Особенности способов и схем вскрытия, подготовки запасов и проветривания газо- и пожароопасных рудников

А.С. Воронюк, Н.Г. Матвиенко

ОСОБЕННОСТИ СПОСОБОВ И СХЕМ ВСКРЫТИЯ, ПОДГОТОВКИ ЗАПАСОВ И ПРОВЕТРИВАНИЯ ГАЗО- И ПОЖАРООПАСНЫХ РУДНИКОВ

Способы и схемы вскрытия, подготовки запасов и проветривания, то есть скелет совокупности вскрывающих, вентиляционных, транспортных и других коммуникационных выработок рудника, шахты, являются главными факторами их стабильного и безопасного функционирования.

В зависимости от горногеологических условий и технологических особенностей подземной разработки рудных месторождений осуществляются обоснования и принимаются решения по выбору рациональных способов и схем вскрытия, подготовки, порядка выемки запасов руды в шахтном поле и выемочных участках и систем разработки. Все это вместе взятое оказывает доминирующее влияние на рудничную атмосферу в процессе эксплуатации подземных рудников. Воздух, необходимый для жизнеобеспечения работающих в подземном руднике, проходит длительный путь при значительных утечках и больших изменениях своего состава.

Чем рациональней (с позиции борьбы с газо-, пожаро- и взрыво-опасностью) осуществлены на руднике вскрытие и подготовка и приняты порядок выемки и системы разработки запасов в выемочном участке, очистных забоях и в целом в шахтном поле, тем меньше потребуется объем противогазовых и противопожарных мероприятий и как следствие меньше газо-, пожаро и - взрывоопасность и затраты на их предупреждение.

Следует отметить, что при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных рудников недостаточно полно учитываются опасности выделения природных газов и окислительных процессов, обусловливающих снижение содержания кислорода (приводящий к образованию мертвого воздуха) в атмосфере горных выработок и возникновению эндогенных пожаров.

В тоже время ряд месторождений рудоносных регионов нашей страны опасны по выделению природных газов и самовозгоранию руд и вмещающих пород и обескислороживанию воздуха горных вырабо-

233

ток. К ним следует отнести: крупномасштабные глубокозалегающие медно-никелевые месторождения Норильского региона; кимберлито-вые месторождения Якутии; сульфидные и медные месторождения Урала, Кавказа, Сибири и Приморья, включая перспективное крупномасштабное медное Удоканское месторождение [1-7].

Для обоснования и разработки схем вскрытия, подготовки и технологии выемки запасов и проветривания выработок выемочных участков (блоков) и технологических схем порядка и последовательности разработки запасов в шахтном поле необходимо изучение газоносности и химической активности руд и вмещающих пород месторождения на стадии разведки.

Известно, что медно-колчеданные, медно-никелевые, сульфидные и урановые руды обладают характерными особенностями, проявляющимися при их подземной разработке. К этим особенностям следует отнести:

- склонность отбитых руд и обрушенных вмещающих пород к интенсивному окислению, самовозгоранию и образованию эндогенных пожаров в выработанном и обрушенном пространстве;

- поглощение кислорода воздуха и выделение вредных и токсичных газов (СО2, Н28, 8О2), радона и метана;

- взрывоопасность газов и пыли.

Снижение содержания кислорода в рудничном воздухе и образование мертвого воздуха в выработанных и обрушенных пространствах, тупиковых выработках и естественных полостях (часто в карстовых пустотах), самовозгорание сульфидных, медно-никелевых, мед-но-колчеданных и урановых руд и вмещающих их пород происходит по тем же законам, что и изменение состава рудничного воздуха в подземных выработках и самовозгорание углей угольных месторождений. Но обладают специфическими особенностями и сопровождаются выделением токсичных и радиоактивных газов [1, 2].

Особенностью метанообильных угольных шахт и рудников, разрабатывающих сульфидные, медно-колчеданные и урановые руды, является проявление газоносности, которая как бы переходит (в соответствии с протекающими окислительными процессами в определенный период и определенных условиях) в пожароопасность, а затем и во взрывоопасность газов и пыли. Многие природные условия, тектоническая нарушенность, характер залегания пластов, жил и рудных тел, характер и вещественный состав руд и вмещающих их пород и используемые технологические схемы подземной добычи, способы и

234

схемы подготовки запасов и проветривания выемочных участков и очистных забоев способствуют более активному газопроявлению, возникновению эндогенных пожаров, переходящих во взрывы природных газов и пыли [3].

Выделения природных газов на рудниках имеют характерные особенности:

- газовыделения имеют не повсеместное, а локально приурочены к определенным газоносным (как правило, тектонически нарушенным) участкам месторождения;

- интенсивность газовыделения колеблется от нескольких кубометров в минуту в одних рудниках, до десятков тысяч кубометров в сутки - в других;

- определяющим фактором газообильности являются глубины залегания не рудных тел и жил, а газоносных горизонтов и зон локализации газов и путей их миграции.

Знание зонально-локального распределения природных газов на рудных месторождениях важно для обоснования и принятия рациональных способов и схем вскрытия и подготовки запасов, способов и схем проветривания выемочных блоков, обеспечивающих поступление достаточного количества свежего воздуха в очистные и подготовительные забои и условия замедления окислительных процессов. Воздействие природных условий и факторов на проявление пожаро-опасности руд и взрывоопасности рудной пыли таких месторождений необходимо учитывать для прогноза этих негативных явлений при проектировании новых и при переходе на выемку запасов нижних горизонтов действующих подземных рудников.

Химическая активность углей, углистых пород, сульфидных минералов и материалов крепи к кислороду воздуха является основным определяющим фактором обескислороживания атмосферы и самовозгорания полезных ископаемых и вмещающих пород [5]. Показателем химической активности принято считать кинетическую константу скорости сорбции кислорода. Проведенными наблюдениями за поглощением кислорода в рудниках и шахтах установлено, что изменение константы скорости сорбции кислорода находит свое отражение в поглощении кислорода.

Тектоническая нарушенность пластов, рудных тел и вмещающих пород оказывает существенное влияние на пожароопасность их при подземной разработке. Замечено, что в некоторых формах тектонических нарушений увеличивается химическая активность угля, сульфид-

235

ных, медно-колчеданных и урановых руд, а в других - снижается. Это объясняется нарушением первичной структуры угольных пластов, рудных тел и вмещающих пород [1, 4, 5].

Чем больше угол падения и мощность, тем больше нарушены пласты и рудные тела. Это требует оставления целиков больших размеров в зонах тектонической нарушенности месторождения. Как правило, такие целики при длительном стоянии разрушаются и образуют скопления разрыхленного материала, склонного к самовозгоранию. При этом возрастает нарушенность во вмещающих породах и затрудняется изоляция выработанного пространства от вентилируемых выработок и от земной поверхности, создаются благоприятные условия для притока воздуха к скоплениям окисляющихся материалов.

На поглощение кислорода влияет и скорость движения воздуха. Так, при изучении тепловыделения в выработках глубоких горизонтов шахт Донбасса установлено, что увеличение скорости его движения по выработкам способствует повышению тепловыделения. Поскольку последнее является определяющим фактором окислительных процессов, то можно сказать, что с увеличением скорости движения воздуха повышается интенсивность поглощения кислорода из рудничной атмосферы [1, 2, 3, 5]. Повышение скорости движения воздуха в очистном забое способствует и увеличению реагирующей поверхности угля, руды вследствии срыва ранее образовавшейся окисной пленки [2].

Исследования, выполненные сотрудниками института УНИ-ПРОМЕДЬ и другими показали, что основные потери (до 90 % кислорода) на медно-колчеданных и медных рудниках Урала (Красногвардейском, Дегтярском, Левихинских, III Интернационал и других) относятся к окислительным реакциям, протекающим вблизи очистных забоев, в выработанных и обрушенных пространствах, так как плоскости свежего обнажения руд и вмещающих пород окисляются наиболее интенсивно [2, 3].

Процессы окисления вмещающих пород и наличие влаги приводят также к образованию скоплений мертвого воздуха в тупиковых выработках и пустотах. Места сосредоточения и объемы таких скоплений формируют условия накопления тепла, а их расположение относительно вентиляционных выработок благоприятствует поступлению в выработанное пространство такого воздуха, что требует его изоляции. В этих условиях целесообразно применение систем разработки с наименьшим числом целиков и с гидравлической закладкой выработанного пространства.

236

Важным фактором является продолжительность отработки запасов в очистном блоке, камере, в выемочном участке. Время отработки запасов очистных блоков, камер не должно быть большим инкубационного периода самовозгорания скоплений отбитых руд, обрушенных вмещающих пород, деревянной крепи и другого материала в выработанном пространстве. Ширина очистного забоя блока, камеры должна обеспечить возможность сокращения времени отработки их запасов, не превышая срока инкубационного периода самовозгорания.

Анализ накопленного опыта вскрытия и подготовки запасов в шахтном поле, выемочных участках и очистных блоках (панелях) угольных шахт и рудников и способов их проветривания, дает возможность установить рациональные безопасные способы разработки метаноносных угольных пластов и газо, пожаро- и взрывоопасных, газоносных рудных месторождений.

В настоящее время в России в Кузбассе и Печорском угольном бассейне действуют ряд шахт (с годовой производительностью 47,5 млн т) с блоковым способом вскрытия, подготовки и выемки запасов их шахтных полей. К ним следует отнести наиболее технологически совершенные крупнейшую в мире шахту "Распадскую" и "Суходольскую-Восточную" (рисунок) в Кузбассе, "Воргашор-скую" в Печорском бассейне.

При разработке угольных пластов и их свит с большой мета-носностью (до 30-50 м3/т) получил распространение способ вскрытия запасов шахтных полей с делением их на большие самостоятельные блоки. Сущность блокового способа вскрытия сводится к тому, что шахтное поле по простиранию делят на несколько блоков, каждый из которых вскрывается блоковыми стволами и квершлагами и имеет независимое проветривание и самостоятельные выходы на поверхность или вентиляционные горизонты. На откаточном горизонте блоки соединяют транспортной магистралью (как правило, квершлагами и полевыми штреками большого сечения), по которой добываемый уголь поступает к главному стволу, пройденному в центре шахтного поля.

Размеры шахтных полей по простиранию принимаются 10-15 км, а по падению - до 3-4,5 км. Шахтное поле разделяют на два- четыре горизонта размером по падению до 1200 м, а каждый

237

Рис, Схема блокового вскрытия на шахте "Суходольская-Восточная"

1 - блоковые вентиляционные стволы; 2 - главный ствол; 3 - вспомогательный ствол; 4 - людские ходки; 5 - конвейерные бремсберги; б - грузовые ходки; 7 - ярусные вентиляционные штреки; 8 - ярусные откаточные штреки; 9 - блоковый воздухоподающий ствол; 10 - северные магистральные полевые откаточные штреки; 11 - южные магистральные откаточные штреки

горизонт - на три-семь блоков размером по простиранию от 2000 до 4000 м [6, 7].

Установлено, что наибольшее влияние на длину блока по простиранию оказывают, метанообильность шахты и устойчивость вмещающих пород. С повышением метанообильности шахты и снижением устойчивости боковых пород оптимальная длина блока уменьшается.

В настоящее время коренные крутопадающие урановые и ряд жильных сульфидных месторождения разрабатываются небольшими шахтными полями, протяженностью до 500 м. В их пределах рудные запасы вскрываются, подготавливаются и разрабатываются небольшими выемочными участками (протяженностью по простиранию 100120 м). Применяется, как правило, обратный порядок выемки запасов в шахтном поле.

Их вскрытие осуществляется вертикальными центрально расположенными или фланговыми рудоподъемными стволами и вертикальными фланговыми вентиляционными стволами и штольнями в породах лежачего бока месторождения. Способ проветривания подземных выработок - всасывающий или нагнетательно-всасывающий. Характерными примерами могут служить некоторые свинцово-цинковые рудники Хрустальненского и Дальнегорского регионов Приморского края, Садонского месторождения на Северном Кавказе, урановые рудники Пайцдорф, Дрозен и другие в Германии, урановые рудники фирмы Консолидейшен Денисон в Канаде.

Анализ закономерностей изменения рудничной атмосферы, мест формирования очагов эндогенных пожаров и газо- и пылевзрыво-опасности угля, сульфидных, медных, медно-колче-данных и урановых руд позволили выявить:

- узким местом вскрытия, подготовки запасов и проветривания выработок являются узлы соединения и примыкания выработок вентиляционной сети выемочных участков, блоков к основным вентиляционным и транспортным выработкам горизонта, крыла и шахтного поля, а также взаимовлияние расположения выработок вентиляционной сети участка, блока на вентиляционные сети соседних участков и блоков. В таких условиях радикальным решением является полевая подготовка и обоснованная развязка - ответвление вспомогательных и вентиляционных выработок от основных вентиляционных и транспортных выработок горизонтов к блоковым воздухоподающим и воз-духоотводящим стволам;

239

- пути устойчивого регулирования поступления достаточного количества кислорода в рудничном воздухе в очистные и подготовительные забои и замедления окислительных процессов в выработанных и обрушенных пространствах и снижения возможности скопления мертвого воздуха в тупиковых выработках, выработанных пространствах и естественных полостях [1-7].

К основным из этих путей следует отнести:

- применение блокового вскрытия и полевой подготовки запасов в совокупности с проводимыми воздухоподающими и воздухоотво-дящими соединительными и обходными выработками (шлюзами, кроссингами, восстающими) обеспечивающие устойчивое функционирование вентиляционной системы выемочного блока и их очистных забоев; быстрый и надежный вывод аварийного блока из общей вентиляционной и транспортной системы рудника и быстрое выполнение противопожарных и спасательных операций;

- определение оптимальных конструктивных параметров (с позиции газо- и пожаробезопасности и газо-пылевзрыво-безопасности) выработок вскрытия и подготовки запасов и проветривания выемочных участков и очистных забоев и их рационального расположения -примыкания к основным вскры-вающим, вентиляционным и транспортным выработкам горизонта, крыла шахтного поля, рудника.

В этих условиях целесообразно применение блокового способа вскрытия, подготовки и выемки запасов в шахтном поле с нагнета-тельно-всасывающей схемой проветривания. Свежий воздух поступает по вспомогательно-вентиляционным стволам (центрально-расположенным), и выдается по флангам вентиляционным стволам.

Разработка запасов шахтного поля должна вестись от его границ к центру. Очистная выемка в выемочных участках и очистных блоках (столбах, панелях) может осуществляться от центра к границам шахтного поля.

Блоковое вскрытие и полевую подготовку запасов в шахтном поле и обособленное проветривание может осуществляться в двух аспектах:

- для вскрытия, подготовки и разработки рассматриваемых крупномасштабных месторождений с большими запасами и размерами по простиранию от 5-10 до 20 км и в глубину 1-4,5 км рудных залежей и пластов. Месторождения следует делить на отдельные шахтные поля-блоки длиной по простиранию до 7,5-15 км, по падению до 1-4,5км. Блоки проветриваются попарно общей поступающей

240

струей и обособленной в каждом блоке исходящей струей или же самостоятельными воздухоподающими и воздухоотводящими стволами в условиях значительной газоносности и тектонической нарушенно-сти рудных тел и вмещающих пород. Блоки делятся на панели или столбы по простиранию и восстанию;

- вскрытие и подготовка запасов малыми блоками протяженностью 100-120м целесообразны для коренных крутопадающих месторождений с шахтными полями протяженностью до 500м и менее. Здесь целесообразны: обратный порядок выемки запасов в шахтном поле; вскрытие вертикальными центрально расположенными или флаговыми рудоподъемными стволами и штольнями, вертикальными фланговыми вентиляционнымим стволами в породах лежачего блока месторождения: способ проветривания подземных выработок всасывающий или нагнетательно всасывающий.

Пологопадающие и горизонтальные пластовые урановые, жильные сульфидные месторождения вскрывать основными вертикальными рудоподъемными и вспомогательными стволами в центре и с расположением вентиляционных стволов на фланге шахтного поля. Шахтное поле целесообразно разбить на небольшие (100-150м) выемочные блоки с обособленными проветриванием и выходами на поверхность из каждого блока. Для этого должны проходиться вентиляционные стволы или скважины.

При блоковом вскрытии и подготовке запасов и обособленном их проветривании в лавах, выемочных столбах и очистных блоках наиболее эффективна схема возвратноточного проветривания. При обратном направлении отработки запасов выемочного участка - блока.

Главным для снижения пожароопасности технологических схем выемки руды в пределах выемочного участка и очистного блока является выбор рациональных порядка и систем разработки. Наиболее пожароопасно применение системы этажного блокового самообрушения, с магазинированием руды, камерно-столбовые, щитовые, с закладкой выработанного пространства, использующие деревянные настилы (маты). Наименее пожароопасны - системы с наименьшим числом целиков в выработанном пространстве и с твердеющей закладкой выработанного пространства, то есть с минимумом потерь отбитой руды в выработанном пространстве.

В настоящее время возникла настоятельная необходимость создания научно-методических положений обеспечения безопасной, комплексной и экологичной разработки газо- и пожароопасных руд-

241

ных месторождений, обеспечивающих устойчивое регулируемое поступление достаточного по природным и технологическим условиям количества воздуха в выработки; замедление окислительных процессов в выработанных и обрушенных пространствах и снижение возможности скопления мертвого воздуха в не действующих тупиковых выработках и естественных пустотах. Надлежащее решение этой проблемы возможно только при своевременном и квалифицированном изучении газового фактора на всех этапах освоения месторождения: геологической разведке, проектировании, ведении горнокапитальных, подготовительных и очистных работ, ликвидации производства.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвиенко Н.Г. Выделение природных газов при освоении рудных месторождений. - М.: Наука, 1988. - 230 с.

2. Лидин Г.Д. Процессы обескислороживания воздуха в подземных выработках. Сб. Проблемы разработки угольных месторождений. - М.: СФТГП ИФЗ АН СССР, 1969. - С. 142-146.

3. Веселовский В.С. Физические основы самовозгорания угля и руд. - М.: Наука, 1972. - 148 с.

4. Воронюк А.С. Рациональные схемы и параметры вскрытия рудных месторождений. - М.: Наука, 1993. - 250 с.

5. Веселовский В.С., Виноградова Л.П., Терпогосова Е.А., Орлеанская Г.Л. и др. Прогноз и профилактика эндогенных пожаров. - М.: Наука, 1975. - 160 с.

6. Устинов М.И. Избранные труды. Проблемы вскрытия и подготовки запасов шахтных полей угольных месторождений. М.: Издательство государственного университета Культуры, 1996. - 328 с..

7. Воспроизводство вскрытых и подготовленных запасов угля на шахтах. -М.: Недра, 1990. ЕШ

— Коротко об авторах -

Воронюк А.С., Матвиенко Н.Г. - ИПКОН РАН.

--© Г. С. Забурдяев, И. А. Новикова,

А.С. Подображин, 2008

Г.С. Забурдяев, И.А. Новикова, А.С. Подображин

МЕТАНО- И ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ ШНЕКОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ

242