Проходка подземных горных выработок

Проходка — это комплекс технологических про­цессов, выполняемых в заданной последовательности и формирующих горную выработку в соответствии с ее функциональным назначением и продолжительностью эксплуатации.

Способы проходки подземных горных выработок делятся на две группы:

1  — основные способы;

2  — специальные способы.

Специальные способы применяются для строительства подзем­ных выработок в сложных горно-геологических условиях, например, в весьма неустойчивых или обводненных горных породах, при пересечении выработками разломов и крупных тектонических нару­шений.

Рис. а.  Вертикальные выработки

Рис. б. Вертикальные стволы

Шахтный вертикальный ствол состоит из устьевой, протяженной (с рассечками, камерами) и зумпфовой частей (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схемы вертикальных стволов:

а — клетевой; 1 — калориферный канал; 2 — камера перекачкой водоотливной станции; 3 — сопряжение ствола с околоствольным двором; 4 ~ камера и ходок зумпфового во­доотлива; $ — зумпф; 6 — водотрубный ходок;

б — скиповой; 1 — вентиляционный канал; 2 + 6, 11 ^ 13 — выработки загрузочного комплекса; 7 + 10- зумпфовой комплекс; 14 ~ вентиляционный ходок

Устье ствола сооружается в подготовительный период (рис. 2.6). После устройства устья и технологического отхода высотой не более 50 м, предназначенного для размещения забойного горнопроходческо­го оборудования, приступают к монтажу проходческого оборудования и проходке протяженной части ствола.

Рис. 2.6, Схема проходки устья: 1 — автокран; 2 — бадья; 3 — грейферный погрузчик; 4 — подвесная опалубка; 5 — лебедки для подвески опалубки; 6 — бетонопровод; 7 — бункер для бетонной смеси; 8 — автосамосвал; 9 — рама-шаблон; 10 — кран-экскаватор

В практике сооружения вертикальных стволов используются три основных способа проходки: последовательный, параллельный, со­вмещенный. Сущность основных способов проходки поясняется (рис. 2.7).

Недостаток последовательного способа — невысокая скорость проходки. Недостаток параллельного способа — сложность примене­ния в неустойчивых породах. В настоящее время большинство стволов проходятся по совмещенному методу, однако этот способ требует вы­полнения специальных мероприятий по обеспечению качества моно­литной бетонной крепи (из-за малого времени для набора «разопалубочной прочности»). Схема расположения проходческого оборудова­ния в стволе при совмещенном способе проходки показана на (рис. 2.8). Проходка устья и технологического отхода производятся после­довательным или совмещенным способом. При проходке протяженной части ствола в местах его сопряже­ния с проектируемыми горизонтальными выработками устраиваются «рассечки», или в крепи оставляются «окна». После завершения про­ходки на заданную глубину, включая зумпфовой участок, производит­ся армирование ствола — установка расстрелов, проводников, устрой­ство лестничных отделений, прокладка трубопроводов и кабелей.

Рис. 2.7.

Последовательный способ Проходка ведется с временной крепью заходками высотой 20 + 30 м сверху вниз. Возведение посто­янной крепи осуществляется после проходки на длину заходки в на­правлении снизу вверх: 1 — подвесной плок; 2 — временная крепь; 3 — опорный венед; 4 — постоянная крепь

Рис. 2.7.

Параллельный способ Проходка и возведение постоян­ной крепи производятся одновре­менно. Крепь возводится с под­весного полка: 1 — бетонная крепь; 2 — натяжной по­лок; 3 — опалубка; 4 — подвесной по­лок; 5 — телескопический желоб для разводки бетонной смеси за опалубку; 6 — приемный бункер для бетонной смеси.

Рис. 2.7.

Совмещенный способ Проходка и возведение крепи выпол­няются в едином цикле (с уходкой 3 ÷ 4 м). Если выработка крепится моно­литным бетоном, в заключительной фазе уборки породы забой выравнива­ется,  опускается  и  устанавливается подвесная створчатая или секционная опалубка,   после  чего производится укладка бетонной смеси. 1 — призабойная опалубка; 2, 3, 6,7-устройства для транспортировки и разводки бетонной смеси; 4 — погру­зочный грейферный комплекс; 5 -подвесной полок.

 

 

Рис. 2.8.

Расположение оборудования в стволе, проходимом совмещенным способом: 1 — многоярусный полок; 2 — погрузоч­ный комплекс; 3 — подвесная опалубка; 4 — бадья

Стволы, используемые для строительства и эксплуатации тонне­лей и метрополитенов, отличаются укороченной протяженной частью и закрепляются, как правило, металлическими тюбингами. Типичная конструкция ствола приведена на рис. 2.9. Проходка подобного объек­та обычно выполняется по технологическим схемам, применяемым для проходки устьев шахтных стволов.

Рис. 2.9. Конструкция ствола: 1 — устье; 2 — ствол, закрепляемый тюбин­говой крепью; 3 — сопряжение; 4 — околоствольный двор; 5 — зумпф

В обводненных и неустойчивых массивах горных пород при со­оружении стволов применяются специальные способы:

—        замораживание;

—        кессонный (проходка под сжатым воздухом с давлением до 0,3 МПа);

—        тампонаж вмещающих пород (цементация, полимеризация, силикатизация, битумизация);

—        водопонижение;

—        бурение (роторное, турбинное, колонковое);

—        проходка с забивной или шпунтовой крепью;

—        способ «опускного колодца».

 Способы углубки стволов

Многие месторождения полезных ископаемых вскрываются по­этапно. Первый этап завершается в период освоения месторождения: на этой стадии вскрывается верхняя часть залежей. Оставшаяся часть вскрывается позднее (второй и последующие этапы) одновременно с активной эксплуатацией ранее вскрытых участков. Такой порядок вскрытия позволяет существенно сократить сроки ввода производственных мощностей предприятия и ускорить окупаемость капитальных вложений.

Удлинение ствола с рабочего или строящегося горизонта в целях вскрытия нижних горизонтов месторождения называется углубкой.

Основная особенность углубки заключается в отделении углуб­ляемого участка ствола от эксплуатируемого верхнего участка ствола (в целях обеспечения безопасности проходческих работ) предохрани­тельным целиком или предохранительным полком. Углубка может производиться сверху вниз, снизу вверх и одно­временно с нескольких горизонтов сверху вниз и снизу вверх (рис. 2.10).

 Горизонтальные выработки

В практике горно-строительных работ горнодобывающих пред­приятий в качестве основных способов проходки горизонтальных вы­работок в однородных породах (забой вскрывает один вид породы) используются «способ сплошного забоя» и «способ уступно­го забоя» (рис. 2.11). Последний состоит в разделении забоя на гори­зонтальные или вертикальные уступы с дальнейшей последовательной их разработкой.

Рис. 2.11. Способы сплошного и уступного забоя: а — способ сплошного забоя; б — способ уступного забоя

В неоднородных породах, когда забой выработай пересекает один или более видов пород и полезное ископаемое, применяются «способ узкого забоя» и «способ широкого забоя» Показано на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Поперечные сечения выработок при узком и широком забоях: а — при узком забое; б — при широком забое

В практике тоннелестроения способы проходки горизонтальных горных выработок и камер принято подразделять на горный и щито­вой. При горном способе отбойку породы производят по частям (рис. 2.13) с временным их креплением, после чего под защитой временной крепи возводят обделку.

Рис. 2.13. Элементы поперечного сечения: 1 — верхняя штольня; 2 — нижняя штольня; 3 — фурнель; 4, 5- калотта (правая и левая); 6, 7 —  штросса (правая и левая); 8 — ядро

В настоящее время горный способ имеет ограниченное приме­нение, в основном, для проходки коротких выработок или камер, где применение высокопроизводительных способов проходки экономиче­ски нецелесообразно или где по геологическим условиям невозможно раскрыть выработку на полное сечение без временного крепления. Горный способ включает три основные модификации: сплошно­го забоя, опорного свода (рис. 2.14, 2.15), и опорного ядра (рис. 2.16).

Рис. 2.14. Одноштольневой способ опорного свода: 1 ÷ 8 — порядок горных работ

Рис. 2.15. Двухштольневой способ опорного свода: 1 ÷ 9 — порядок горных работ.

Рис. 2.16. Способ опорного ядра: 1 ÷ 9 — порядок горных работ

Способ опорного ядра применяется в сухих породах, не способ­ных выдерживать давление свода обделки. Способы опорного свода используются в относительно устойчивых породах: одноштольневой способ в сухих, двухштольневый в обводненных. Недостаток способа опорного свода — необходимость подводки стен обделки под свод, весьма чувствительный к неравномерным осадкам и деформациям от бокового горного давления. Одним из мероприятий, позволяющих ис­ключить возможные аварийные ситуации, является очередность воз­ведения стен обделки (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Схема очередности подводки стен под свод: 1 ÷ 4 — порядок возведения обделки

На рис. 2.18, 2.19, 2.20, 2.21 приведены перспективные модифи­кации горного способа: способ уступного забоя, способы с примене­нием буровзрывных работ, с временной крепью из решетчатых арок и набрызг-бетона, способы с опережающей горной крепью.

Область применения горного способа может быть расширена в результате внедрения НАТМ — нового австрийского способа, сущ­ность которого может быть сведена к четырем принципам:
1   — максимальные сохранность и использование естественной несущей способности вмещающего массива;

2 — применение облегченных крепей (анкерной, набрызг-бетонной) с возможностью усиления обделки при необходимости;

3 — действенный мониторинг вмещающего массива и обделки в заданном режиме с прогнозом ситуации;

4 — высокий организационный уровень производства работ.

Рис. 2.18. Способы уступного забоя: а — с горизонтальными шпурами; 1,5- погрузочная машина; 2 — временная крепь; 3, 6 — вагонетка; 4 — передвижной помост; б — с отбойкой породы в нижнем уступе наклонными скважинами; 1 — буровой станок; 2 — скважины; 3 — тоннельный экскаватор; 4 — автосамосвал

Рис. 2.19. Схемы с применением буровзрывных работ с использованием сблокированных бурильных молотков и баровых щеленарезных машин: а — с опережающей контурной щелью 1; б — с опережающими контурной 1 и цен­тральной 2 щелями; в — с опережающей штольней  1, веерными отбойными скважина­ми 2 вкрест простирания и сближенными контурными шпурами 3 по простиранию выработки

Щитовой способ используется при строительстве протяженных подземных сооружений в мягких, слабоусточивых и полускальных грунтах, когда горный способ оказывается неэкономичным. Способ назван «щитовым» по имени основного агрегата проходческого щита, включающего передвижную металлическую защитную крепь, собст­венно щит, оборудование для разработки и обеспечения устойчивости лба забоя, уборки пород и сооружения обделки (рис. 2.22).

Щиты выпускаются в различных модификациях: немеханизиро­ванные, механизированные, механизированные и автоматизированные для сооружения тоннелей различных форм и размеров. Преимущест­венное использование имеют щиты с круговым очертанием: диаметр щита может составлять от 2,5 до 14 м и более, длина щитового ком­плекса — более 50 ÷ 60 м. Механизированные щиты могут оснащаться забойными рабочими органами экскаваторного, фрезерного и ротор­ного действия. Как правило, рабочий орган щита приспособлен для работы в породах с определенными физико-механическими характе­ристиками и степенью обводненности, т. е. в узком диапазоне инже­нерно-геологических и гидрогеологических условий, что приводит к большому числу модификаций щитов.

Рис. 2.20. Схема раскрытия выработки с использованием временной крепи из решетчатых металлических арок с набрызгбетоном: 1 ÷ 6 — порядок возведения обделки

Рис. 2.21. Схемы способов с опережающей горной крепью: а — с защитным экраном из труб; 1 — арочная крепь; 2 — микротоннель; 3 — обделка; 6 — с опережающей бетонной крепью; 1 — щеленарезная машина; 2 — машина для нане­сения набрызг-бетона; 3 — лоток; 4 — опалубка; 5 — арки; 6 — секции ОБК[1]; 7 — обделка; в — с опережающей крепью из стабилизированного грунта; 1, 5 контур выработки; 3 -опережающая крепь; 4 — пилот-тоннель

Рис. 2.22. Схема проходческого щита: 1 — ножевое кольцо; 2 — опорное кольцо; 3 — домкрат; 4 — защитная оболочка; 5 — об­делка

На основе механизированных щитов с роторным рабочим орга­ном создан новый тип горнопроходческого оборудования — тоннель­ные роторные комплексы (ТРК) или тоннельные проходческие машины (ТПМ), рис. 2.23. Применение таких комплексов обеспечива­ет сооружение тоннелей с темпами более 500 ÷ 600 м в месяц в раз­личных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, в т.ч. в обводненных и неустойчивых породах (ТРК с механическим, грунтовым и гидравлическим пригрузом забоя).

В обводненных и весьма неустойчивых породах применяются следующие специальные способы: замораживание, кессонный, тампо­наж; водопонижение; проходка с забивной или шпунтовой крепью.

Рис. 2.23. Тоннельный роторный комплекс

 Особенности проходки наклонных выработок Горные выработки с углами наклона более пяти градусов отно­сятся к наклонным. Сооружение наклонных выработок производится в основном аналогично технологии проходки горизонтальных вырабо­ток, вместе с тем существует ряд особенностей, обусловленных на­клонным положением выработок в пространстве.

Для наклонных шахтных выработок, возводимых в направле­нии сверху «низ, необходимо:

—    крепить устья наклонных стволов и выработок, выходящих на поверхность, огнестойкой крепью;

—    оборудовать устье противопожарными дверями, если по ство­лу подается воздух;

—    применять предохранительные устройства, исключающие ска­тывание или падение горнопроходческого оборудования в забой;

—    предусматривать меры по предотвращению смещения рельсо­вых путей;

— устанавливать две предохранительные системы (барьеры, пол­ки) одну вверху у входа в выработку, вторую — не выше 20 м от забоя;

— защищающие забой от падения подъемных сосудов (скипов или ваго­неток), скатывания кусков породы или каких-либо предметов. Кроме того, груженые сосуды следует оборудовать ловителями, например, вилками;

— обеспечить эффективную откачку подземных вод из забоя. Одним из таких решений при больших притоках является организация проходки по способу «шагающего водоотлива» (попеременной про­ходки с незначительным опережением забоя одного ствола и интен­сивной откачкой воды из забоя параллельного ствола);

—  предусматривать улавливание воды по всей протяженности наклонной выработки;

— организовать безопасное передвижение людей при рельсовом транспорте в параллельных выработках или в ходовых отделениях.

Для наклонных шахтных выработок, проходимых снизу-вверх, осложнения возникают вследствие трудности проветривания забоя и транспортировки материалов в забой. Поэтому для повышения эффективности вентиляции следует «сбивать» проходимую выработку вентиляционной скважиной с вышележащим горизонтом или прово­дить параллельную наклонную выработку с горизонтальными сбойка­ми,

Особенности строительства эскалаторных тоннелей обу­словлены их конструктивным исполнением и природными условиями:

— относительно малой протяженностью выработки;

— диаметром тоннеля, составляющим от 8,5 до 10 м вчерне;

— наклоном тоннеля к горизонту, равным 30 градусов;

— применением обделки из чугунных тюбингов;

— размещением в породах, свойства которых на относительно коротком участке изменяются в весьма широком диапазоне: от сла­бых, неустойчивых и обводненных до крепких и устойчивых.

Как правило, состав работ по строительству эскалаторного тон­неля включает:

— предварительное укрепление вмещающих пород:

— сооружение котлована для размещения временных полуколец и колец обделки (рис. 2.24);

— устройство монтажной камеры, монтаж тюбингоукладчика. разгрузочной платформы, скипового подъема;
— устройство оголовков и сопряжений с вестибюлем и станцией;

— проходка тоннеля с креплением лба забоя и стен тоннеля;

— отделочные работы и монтаж оборудования.

Рис. 2.24. Схема работ по проходке эскалаторного тоннеля: 1 — затяжка кровли; 2 — крепление лба забоя; 3 — затяжка забоя; 4 — скип; 5 — погру­зочная платформа; 6 — тюбингоукладчик; 7 — трубы для замораживания пород; 8 — шлагбаум; 9 — коллектор замораживающей системы; 10 — инвентарные подмости; 11 — растворный узел; 12 — ограждение котлована; 13 — временные полукольца; 14 — тельферная эстакада; 15 — лебедка для спуска тюбингов; 16 — бункерная секция вместимо­стью 20 м3; 17 — подъемная машина

Способы проходки восстающих

Восстающими называются горные выработки, сбивающие два смежных горизонта или верхний горизонт с поверхностью. Восстаю­щие применяются для перепуска горной массы, вентиляции, доставки материалов, подготовки блоков к очистной выемке, прокладки инже­нерных коммуникаций, как запасной выход и для других целей.

Место примыкания восстающего к горизонту несколько смеща­ется относительно горизонтальных выработок на горизонтах по усло­виям безопасности. В зависимости от назначения восстающие оборудуются одним, двумя или тремя отделениями, тип крепи выбирается с учетом свойств вмещающих пород.

Способы проходки восстающих подразделяются:

—    на традиционный снизу-вверх с применением БВР;

—    с применением передвижного щита ПЩБ Будряновича;

—    с клетью, подвешиваемой через скважину к подъемной маши­не, установленной на верхнем горизонте;

— с использованием проходческих комплексов КПВ, переме­щаемых в процессе проходческого цикла из горизонтальной выработ­ки в проходимый восстающий по монорельсу (рис. 2.25);

—    бурением (снизу вверх и сверху вниз на полное сечение, снизу вверх узким ходом и сверху вниз широким ходом с использованием буровых расширителей) комбайнами типа KB (рис. 2.26);

— способ взрывания скважин на высоту восстающего или посек­ционно с предварительным устройством компенсационных полостей.

Рис. 2.25. Схема проходки восстающе­го с применением самоходного полка: 1 — блок питания; 2 — блок отбора проб воздуха; 3 — блок управления на полке; 4 — предохранительный зонт; 5 — платформа; 6 — самоходный полок; 7 — монорельс; 8 -положение самоходного полка в камере; 9 — шланговая лебедка

Рис. 2.26. Схема проходки восстающих с применением комбайнов: а — 1KB1: б — 2KB; 1 — комбайн; 2 — шламоулавливающее устройство; 3 — буровой инструмент; 4 — опорный фонарь

Способы бестраншейной прокладки коллекторов и коммуникаций.

Прогрессивными способами строительства горных выработок в условиях тесной городской застройки являются способы бестраншей­ной прокладки коллекторов и коммуникаций, диаметром от несколь­ких сантиметров до двух и более метров.

Способы бестраншейной прокладки коллекторов и коммуника­ций подразделяются:

—    на микротоннелирование роторными проходческими маши­нами (рис. 2.27);

—    горизонтальное бурение из котлованов (рис. 2.28) и направ­ленное управляемое бурение с поверхности (рис. 2.29);

—    пневматическую забивку труб или сплошной прокол (про­бой), рис. 2.30;

— продавливание (рис. 2.31).

Рис. 2.27. Схема микротоннелирования

Рис. 2.28. Схема горизонтального бурения из котлована: 1 — режущая головка; 2 — якорь; 3 — полиспаст; 4 — шнек; 5 — рама; 6 — лебедка; 7 -карданный вал; 8 — двигатель; 9 — вал привода шнека; 10 — хомуты; 11 — прокладываемая труба; 12 — кран-трубоукладчик

Рис. 2.29. Схема управляемого горизонтального бурения: 1 — установка  направленного бурения; 2 —  приемник  локатора;  3  —  локатор-передатчик; 4 — буровое копье; 5 — разбуривание валунов; 6 — расширение скважины

Рис. 2.30. Схема сплошного прокола: 1 — наконечник; 2,3- приямки; 4 — прокалываемая труба, 5 — шпалы; 6 — направляю­щая рама; 7 — нажимной патрубок; 8 — домкраты; 9 — опорный башмак; 10 — упорная стенка; 11 — насосная станция; 12 — маслопроводы; 13 — нажимная заглушка; 14, 16 — стартовый и приемный котлованы; 15 — обводной лоток

Рис. 2.31. Схема продавливания трубопровода: 1  — ножевая часть; 2,5 — канаты; 3 — ролики; 4 — ковш; 6 — барабан-накопитель; 7 -уравнитель; 8 — продавливаемая труба; 9 — нажимная штанга; 10 — траверса; 11 — фла­нец; 12 — домкраты; 13 — лебедка; 14 — упорная стенка; 15 — башмак; 16 — направляю­щая рама; 17 — шпалы