08.3. Проходка вертикальных шахтных стволов

Вскрытие месторождений во многих случаях осуществляют вертикальными стволами. Они открывают доступ к рабочим горизонтам по кратчайшему пути, спуск и подъем грузов по ним наиболее удобен, и затраты на эти операции наименьшии. При большой глубине разработки вскрытие вертикальными стволами может быть единственно возможным. Примерно 95 % вертикальных стволов в крепких породах закреплены бетоном и имеют круглое поперечное сечение диаметром от 3 до 9 метров.

По глубине ствола выделяют несколько его частей (рис. 8.20). Устье  –  верхняя часть ствола от земной поверхности до коренных (т.е. не затронутых разрушением) пород глубиной 10 – 30 м. Крепь устья одновременно служит фундаментом для надшахтных сооружений. Далее ствол делят на звенья длиной 10 – 40м каждое, на границе между которыми устраивают опорные венцы для поддержания крепи звена. На уровне рабочих горизонтов оборудуют сопряжения ствола с горизонтальными выработками. Нижняя часть ствола называется зумпфом и служит для сбора воды, поступающей в ствол, улавливания руды, просыпающейся из подъемных сосудов.

Проходку ствола ведут в несколько этапов. Перед ее началом подготавливают территорию и оснащают промышленную площадку  проходческим оборудованием. Для ускорения работ проходку устья ствола и его крепление с применением передвижного оборудования ведут одновременно.

Над устьем ствола устанавливают временный проходческий копер, с которого проходят устье и ствол на глубину около 60 – 80 м — так называемый технологический отход, необходимый для навески в стволе комплексов проходческого оборудования для последующей проходки. После завершения технологического отхода временный копер разбирают, а не его место надвигают и затем оборудуют основной проходческий копер, заблаговременно смонтированный. На этом начальный период проходки ствола, который длится от 6 месяцев до 1,5 года, заканчивается.

В дальнейшем в стволе монтируют проходческий полок, подвешиваемый к проходческой лебедке на поверхности. Это сложное сооружение состоит из двух и более этажей. Верхний этаж  –  предохранительный, он защищает забой ствола от падения случайных предметов и служит для натяжения направляющих канатов, по которым движутся подъемные сосуды. На нижних этажах размещают вентиляторы для проветривания забоя ствола, лебедки для забойного оборудования, промежуточные емкости для откачки воды.

С нижних этажей можно возводить постоянную крепь ствола. Под проходческим полком, над забоем, подвешивают агрегаты для бурения шпуров (если они используются) и погрузки взорванной массы, светильники и т. д. Проходческий полок снабжен гидродомкратами для фиксации его в стволе. В нем, кроме того, оборудованы отверстия для пропуска подъемных сосудов  –  бадей, огражденные раструбами, а также отверстия для пропуска вентиляционных и других труб, кабелей, спасательной лестницы, на которой поднимают в аварийных случаях проходчиков из забоя.

Когда проходческий полок смонтирован и оборудован, начинают проходку основной части ствола. Технология проходки состоит в отбойке горной массы с использованием буро-взрывных работ, уборке взорванной массы из забоя с выдачей ее в бадьях на поверхность и возведении постоянной крепи ствола (рис.8.21.).

В связи с необходимостью периодического взрывания пород проходческие работы организованы циклично. В каждом цикле работ последовательно выполняют отбойку, уборку породы и крепление ствола. За цикл (т. е. после каждого взрывания) забой ствола подвигается обычно на 2 – 3,5 м. Продолжительность цикла  2 – 4 смены. Работы ведут комплексные бригады, выполняющие все виды операций по проходке.

Буровзрывные работы. При проходке стволов в крепких породах они составляют 30 – 40 % всего времени проходки и требуют до 50 – 60 % трудовых затрат. Отбойку породы осуществляют шпурами глубиной от 1,5 до 3 м. Размещение шпуров в забое определяется в соответствии с проектным документом  –  паспортом буровзрывных работ (БВР). Так как стволы имеют круглое поперечное сечение, шпуры в забое располагают по нескольким концентрическим окружностям. Расстояние между соседними окружностями тем меньше, чем крепче породы, и составляет 0,6 – 0,9 м, такое же расстояние между шпурами на одной окружности. Оконтуривающие шпуры пробуривают на 10 – 20 см от стенок ствола, а расстояние между ними принимают на 20 % меньше, чем между другими шпурами. В центре поперечного сечения ствола располагают на окружности самого малого диаметра (обычно 1,7 – 2,3 м) так называемые врубовые шпуры. В отличие от других шпуров, перпендикулярных плоскости забоя, врубовые шпуры бурят под таким углом к плоскости, чтобы в глубине они сходились к центру сечения ствола. Назначение врубовых шпуров, взрываемых в первую очередь, заключается в создании дополнительной обнаженной поверхности в массиве, облегчающей его разрушение при взрыве других шпуров (рис. 8.22.).

Шпуры бурят ручными перфораторами массой 22 – 30 кг. Разметку шпуров в забое производят с помощью специальных круговых шаблонов в виде штанги, вращающейся вокруг оси, вставленной в шпур в центре поперечного сечения ствола.
В настоящее время находят широкое применение установки для механизированного бурения шпуров в стволах с использованием одновременно нескольких бурильных машин. Бурильные установки подвешивают к проходческому полку и применяют в комплексе с породопогрузочными машинами.

Для инициации шпуров используют патронированные прессованные взрывчатые вещества (ВВ) типа аммонита или жидкие льющиеся ВВ типа акванита. При использовании последних шпуры заряжают с применением специальных установок, повышающих производительность труда проходчиков на заряжании в 2 – 2,5 раза по сравнению с ручным заряжанием шпуров патронированными ВВ.

Для возбуждения взрыва заряда шпуров в стволах используют только электрическое инициирование посредством электродетонаторов от сети с напряжением. 220 – 380 В.; Перед взрыванием все механизмы поднимают из забоя к проходческому полку.

После взрывания ствол проветривают одним вентилятором, нагнетающим свежий воздух по трубам в забой, или используют комбинированный способ проветривания: двумя вентиляторами, один из которых нагнетает в забой свежий воздух, поступающий по стволу, а второй  –  отсасывает загрязненный воздух, который по металлическим трубам диаметром до 1 м отводится на поверхность. В глубоких стволах второй способ наиболее приемлем, так как позволяет сократить время проветривания с 1 ч до 20 мин.

По окончании проветривания обирают незакрепленные стенки ствола от заколов, ремонтируют поврежденную временную крепь и т. д., затем начинают уборку породы.
Уборка взорванной породы. Она заключается в механизированной погрузке породы в бадьи и подъеме на поверхность. В стволах, проходимых в крепких породах, время и трудозатраты на ее уборку составляют соответственно 30 – 50 % и 40 %.
При проходке неглубоких стволов или стволов небольшого (до 4,5 м) диаметра для погрузки взорванной породы применяют грейферные пневматические погрузчики с ручным вождением типа КС-3. Пневмопогрузчик состоит из шестилопастного грейфера, пневмоподъемника и водила с рукоятками.

В стволах с большой площадью поперечного сечения все шире применяют породопогрузочные машины с механизированным вождением и грейфером вместимостью до 1м3. Эти машины монтируются под проходческим полком, и управляет ими машинист из кабины. В настоящее время созданы образцы погрузочных машин, оборудованных ковшом на стреле. Иногда для уборки породы в стволе применяют ковшовые погрузочные машины на гусеничном ходу.
Крепление стволов. Наиболее распространенным, экономичным и наименее трудоемким является крепление монолитным быстротвердеющим бетоном. Бетон подают в ствол по трубам, поэтому крепление почти полностью механизировано. Толщина бетонной крепи составляет 0,2 – 0,3 м.

Для возведения крепи из бетона применяют передвижную металлическую опалубку высотой до 4 м.
Если стволы пройдены в крепких устойчивых породах, крепление можно осуществлять без опалубки, набрызгивая бетон на стенки слоем толщиной 8 – 15 см.
Для борьбы с водопритоками применяют откачку воды из забоя, улавливание и откачку на поверхность воды, стекающей по стенкам ствола, а также предварительную (опережающую) цементацию пород на обводненных участках.
При небольших притоках в забой (до 8 – 10 м3/ч) воду откачивают забойными насосами в бадьи и выдают на поверхность вместе с породой. При больших притоках ее откачивают на поверхность по трубам. Если глубина ствола значительная, то по его длине устраивают перекачные насосные станции.

Процессом, завершающим строительство ствола, является его армирование, т. е. создание в стволе по всей его длине пространственной стержневой системы для обеспечения направленного движения подъемных сосудов с заданной скоростью. Элементы армировки используют для закрепления проходящих по стволу труб и кабелей различного назначения, оборудования в стволе ходовых отделений, оснащенных лестницами для аварийного выхода людей на поверхность.
Основные конструктивные элементы армировки  –  расстрелы и проводники. Расстрелы – балки (металлические, реже железобетонные и деревянные), расположенные в одной горизонтальной плоскости (ярусе), закрепленные в стенках ствола и при необходимости жестко соединенные между собой. Ярусы расстрелов располагают по длине ствола через несколько метров. Расстрелы делят поперечное сечение ствола в плане на несколько отделений, число и размеры которых зависят в первую очередь от числа и поперечного сечения используемых в стволе подъемных сосудов. Проводники – непрерывные вертикальные плети, составленные из отдельных деревянных брусьев или металлических профилей, прикрепленных к расстрелам в каждом ярусе. Они служат для обеспечения строго направленного движения в стволе подъемных сосудов (по ним скользят направляющие устройства этих сосудов  –  скипов или клетей).

Армирование ствола для большей безопасности и для повышения производительности труда обычно осуществляют после завершения проходки.
Имеется так называемое эластичное армирование. Расстрелы при этом не устанавливают, а проводниками являются канаты, натянутые посредством грузов в зумпфе ствола. На каждый подъемный сосуд навешивают, как правило, по четыре проводниковых каната, а между движущимися сосудами  –  еще и отбойные канаты для предотвращения столкновения или зацепления этих сосудов при движении. Эластичное армирование применяют, если скорость подъемных сосудов не превышает 12 м/с.
Специальные способы проходки стволов применяют в сложных гидрогеологических условиях. Наиболее широко используют проходку с замораживанием неустойчивых водонасыщенных пород (плывунов), а также проходку с предварительным тампонированием (цементацией или битумизацией) сильно трещиноватых водонасыщенных пород. В обоих случаях основной целью является ограждение забоя ствола от больших притоков воды, а при замораживании  –  еще и повышение устойчивости пород. К специальным способам проходки может быть отнесено также бурение шахтных стволов.

При проходке с замораживанием вокруг ствола по окружности бурят скважины на расстоянии 0,8 – 1,1 м друг от друга. В них опускают трубы, по которым с поверхности накачивают в скважины рассол (насыщенный раствор солей), охлажденный до отрицательной температуры – 20° – 25 °С. Рассол, нагретый породами, из скважины по кольцевому пространству между трубой и стенками скважины вытесняется на поверхность, где охлаждается вновь (например, с помощью жидкого аммиака), после чего опять нагнетается в скважины. Постепенно отбирая тепло у пород, рассол охлаждает и затем замораживает их до температуры около -10 °С. Вокруг ствола, таким образом, создается стенка из замороженной породы  –  ледопородный цилиндр, предел прочности которого на сжатие может достигать 10 – 15 МПа. Процесс замораживания пород до нужной температуры длится несколько недель.

После возведения ледопородного цилиндра под его защитой начинают проходку ствола. Технология проходки отличается от обычной тем, что выемку породы осуществляют, как правило, механическим способом с использованием пневматического инструмента (например, отбойных молотков). Буровзрывные работы производят редко и с осторожностью, чтобы не нарушить сплошность ледопородной стенки. Для крепления применяют обычно быстротвердеющий бетон, подогретый до 25 – 30°С, или чугунные тюбинги.

Когда проходка ствола завершена, замороженные породы оттаивают подогретым рассолом, подаваемым в те же скважины. Скорость оттаивания не должна превышать 2 – 3°С в сутки, чтобы не вызвать опасных деформаций крепи.
Тампонирование пород при проходке ведут через скважины. Оно может быть предварительным (осуществляется с поверхности) и последовательным. В последнем случае породы тампонируют из забоя ствола после завершения проходки каждого его участка. Сильно трещиноватые крепкие породы тампонируют цементным растворам. При наличии в породах пустот или крупных трещин целесообразно применять для тампонирования глинистый раствор или горячий битум.

Бурение  стволов применяют, как правило, в мягких и средней крепости обводненных и нередко неустойчивых породах, в которых другие способы проходки малопроизводительны и трудоемки. Затраты на бурение стволов довольно высоки, однако применение этого способа позволяет полностью механизировать проходку и вывести людей из забоя ствола на поверхность. В нашей стране бурением пройдены десятки километров стволов, причем наибольшая глубина ствола, пройденного этим способом, составляет более двух километров.

Стволопроходческие бурильные установки имеют различные конструкции и принцип действия. В основном применяют установки роторного, колонкового и реактивно-турбинного бурения, причем рабочим инструментом у них являются шарошечные долота. Роторными установками бурят по центру ствола опережающую скважину диаметром 600 мм (пилот-скважину), а затем разбуривают ее на полное поперечное сечение с помощью расширителей до диаметра 7,5 – 8,75 м. Скорость проходки ствола составляет до 50 м/мес. Колонковое бурение стволов осуществляют кольцевым забоем по периметру ствола, а оставшуюся нетронутой среднюю часть забоя в виде колонки, называемую керном, периодически через 3 – 5 м отрывают от массива посредством гидродомкратов и выдают на поверхность; скорость проходки при этом достигает 150 м/мес.

Довольно широкое распространение получили установки реактивно-турбинного бурения. Бурение на полное поперечное сечение ствола ведут комплексом, состоящим из двух и более агрегатов, шарошечные долота которых приводятся во вращение с помощью турбин, а турбины вращаются под напором промывочной жидкости. Скорость проходки составляет до 10 м/мес.
Промывочную жидкость применяют при всех способах бурения стволов. Она представляет собой тяжелый глинистый раствор, посредством которого выносятся на поверхность из забоя частицы породы, разрушенной шарошечными долотами, охлаждается рабочий инструмент, и защищаются от обрушения стенки ствола.

Крепление ствола обычно осуществляют только по окончании бурения на полную глубину. Однако созданы самоходные стволопроходческие агрегаты, при использовании которых ствол бурят секциями на полное поперечное сечение выдвижным (телескопическим) рабочим органом с опускающегося полка, распираемого гидродомкратами в стволе на время бурения. Крепление ствола ведут с полка вслед за его проходкой. Скорость проходки готового ствола достигает 130 – 170 м/мес.
Углубка стволов. Углубку выполняют, как правило, не останавливая работы в действующей части ствола. По этой причине операции по углубке стволов труднее механизировать, и доля ручного труда здесь довольно значительна.

Для углубки стволов применяют в зависимости от условий различную технологию. При большой величине углубки, значительных водопритоках в ствол и отсутствии выработок на нижних горизонтах работы осуществляют сверху вниз под защитой предохранительного целика или искусственного перекрытия в зумпфе действующей части ствола.

При наличии выработок на нижних горизонтах и относительно небольшой (до 150 – 200 м) глубине углубку ствола можно вести снизу вверх. Достоинства такого способа заключаются главным образом в том, что отбитая порода под действием собственного веса поступает вниз к местам погрузки в транспортные средства, так же как и вода из забоя, поэтому нет необходимости в специальном проходческом подъеме и водоотливе.

© Кузьмин Е.В., Хайрутдинов М.М., Зенько Д.К.
"Основы горного дела"

 

 

Запрещается любое копирование и распространение информации без письменного согласия авторов учебника "Основы горного дела" 

ЭКСКЛЮЗИВНЫМ ПРАВО НА ПУБЛИКАЦИЮ ОБЛАДАЕТ "ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЙ ПОРТАЛ РОССИИ"