Горные выработки: виды и основные элементы

Горные выработки образуют пространственную систему, необходимую для изучения и освоения месторождений полезных ископаемых. С их помощью получают сведения о строении недр, вскрывают залежи, подготавливают отдельные участки к разработке, перемещают горную массу, подают воздух и обеспечивают доступ к рабочим зонам.

Выработки различаются по расположению, назначению, положению в пространстве, форме и продолжительности эксплуатации. К ним относятся как открытые канавы и траншеи, так и подземные стволы, штольни, штреки, квершлаги, уклоны, камеры и очистные пространства.

Что такое горная выработка

Горная выработка — искусственно созданное пространство в земной коре или на ее поверхности, образованное в результате ведения горных работ. Она имеет определенные размеры, форму, назначение и срок существования.

Терминология в этой области установлена ГОСТ Р 57719—2017 «Горное дело. Выработки горные. Термины и определения». Стандарт распространяется на понятия, используемые при проектировании и эксплуатации горнодобывающих предприятий, а также в технической и нормативной документации.

Горная выработка отличается от естественной пещеры, трещины или другой природной полости происхождением. Она создается человеком для выполнения конкретной функции:

• поиска и разведки месторождения;
• доступа к залежи полезного ископаемого;
• подготовки запасов к извлечению;
• непосредственной добычи;
• перевозки людей, оборудования и горной массы;
• вентиляции подземного пространства;
• отвода воды;
• размещения технологических объектов.

Форма выработки зависит от способа ее проведения. В одних случаях породу отделяют механическим разрушением, в других применяют буровзрывной, гидравлический или комбинированный способ.

Открытые выработки непосредственно связаны с земной поверхностью и обычно имеют незамкнутое поперечное сечение. Подземные располагаются в толще горных пород. Большинство из них имеет замкнутый контур поперечного сечения, хотя отдельные подземные выработки выходят на поверхность, например, штольни и шахтные стволы.

Для чего используются горные выработки

Назначение выработки определяется этапом освоения месторождения и технологическими процессами, которые должны выполняться в ее пределах. Одна и та же выработка может одновременно решать несколько задач. Например, шахтный ствол используют для спуска людей, подъема полезного ископаемого, прокладки коммуникаций и движения вентиляционной струи.

Разведка месторождений

Разведочные горные выработки создают для изучения геологического строения территории, определения формы залежи, мощности полезной толщи и условий залегания пород.

К разведочным относятся:

• канавы;
• расчистки;
• шурфы;
• разведочные штольни;
• скважины;
• подземные рассечки.

Выработки позволяют вскрыть горные породы, отобрать пробы и получить данные о качестве полезного ископаемого. Результаты разведки применяют при подсчете запасов и проектировании дальнейшей разработки.

Выбор типа разведочной выработки зависит от глубины залегания объекта, рельефа, мощности наносов и необходимой детальности изучения. Неглубокие геологические тела исследуют с помощью канав и шурфов. Для изучения глубоких горизонтов преимущественно используют буровые скважины и подземные выработки.

Вскрытие месторождения

Вскрытием называют создание доступа от земной поверхности к месторождению или его отдельным частям. Для этого проводят капитальные выработки, по которым впоследствии перемещают людей, оборудование, полезное ископаемое, пустую породу и воздух.

К основным вскрывающим выработкам относятся:

• вертикальные и наклонные шахтные стволы;
• штольни;
• капитальные траншеи;
• квершлаги;
• гезенки;
• капитальные уклоны.

Схема вскрытия зависит от глубины и угла залегания залежи, ее мощности, формы, рельефа местности и принятого способа разработки. При открытой добыче доступ к рабочим горизонтам карьера создают траншеями. При подземной разработке месторождение вскрывают стволами, штольнями или наклонными выработками.

Подготовка к добыче

После вскрытия месторождение разделяют на части, удобные для последовательной разработки. Для этого создают подготовительные и нарезные выработки.

Они необходимы, чтобы:

• выделить этажи, панели, блоки или выемочные столбы;
• обеспечить доступ к запасам полезного ископаемого;
• организовать транспортные пути;
• распределить вентиляционные потоки;
• подготовить очистные забои;
• разместить оборудование и коммуникации.

К подготовительным обычно относят штреки, уклоны, бремсберги и другие протяженные выработки, разделяющие шахтное поле на крупные части. Нарезные выработки создают внутри подготовленного участка непосредственно перед началом очистной выемки.

Добыча полезных ископаемых

Непосредственное извлечение полезного ископаемого выполняется в очистных выработках. Их форма и размеры изменяются по мере перемещения фронта работ.

При пластовой разработке основной очистной выработкой может быть лава — протяженное пространство, в котором ведется выемка угля или другого пластового полезного ископаемого. При разработке рудных месторождений применяют камеры, блоки и другие очистные пространства.

После извлечения полезного ископаемого за очистным забоем остается выработанное пространство. В зависимости от принятой системы разработки его:

• обрушают;
• заполняют закладочным материалом;
• поддерживают целиками;
• временно оставляют открытым.

Вентиляция, транспортировка и обеспечение работы шахты

Подземные работы невозможны без постоянного воздухообмена. Вентиляционные выработки обеспечивают поступление свежего воздуха и удаление загрязненной струи, содержащей пыль, тепло и газообразные примеси.

Для подачи и отвода воздуха могут использоваться:

• стволы;
• штольни;
• штреки;
• квершлаги;
• восстающие;
• вентиляционные сбойки.

Транспортные выработки предназначены для движения локомотивов, конвейеров, самоходных машин и другого оборудования. По ним перемещают добытую горную массу, материалы и людей.

Помимо транспортных и вентиляционных функций, горные выработки используют для размещения трубопроводов, кабелей, водосборников, насосных установок, подземных складов, ремонтных пунктов и камер различного назначения.

Классификация горных выработок

Единого классификационного признака для всех выработок недостаточно. Один объект одновременно может быть подземным, горизонтальным, капитальным, транспортным и полевым.

Наиболее распространенные классификации основаны на назначении, расположении относительно земной поверхности, направлении продольной оси и продолжительности использования.

Классификационный признак	Основные группы
Назначение	разведочные, эксплуатационные
Связь с земной поверхностью	открытые, подземные
Положение продольной оси	горизонтальные, наклонные, вертикальные
Этап разработки	вскрывающие, подготовительные, нарезные, очистные
Расположение относительно залежи	пластовые, рудные, полевые
Продолжительность использования	капитальные, участковые, временные
Пространственная форма	протяженные, объемные

По назначению

По основному назначению выработки подразделяются на разведочные и эксплуатационные.

Разведочные выработки служат для поиска и изучения месторождений. Через них получают доступ к породам, отбирают образцы, устанавливают границы и строение залежи.

Эксплуатационные выработки создаются при строительстве и работе горного предприятия. Они обеспечивают вскрытие, подготовку и разработку запасов, а также транспорт, вентиляцию, водоотлив и другие процессы.

Эксплуатационные выработки по выполняемой функции делятся на несколько групп:

• вскрывающие;
• подготовительные;
• нарезные;
• очистные;
• вспомогательные.

Граница между группами определяется не формой выработки, а ее ролью в принятой системе разработки. Например, штрек на одном участке может выполнять подготовительную функцию, а на другом использоваться преимущественно для транспортирования или вентиляции.

По расположению относительно поверхности

По отношению к земной поверхности выделяют открытые и подземные горные выработки.

Открытые выработки примыкают к поверхности по всей длине или на значительной ее части. Их поперечный контур сверху не замкнут. К этой группе относятся карьеры, траншеи, полутраншеи и канавы.

Подземные выработки находятся в массиве горных пород. Доступ к ним осуществляется через устья стволов, штолен, наклонных выработок или через другие подземные пространства.

Наличие непосредственного выхода наружу само по себе не делает выработку открытой. Например, штольня имеет устье на склоне, но ее основная часть расположена под землей, поэтому она относится к подземным выработкам.

По пространственному положению

Протяженные подземные выработки классифицируют по направлению их продольной оси.

Горизонтальные выработки проводятся без значительного продольного уклона. Небольшой технический уклон может предусматриваться для водоотвода или движения транспорта.

Наклонные выработки имеют заметный угол к горизонтальной плоскости. По ним горная масса может перемещаться механическим способом или под действием собственного веса.

Вертикальные выработки направлены преимущественно по вертикали. Они связывают поверхность с подземными горизонтами либо соединяют уровни внутри шахты или рудника.

Разделение учитывает направление оси, а не форму поперечного сечения. Вертикальный ствол, горизонтальный штрек и наклонный уклон могут иметь круглое, арочное или прямоугольное сечение.

По сроку службы

Продолжительность существования выработки связана с ее функцией и положением в системе разработки.

Капитальные выработки обслуживают значительную часть месторождения или весь период работы предприятия. К ним могут относиться основные стволы, капитальные квершлаги, штольни и транспортные уклоны. Такие объекты рассчитывают на длительную эксплуатацию.

Участковые и подготовительные выработки обслуживают отдельную часть шахтного поля, панель, этаж или блок. После завершения разработки соответствующего участка необходимость в них может исчезнуть.

Очистные и временные выработки существуют сравнительно недолго. Их положение и размеры меняются вместе с перемещением фронта добычи.

Следовательно, определения «капитальная», «подготовительная» и «очистная» описывают разные свойства. Первое преимущественно указывает на значение и продолжительность эксплуатации, а остальные — на функцию в технологической системе.

Основные виды открытых горных выработок

Открытые выработки создаются непосредственно с земной поверхности. Они применяются при разведке, строительстве карьеров, вскрытии рабочих горизонтов и добыче полезных ископаемых.

Вид выработки	Характеристика	Основное назначение
Карьер	Система открытых выработок для разработки месторождения	Добыча полезного ископаемого открытым способом
Разрез	Разновидность открытого горного предприятия, термин часто применяется в угольной отрасли	Открытая разработка угольных месторождений
Траншея	Протяженная выработка трапециевидного или близкого к нему сечения	Вскрытие горизонтов, транспортная связь
Полутраншея	Протяженная выработка, один борт которой образован массивом, другой открыт по склону	Вскрытие залежей на косогорах
Канава	Узкая неглубокая выработка	Геологическая разведка и вскрытие пород
Котлован	Ограниченная по длине и ширине открытая выемка	Создание локального углубления, размещение сооружений

Карьер

Карьером называют горное предприятие или совокупность открытых выработок, предназначенных для разработки месторождения. В карьерное пространство входят рабочие и нерабочие уступы, борта, траншеи, съезды, площадки и внутренние коммуникации.

Разработка ведется слоями или уступами. По мере углубления карьера формируется система рабочих горизонтов, связанных транспортными путями.

В зависимости от вида полезного ископаемого и отраслевой терминологии открытое горное предприятие также может называться разрезом или прииском. Термин «карьер» нередко используют и для обозначения самой выемки, возникшей после удаления пород.

Разрез

Разрез — открытое горное предприятие, на котором месторождение разрабатывается без создания постоянной подземной системы выработок. Наиболее широко этот термин применяется при добыче угля.

По своему устройству разрез включает те же основные объекты, что и карьер:

• уступы;
• рабочие площадки;
• борта;
• вскрывающие траншеи;
• транспортные коммуникации;
• отвалы вскрышных пород.

Различие между карьером и разрезом связано прежде всего с принятой отраслевой терминологией, а не с принципиально разными геометрическими признаками.

Траншея

Траншея — открытая протяженная выработка, глубина которой обычно меньше длины. Она ограничена подошвой, бортами и торцами.

В горном деле траншеи служат для вскрытия месторождения и связи поверхности с рабочими горизонтами. По капитальным траншеям прокладывают автомобильные и железнодорожные пути, конвейерные линии и инженерные коммуникации.

По положению относительно контура месторождения траншеи могут быть внешними и внутренними. Внешняя проходит за пределами будущего карьерного поля, внутренняя располагается в его границах.

Полутраншея

Полутраншея создается на склоне и отличается от обычной траншеи неполным поперечным профилем. Один ее борт формируется в массиве, а с противоположной стороны выработка открыта в направлении понижения рельефа.

Такие выработки применяют при освоении месторождений на косогорах и в горной местности. Полутраншея может использоваться для вскрытия рабочего горизонта, размещения дороги или отвода воды.

Канава

Канава представляет собой узкую и относительно неглубокую открыـтую выработку. Ее проводят поперек предполагаемого простирания геологического тела, чтобы вскрыть коренные породы под рыхлыми поверхностными отложениями.

Канавы преимущественно применяют при поисково-разведочных работах. Они позволяют:

• проследить выход полезного ископаемого;
• определить контакты пород;
• установить мощность геологического тела;
• отобрать пробы;
• описать вскрытый разрез.

Глубина и ширина канавы зависят от мощности наносов, устойчивости бортов и требований безопасности.

Котлован

Котлован — открытая выемка ограниченной протяженности, имеющая дно, борта и откосы. В отличие от траншеи, его длина и ширина обычно сопоставимы.

В горном производстве котлованы могут устраиваться для размещения технологических сооружений, вскрытия локальных участков или выполнения подготовительных земляных работ. Однако термин широко используется и за пределами горного дела, прежде всего в строительстве.

Основные виды подземных горных выработок

Подземные выработки различаются по пространственному положению, назначению и связи с земной поверхностью. Основную группу образуют вертикальные, горизонтальные и наклонные протяженные выработки. Отдельно рассматриваются объемные очистные и технологические пространства.

Вертикальные горные выработки

Шахтный ствол

Шахтный ствол — вертикальная или крутонаклонная капитальная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность. Он связывает подземные горизонты шахты с наземным комплексом.

По назначению ствол может быть:

• главным;
• вспомогательным;
• вентиляционным;
• воздухоподающим;
• скиповым;
• клетевым.

Через главный ствол обычно выдают полезное ископаемое. Вспомогательный используется для спуска и подъема людей, материалов и оборудования. Однако функции могут объединяться в одном сооружении.

Стволы чаще имеют круглое поперечное сечение, устойчивое при всестороннем давлении пород. Внутри размещаются подъемные сосуды, лестничное отделение, трубопроводы, кабели и другие коммуникации.

Слепой ствол

Слепой ствол не имеет непосредственного выхода на земную поверхность. Он соединяет два или несколько подземных горизонтов.

Такую выработку сооружают, когда необходимо вскрыть более глубокую часть месторождения из уже действующего подземного уровня. Слепой ствол может выполнять подъемную, транспортную, вентиляционную или вспомогательную функцию.

Шурф

Шурф — вертикальная или наклонная выработка сравнительно небольшой глубины и поперечного сечения, имеющая выход на поверхность.

Шурфы используют:

• при разведке месторождений;
• для отбора проб;
• при изучении неглубоко залегающих пород;
• для вентиляции;
• в качестве запасного выхода;
• для выполнения вспомогательных работ.

От шахтного ствола шурф отличается меньшими размерами, глубиной и сроком службы. Однако точная граница между этими понятиями определяется назначением объекта и принятой проектной документацией.

Гезенк

Гезенк — внутренняя вертикальная выработка, не выходящая на поверхность и проводимая преимущественно сверху вниз. Она соединяет расположенные на разных отметках подземные горизонты.

Гезенки применяют для:

• спуска полезного ископаемого;
• передачи материалов;
• проветривания;
• перемещения людей;
• прокладки коммуникаций.

От слепого ствола гезенк обычно отличается меньшими размерами и более ограниченной функцией.

Рудоспуск

Рудоспуск — вертикальная или крутонаклонная выработка, по которой руда или другая горная масса перемещается вниз под действием собственного веса.

Он соединяет добычные уровни с откаточными горизонтами, дробильными комплексами или накопительными емкостями. Конструкция рудоспуска должна учитывать размер кусков, абразивность материала, ударные нагрузки и возможность образования зависаний.

Горизонтальные горные выработки

Штольня

Штольня — горизонтальная или слабонаклонная подземная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность.

Ее проводят со склона горы, борта долины или другого элемента рельефа. Штольни применяют для:

• вскрытия месторождения;
• транспортирования горной массы;
• перемещения людей;
• водоотлива;
• вентиляции;
• геологической разведки.

При благоприятном рельефе штольневое вскрытие позволяет организовать самотечный водоотвод и транспорт без вертикального подъема.

Штрек

Штрек — горизонтальная подземная выработка, проводимая по простиранию пласта или другого вытянутого геологического тела.

По назначению штреки бывают:

• транспортными;
• конвейерными;
• вентиляционными;
• откаточными;
• аккумулирующими.

Штрек может проходить непосредственно по полезному ископаемому либо вмещающим породам рядом с залежью. В первом случае он относится к пластовым или рудным выработкам, во втором — к полевым.

Квершлаг

Квершлаг — горизонтальная выработка, проводимая по вмещающим породам вкрест простирания залежи. Она соединяет шахтный ствол или другую капитальную выработку с пластами, рудными телами и участковыми коммуникациями.

Квершлаги обычно относятся к полевым выработкам, поскольку проходят вне полезного ископаемого. По ним транспортируют горную массу, перемещают людей, прокладывают инженерные сети и направляют вентиляционную струю.

Орт

Орт — горизонтальная выработка, проводимая вкрест простирания мощного рудного тела или пласта. В отличие от квершлага, орт проходит преимущественно по полезному ископаемому.

Орты применяются при подготовке и разработке рудных залежей. Они позволяют разделить массив на блоки, обеспечить доступ к очистным участкам и организовать выпуск отбитой руды.

Просек

Просек — узкая горизонтальная выработка, проводимая параллельно другой выработке или пласту полезного ископаемого. Он может использоваться для вентиляции, разведки, транспортирования и подготовки очистного участка.

Размеры и точное назначение просека зависят от системы разработки. Часто он связан с основной выработкой короткими поперечными сбойками.

Тоннель

Тоннель — горизонтальная или наклонная подземная выработка, имеющая два выхода на земную поверхность.

В горном деле тоннели используются для транспортной связи, отвода воды, размещения коммуникаций и доступа к отдельным участкам. За пределами добывающей промышленности тоннели сооружают для автомобильных и железных дорог, метрополитена, гидротехнических и коммунальных систем.

Наклонные горные выработки

Уклон

Уклон — наклонная подземная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и проводимая по падению пласта или залежи.

По уклону полезное ископаемое или пустую породу обычно транспортируют механическими средствами снизу вверх либо вдоль наклонной трассы. Одновременно выработка может использоваться для движения людей, вентиляции и размещения коммуникаций.

Бремсберг

Бремсберг — наклонная выработка, по которой горную массу перемещают сверху вниз. Исторически для такого перемещения применялась механическая откатка с использованием силы тяжести.

Уклон и бремсберг могут иметь сходное направление, но различаются характером грузопотока. По бремсбергу груз направляется к нижнему горизонту, а по уклону его обычно поднимают с нижнего участка.

Восстающий

Восстающий — наклонная или вертикальная подземная выработка, проводимая снизу-вверх и не имеющая непосредственного выхода на поверхность.

Она может использоваться для:

• разведки;
• вентиляции;
• перепуска горной массы;
• перемещения людей;
• разделения рудного тела на блоки;
• создания первоначального пространства при очистной выемке.

Название связано прежде всего с направлением проведения, а не только с последующим назначением.

Скат

Скат — наклонная выработка, предназначенная преимущественно для перемещения полезного ископаемого вниз под действием силы тяжести.

По сравнению с рудоспуском скат обычно имеет меньший угол наклона. Горная масса перемещается по его почве, желобам или специальным направляющим конструкциям.

Ходок

Ходок — наклонная выработка, предназначенная преимущественно для перемещения людей и обслуживания рабочего участка.

Она может проводиться параллельно уклону или бремсбергу и соединяться с ними сбойками. В ходке также размещают лестницы, поручни, кабели и другие коммуникации.

Печь

Печь — наклонная или крутонаклонная выработка небольшого поперечного сечения, проводимая в пласте полезного ископаемого.

Она применяется при подготовке очистного участка, вентиляции, перепуске материала и создании связи между штреками. Назначение и параметры печей зависят от мощности и угла падения пласта.

Специальные и объемные выработки

Камера

Камера — подземная выработка значительных размеров, длина которой сопоставима с шириной или высотой либо существенно не превосходит их.

Камеры создают для двух основных целей. В очистных камерах ведут добычу полезного ископаемого. В служебных размещают дробилки, насосные установки, электроподстанции, склады, ремонтные пункты и другое оборудование.

Лава

Лава — протяженная очистная выработка, в которой полезное ископаемое извлекается по длинному забою. Она характерна прежде всего для пластовых месторождений, включая угольные.

Основными частями лавы являются:

• очистной забой;
• рабочее пространство;
• кровля;
• почва;
• сопряжения с примыкающими выработками;
• выработанное пространство.

По мере выемки пласта очистной забой перемещается. За ним образуется пространство, в котором управляют кровлей обрушением, закладкой или другими способами.

Ниша

Ниша — короткая выработка небольшого объема, примыкающая к основной подземной выработке. Она не имеет самостоятельного сквозного направления.

Ниши устраивают для размещения оборудования, хранения материалов, укрытия людей, организации разъездов или выполнения отдельных технологических операций.

Сбойка

Сбойка — короткая выработка, соединяющая две близко расположенные горные выработки. Ее проводят для вентиляционной, транспортной или технологической связи.

Сбойки позволяют замкнуть вентиляционную схему, создать запасной проход, сократить маршрут перемещения или соединить параллельные штреки и ходки.

Скважина

Скважина — цилиндрическая горная выработка, создаваемая бурением и характеризующаяся малым диаметром по сравнению с длиной.

Скважины используют для:

• поиска и разведки;
• добычи жидких и газообразных полезных ископаемых;
• дегазации;
• водоотлива;
• нагнетания растворов;
• вентиляции;
• прокладки коммуникаций;
• взрывного разрушения массива.

Скважины могут быть вертикальными, наклонными, горизонтальными и иметь сложную пространственную траекторию.

Шпур

Шпур — буровая выработка малого диаметра и ограниченной длины. Чаще всего его создают для размещения заряда взрывчатого вещества при проведении выработки или отбойке горной массы.

Кроме того, шпуры применяют для установки анкеров, нагнетания закрепляющих растворов и исследования свойств массива. От скважины шпур отличается главным образом длиной и технологическим назначением.

Основные элементы горной выработки

Элементами называют части, формирующие геометрию выработки и ее положение в массиве. Набор элементов зависит от типа объекта. Для горизонтальной подземной выработки характерны кровля, почва, бока и забой, а для открытой — борта, подошва и торец.

Кровля

Кровля — поверхность горных пород, ограничивающая подземную выработку сверху. В вертикальной выработке аналогичная часть контура обычно не выделяется, поскольку ее стенки располагаются вокруг продольной оси.

Состояние кровли влияет на устойчивость и безопасность подземного пространства. Для предотвращения выпадения породы применяют крепь, анкеры, сетчатое ограждение, набрызг-бетон и другие способы поддержания.

В очистных выработках различают непосредственную и основную кровлю. Непосредственная прилегает к залежи или выработанному пространству, а основная залегает выше и представлена более мощными слоями.

Подошва

Подошва, или почва выработки, — нижняя поверхность горизонтальной либо наклонной подземной выработки.

На почве размещаются:

• рельсовые пути;
• дорожное покрытие;
• конвейеры;
• водоотводные канавки;
• трубопроводы;
• другие коммуникации.

Под воздействием горного давления породы почвы могут подниматься и деформироваться. Такое явление называют пучением. Оно уменьшает полезное сечение и может нарушать работу транспорта и оборудования.

В открытых выработках термином «подошва» также обозначают нижнюю поверхность уступа или дно протяженной выемки.

Бока

Бока — боковые поверхности горизонтальной или наклонной подземной выработки. В вертикальных объектах их обычно называют стенками.

Бока воспринимают давление окружающего массива. При недостаточной устойчивости пород они закрепляются металлическими рамами, железобетонными конструкциями, анкерами, бетоном или комбинированной крепью.

В пластовых выработках положение боков может определяться направлением залегания пласта и принятой схемой проведения.

Забой

Забой — поверхность массива, на которой непосредственно выполняются работы по разрушению и отделению горной породы или полезного ископаемого.

При проведении протяженной выработки забой перемещается вперед по мере выемки породы. В очистной выработке он образует фронт добычи и может иметь значительную длину.

Основные операции проходческого цикла выполняются в призабойной зоне:

• бурение или механическое разрушение массива;
• погрузка отбитой породы;
• установка временной и постоянной крепи;
• наращивание коммуникаций;
• проветривание;
• контроль состояния массива.

Устье

Устье — место пересечения горной выработки с земной поверхностью либо участок ее начала.

Устья имеют шахтные стволы, штольни, шурфы, наклонные стволы и некоторые скважины. Через них осуществляется доступ в подземное пространство, поэтому они оборудуются защитными, водоотводными и транспортными сооружениями.

У ствола устье располагается в верхней части. У штольни оно находится на склоне или борту долины. Если протяженная выработка имеет два выхода наружу, каждый из них может рассматриваться как портал или устьевой участок.

Призабойное пространство

Призабойное пространство — участок выработки, непосредственно примыкающий к забою. Его протяженность определяется технологией проведения, типом оборудования и схемой крепления.

В этой зоне сосредоточены основные проходческие процессы. Здесь располагаются бурильные установки, исполнительные органы проходческого комбайна, погрузочное оборудование, временная крепь и вентиляционные устройства.

Призабойная часть требует постоянного контроля, поскольку свежеобнаженные породы еще не поддержаны постоянной крепью и могут быть менее устойчивыми.

Борта открытых выработок

Борт открытой выработки — боковая поверхность, ограничивающая карьер, траншею, канаву или другую выемку.

Карьерный борт обычно состоит из отдельных уступов, площадок и откосов. Он может быть рабочим, если на нем ведется перемещение фронта горных работ, или нерабочим, если достиг конечного положения.

Устойчивость борта зависит от:

• трещиноватости массива;
• прочности пород;
• угла откоса;
• высоты уступов;
• обводненности;
• наличия ослабленных слоев;
• воздействия взрывных работ.

Торец открытой выработки

Торец — поверхность, ограничивающая протяженную открытую выработку с конца. Он является аналогом забоя в той части, где продолжается углубление или удлинение траншеи, канавы либо другой выемки.

Если работы развиваются вдоль продольной оси, рабочий торец перемещается по мере удаления породы. В завершенной выработке торец может сохраняться как постоянный элемент ее контура.

Формы поперечного сечения горных выработок

Поперечным сечением называют фигуру, получаемую при условном пересечении выработки плоскостью, перпендикулярной ее продольной оси. Его форма влияет на устойчивость контура, размещение оборудования, сопротивление воздушному потоку и объем извлекаемой породы.

Подземным выработкам придают прямоугольное, трапециевидное, арочное, сводчатое, круглое, полигональное, овальное или комбинированное сечение. Выбор зависит от горного давления, свойств массива, конструкции крепи и назначения объекта.

Форма сечения	Основные особенности	Типичные условия применения
Прямоугольная	Удобное использование внутреннего пространства, концентрация напряжений в углах	Устойчивые породы и сравнительно небольшое давление
Трапециевидная	Воспринимает вертикальные и боковые нагрузки	Участковые и подготовительные выработки
Арочная	Закругленная верхняя часть лучше распределяет давление	Значительное вертикальное и боковое давление
Сводчатая	Сочетает прямые стены и криволинейное перекрытие	Бетонная, каменная или комбинированная крепь
Круглая	Равномерно воспринимает всестороннее давление	Стволы, тоннели и глубокие капитальные выработки
Полигональная	Контур образован несколькими прямолинейными участками	Специальные конструкции сборной крепи
Овальная или эллиптическая	Учитывает преимущественное направление давления	Неравномерное напряженное состояние массива

Прямоугольная форма

Прямоугольное сечение удобно для размещения транспорта, оборудования и коммуникаций. Почва остается ровной, а вертикальные стенки позволяют рационально использовать ширину выработки.

Недостаток формы заключается в концентрации напряжений в углах. По этой причине она чаще применяется в устойчивых породах при относительно небольшом горном давлении или при наличии крепи, способной воспринимать возникающие нагрузки.

Трапециевидная форма

При трапециевидном сечении ширина выработки у почвы обычно больше, чем у кровли. Наклонные боковые поверхности улучшают восприятие бокового давления по сравнению с прямоугольным контуром.

Такая форма характерна для горизонтальных и наклонных выработок с рамной крепью. Она обеспечивает достаточно удобное размещение транспорта и вентиляционных устройств, но менее эффективна при сильном всестороннем давлении.

Арочная форма

Арочное сечение имеет криволинейную верхнюю часть и относительно плавные переходы к бокам. Отсутствие острых верхних углов уменьшает концентрацию напряжений.

Арочные выработки часто закрепляются металлическими податливыми рамами, анкерами и набрызг-бетоном. Такая форма применяется при значительном вертикальном и боковом горном давлении.

Сводчатая форма

Сводчатое сечение состоит из вертикальных или слегка наклонных стен и верхнего свода. Свод может быть полуциркульным, коробовым или иметь другое криволинейное очертание.

Форма применяется в капитальных объектах с бетонной, железобетонной, каменной или комбинированной крепью. Она сочетает удобство использования нижней части пространства с устойчивым криволинейным перекрытием.

Круглая форма

Круглое сечение наиболее равномерно распределяет давление окружающих пород по периметру. Оно эффективно при значительной глубине и всестороннем напряженном состоянии массива.

Круглая форма широко используется в вертикальных шахтных стволах, скважинах и некоторых капитальных тоннелях. Ее недостатком является менее полное использование внутреннего пространства при размещении прямоугольного оборудования и транспортных путей.

Полигональная форма

Полигональное сечение образовано несколькими прямолинейными участками. По очертанию оно приближается к арке, окружности или другому криволинейному контуру.

Форма может применяться при использовании сборных железобетонных элементов или специальных рам. Увеличение числа граней позволяет точнее приблизить контур к расчетной форме распределения давления.

Овальная и эллиптическая формы

Овальное или эллиптическое сечение применяется, когда давление массива выражено сильнее в одном направлении. Ориентация большей и меньшей осей выбирается с учетом напряженного состояния пород.

Такие контуры встречаются реже прямоугольных, трапециевидных и арочных, поскольку их сооружение и крепление технологически сложнее.

От чего зависит выбор формы сечения

Форма и площадь поперечного сечения определяются совместно. Недостаточного пространства не хватит для оборудования и безопасных проходов, а чрезмерный размер увеличит объем проходческих работ и площадь обнажения массива.

При проектировании учитывают:

• назначение выработки;
• глубину расположения;
• физико-механические свойства пород;
• трещиноватость и обводненность;
• величину и направление горного давления;
• срок эксплуатации;
• способ проведения;
• конструкцию крепи;
• габариты транспорта и оборудования;
• необходимые проходы для людей;
• размещение трубопроводов и кабелей;
• требуемый расход воздуха.

При небольшом давлении могут применяться формы с прямолинейными элементами. По мере роста нагрузок предпочтение отдается криволинейным контурам. При близком к равномерному всестороннем давлении наиболее рациональным является круглое сечение.

Как взаимосвязаны различные виды горных выработок

Отдельная выработка редко существует изолированно. Стволы, штреки, квершлаги, уклоны, камеры и очистные пространства формируют единую сеть, через которую проходят транспортные и вентиляционные потоки.

Состав и расположение сети определяются способом разработки месторождения, геологическим строением, производительностью предприятия и требованиями безопасности.

Последовательность освоения месторождения

Освоение месторождения обычно включает несколько взаимосвязанных стадий:

1. Поисковые и разведочные работы.
2. Вскрытие месторождения с поверхности.
3. Разделение шахтного или карьерного поля на части.
4. Подготовка отдельных участков.
5. Нарезка очистных блоков или выемочных столбов.
6. Добыча полезного ископаемого.
7. Погашение, закладка или повторное использование выработок.

На каждой стадии создаются объекты определенного назначения. Разведочная канава или скважина дает сведения о залежи, но не обеспечивает промышленную добычу. Для эксплуатации необходима система капитальных, подготовительных, очистных и обслуживающих выработок.

Вскрывающие выработки

Вскрывающие выработки обеспечивают доступ к месторождению или его основным горизонтам. Они связывают земную поверхность с запасами и создают основу всей подземной либо открытой системы.

К ним могут относиться:

• шахтные стволы;
• штольни;
• капитальные траншеи;
• капитальные квершлаги;
• наклонные стволы;
• основные уклоны.

После вскрытия залежь еще не всегда готова к непосредственной выемке. Требуется провести сеть подготовительных выработок.

Подготовительные выработки

Подготовительные выработки разделяют шахтное поле на этажи, панели, блоки, горизонты и другие эксплуатационные части. Они создают транспортный и вентиляционный доступ к запасам.

К подготовительным могут относиться штреки, уклоны, бремсберги, орты и другие объекты. Их конкретная роль зависит от системы разработки и положения относительно полезного ископаемого.

Внутри подготовленного участка проводят нарезные выработки. Они формируют границы очистного пространства и создают условия для монтажа оборудования и начала добычи.

Очистные выработки

В очистных выработках полезное ископаемое отделяется от массива. К этой категории относятся лавы, камеры и другие пространства, непосредственно связанные с фронтом добычи.

Очистной забой соединяется с подготовительными выработками. По одним направлениям поступает свежий воздух и доставляются материалы, по другим удаляются загрязненный воздух и добытая горная масса.

Положение очистной выработки изменяется по мере извлечения запасов, в то время как капитальные стволы и квершлаги могут сохраняться десятилетиями.

Единая система выработок

Сеть проектируется так, чтобы обеспечить раздельное или регулируемое движение основных потоков:

• полезного ископаемого;
• пустой породы;
• людей;
• оборудования;
• материалов;
• свежего воздуха;
• исходящей вентиляционной струи;
• шахтных вод;
• энергии и информации.

Выработки соединяются сопряжениями, сбойками и узловыми камерами. При этом предусматриваются основные и запасные маршруты выхода, вентиляционные сооружения и изоляция неиспользуемых участков.

В подземной системе значение имеет направление воздушной струи. Свежий воздух подается к рабочим местам по одним выработкам, после чего загрязненный поток отводится по другим. Простое соединение всех подземных пространств без регулирования не обеспечивает требуемого проветривания.

Факторы, учитываемые при проектировании горных выработок

Проектирование включает выбор положения, размеров, формы, крепи, способа проведения и срока эксплуатации выработки. Решения принимаются на основании геологических, геомеханических и технологических данных.

Геологическое строение месторождения

Расположение выработок связывается с формой и размерами залежи, глубиной, мощностью и углом падения. Учитываются тектонические нарушения, складчатость, зоны дробления и контакты различных пород.

При сложном строении месторождения сеть должна обеспечивать доступ к отдельным блокам без чрезмерного увеличения длины проходки. Геологические нарушения могут осложнять проведение и требовать дополнительного крепления.

Свойства горных пород

Устойчивость выработки зависит от прочности, трещиноватости, слоистости, влажности и склонности пород к размоканию, набуханию или обрушению.

Прочные монолитные породы способны сохранять контур без сплошной крепи. Слабые и нарушенные массивы требуют быстрого закрепления непосредственно после обнажения.

Имеет значение не только прочность отдельного образца, но и состояние всего массива. Система трещин может сделать устойчивую породу опасной из-за отделения крупных блоков.

Глубина разработки

С увеличением глубины обычно возрастает природное напряжение в массиве. Это влияет на форму сечения, тип крепи и порядок проведения работ.

На больших глубинах возможны:

• интенсивное деформирование контура;
• пучение почвы;
• разрушение боков;
• вывалы из кровли;
• динамические проявления горного давления;
• рост температуры пород.

Глубокие выработки проектируют с учетом перераспределения напряжений вокруг уже созданных подземных полостей.

Горное давление

Горное давление представляет собой силовое воздействие массива на контур и крепь выработки. Оно формируется из-за собственного веса пород, тектонических напряжений и перераспределения нагрузок после выемки.

Величина и направление давления определяют:

• форму поперечного сечения;
• расположение выработки относительно слоев и нарушений;
• тип и несущую способность крепи;
• допустимую площадь обнажения;
• очередность проходческих операций.

Крепь должна не только воспринимать нагрузку, но и работать совместно с окружающим массивом. В некоторых условиях применяются податливые конструкции, допускающие контролируемое смещение контура без потери устойчивости.

Способ разработки

Открытый, подземный и комбинированный способы требуют разных систем выработок.

При открытой разработке основными пространственными элементами становятся уступы, траншеи, съезды и рабочие площадки. При подземной добыче создается сеть стволов, штреков, квершлагов, уклонов и очистных пространств.

Система разработки определяет направление перемещения очистного фронта, порядок выемки запасов и способ управления выработанным пространством.

Вентиляция

Размеры выработки должны обеспечивать пропуск расчетного объема воздуха с допустимой скоростью. Чем меньше свободная площадь сечения и сложнее контур, тем выше аэродинамическое сопротивление.

При проектировании вентиляции учитывают:

• количество работающих людей;
• мощность оборудования;
• образование пыли;
• газовыделение;
• тепловыделение;
• длину воздушного пути;
• утечки через перемычки и сопряжения.

Свежая и исходящая струи направляются по разным ветвям сети. Их движение регулируют вентиляционными дверями, перемычками, шлюзами и другими сооружениями.

Водоприток

Подземные воды могут поступать через трещины, водоносные слои и нарушенные зоны. В открытых выработках добавляется поверхностный сток и атмосферные осадки.

Для управления водопритоком предусматривают:

• уклон почвы;
• водоотводные канавки;
• водосборники;
• насосные камеры;
• дренажные скважины;
• водонепроницаемые перемычки;
• тампонаж пород.

Обводнение снижает устойчивость массива, осложняет транспорт и может влиять на работу электрического оборудования.

Безопасность работ

Проект должен обеспечивать устойчивость контура, безопасное перемещение людей и возможность выхода при аварии.

В выработках предусматриваются:

• нормируемые проходы;
• средства связи;
• освещение;
• предупреждающие знаки;
• противопожарные устройства;
• запасные выходы;
• вентиляция;
• средства локализации воды, газа и пожара;
• контроль состояния массива и крепи.

Параметры принимаются не только по геометрическим расчетам, но и по требованиям промышленной безопасности, действующим для конкретного вида горного предприятия.

Срок эксплуатации

Капитальные выработки должны сохранять работоспособность в течение значительного периода. Для них выбирают долговечную крепь, увеличенное сечение и расположение в устойчивых породах вне зон сильного влияния очистных работ.

Временные и участковые выработки рассчитывают на меньший срок. Однако это не отменяет требований к устойчивости и безопасности в течение всего периода использования.

Срок службы влияет на допустимые деформации, материал крепи, защиту от коррозии и необходимость последующего ремонта.

Основные термины, связанные с горными выработками

Горный массив

Горный массив — часть земной коры, сложенная горными породами и рассматриваемая как единая геологическая и механическая система.

После создания выработки напряжения в массиве перераспределяются. Вблизи ее контура могут возникать зоны разгрузки, разрушения, сдвижения и повышенного давления.

Вскрытие месторождения

Вскрытие — проведение выработок, создающих доступ от поверхности к месторождению или его основным рабочим горизонтам.

Не следует смешивать вскрытие и вскрышные работы. Первое понятие относится к созданию доступа к залежи, второе — к удалению покрывающих пород при открытой разработке.

Проходка

Проходка — комплекс процессов, в результате которых создается и постепенно удлиняется горная выработка.

Проходческий цикл может включать:

• разрушение массива;
• уборку породы;
• крепление;
• устройство водоотвода;
• наращивание вентиляции;
• прокладку транспортных и энергетических коммуникаций.

Скорость проходки выражают длиной готовой выработки за определенный период.

Крепь

Горная крепь — конструкция, предназначенная для поддержания выработки, предотвращения опасных обрушений и сохранения требуемого поперечного сечения.

Применяются:

• деревянная;
• металлическая рамная;
• анкерная;
• бетонная;
• железобетонная;
• набрызг-бетонная;
• тюбинговая;
• комбинированная крепь.

Выбор зависит от давления, срока службы, формы сечения и состояния массива.

Очистной забой

Очистной забой — поверхность полезного ископаемого, на которой непосредственно ведется его промышленная выемка.

Он отличается от проходческого забоя назначением. Проходческий забой формирует новую выработку, а очистной предназначен для извлечения запасов в пределах подготовленного участка.

Выемочный участок

Выемочный участок — часть месторождения, подготовленная к разработке и имеющая собственную систему транспортных, вентиляционных и очистных выработок.

Его границы определяются геологическим строением и принятой системой разработки. В пластовых месторождениях участок может включать выемочный столб, лаву и примыкающие штреки.

Горное давление

Горное давление — проявление силового воздействия массива на выработки, крепь, целики и оборудование.

Оно может выражаться в деформации контура, разрушении пород, смещении слоев, пучении почвы и нагрузке на крепежные конструкции.

Горизонт

Горизонт — совокупность выработок, расположенных на определенной высотной отметке или обслуживающих соответствующую часть месторождения.

Внутри одного горизонта могут находиться стволовые дворы, квершлаги, штреки, камеры и другие объекты. Горизонты соединяются вертикальными и наклонными выработками.

Вентиляционный горизонт

Вентиляционный горизонт используется преимущественно для сбора и отвода исходящей воздушной струи либо для распределения воздуха между участками.

Он соединяется с очистными и подготовительными выработками через восстающие, сбойки и другие каналы.

Транспортный горизонт

Транспортный, или откаточный, горизонт служит для приема и перемещения полезного ископаемого и пустой породы.

На нем размещаются рельсовые пути, конвейеры, пункты перегрузки, дробильные установки и околоствольные выработки.

Горный отвод

Горный отвод — участок недр, предоставленный для пользования в установленных границах. Его пространственное положение фиксируется в соответствии с условиями пользования недрами и проектными решениями.

Границы горного отвода не совпадают автоматически с контуром отдельной выработки или залежи. Они определяют часть недр, в пределах которой разрешается осуществлять предусмотренную деятельность.