если при непосредственном ее выходе на поверхность не возникает проблем, то при подземной сплошной разработке возникает необходимость в строительстве витковой выработки, которая передвигалась вместе с наклонной и имела выход на поверхность, что осуществляется путем опережающей проходки верхних и нижних горизонтальных выработок без их засыпания, которые соединяются с ранее проложенными горизонтальными выработками, проложенными буровзрывным способом с ведением тупикового забоя.
Разработка массива с выемкой полезного ископаемого может вестись как одной спиральной горизонтальной выработкой, так и несколькими параллельными спиральными горизонтальными выработками с увеличением мощности, где устройства ведут непрерывный буровзрывной цикл в паре с устройством прилегающего витка параллельной спиральной выработки после него при условии, что взрывная отбойка породы нескольких выработок производится между ними на достаточном расстоянии и не вызовет аварийных ситуаций и не снизит безопасность.
Дальнейшая сущность способа с устройством его осуществления объясняется с помощью чертежей, где:
на фиг.1 - спиральные горные выработки и ступенчатый ряд устройств незасыпаемой формы поперек продвижения;
на фиг.2 - вид вдоль продвижения;
на фиг.3 - вид сверху с формой устройства;
на фиг.4 - принципиальная схема способа;
на фиг.5 - общий вид выработок в шахте.
Ступенчатый ряд устройств 1 (фиг.1, 2, 3 - прямоугольные проекции) в горизонтальных спиральных горных выработках 2 с комплектом горных машин и оборудования буровзрывного способа, включающих буровые 3 и заряжающие установки 4, погрузочные 5 и транспортные 6 устройства, находится в горных выработках 2 между вертикальным боком 7 под обратными уступами 8 разрабатываемого массива 9, под которыми располагаются подвижные щитовые перекрытия 10, закрепленные к широкой стороне 11 устройства 1, у которой также у вертикального бока 7 массива 9 расположены буровые 3 и заряжающие установки 4, и насыпным отвалом 12 с опорой выдвижными опорами 13 на опорные площадки формируемого уступа 14, угол откоса 15 борта 16 которого не засыпает нижеформируемые уступы 14 нижестоящих устройств 1, на опорные площадки которых через промежуточные опорные стойки 17 нижестоящих устройств 1 опираются вышестоящие с возможностью относительного движения между собой, где с меньшей стороны 18 под устройствами 1 над бортом 16 уступа 14 установлены транспортные устройства 6 буровзрывного цикла.
Верхнее устройство 19 верхней выработки 20 ступенчатого ряда выполнено с возможностью передвижки относительно кровли 21 предохранительного слоя 22 массива 9 верхней спиральной выработки 20 путем применения гидравлических стоек 23 и проведения потолочных буровых и заряжающих работ с расширением зоны выработки и оставлением параллельной спиральной незаполненной горной выработки 24 или имеет непосредственный выход на поверхность.
Нижнее устройство 25 нижней спиральной выработки 26 ступенчатого ряда выполнено с возможностью расширения фронта работ для ведения параллельной спиральной незасыпаемой горной выработки 27 под разрабатываемым массивом 9.
С передней стороны 28 по направлению продвижения ступенчатого ряда устройств 1, 19 и 25 по витку находятся завалы взорванной породы 29 и полезного ископаемого 30, треугольная или трапецеидальная форма перекрытий устройств 1, 19 и 25 которых при их взаимном смещении перекрывают друг друга на величину угла откоса 15 перегружаемой породы 29 из передней стороны 28 в отвал 12.
Извлечение полезного ископаемого 30 осуществляется через общую наклонную выработку.
Освоение месторождения начинается с первоначального ведения горных работ с наклонного ступенчатого винтового направления в нисходящем или восходящем порядке, и выходом на заданную глубину ведут горизонтальные спиральные горные выработки от центральной части или с периметра месторождения.
Работа способа демонстрируется наглядными изометрическими изображениями фиг.4 и 5.
Буровые установки 3 пробуривают горизонтальные скважины 31 на глубину ширины будущей выработки 32 будущего витка, которая равна действующей ширине устройств 1 в разрабатываемый массив 9 с последующей установкой в них зарядов 33 с дистанционным взрывателем с бесконечным повторением процессов с перемещением вдоль разрабатываемого массива 9 по спиральной траектории 34 вместе с устройствами 1, которые продвигаются по мере переброски породы 29 погрузочными 5 и транспортными 6 устройствами в отвал 12 с выдачей полезного ископаемого 30 через общую наклонную, причем нижние и верхние скважины 31 производятся в незаполненных выработках 24 и 27, а вертикальные скважины 31 - в предохранительный слой 22 массива 9.
При достаточном удалении устройств 1, 19 и 25 от места укладки зарядов 33 производится их срабатывание дистанционно с отбойкой породы и формированием новой спиральной выработки 2, 20 или 26 и новой боковой поверхности разрабатываемого массива 9, в которую после ее обнажения устройством с его платформы произведутся вновь буровые и закладочные работы при непрерывной переброске взорванной предыдущим или впереди идущим проходом по спирали через устройства с освобождением этой сформированной выработки с последующим вновь ее заполнением уже пустой породой 29 с извлечением полезного ископаемого 30, а при нехватке пустой породы 29 она берется с отвала 12 предыдущих спиральных проходов.
После отработки верхних горизонтов месторождения переходят на нижние со строительством или углублением шахтных стволов 35 и 36 и новых горизонтальных выработок 37 и 38, которые соединяются со спиральными выработками 20 и 27, проложенных соответственно верхними и нижними устройствами 19 и 25 ступенчатого ряда, причем верхняя горизонтальная спиральная выработка 20 проложена под предохранительным слоем 22 массива 9, который разрушается впоследствии вместе с взрывным формированием остальных выработок, а нижняя 38 соединяется со спиральной горной выработкой 26, проложенной под заряженным подготовленным к взрыву массиву 9, поэтому эту горную выработку 26 предварительно перед взрывом переносят дальше под массив 9 опережающим взрыванием с формированием новой полости этой выработки перемещением взорванной породы 29 в полость предыдущей спиральной выработки предыдущего витка под заряженным массивом 9 с последующим взрыванием его, при котором не произойдет засыпание спиральной нижней выработки 27 с одновременным увеличением ее протяженности при сокращении прямой горизонтальной выработки 38 на ширину выработки с сохранением двухстороннего выхода из общей наклонной выработки и ступенчатого ряда устройств 1, 19, и 25, таким образом ведущие спиральные примыкающие с бесконечным продолжением витков горизонтальные выработки 2, 20 и 26 - непрерывным производительным безопасным буровзрывным способом, который обеспечит полную выемку полезного ископаемого 30, как при открытом способе, но более эффективно и сохранит не одну шахтерскую жизнь.
Источники информации
1. Потапов М.Г. Карьерный транспорт. Недра. 1985 г.
2. Килячков А.П. Горное дело. Недра, 1989 г.
3. Петров А.И. Проходчик горных выработок. Недра. 1991 г.
4. RU 2367793 С1 - прототип.
5. RU 2367794 С1.
6. Скороходов Е.А. Общетехнический справочник. Машиностроение, 1990 г.