Глава 6 написана совместно с Ногих с. Р. И Шундулиди и. А.

Все замечания и пожелания по улучшению учебника будут приняты с благодарностью.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ_________________________________________

1. Основные понятия о шахте и терминология

1.1. Основные горно-геологические характеристики залегания угольных пластов

Угольным месторождением называется природное скопление угля, которое в количественном и качественном отношениях пригодно для промышленного освоения.

Ископаемые угли – это твердые горючие вещества осадочного происхождения, состоящие из продуктов биохимического разложения органических веществ и содержащие от 75 до 97 % углерода и некоторое количество минеральных примесей. Ископаемые угли залегают в виде пластообразных тел или прослоев среди других пород осадочного происхождения.

Пластом принято называть геологическое тело, сложенное однофазной осадочной породой, ограниченное двумя приблизительно параллельными поверхностями и занимающее значительную площадь.

Залегание угольных пластов характеризуется следующими горно-геологическими факторами.

Мощность пласта. В России и других странах пласты по мощности делят на весьма тонкие – до 0,7 м, тонкие – от 0,71 до 1,2 м, средней мощности – от 1,21 до 3,5 м и мощные – свыше 3,5 м. Существуют и другие градации деления пластов по мощности. Так, например, в Германии пласты по мощности разделяют на восемь групп: до 0,7 м; 0,70–1; 1–1,3; 1,3–1,6; 1,6–1,9; 1,9–2,2; 2,2–2,5 и более 2,5 м; в КНР – на тонкие (менее 1,3 м), средней мощности (1,3–3,5 м) и мощные (более 3,5 м).

Угольные пласты бывают простого и сложного строения. Пласт простого строения состоит только из полезного ископаемого. В пласте сложного строения уголь разделяется на отдельные слои прослойками породы. Слой угля, находящийся между двумя прослойками породы, называют пачкой.

У пластов сложного строения различают мощность полную (суммарная мощность прослойков и пачек пласта), полезную (суммарная мощность пачек) и вынимаемую (суммарная мощность пачек и прослойков угольного пласта, извлекаемых при добыче).

Весьма тонкие пласты угля мощностью до 0,3 м принято называть пропластками.

Горные породы, окружающие полезное ископаемое, а также заключенные в нем в виде прослойков, называются пустыми породами.

В России подземным способом разрабатываются пласты мощностью от 0,5 до 18 м; при этом средняя мощность разрабатываемых пластов равна 2,51 м, в то время как в Великобритании она составляет 1,4 м, в Германии – 1,78 м, во Франции – 1,63 м. Нижний предел мощности разрабатываемых пластов в Великобритании, Германии и Франции 1,2 м.

Рабочими считаются пласты угля по мощности, строению и содержанию полезных компонентов, пригодные для разработки при существующем уровне техники и организации производства и условии рентабельности или необходимости для народного хозяйства.

Мощность пласта оказывает влияние на выбор схем и способов подготовки шахтного поля, систем разработки, средств механизации очистных и подготовительных работ. От нее также существенно зависят нагрузка на очистной забой, другие технико-экономические показатели работы.

Угол падения пласта. В России по углу падения пласты подразделяют на пологие (до 18°), наклонные (от 19 до 35°), крутонаклонные (от 36 до 55°) и крутые (от 56 до 90°). В Германии к пологим относят пласты с углом падения до 18°, к слабонаклонным 18–36°, сильнонаклонным – 36–54°, крутым – свыше 54°. В КНР пологими считают пласты с углом падения до 25°, наклонными – 25–45°, крутыми – 45–90°. Существуют и другие градации деления пластов по углу падения.

Угол падения пластов влияет на выбор элементов технологической схемы шахты и ее параметры. Крутонаклонное и крутое падение пластов существенным образом сказывается на технологии работ и средствах механизации выемки угля.

Форма и условия залегания пластов. Хотя условия залегания угольных пластов, как правило, более или менее постоянны в пределах месторождения, тем не менее наблюдаются изменения их мощности (раздувы, утонения, выклинивания и разрывы сплошности) и угла падения, вызванные генетическими и тектоническими причинами. Указанные изменения могут влиять не только на выбор схем и способов вскрытия и подготовки шахтного поля, но и на параметры систем разработки. Особые затруднения при разработке вызывают разрывные геологические нарушения пластов с большой амплитудой, которые отрицательно сказываются на эффективности использования горной техники и безопасности работ (особенно на пластах с углем, склонным к самовозгоранию, и пластах, опасных по внезапным выбросам угля и газа).

К значительным затруднениям при разработке приводит также сближенность пластов. Это вызвано перераспределением напряжений при выемке отдельных пластов, которое охватывает часть свиты или даже всю свиту пластов, осложняя их выемку. Эффективная и безопасная отработка сближенных пластов (особенно мощных) требует научного обоснования, порядка и очередности их выемки, выбора соответствующих систем разработки и их параметров.

Глубина залегания. С ростом глубины залегания пластов повышаются горное давление, температура, газоносность угольных пластов и боковых пород. С увеличением глубины возрастают число и интенсивность горных ударов, внезапных выбросов угля, породы и газа и др.

Глубина разработки оказывает влияние на вентиляционную сеть шахт, число вентиляционных ветвей, технологическую схему шахты, средства выемки угля, подъем, подземный транспорт, шахтный водоотлив и др. Строительство глубоких шахт требует больших капиталовложений, отличается длительными сроками ввода предприятия в эксплуатацию.

Устойчивость вмещающих пород. Она зависит не только от физико-механических свойств пород, но и от их трещиноватости, нарушенности, наличия поверхностей ослабления на контактах слоев и слоистости. Устойчивость вмещающих пород непостоянная и иногда изменяется в пределах одного выемочного поля.

Устойчивость пород кровли во многом предопределяет безопасность работающих в очистных забоях, состояние дорогостоящих механизированных крепей, выемочных машин, а следовательно, накладывает существенные ограничения на технологию подземных горных работ.

Состояние почвы, ее характеристики, гипсометрия также во многом влияют на выбор технологического оборудования, ход процесса выемки угля, передвижки конвейера и секций механизированной крепи и др.

Газоносность пластов. Большинство угольных пластов и пропластков, а в ряде случаев и вмещающие породы содержат метан. Различают следующие формы его выделения в шахтную атмосферу:

обыкновенное – непрерывное медленное выделение газа из трещин и пор в угле и породе по всей обнаженной поверхности;

суфлярное – бурное выделение газа из трещин, шпуров или скважин, происходящее иногда продолжительное время при значительном дебите;

внезапное – местное интенсивное выделение больших количеств газа в течение короткого промежутка времени, сопровождающееся разрушением угольного пласта или пород и в особых условиях способное вызвать выброс угля.

Наиболее опасной формой выделения метана являются внезапные выбросы метана, угля и породы. Масса выброшенных угля и породы колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч тонн, а объем выделяющегося при этом газа исчисляется миллионами кубометров.

Внезапные выбросы происходят также с участием метана и углекислого газа (Россия), углекислого газа (Верхнесилезский каменноугольный бассейн, Польша), известно несколько случаев внезапных выбросов с участием азота (Франция).

Выделение метана в шахтную атмосферу может привести к образованию взрывоопасных смесей, представляющих угрозу для жизни работающих в шахте людей. Для предотвращения образования таких смесей в шахту необходимо подавать свежий воздух в количествах, достаточных для разбавления метана до неопасных концентраций.

Газоносность пластов оказывает влияние на топологию сети горных выработок, схему вскрытия, систему разработки и порядок отработки выемочных участков.

Газообильность шахты принято обычно оценивать отношением общего метановыделения в шахте (м³) к средней ее добыче (т) за определенный период (сут), или так называемой относительной газообильностью.

В России Правилами безопасности в угольных шахтах (ПБ) к шахтам, опасным по газу, относятся такие, хотя бы в одной выработке которых обнаружен метан. В зависимости от относительной метанообильности и вида (формы) выделения метана такие шахты разделяют на пять категорий (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Разделение шахт по метанообильности в России

Категория шахт по метану	Относительная метанообильность шахты, м^3/т
I	До 5
II	От 5 до 10
III	От 10 до 15
Сверхкатегорные	15 и более; суфлярные выделения
Опасные по внезапным выбросам	Шахты, разбатывающие пласты, опасные или угрожаемые по внезапным выбросам угля и газа; шахты с выбросами породы

В Индии шахты по относительной метанообильности разделяют на три категории (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Разделение шахт по метанообильности в Индии

Категория шахт по метану	Относительная метанообильность шахты, м^3/т
I (негазовые и малогазовые)	Менее 1
II (среднегазовые)	От 1 до 10
III (высокогазовые)	Более 10

В Германии шахты разделяют на следующие степени метанообильности (табл. 1.3).

В США принято считать газовой шахту, в которой наблюдается выделение метана в любой пропорции к суточной добыче.

Наибольшая опасность метана заключается в том, что газовоздушная смесь воздуха при содержании метана 5,5–14,5% взрывчата.

Таблица 1.3. Разделение шахт по метанообильности в