Параметры и способы проходки стволов. Как правило, стволы разведочных шахт имеют прямоугольное сечение, крепятся деревом. Однако имеются примеры проходки круглых стволов, закрепленных бетоном. Эксплуатационные стволы в большинстве случаев имеют круглое сечение (рис. 145). Площадь поперечного сечения ствола зависит от типа, размеров и количества подъемных сосудов и размеров крепи. Обычно площадь поперечного сечения стволов разведочных шахт выбирают в пределах от 6 до 20 м2. Размеры поперечного сечения стволов определяют графически с учетом регламентируемых правилами безопасности размеров лестничных отделений и зазоров между подъемными сосудами, расстрелами и крепью. Рекомендуемые сечения разведочных прямоугольных стволов приведены в табл. 45.
Площадь поперечного сечения стволов проверяют на допустимую скорость движения воздуха. Она не должна быть больше 8 м/с в стволах, служащих для спуска и подъема людей и грузов, и 15 м/с в вентиляционных стволах, не оборудованных подъемом. Если при рассчитанной площади сечения ствола скорость движения воздуха превышает указанные пределы, то размеры сечения увеличивают. Площадь поперечного сечения стволов разведочных шахт на допустимую скорость движения воздуха, как правило, не проверяют, потому что даже при сквозном проветривании больших комплексов подземных разведочных выработок скорости движения воздуха в стволах сравнительно невелики.
Глубина стволов разведочных шахт меняется в сравнительно широких пределах, достигая в отдельных случаях 400 м и более.
Способы проходки и крепления стволов. Стволы шахт проходят в рыхлых сухих или обводненных покровных отложениях и в коренных породах, характеризующихся обычно достаточно высокой крепостью и устойчивостью; коренные породы могут также иметь различную обводненность.
В зависимости от физико-механических свойств и обводненности пород различают обычные и специальные способы сооружения стволов шахт. Обычные способы имеют наибольшее распространение в практике строительства горных предприятий и тем более горноразведочных работ. Специальные способы характеризуются повышенными затратами, своеобразной технологией и механизацией работ; для проходки стволов разведочных шахт пользуются наиболее простыми из них.
Проходка и крепление стволов обычным способом. Сооружению ствола шахты предшествуют подготовительные работы: устройство подъездных путей; расчистка от леса, кустарника, валунов и планировка промышленной площадки; отвод поверхностных вод; сооружение устья ствола; установка копра; строительство зданий и сооружений; энергообеспечение, водоснабжение; монтаж оборудования на поверхности и выполнение противопожарных мероприятий.
Работы по проходке устья ствола обычно начинают до сооружения копра. После инструментальной разбивки осей ствола с установкой реперов укладывают раму-шаблон и начинают выемку породы. Глубина устья составляет не менее 4—5 м для обеспечения надежной опоры для башмака крепи. При небольшой глубине порода может выдаваться перекидкой на полки, в других случаях — с использованием автокранов с грейфером и бадьей. Устье ствола должно быть закреплено несгораемым материалом — бетоном или железобетоном (рис. 146).
Устье неглубоких разведочных стволов разрешается крепить деревом, покрываемым слоем торкретбетона. Над устьем устанавливают основную проходческую раму, служащую для перекрытия устья и навески ляд над проемами, устраиваемыми для пропуска бадей. После устройства и оборудования основной рамы монтируют копер. Вокруг устья на уровне основной проходческой рамы между опорами копра сооружают нижнюю площадку, тщательно утрамбованную и выровненную. Нижняя площадка служит для погрузки и выгрузки из бадей леса, оборудования, материалов; спуска и подъема людей. Над ней на копре сооружают верхнюю площадку для разгрузки бадей с породой (рис. 147).
Проходческие работы разделяют на основные: выемка породы, возведение крепи, армирование ствола и производственноподсобные: оборудование подъема, вентиляции, водоотлива, освещения и сигнализации.
В связи со значительным объемом работ и их стационарностью при проходке разведочных стволов появляется возможность использовать более совершенную и мощную технику. Процесс сооружения эксплуатационных стволов (особенно большого сечения и проходимых на значительную глубину) полностью механизирован. Все проходческие операции выполняются машинами, характеризующимися высокой производительностью. При этом особое значение для технико-экономических показателей проходки и крепления стволов приобретает организация основных и производственно-подсобных работ, а также вспомогательного обслуживания.
Средняя скорость проходки ствола является одним из основных показателей организационно-технического уровня ведения горно-проходческих: работ.
Наиболее энергоемкими являются операции, связанные с выемкой породы (отбойка, погрузка и выдача породы из ствола). Рыхлые и мягкие породы отделяют от забоя и грузят в бадью лопатами или грейфером механического грузчика; более плотные породы рыхлят отбойными молотками и пневмоломами; скальные породы отбивают буровзрывным способом.
Шпуры обычно бурят тяжелыми ручными перфораторами, механизация процесса бурения достигается при применении бурильной установки с двумя-четырьмя бурильными машинами. Одна из конструкций бурильных установок, предназначенная для бурения шпуров в неглубоких стволах, показана на рис. 148.
Шпуры заряжают аналогично с выполнением этой операции в забоях шурфов. На ней заняты один или два взрывника и проходчики, имеющие Единую книжку взрывника.
Взрывание — электрическое детонаторами мгновенного или короткозамедленного действия. При большом количестве шпуров взрывание обычно осуществляется от электрической сети.
В процессе проходки стволов (в основном эксплуатационных): часто используют так называемую временную крепь, предназначенную для поддержания стенок выработки в призабойном пространстве вплоть до возведения постоянной крепи.
Временная крепь представляет собой обычно разборные кольца из швеллерной стали с затяжками, подвешиваемые в незакрепленной части ствола.
При проходке стволов круглого сечения получают распространение специальные проходческие комплексы КБ-1, КС-5, КС-2У, КС-6, КС-7 и др. Комплексы оборудования состоят из подвесного проходческого полка, механических грузчиков, установок для бурения шпуров, оборудования для самоопрокидывающихся бадей, створчатой опалубки с оборудованием для спуска бетонной смеси.
Проходку ствола ведут с разделением его (по глубине) на участки, называемые звеньями. При применении временной крепи породу в пределах звена вынимают с поддержанием стенок выработки этой крепью, затем выемку породы прекращают и на всю длину звена взамен временной крепи возводят постоянную.
Различают следующие технологические схемы проходки стволов: последовательную, параллельную и совмещенную. Последовательная схема (рис. 149, а, б) характеризуется проходкой ствола на глубину звена и прекращением работ по выемке породы для возведения (взамен временной) постоянной крепи. Этот метод, широко применявшийся ранее, в настоящее время имеет ограниченное применение, так как ему присущи существенные недостатки, основным из которых является периодическое прекращение работ по выемке породы. При этой схеме скорость проходки составляет 15—25 м/мес; максимальная достигнутая скорость составила 62 м/мес.
Параллельная схема (рис. 149, в) характеризуется одновременным производством работ в двух звеньях по выемке породы (в нижнем звене) и возведению постоянной крепи (в звене, располагающемся над нижним). Постоянную крепь возводят с предохранительного полка. Эта схема широко применяется в настоящее время; средняя скорость проходки стволов составляет 40 м/мес; максимальная скорость составила 202 м/мес. В некоторых случаях временную крепь при параллельной схеме заменяют щитом-оболочкой. При этом представляется возможным одновременно в пределах одного звена вынимать породу и возводить постоянную крепь.
При параллельной схеме с применением щита-оболочки достигаются рекордные скорости проходки стволов (до 390 м/мес).
Совмещенная схема проходки характеризуется производством работ по выемке породы и возведению постоянной крепи непосредственно в забое; при совмещенной схеме временную крепь не устанавливают.
На рис. 149, г показана совмещенная схема проходки ствола, закрепляемого монолитным бетоном.
Совмещенная схема проходки осуществляется также при креплении стволов разведочных и эксплуатационных шахт деревом.
Совокупность работ по оборудованию ствола расстрелами, направляющими проводниками и лестницами, монтажу трубопроводов и прокладке кабелей называют армированием. Армирование может производиться по последовательной схеме — после полного окончания проходки ствола или одновременно с его сооружением при совмещении с операциями выемки породы и возведения постоянной крепи.
Средняя скорость проходки разведочных стволов в настоящее время составляет около 20 м/мес; максимальная достигнутая скорость превышает 60 м/мес. Опишем одну из рекордных проходок разведочных стволов. В одной из экспедиций Министерства геологии России бригада А.Н. Колташева обеспечила месячную проходку 63,5 м ствола прямоугольной формы с площадью поперечного сечения 13,8 м2 (с проектной глубиной 122 м) по крепким породам, относящимся к XVIII категории. Комплексная проходческая бригада, состоящая из 17 чел., работала, разделившись на звенья, по непрерывному графику — в сутки четыре шестичасовые смены. Обуривание забоя 4—6 перфораторами ПР-30ЛУ занимало 45—60 мин (глубина шпуров составляла 1,5—1,7 м, число в комплекте 56), зарядка шпуров производилась проходчиками-взрывниками. Забой проветривали вентилятором СВМ-6М по нагнетательной схеме. Породу убирали грейферным грузчиком КС-3 в бадьи емкостью 0,75 м3. После уборки из забоя основной массы разрыхленной взрывом породы довольно значительное время затрачивалось на зачистку забоя с использованием отбойных молотков. График организации этих работ приведен на рис. 150.
Работы по возведению сплошной венцовой крепи и армированию производили после проходки ствола на 7 м (расстояние между основными венцами) примерно за одни сутки.
Проходка ствола за сутки с учетом крепления и армирования составляла 2,04 м, или на одного проходчика в месяц 3,73 м.
При проходке ствола до глубины, на которой проектируется проведение комплекса горизонтальных разведочных или эксплуатационных выработок (разведочный или эксплуатационный горизонт), приступают к проходке выработок околоствольного двора. Сопряжение выработок околоствольного двора со стволом оформляется в виде камерной выработки, имеющей несколько большие размеры по сравнению с транспортными горизонтальными выработками (для удобства работ по замене груженых вагонеток на порожние, транспортировки оборудования и материалов, спуска и подъема людей). Работы по сопряжению ствола с околоствольным двором называют раосечкой околоствольного двора; их ведут непосредственно из ствола.
Опорный венец постоянной крепи сооружают на высоте 2—5 м от кровли выработки сопряжения (опорные пальцы этого венца располагают, в отличие от других венцов, не по короткой, а по длинной стороне).
В тех случаях, когда стволы проходят с одного разведочного или эксплуатационного горизонта на другой, располагающийся на большей глубине, этот процесс, в отличие от проходки, называют углубкой ствола. Процесс углубки стволов идентичен с процессом их проходки.
Специальные способы проходки стволов. Проходка стволов обычным способом в неустойчивых, водообильных и плывучих породах обычными способами во многих случаях становится дорогим, непроизводительным, опасным или просто неосуществимым процессом. В этом случае применяют специальные способы проходки.
Среди специальных способов можно выделить следующие: проходка стволов со специальной крепью, проходка с изоляцией выработки от воды, находящейся в окружающем породном массиве, и бурение стволов.
Проходку стволов со специальной забивной и опускной крепью применяют при пересечении выработкой плывунов. Рассмотрим проходку, осуществляемую с деревянной забивной крепью.
В стволе прямоугольного сечения, проходимом обычным способом и закрепляемым, допустим, сплошной крепью, устанавливают, не доходя 0,5 м до водоносных неустойчивых пород, опорный венец, внутри которого укладывают направляющую раму. В зазор между венцом и рамой по периметру последней устанавливают в вертикальном положении брусья (сваи) длиной до 2 м, шириной 150—200 мм и толщиной 50—100 мм, заостренные внизу, снабженные металлическими оголовниками сверху и плотно при помощи пазов соединяемые с соседними брусьями. Установленные по всему периметру рамы брусья забивают в породу; по мере забивания свай породу из забоя вынимают. Для упрочнения стенок выработки, образуемых забиваемыми брусьями, через 0,7—1 м (по вертикали) устанавливают раскрепляющие рамы. При пересечении водоносных пород укрепляют опорный венец и вновь переходят на венцовую крепь.
При использовании металлической забивной крепи ствол проходят круглой формы; в породу забивают сваи из стального проката — двухтавровые, швеллерные и специальные шпунтовые. Длина свай в зависимости от их профиля может достигать 15—35 м.
Помимо забивной при наличии валунов применяют опускную крепь, обычно представляющую бетонитовое, железобетонное или тюбинговое кольцо, снабженное внизу режущим башмаком и погружающееся в водоносную неустойчивую породу под влиянием собственного веса или с принудительным задавливанием (гидравлическими домкратами).
К специальным способам относят проходку стволов в неустойчивых водоносных породах с искусственным понижением уровня подземных вод. Водоносные породы обычно дренируют откачкой воды через скважины, расположенные вокруг проходимого ствола на расстоянии до 10 м или в некоторых случаях пробуренные внутри сечения ствола.
Изоляция проходимых стволов от подземных вод может достигаться замораживанием и тампонированием пород.
При проходке с замораживанием пород с земной поверхности вокруг запроектированного ствола бурят серию сближенных скважин глубиной, несколько большей необходимой глубины замораживания. В скважины опускают два става труб, входящих один в другой; по внутренним трубам в скважину от замораживающей станции, расположенной на поверхности около устья, поступает охлаждающий рассол (раствор СаСl2). По кольцевому межтрубному пространству рассол поднимается на поверхность, охлаждая породу стенок скважины.
В процессе прокачки рассола по замораживающим трубам вокруг них образуются льдопородные цилиндры, увеличивающиеся постепенно в диаметре и сливающиеся между собой в конечном счете в полный льдопородный цилиндр вокруг ствола. При образовании сплошного льдопородного цилиндра начинают проходку ствола, продолжая замораживание в режиме, соответствующем сохранению параметров образованного льдопородного цилиндра.
Взрывная отбойка разрешается только при устойчивых (в талом состоянии) породах.
После сооружения ствола прекращают замораживание пород и осуществляют обычно искусственное оттаивание пород, подавая в трубы скважин постепенно нагреваемый рассол.
При .проходке ствола в пористых трещиноватых водоносных породах, для прекращения или снижения водопритока в выработку, породные поры и трещины заполняют водонепроницаемым материалом. Этот процесс называют тампонированием. Тампонирование может осуществляться при цементации, глинизации и битумизации пород; наибольшим распространением пользуется цементация пород. Ее можно проводить с поверхности, при бурении скважин вокруг запроектированного ствола или из забоя уже проходимого ствола (при бурении скважин в забое через породный целик или тампонажную подушку, отделяющую забой от тампонируемых пород). Цементный раствор в скважины нагнетают под давлением, на 1—2 кгс/см2 выше гидростатического.
По завершению тампонажных работ приступают к проходке ствола обычным способом с буровзрывной отбойкой пород.
Бурение стволов шахт, как и бурение шурфов, является наиболее прогрессивным способом проходческих работ, позволяющим выполнять все основные производственные операции без присутствия людей в стволе.
В настоящее время стволы небольшого диаметра (до 2,5 м), обычно используемые в качестве вентиляционных выработок, проходят буровым способом в породах крепостью до 12. Стволы диаметром 3,6 м бурят в породах крепостью 6—8; стволы большого диаметра бурят только в водоносных некрепких породах в тех случаях, когда другие способы проходки трудно осуществимы.
Установки для бурения стволов делят на установки оплошного, кернового и комбинированного (сплошного и кернового) бурения. Различают установки с приводом, расположенным на поверхности, и с призабойным расположением привода. Одна на установок комбинированного бурения с приводом, расположенным на поверхности, показана на рис. 151.
Технологический процесс бурения стволов начинается с проходки и крепления устья («форшахты»), в нем пробуривают центральную направляющую скважину. После окончания бурения направляющей скважины приступают к ее расширению сплошным забоем или выбуриванием керна.
Расширяют скважину шарошечным буровым инструментом в один или несколько приемов («фаз»). Разрушенную породу из забоя удаляют глинистым раствором обычно по схеме обратной промывки. Глинистый раствор, заполняющий ствол в процессе бурения, предохраняет стенки выработки от обрушения, выполняя роль своеобразной временной проходческой крепи. Постоянную крепь возводят после окончания бурения ствола.
