Горнотехнические условия эксплуатации Иркутского угольного бассейна
Развитию угледобывающей промышленности в Иркутском бассейне способствовало наличие крупных по запасам и выгодных по условиям эксплуатации угольных месторождений. Об этом свидетельствует рост добычи угля за 1941—1960 гг. с 5,8 до 16,2 млн т.
Угольные месторождения бассейна отличаются друг от друга специфичностью горнотехнических условий эксплуатации.
Наиболее широко развита в Иркутском бассейне добыча угля открытым способом, что объясняется наличием мощных пластов угля при небольшой мощности вскрыши (до 1:10) и простыми инженерно-геологическими и гидрогеологическими условиями. На ряде месторождений бассейна возможно строительство крупных карьеров — Азейском, Каранцайском, Новометелкинском, Владимиро-Головинском, Мугунском и Ишинском. В настоящее время основная добыча угля открытым способом в Иркутском бассейне сосредоточена на Черемховском месторождении. Удельный вес открытой добычи составляет около 70%, а к 1965 г. достигнет 87 %. С введением в эксплуатацию Сафроновского разреза на Черемховском месторождении удельный вес открытых работ станет еще выше. На остальных месторождениях Иркутского бассейна разработку угольных пластов можно осуществлять только шахтным способом и частично штольнями.
В юго-восточной части бассейна на Кармагайском, Арансахойском и других месторождениях в связи с глубоким залеганием угольных пластов (150—400 м) возможно строительство вертикальных шахт с годовой производственной мощностью до 1—3 млн т. Неглубокие шахты (70—150 м) могут быть построены на Тарасовском, Голуметском и ряде других месторождений в центральной и северо-западной частях бассейна. Отдельные участки Черемховского месторождения отрабатываются наклонными шахтами.
Штольнями в пределах бассейна разрабатываются (трестом «Черемховуголь») Забитуйское, Делюрское и Голуметское месторождения. На первых двух добыча угля составляет около 500 тыс. т в год. Подземные эксплуатационные работы в бассейне с каждым годом сокращаются за счет перевода на открытый способ разработки.
По условиям залегания пластов 85—90% запасов углей бассейна относятся к пластам с пологим падением (2—5°); остальные запасы угля (10—15%) сосредоточены на участках с наклонным залеганием пластов, где углы падения не превышают 15—30° (Новометелкинское, ряд месторождений в Кудинской мульде и район юго-западного обрамления бассейна).
Уголь и вмещающие породы характеризуются различными физикомеханическими свойствами. Песчаники с известковистым цементом обладают временным сопротивлением на сжатие от 400 до 1200 кг/см2. По шкале Протодьяконова, они относятся к V—VI категориям (известко-вистый цемент) и к VII—VIII категории (глинистый цемент). Алевролиты обладают временным сопротивлением на сжатие от 300 до 1100 кг/см2. По классификации Протодьяконова, они относятся к IV—V категориям. Категория крепости углей VIa. Другие породы (углистые породы, аргиллиты и глины) не имеют широкого распространения в разрезе (2,5—10,0%) и потому не играют существенной роли при ведении эксплуатационных работ.
Основными породами, слагающими черемховскую свиту, являются песчаники и алевролиты. В подавляющем большинстве они довольно устойчивы и в бортах карьеров образуют крутые откосы. Например, на Черемховском месторождении углы откоса составляют 70—80° и более. Такие же углы откосов, вероятно, окажутся на Каранцайском и Новометелкинском месторождениях, которые проектируется разрабатывать открытым способом. На Азейском месторождении, имеющем в кровле пласта «Второго» слабо сцементированные песчаники, углы откосов стенок карьеров, пройденных в песчаниках, не должны превышать 45—50°. На Черемховском месторождении песчаники, алевролиты и угли являются вполне надежным основанием для продвижения тяжелых экскаваторов типа ЭШ-14/75 и ЭШ-15/90. Аналогичными, вероятно, будут условия на Каранцайском и Новометелкинском месторождениях.
В подземных выработках все породы также устойчивы, за исключением районов распространения внутриформационных размывов (Черемховское месторождение), где кровля пластов представлена песком.
Принимая во внимание, что в Иркутском бассейне основные эксплуатационные работы производятся на Черемховском, Забитуйском и Владимиро-Головинском месторождениях, характеристика систем разработок пластов угля и устойчивости в шахтах пород кровли и почвы приводится на примерах этих месторождений.
На Черемховском месторождении эксплуатационные работы ведутся в основном по пласту «Главному», который разрабатывается Ново-Гришевским карьером и шахтой им. С.М. Кирова. На последней отработка ведется в один слой на полную мощность пласта с помощью комбайна «Донбасс». Исходя из общей мощности и строения пласта «Главного», отработка его производится в два слоя с обрушением кровли. Высота каждого выемочного слоя составляет 2,5—3 м. Сначала вынимается верхний слой, затем нижний. При этом верхний слой пласта отрабатывается системой длинных столбов при длине столбов 300—400 м с выемкой угля спаренными лавами, а нижний слой — камерно-столбовой системой. Отбойка угля взрывная. Уголь, добытый с верхнего слоя, доставляется к бункерным воронкам, откуда погружается в вагонетки электропоездов, курсирующих по основным штрекам, пройденным по нижнему слою. Процессы добычи и транспортировка угля на шахтах механизированы. По техническим условиям между верхним и нижним слоями оставляется межслоевой целик мощностью 0,6—0,8 м и более, что вызывает больший потери угля — до 25—40%.
В связи с тем, что строение пласта «Главного» сложное, а при его отработке применяется валовая механизированная угледобыча, уголь засоряется породными прослоями. Несмотря на то что породные прослойки по возможности отбрасываются в завал, а при транспортировке угля по транспортерной ленте выбираются породоотборщиками, зольность добываемого угля по шахтам довольно высокая. Для снижения зольности угля производится его обогащение на обогатительных фабриках.
В основном породы кровли и почвы пластов устойчивы, однако имеются глинистые прослои в кровле или оставляемом межслоевом целике, которые очень неустойчивы и легко обрушаются.
В настоящее время на Черемховском месторождении, где сосредоточена основная добыча угля открытым способом в Иркутском бассейне, применяются следующие системы разработок: транспортная, комбинированная, усложненная бестранспортная и простая бестранспортная.
Высота уступов для различных систем разработок различна. Так, для транспортной системы с погрузкой пород вскрыши в думкары экскаваторами СЭ-3 (Ново-Гришевский разрез) высота уступа составляет от 8 до 15 м. При комбинированной системе разработки экскаваторами ЭТЛ-15 и ЭШ 20/65, когда верхний уступ разрабатывается по транспортной системе, а нижний — по бестранспортной (Храмцовский разрез 1—2), высота уступа составляет 10—12 м. И, наконец, при простой бестранспортной системе с использованием экскаваторов типа ЭШ-14/75 (Храмцовский разрез 3), высота уступа изменяется от 12 до 16 м и в среднем составляет 14 м.
На остальных месторождениях угля, пригодных для открытых разработок и имеющих близкие горнотехнические условия с Черемховским, перечисленные системы разработок также применимы. При этом необходимо, вероятно, ориентироваться на экскаваторы-драгляйны с ковшами емкостью 10—30 м3 и длиной стрелы 50—100 м, которые пригодны при разработках бестранспортной системой, при мощности вскрыши до 40— 45 м. В настоящее время на Черемховском месторождении применяются наиболее крупные в бывш. СССР драгляйны типа ЭШ-14/75, ЭШ-15/90.
Перед экскавацией пород вскрыши требуется, как правило, их рыхление буровзрывными работами. С этой целью обычно проходят скважины станками БУ-2 /20, а при наличии мерзлых грунтов — станками вращательного бурения.
Выемка угля осуществляется на всю мощность пласта с последующим обогащением угля на обогатительных фабриках. Частично применяется селективная выемка угольных пачек и породных прослоев (Восточный и Южный разрезы), которая производится экскаваторами СЭ-3.
Опыт карьерной разработки Черемховского месторождения показывает, что при селективной выемке одновременно с углем добывается и транспортируется на обогатительную фабрику 20—25% породы (Южный, Северный, Восточный карьеры), а при выемке на полную мощность значительно больше (до 40%). Поскольку все мощные пласты бассейна имеют сложное строение, необходимо учитывать применение специальных экскаваторов для селективной выемки.
На Азейском месторождении намечается построить два мощных карьера производительностью 6 млн. т и 2 млн т. в год. Эксплуатационные работы можно вести простой бестранспортной системой разработки без рыхления пород буровзрывными работами в летнее время.
На Новометелкинском месторождении, где мощные пласты выходят под наносы, их разработка может производиться открытым способом, несмотря на довольно крутое падение (до 25—30°). При коэффициенте вскрыши 6 м3/т здесь может быть отработано около 120 млн. та угля. Система разработки транспортная. Породы вскрыши требуют предварительного рыхления буровзрывными работами. Возможная мощность карьера 1,2—3 млн. те в год.
На Каранцайском месторождении, содержащем основные запасы Иркутского бассейна, пригодные для открытых работ, возможно строительство нескольких крупных карьеров общей производственной мощностью более 10 млн. те. Коэффициент вскрыши в основном изменяется от 2 до 10 м3/т.
Для шахтного строительства в пределах Иркутского бассейна имеется очень много месторождений и участков, но, учитывая более низкие экономические показатели, ведение подземных работ в настоящее время считается нецелесообразным. Работающие в бассейне шахты постепенно консервируются или переводятся на открытый способ разработки.
Водообильность действующих шахт в Иркутском бассейне, установленная по результатам многолетних наблюдений, небольшая и не превышает 250—300 м3 /час. Наибольшие водопритоки имеют место в первый период их существования; в процессе эксплуатационных работ и дренажа шахтного поля обводненность горных выработок резко снижается.
Следует отметить малую эффективность сброса шахтных вод на поверхность, так как они в значительной степени фильтруются через угленосную толщу и снова возвращаются в горные выработки. В последние годы в порядке эксперимента осуществлен спуск шахтных вод (шахта 10/16 и др.) в кембрийские отложения (закарстованные участки); вероятно, это более эффективный способ. При этом следует обратить внимание на возможность загрязнения кембрийских подземных вод, являющихся в отдельных районах источниками водоснабжения.
Карстовые явления довольно широко развиты в пределах юго-восточной и центральной частей бассейна, на месте залегания подстилающих юрские отложения доломитизированных известняков, хорошо поддающихся выщелачиванию.
На Черемховском месторождении обнаружены два типа карстов: древний — погребенный и современный — глубинный (шахты им. С.М. Кирова, 10/16 и др.). Карст на шахтах проявляется в виде провалов угольных пластов; угли на этих участках превращаются в сажу или полностью уничтожены. Этот вид нарушений приводит к порче шахтных полей и усложняет ведение горных работ.
На ряде шахт Черемховского месторождения были проведены исследования по определению содержания во вмещающих породах и в породных прослойках свободной двуокиси кремния. В результате этих исследований установлено, что содержание свободной двуокиси кремния в различных породах различно. Наибольшее количество ее (31,0—47,2%) зафиксировано в брекчиях (кремнистых). Повышенным содержанием кремнекислоты обладают среднезернистые песчаники (15,7—40,8%). В других литологических разностях пород содержание свободной кремнекислоты изменяется в следующих пределах (в %):
Таким образом, по содержанию свободной кремнекислоты шахты Черемховского месторождения относятся к силикозоопасным.
На ряде месторождений Иркутского бассейна в процессе геологоразведочных работ были отмечены явления плывучести пород (Каранцайское месторождение). Плывунными свойствами обладает толща рыхлых мелкозернистых песков, супесей и суглинков. Однако ввиду ограниченности их распространения и способности легко отдавать воду плывуны не вызовут существенного осложнения при выведении вскрышных работ. В зимних условиях разработка плывунов может осуществляться с проморозкой, что значительно упростит их проходку.
На шахтах Черемховского месторождения отмечается особая взрывоопасность угольной пыли (при значительном содержании летучих в угле), вследствие чего они относятся к опасным по ныли.
Природная склонность к самовозгоранию, а также наличие ряда недостатков в складировании угля и ведении горных работ (режим проветривания, отсутствие барьерных целиков в ранее отработанных участках и др.) приводят к возникновению подземных пожаров и самовозгоранию штабелей угля на складах.
Выделения метана в угольных шахтах не отмечалось. Выделения метана (?) из отдельных скважин, пройденных в районе Прииркутской впадины, требует проверки и скорее всего связаны с поступлением этого газа из кембрийских нефтеносных пород.
Поскольку на других месторождениях Иркутского бассейна эксплуатационных работ в настоящее время не проводится, говорить о наличии там всех вышеперечисленных факторов можно лишь предположительно. Однако, учитывая аналогичное качество углей, инженерно-геологические и другие условия, можно предполагать, что они будут близкими к условиям Черемховского месторождения.