Геотехнология: подземные горные выработки и их крепление

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ — СПЕЦИАЛИТЕТ 

серия основана в 1 9 9 6  г.

Е.И. КОМАРОВ

ГЕОТЕХНОЛОГИЯ

ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ 
И ИХ КРЕПЛЕНИЕ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено

Учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию 
в области горного дела в качестве учебного пособия 
для студентов вузов, обучающихся по направлению 
подготовки (специальности) «Горное дело»

Э л е к т р о н н о

znanium .com

Москва
ИНФРА-М

2021

УДК 622(075.8) 
ББК 33.1я73 
К63

Автор:

Комаров Е.И., доктор технических наук, профессор кафедры геотехнологических способов и физических процессов горного производства Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе

Р е ц е н з е н т ы :

Боровков Ю.А., доктор технических наук, профессор кафедры разработки месторождений стратегических видов минерального сырья 
Российского государственного геологоразведочного университета 
имени Серго Орджоникидзе;

Глотов В.В., доктор технических наук, заведующий кафедрой экономики горного производства и геологоразведки Забайкальского государственного университета

Комаров Е.И.

К63 
Геотехнология. Подземные горные выработки и их крепление : учебное пособие /  Е.И. Комаров. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 170 с. — 
(Высшее образование: Специалитет). — DOI 10.12737/1064750.

ISBN 978-5-16-015873-0 (print)
ISBN 978-5-16-108336-9 (online)
В учебном пособии изложены основные понятия о подземных горных 
выработках, оценки их устойчивости, современные способы крепления 
и охраны в период всего срока существования шахт и рудников. Приведены примеры расчета рациональной площади поперечного сечения горных 
выработок и вопросы для самопроверки, направленные на закрепление полученных студентами знаний и компетенций.

Предназначено для студентов всех специализаций, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело» и изучающих дисциплины «Подземная геотехнология» и «Строительная геотехнология», поскольку является 
базовым информативным носителем профессиональных знаний и компетенций.

УДК 622(075.8) 
ББК 33.1я73

ISBN 978-5-16-015873-0 (print) 
ISBN 978-5-16-108336-9 (online)
© Комаров Е.И., 2016, 2021

ВВЕДЕНИЕ

Человечество стремится к освоению не только космического пространства и морских глубин, но в большей степени земных недр. Достигнутые успехи в освоении недр в основном связаны с желанием добычи полезных ископаемых, 
особенно стратегических видов сырья. В настоящее время 
наиболее глубокими являются рудники золотодобычи, которыми скоро будет достигнута глубина разработки 4 км и это 
не предел. Только в ЮАР около 20 рудников имеют глубину 
разработки более 2 км, из них 10 рудников уже превысили 
отметку 3 км. В России наиболее глубоким является рудник 
«Таймырский» ГМК «Норильский никель», разрабатывающий на глубине более 1,5 км медно-никелевые руды. Несколько меньше глубина подземной разработки и других полезных ископаемых (уголь; медно-цинковая, урановая, железная и калийная руды).

Рост глубины разработки и увеличение мощности грузопотоков полезных ископаемых обусловливают увеличение 
площади поперечного сечения подземных горных выработок 
и необходимость сохранения их устойчивости в условиях повышенного напряженно-деформационного состояния. При 
этом возрастающие нормативы проходческих работ на тысячу тонн добытых полезных ископаемых, требуют тщательно 
обоснованных решений в части выбора формы и размеров 
поперечных сечений подземных горных выработок, современных материалов и конструкций горной крепи.

Значительный срок существования шахт и рудников, 
продолжительное время стояния капитальных и подготовительных выработок обязывает знать основные способы их 
охраны, дополняющих профессиональные компетенции по 
дисциплине «Подземная геотехнология».

3

1. ПОДЗЕМНЫЕ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ

1.1. Классификация подземных горных выработок

Пустоты, образующиеся в земной коре в результате 
разведки месторождений и добычи полезных ископаемых 
подземным способом, называются подземными горными 
выработками. В свою очередь, определенные системы этих 
выработок формируют такие производственные объекты как 
шахты и рудники.

Подземные горные выработки классифицируются по 
ряду признаков:

• по назначению;
• по сроку службы;
• по пространственному расположению, в зависимости от стадии освоения месторождений;

• по форме поперечного сечения и т.д.
По назначению подземные горные выработки различают:

а) разведочные и эксплуатационные;
б) главные и вспомогательные;
в) конвейерные, транспортные, грузовые, вентиляционные,

людские, породные и т.д.
По сроку службы подземные горные выработки делятся на:

• капитальные (действуют более 10 лет);
• подготовительные (действуют до 10 лет);
• очистные (функционируют до 1 года).
Близка к ним классификация в зависимости от стадии 
освоения месторождений (рис. 1.1), согласно которой подземные горные выработки подразделяются на:

4

а) геологоразведочные;
б) капитальные;
в) подготовительные (участковые);
г) нарезные;
д) очистные.

для подсчета й уточнения 
балансовых запасов

для вскрытия месторождения и 
подсчета вскрытых запасов

дея подготовки выемочных блоков;И 
подсчета готовых к выемке зепзсрв
третий

при отработке выемочных блоков и

погашении запасов

Рис. 1.1. Классификация подземных горных выработок 
в зависимости от стадии освоения месторождения

По расположению подземные горные выработки можно классифицировать относительно:

• горизонтальной плоскости -  вертикальные (90°), 
круто-наклонные (35-90°), наклонные (0-35°) и горизонтальные (0°);

• центра шахтного (рудничного) поля -  центральные 
и фланговые; северные, восточные, южные и западные; восстающие, диагональные и др.;

• залегания месторождения -  пластовые (проходят по 
полезному ископаемому); полевые (минуют полезное ископаемое).

Все действующие подземные горные выработки имеют следующие элементы (рис. 1.2):

5

> устье -  место примыкания к земной поверхности 
или другой выработке;

> забой -  торцевая поверхность, на которую воздействуют орудиями труда с целью направленной выемки (отбойки);

У кровля — потолочина;
У бока -  боковые поверхности;
> почва (подошва).

Форма забоя зависит от размеров выработки, горногеологических условий, физико-механических свойств горных пород, применяемых орудий труда и конкретных задач.

При раздельной (селективной) выемке полезных ископаемых и пород, забои приобретают уступную или ступенчатую конфигурацию. Чаще забой плоский. Когда выработка 
достигнет своей проектной длины, забой прекращает своё 
существование, преобразуясь в торец (стенку).

6

По длине фронта очистных работ забои разделяют на 
короткие или узкие (длиной до 15-30 м) и длинные (от 15-30 
до 200-250 м).

По виду секущих плоскостей различают продольное и 
поперечное сечение подземных горных выработок. Для продольного сечения секущая плоскость проходит по оси выработки, а для поперечного -  перпендикулярно.

В зависимости от величины и характера проявления 
горного давления, физико-механических свойств горных пород, назначения и срока службы подземным горным выработкам придают устойчивые формы поперечных сечений, 
которые подразделяются на (рис. 1.3):

Рис. 1.3. Основные формы поперечных сечений подземных 
горных выработок:

а —  прямоугольная; 6 —  трапециевидная; в —  полигональная; 
г — сводчатая; д — арочная; е — круглая; ж, з — эллиптическая

а) прямоугольные -  обычно проводятся на небольшой 
глубине при прочных породах кровли, отсутствии бокового 
горного давления и наличии «пучения» пород;

7

б) трапециевидные -  проводятся на небольшой глубине при прочных породах кровли, небольшом боковом горном давлении и отсутствии «пучения» пород;

в) полигональные -  проходят при необходимости повышения устойчивости трапециевидных выработок;

г) сводчатые — по своей конфигурации приближаются 
к своду естественного равновесия, вследствие чего проходят 
на большой глубине при значительном горном давлении1* со 
стороны кровли в довольно крепких породах при отсутствии 
«пучения»2 пород в почве выработок;

д) арочные -  проходят на большой глубине при наличии вертикального и бокового давления горных пород;

е) круглые -  проводят при всестороннем горном давлении в слабых и неустойчивых боковых породах горизонтальных и вертикальных горных выработок;

ж, з) эллиптические — крайне редко проектируют и 
применяют на практике в слабых и неустойчивых породах с 
большой осью в направлении большего горного давления.

Существует несколько понятий поперечного сечения 
горных выработок:

• в проходке -  сечение выработки после выемки горной массы до установки крепи по контуру вмещающих пород;

1 Горное давление -  совокупность сил, действующих в массиве вокруг 
горных выработок, т.е. напряжения в породном массиве, обусловленные 
проведением горных работ дополнительно к ранее существующим в 
нетронутой толще массива. Обычно проявляется в разных формах 
(деформации боковых пород и их обрушение, деформации и разрушения 
крепей, внезапные выбросы и горные удары) при проведении и 
эксплуатации выработок.
2 Пучение (выдавливание пород из почвы) -  горное давление со стороны 
почвы выработки за счет набухания пород и их пластического течения в 
результате неравновесного состояния массива или как результат выпирания под влиянием опорного давления в боках выработки.

8

• вчерне -  сечение по наружному контуру крепи и 
почве выработки;

• в свету -  сечение после возведения крепи и настилки рельсового пути по внутреннему контуру крепи и верху 
балластного слоя, а при его отсутствии -  по почве.

Для изучения общую структуру подземных горных 
выработок можно представить на рис. 1.4:

-  протяженные (вертикальные, горизонтальные, наклонные);

-  очистные;
-  служебные камеры околоствольного двора.

1.2. Вертикальные горные выработки

Схема расположения некоторых подземных горных 
выработок в недрах Земли приведена на рис. 1.5.

Шахтные стволы — вертикальные капитальные 
выработки, имеющие непосредственный выход на земную 
поверхность 
и 
предназначенные 
для 
вскрытия 
месторождений, спуска-подъема людей, оборудования и

9

материалов, подъема добытых полезных ископаемых, а 
также для вентиляции шахт и рудников.

Рис. 1.5. Схема расположения подземных горных выработок 
в недрах Земли:

7 — вертикальный ствол; 2 —  квершлаг; 3 — штрек; 4 —  полевой 
штрек; 5 —  орт; б —  вертикальный и 7 —  наклонный восстающий;
8 —  слепой ствол; 9 —  штольня; 10 —  шурф; 11 —  наклонный ствол

Стволы, служащие для подъема добытых полезных 
ископаемых, называют главными, а все другие -  вспомогательными. Часть ствола, расположенная ниже транспортного горизонта, называется зумпфом, который предназначен 
для приема воды.

Сооружаемые в настоящее время вертикальные стволы имеют, как правило, круглую форму поперечного сечения 
(рис. 1.6). Диаметр стволов ранжируется через каждые 0,5 м. 
Так, на шахтах средней производственной мощности

10