Организация и производство горнопроходческих работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра «Геотехнологий и строительства подземных сооружений»

Конспект лекций

по предмету: Шахтное и подземное строительство

Выполнил:

Каверин И.М.

Тула 2012 г

Содержание

1. Общие сведения

2. Подготовительный период строительства. Оснащение стволов к проходке

3. Стволовое проходческое оборудование

4. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Организация и производство работ

5. Технологические схемы строительства стволов

6. Технологические схемы строительства стволов

7. Комплексы оборудования для строительства стволов

8. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Буровзрывная технология строительства стволов. Организация и производство работ

9. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Буровзрывная технология строительства стволов. Организация и производство работ

10. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Организация и производство работ при уборки породы

11. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Организация и производство работ при уборки породы

12. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Организация и производство работ при креплении

13. Подъем при строительстве стволов

14. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Проветривание стволов

15. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Технология армирования стволов. Организация и производство работ

16. Специальные способы строительства вертикальных выработок

17. Строительство вертикальных выработк с применением ограждающих крепей

18. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

19. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

20. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

21. Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

22. Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

23. Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

24. Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

25. Расчет процесса замораживания

26. Строительство вертикальных выработок с применением тампонирования горных пород

1. Общие сведения

Вертикальные горные выработки, имеющие выход на поверхность, называют шахтными стволами. Вертикальные горные выработки, не имеющие выхода на поверхность, называют слепыми стволами.

В зависимости от своего назначения стволы подразделяются на эксплуатационные, строительные и разведочные.

Эксплуатационные стволы предназначены для обслуживания в период эксплуатации всего шахтного поля или его части: крыла, блока, горизонта.

В зависимости от положения относительно шахтного поля их подразделяют на центральные, фланговые и блоковые, а от основного функционального назначения - главные и вспомогательные.

Главные стволы служат для выдачи полезного ископаемого.

Вспомогательные стволы предназначены для спуска-подъема людей (людские); спуска-подъема людей, материалов и оборудования (грузолюдские); вентиляционные (воздухоподающие и воздуховыдающие) и др.

Часто стволы выполняют несколько функций одновременно. В этом случае их называют по главной их них.

Строительные стволы используют для ускорения строительства подземного комплекса горных выработок шахты (рудника). В дальнейшем они могут быть переоборудованы для выполнения одной из указанных выше функций. К таким стволам относят и углубочные стволы, служащие для углубки эксплуатационных стволов в процессе разработки шахтного поля.

Разведочные стволы используют для разведки или доразведки шахтного поля перед строительством шахты или в период ее эксплуатации. Срок службы стволов устанавливается в зависимости от назначения. Стволы, предназначенные для обслуживания подземного сооружения, имеют срок службы, равный времени эксплуатации подземного сооружения.

Каждый ствол состоит из трех частей: устья, основной части и зумпфа.

Устьем ствола называют его верхнюю часть, непосредственно примыкающую к земной поверхности, закрепленную усиленной конструкцией крепи, расположенную в основном в наносах и предназначенную для восприятия нагрузок от зданий и сооружений.

Основная наиболее протяженная часть ствола располагается между устьевой и зумпфовой частями и служит для соединения поверхности с эксплуатируемым горизонтом.

Зумпфом называется самая нижняя, расположенная ниже последнего эксплуатируемого горизонта, часть ствола, служащая в качестве аккумулирующей емкости для воды, стекающей по стволу, и используемая для размещения подъемного сосуда (скипа или многоэтажной клети) в момент загрузки и разгрузки.

Известны два основных способа проходки ствола-обычный и специальный.

При проектировании способ проходки выбирают на основании анализа горногеологических и гидрогеологических условий шахтного поля в месте заложения ствола и технико-экономического сравнения альтернативных вариантов.

Обычный способ проходки стволов применяют в породах I-III категории устойчивости и с притоком воды в забой не более 8 м³/ч. Отличительной особенностью этого способа является ведение проходческих работ без предварительного водоподавления или упрочнение вмещающих пород. Этот способ проходки применяют в основном с помощью буровзрывных работ (БВР) и в отдельных случаях- проходческими комбайнами в породах с крепостью по шкале проф. Протодъяконова f 10.

К специальным способам проходки стволов относят проходку способом искусственного замораживания горных пород, с применением тампонажа горных пород, с водопонижением, применением опускных сооружений и др. К специальным способам проходки относят также бурение стволов и скважин большого диаметра. Стволы в породах IV категории устойчивости независимо от величины ожидаемого притока воды проходят специальными способами, обеспечивающими повышение устойчивости и водопронецаемости горных пород.

Стволы могут иметь следующие формы поперечного сечения: круглую, прямоугольную, криволикую, эллептическую, прямоугольную с выпуклыми сторонами.

Рациональность использования поперечного сечения ствола для размещения подъемных сосудов, лестничного отделения, труб и кабелей характеризуется отношением всей площади сечения ствола к полезной площади. Для указанных форм сечения стволов это соотношение составляет: прямоугольная - 1; криволикая - 1,22; эллептическая - 1,27; круглая - 1,3. Несмотря на то, что прямоугольная форма позволяет наиболее рационально использовать площадь сечения ствола, она имеет ограниченное применение из-за следующих недостатков: низкой несущей способности крепи; большой трудоемкости высечки углов, особенно в крепких породах; сложности водонепронецаемости и др.

Стволы эллептической, криволикой и прямоугольной с короткими выпуклыми сторонами применяют только при реконструкции стволов с заменой деревянной или металлической крепи на монолитную бетонную или железобетонную, когда необходимо сократить объем выемки породы.

Шахтные стволы круглой формы поперечного сечения более удобны для организации механизации проходческих работ, обеспечивают наибольшую устойчивость вмещающего породного массива, лучше противостоят давлению горных пород и хорошо герметизируются. В связи с этим, они получили наибольшее распространение в практике шахтного строительства, несмотря на то, что круглая площадь поперечного сечения используется наиболее не рационально.

Размеры поперечного сечения ствола определяют графическим методом с учетом площадей, занимаемых подъемными сосудами, лестничным отделением, трубами, армировкой, с соблюдением зазоров между ними, расстрелами и крепью ствола. Графически найденную площадь поперечного сечения ствола проверяют по условиям проветривания шахты. Диаметры поперечного сечения ствола принимают равными от 4 до 8 м и кратными 0,5 м.

В угольной промышленности размеры диаметров стволов от 6 до 8 м, в горно-химической - 6 - 7,5 м. При строительстве транспортных сооружений размеры диаметров стволов - 5-6 м, гидротехнических сооружений от 4,5 до 15 м.

Стволы по глубине классифицируют на неглубокие до 300 м, средней глубины - 300 - 700 м и глубокие - более 700 м.

В горнодобывающей промышленности б. СССР в 1980-х годах ежегодно проходили в среднем 22 тыс. м стволов, из которых 80-90 % составляла проходка новых стволов и 10-20 % - углубка.

Наибольшее распространение получил буровзрывной способ проходки по совмещенной технологической схеме (95-98 %) с последующим армированием.

Эта схема является наиболее простой, универсальной и обеспечивает в основном комплексную механизацию проходческих работ на базе имеющегося оборудования.

Объемы механизации работ по погрузке породы в стволе с механическим вождением грейфера и бурением шпуров механизированными установками достигли соответственно: в угольной промышленности 93 и 89 % ; в горнорудной промышленности - 87 и 77 %.

Подавляющее большинство стволов (более 90 %) крепят монолитным бетоном и железобетоном с помощью передвижных металлических опалубок сверху вниз вслед за подвиганием забоя со спуском бетонной смеси по трубам с поверхности.

Комбайновый способ проходки достигал 10-15 % общего объема стволов, проходимых в угольной промышленности. При комбайновом способе средняя техническая скорость проходки ствола достигла 57,7 м/ мес, а производительность труда проходчиков - 5,74 м³/ чел.-смену. Однако стоимость проходки в 2-3 раза превышала среднюю ее стоимость, полученную при буровзрывном способе.

Таким образом, можно предположить, что в ближайшие 10-15 лет в России и странах СНГ буровзрывной способ проходки будет основным при строительстве стволов.

Анализ динамики изменения технико-экономических показателей проходки стволов на примере угольной промышленности б. СССР свидетельствует, что существенного улучшения их средних показателей за последние 20 лет не наблюдается (1968 г. - средняя скорость проходки 49,6 м/ мес, производительность труда проходчиков 1,55 м³/чел. смену, 1990 г. - соответственно 51,1 м/мес и 2,08 м³/чел. смену). Одновременно возросли стоимость, материалоемкость и продолжительность строительства.

Сложившаяся ситуация не может быть объяснена исключительно возросшими средними величинами глубины (на 10 %) и диаметра в свету (на 8 %) проходимых стволов и свидетельствует о необходимости решения ряда организационно-экономических проблем, общих для народного хозяйства страны.

2. Подготовительный период строительства. Оснащение стволов к проходке

Процесс строительства шахты можно подразделить на три периода: подготовительный, первый основной, второй основной. Каждый из этих периодов характеризуется сложными и трудоемкими горнопроходческими и строительно-монтажными работами (СМР), однако одним из наиболее важных и ответственных является подготовительный период строительства, так как от рациональной организации этого периода во многом зависит успех строительства шахты в целом.

Подготовительным периодом считается промежуток времени между началом СМР и началом проходки стволов.

В подготовительный период выполняются работы как непосредственно на промышленной площадке шахты (внутриплощадочные работы), так и вне ее (внеплощадочные работы).

До начала подготовительного периода осуществляют организационно-технические мероприятия:

- проводят инженерно-геологические изыскания;

- оформляют финансирование;

- заключают договора на строительство с подрядными и субподрядными организациями;

- решают вопросы, связанные с обеспечением строительства материалами, конструкциями и деталями и др.

После выполнения указанных мероприятий приступают к выполнению СМР и планировочных работ подготовительного периода.

В состав внеплощадочных работ входят строительство магистральных линий, протяженность которых превышает 3 км. К ним относятся внешние подъездные железнодорожные пути, автомобильные дороги, линии электропередач с трансформаторными и распределительными подстанциями, линии связи, водопроводные магистрали с заборными сооружениями и др. Железнодорожные пути прокладывают от ближайшей железной дороги или эксплуатационной шахты до промышленной площадки горного предприятия. Автомобильную дорогу строят от ближайшей автодороги республиканского или областного значения до промышленной площадки шириной не менее 6 м с асфальтовым покрытием. Электроснабжение строящейся шахты должно осуществляться по двум независимым линиям электропередач.

При строительстве шахт, удаленных на значительное расстояние от источников электроэнергии, работы подготовительного периода обеспечивают электроэнергией от передвижных электростанций с двигателями внутреннего сгорания. Линию телефонной связи строят от ближайшего телефонного узла.

Воду целесообразно подавать из действующих систем водоснабжения. Потребность воды определяют в соответствии с нормативами. Для сброса шахтных и бытовых вод строят канализационный трубопровод с очистными сооружениями.

Схемы электроснабжения, связи, водо- и теплоснабжения должны быть увязаны между собой на всех этапах выполнения СМР с учетом последующего развития строительства в данном районе.

В состав внутриплощадочных работ входят:

- создание геодезической сети

- работы нулевого цикла, включающие рубку и корчевание леса, разбивку осей зданий и сооружений, рытье траншей и прокладку сетей энерго- и водоснабжения, канализации с сооружением для них коллекторов, устройство постоянных и временных внутриплощадочных дорог, строительство резервуаров для хранения запаса воды на противопожарные нужды и др.

- создают общеплощадочное складское хозяйство;

- строят административно-бытовой комбинат с помещениями для нарядной, раздевалки, душа и др.;

- строят механические мастерские, компрессорную, котельную, трансформаторную подстанцию.

Продолжительность подготовительного периода исчисляется от начала СМР на шахтной площадке до начала работ по проходке ствола и зависит от мощности шахты, числа, диаметра и глубины сооружаемых стволов, степени освоенности района строительства, расстояния шахтной площадки от линии железной и автомобильной дороги и др.

Таблица 2.1 - Нормы продолжительности подготовительного периода в зависимости от мощности шахты

Аг, млн.т/г	0,6	0,9	1,2	1,5	1,8	2,1-3,6
Нормы продолжительн. мес.	12	12	15	15	15	16

Фактически продолжительность подготовительного периода составляет 20-24 месяца.

Оснащение - это комплекс стволового проходческого оборудования, зданий и сооружений производственно-технического, вспомогательного и санитарно-бытового назначения, инженерных коммуникаций и горнопроходческого оборудования на поверхности.

В состав работ по оснащению входят планировка промышленной площадки, сооружение устья ствола, подготовка к сооружению технологического отхода и его проходка, строительство зданий и сооружений, монтаж проходческого оборудования и копрового комплекса на поверхности и др.

Технические решения по оснащению проходки вертикальных стволов должны обеспечивать минимальную продолжительность сооружения ствола, минимальную стоимость и трудоемкость СМР по оснащению, высокую производительность подъемных установок по выдаче горной массы как при проходке ствола, так и при проведении горизонтальных горных выработок, минимальную продолжительность переоснащения ствола для проведения горизонтальных выработок, высокий уровень индустриализации СМР за счет широкого использования комплексноблочных и мобильных зданий, строительных конструкций повышенной заводской готовности.

Схемы оснащения, применяемые в практике шахтного строительства, систематизированы для стволов, которые на период эксплуатации оборудуются башенными копрами и многоканатными подъемными машинами, и стволов, оборудуемых металлическими копрами и машинами наземной установки.

Схема оснащения с использованием временного проходческого копра и временных подъемных машин. На промышленной площадке сооружают проходческий копер, монтируют временные подъемные машины (передвижные или стационарные), возводят комплекс зданий, сооружений, устанавливают проходческое оборудование. После проходки ствола временный копер демонтируют, возводят постоянный башенный копер и монтируют многоканатные подъемные машины. Армирование ствола по этой схеме целесообразно вести во время монтажа многоканатных подъемных машин с использованием временных подъемных машин и проходческих лебедок. После этого навешивают подъемные сосуды, монтируют обменные и загрузочные устройства, проводят горизонтальные и наклонные горные выработки.

Схема оснащения с использованием постоянного башенного копра и временных подъемных машин. После выполнения первоочередных работ на промышленной площадке по подготовке к строительству возводят постоянный башенный копер (железобетонный или металлический), монтируют в нем проходческое оборудование, на поверхности сооружают здания и монтируют оборудование для проходки ствола. В период проходки и армирования ствола заканчивают строительные работы в башенном копре и монтируют многоканатные подъемные машины.

Схема оснащения с использованием временного проходческого копра с последующей надвижкой постоянного металлического башенного копра. Технологическая последовательность работ по оснащению и проходке ствола соответствует последовательности первой схемы, за исключением армирования, которое выполняют с временного копра. Во время проходки и армирования ствола в стороне от ствола на монтажной площадке сооружают постоянный башенный копер, который после проходки ствола по накаточным путям надвигают в проектное положение.

По фактору “продолжительность строительства ствола” эта схема является наиболее эффективной.

Схема оснащения с использованием постоянного металлического копра. После подготовки промышленной площадки к строительству над стволом сооружают постоянный металлический копер, монтируют проходческие металлоконструкции (подшкивную площадку, разгрузочный станок, нулевую раму). При этом, если при проектировании копра не были учтены нагрузки от проходческого оборудования, усиливают отдельные элементы копра. Вокруг ствола возводят здания и монтируют проходческое оборудование для сооружения ствола. В качестве подъемных машин используют как постоянные, так и временные. Постоянные подъемные машины эффективны в том случае. когда они по своей производительности обеспечивают высокие скорости проходки ствола и проведения горизонтальных и наклонных горных выработок.

После проходки и армирования ствола производят его переоснащение для работы по постоянной схеме. По этой схеме к началу работ по оснащению требуется изготовить металлоконструкции постоянного копра и заказать и получить от завода-изготовителя подъемных машин и комплектующее электрооборудование. Это сопряжено с определенными трудностями, начало проходки ствола может задерживаться, поэтому эта схема имеет ограниченное применение.

Схема оснащения с использованием проходческого копра и временных подъемных машин. В подготовительном периоде над стволом сооружают временный проходческий копер, возводят здания, сооружения и монтируют проходческое оборудование, используемое при проходке ствола. Во время проходки ствола в стороне от него монтируют постоянный металлический копер. который после проходки и армирования ствола надвигают в проектное положение. К этому моменту должны быть смонтированы постоянные подъемные машины.

Горизонтальные и наклонные выработки проводят с использованием постоянных подъемных машин. Если по производительности постоянные подъемные машины не могут обеспечить проведение горных выработок в установленные сроки, то их сооружают с использованием временного копра и временных подъемных машин. Переход на постоянные подъемные машины в этом случае перед сдачей шахты в эксплуатацию.

При массовом применении проходческих копров из крупноразмерных элементов, передвижного проходческого оборудования и мобильных зданий эта схема по факторам “продолжительность строительства ствола”, “стоимость и трудоемкость СМР по оснащению” будет в ближайшие годы основной.

Размещение проходческого оборудования в стволе должно обеспечивать удобство и устойчивость подвесного полка и опалубки, а также рациональное размещение вокруг ствола подъемных машин, проходческих лебедок, необходимых зданий и сооружений.

При размещении в поперечном сечении ствола выбранного оборудования следует соблюдать следующие условия: это оборудование должно обеспечивать максимальные темпы проходки ствола; бадьи подъемных установок располагать как можно ближе к центру ствола, обеспечивая возможности перемещения проходчиков по периметру ствола; проходческие бадьи, трубопроводы и другое оборудование располагать так, чтобы они могли быть использованы и не мешали армированию ствола; трубы всех назначений подвешивать к стенкам ствола при последовательном армировании или к расстрелам при одновременном армировании; по оси ствола оставлять свободное пространство диаметром 200-300 мм, огражденное раструбом для пропуска центрального отвеса.

При расположении оборудования, зданий и сооружений необходимо руководствоваться следующими требованиями: временное оборудование, здания и сооружения не должны размещаться в местах, отведенных по генеральному плану под постоянные здания и инженерные коммуникации; временные АБК размещать в стороне от дороги, ведущий на отвал породы, но поблизости от ствола. соединяя их утепленными галереями с копрами; электростанции располагать вблизи от основных потребителей электроэнергии - подъемных машин, компрессорной станции; временные здания и сооружения располагать так, чтобы оставались проезды вокруг копра (шириной не менее 15 м) для большегрузных автомобилей; передвижные подъемные машины для проходки верхней части ствола размещать впереди стационарных подъемных машин.

3. Стволовое проходческое оборудование

Проходческий полок - металлическая многоэтажная конструкция, подвешенная на канатах и служит для предохранения людей в забое от случайно упавших предметов, для крепления направляющих канатов, пропуска проходческого оборудования, материалов, размещения специального оборудования и места для человека (полкового), для координации работ рукоятчика и рабочих забоя (Рис.3.1)



Рис. 3.1 Проходческий двухэтажный полок

1- монорельс для установки на нем погрузочной машины;

2- нижний этаж полка; 3- отклоняющие шкивы; 4 - направляющие

стойки; 5- направляющие бадейные стойки; 6 - межэтажные

соединительные стойки; 7- верхний этаж; 8 - распорные

гидродомкраты; 9 - сетчатое ограждение бадейных проемов; 10 -

канаты; 11- водоотделитель пневмосистемы; 12- защитные щитки.

Подвесной полок после проходки ствола используют после соответствующего переоборудования в качестве армировочного полка.

К конструкции проходческих полков предъявляют следующие технические требования.

Полок должен поставляться на промышленную площадку укрупненными блоками (секциями), максимальные габариты секции полка при сборке его в забое ствола должны позволять спуск и выдачу через проемы нулевой рамы.

По условиям размещения оборудования на полках для стволов диаметром 6,5 м предусматривать три этажа, а для стволов диаметром более 6,5 м - два этажа.

Верхний этаж проходческого полка должен предназначаться для складирования гибких трубопроводов, кабелей и наращивания всех трубопроводов, поэтому он должен быть свободным от всего оборудования за исключением бака для воды и масловодоотделителя.

Баки для воды (водоотлива и промывки шпуров) должны располагаться на этажах таким образом, чтобы обеспечивать устойчивое положение полка при его перемещениях по стволу.

Зазор между крепью ствола и монорельсом погрузочной машины должен составлять 440-490 мм.

Зазор между крепью ствола и ободом нижнего этажа полка необходимо перекрывать щитками из транспортерной ленты в два слоя.

По периферии этажей полка необходимо предусматривать решетчатые ограждения высотой не менее 1400 мм, нижняя часть которого зашивается стальными листами на высоту 300 мм толщиной 2,5-3 мм с открывающимися проемами (4 шт. на этаж) для сброса мусора при очистке этажей.

На всех этажах полка должны быть проемы для пропуска труб подачи бетона, сжатого воздуха, водоотлива. Зазоры между фланцами трубопроводов и ободом полка должны быть 100-150 мм.

Проходческие полки должны иметь бадейные проемы размерами не менее 1600 мм.

Бадейные проемы следует снабжать четырьмя жесткими направляющими стойками, равномерно расположенными по окружности и установленными таким образом, чтобы между стойками и бадьей был зазор 40-50 мм; две из них должны иметь посадочные площадки для направляющей рамки. Конструктивно проходческий двухэтажный полок состоит из нижнего и верхнего этажей, соединенных между собой междуэтажными стойками, выполняющими одновременно роль направляющих лыж. На этажах полка расположены бадейные проемы. имеющие ограждения. Расстояние между этажами определяют с учетом шага установки расстрелов в стволе. Канаты, по которым перемещаются направляющие рамки бадей, одновременно используются для подвески забойной опалубки. Бадейные проемы снабжены направляющими стойками для предотвращения раскачивания бадей при их движении через этажи полка. Шкивы служат для отклонения направляющих канатов. Они располагаются под верхним этажем на направляющих стойках и на периферии нижнего этажа. Под нижне этажем прикреплен монорельс для установки на нем грейферной породопогрузочной машины. Соединение секций этажей между собой осуществляют с помощью четырех-пяти осей и шести-восьми болтов.

Гидросистема полка служит для создания гидрораспора полка и обеспечивает его устойчивое положение с целью восприятия реактивных и опрокидывающих моментов, возникающих во время работы породопогрузочной машины.

Пневмосистема полка служит для подачи сжатого воздуха от става труб, подвешенного в стволе, к механизмам породопогрузочной машины, бурильной установки, молоткам и насосам.

Независимо от типа подвесного устройства этажные площадки состоят из стальных балок, наружного кольца из швеллера, окаймляющего площадку, и настила. Балки изготавливают из двутавров и швеллеров не менее N20, окаймляющее кольцо - из швеллеров N16 до N30, настил из рифленой стали не менее 5 мм.

Стволовые погрузочные машины.

Загроможденность ствола подвесным оборудованием, наличие воды и отстутствие естественного освещения чрезвычайно усложняют погрузку горной массы в забое вертикального ствола. Конструкции машин для погрузки породы при проходке вертикальных стволов должны отвечать ряду требований.

1. Легко обеспечивать обслуживание всей площади забоя и позволять хорошо просматривать забой ствола.

2. Обеспечивать простоту управления и возможность применения в стволах различного диаметра. Кроме того, при проведении погрузочных работ в стволе узлы машины должны быть защищены от ударов о стенки ствола и различного оборудования, обеспечивать возможность ее подъема

перед взрыванием породы на безопасную высоту и быстрого спуска после взрыва, возможность спуска и подъема в процессе погрузки породы.

В стволах в основном работают погрузочные машины с грейферным органом черпания. В зависимости от емкости грейфера машины подразделяются на машины малой емкости - до 0,4 м³ включительно, средней емкости - до 0,65 м³, большой емкости - 1м³ и более. Кроме того грузчики подразделяются на грузчики с ручным вождением грейфера и механическим вождением грейфера.

К погрузочным машинам с ручным вождением грейфера относятся КС-3, КС-3М, КС-4. В стволах небольшой глубины (до 300 м) пр углубках и погрузке горной массы в бадьи вместимостью до 2 м³ применяют погрузчики КС-3.

Пневмопогрузчик КС-3 (Рис.3.2.) состоит из пневмоподъемника, грейфера с пневмозатвором, водила и пневмосистемы. Погрузчик КС-3 подвешивается к канату (диаметром 17,5 мм) пневматических лебедок ЛППГ- или ПЛП-1,5,



Рис. 3.2 Пневмопогрузчик КС-3

1- пневмоподъемник; 2- пневмозатвор;

3- пневмокоммуникация; 4- водило (ручка); 5- грейфер.

которые устанавливаются на проходческом полке или натяжной раме. Цикл погрузки КС-3 состоит из следующих операций.

1. Перемещение машины от бадьи к месту захвата породы, опускание с раскрытыми челюстями грейфера, закрывание челюстей грейфера с захватом породы, подъем грейфера на высоту бадьи и перемещение его к бадье, разгрузка породы из грейфера в бадью, Продолжительность цикла черпания - 30-40 с.

Усилие Р перемещения погрузчика по забою зависит от высоты его подвески

(3.1)

где Q - вес погрузочной машины. кН;

R - расстояние от вертикальной оси подвески до черпания породы, м;

h - высота подвески грейфера (h= 15-20 м).

К погрузочным машинам с механизированным вождением грейфера относятся КС-2у/40 (Рис.№.3), ОСК, КС-1МА, КСМ-2у и др. Эти погрузочные машины имеют аналогичную конструкцию и отличаются друг от друга вместимостью грейфера, производительностью и конструкцией отдельных узлов. Эти машины монтируются под нижнем перекрытием проходческого полка на центральной опоре и круговом монорельсе.

КС-2у/40 состоит из грейфера, подвешенного на канате к тельферу грузоподъемностью 5 тонн. Тельфер при помощи лебедки перемещается по раме, которая одним концом шарнирно соединена с центральной опорой, а другая - с тележкой поворота. Тележка имеет пневмопривод для перемещения по кольцевому монорельсу. Управление машиной сосредоточено в будке машиниста.

В настоящее время разработаны электрогидравлические погрузчики МПГС и МПС.



Рис. 3.3 Погрузчик КС-2у/40

1- кольцевой монорельс; 2- тележка

поворота; 3- лебедка; 4- тележка тельфера; 5- двухъярусная

центральная подвеска; 6- рама; 7- тельфер; 8- кабина машиниста;

9 - пневмогрейфер.

Стволовые бурильные установки.

Для сокращения продолжительности бурения шпуров, а также для облегчения тяжелого труда и уменьшения числа проходчиков, занятых на бурении шпуров при проходке вертикальных шахтных стволов, применяются механизированные бурильные установки, делящиеся на две большие группы: подвешиваемые к тельферу стволовой погрузочной машины и передвигающиеся независимо от погрузочной машины. По своим конструктивным особенностям стволовые бурильные установки должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- полностью обуривать забой ствола;

- проходить при подъеме и спуске в бадьевые проемы полков и легко транспортироваться на поверхности под копром.

Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют бурильные установки типа БУКС.

Установка БУКС-1м (Рис.3.4) состоит из раздвижной колонки, к которой прикреплены четыре стойки с бурильными молотками, и пневмосистемы с пультом управления. Вспомогательное оборудование установки состоит из насоса для подачи воды к бурильным машинам, бака для промывочной воды и фиксатора кругового перемещения, который располагается на подвесном проходческом полке.

Установки БУКС-1м, БУКС-1мц и БУКС-2м оснащены бурильными машинами БГА-1м, что позволяет бурить шпуры в породе с f=14-16. В установках БУКС-1у2 и БУКС-1у5 применены машины типа ПК-75, что дает возможность бурить породы с f=20.

С учетом эксплуатации бурильных установок типа БУКС и СМБУ в ЦНИИподземмаше разрабатывается новая электрогидравлическая установка типа БУС, которая предназначена для совместной работы с установкой МПГС. Техническая производительность установки БУС в 2 раза выше, чем установок типа БУКС.



Рис. 3.4 Бурильная установка БУКС-1М

1- пульт управления

бурильными машинами; 2- лестницы; 3- центральная раздвижная

колонна; 4- четыре бурильные машины; 5- шарнирные узлы крепления

бурильных машин.

Металлическая забойная опалубка.

Для крепления стволов монолитным бетоном применяются различные виды металлических опалубок.

К призабойным опалубкам предъявляются следующие требования:

- опалубка должна иметь цилиндрическую форму с гладкой наружной поверхностью;

- диаметр окружности по внешней поверхности в ее рабочем положении (при укладке бетона) должен быть равен диаметру ствола в свету. После отрыва опалубки от бетона при ее перемещении диаметр наружной поверхности опалубки должен быть на 7 - 12 см меньше диаметра ствола в свету;

- опалубка должна быть простой конструкции с минимальной затратой времени на ее перемещение и установку в забое;

- масса опалубки должна быть тоже минимальной.

Конструктивное качество опалубки определяется критерием металлоемкости опалубки Р_у (кг/м²)

(3.2)

где Р_о - масса опалубки, кг;

h_o -рабочая высота опалубки, м;

D_св - диаметр ствола в свету, м.

Первоначально применялись створчатые опалубки типа ОС.

В настоящее время в основном применяются опалубки, которые по сравнению со створчатыми опалубками имеют меньшую металлоемкость (Р_у= 0,7- 0,8 т/м²) и трудоемкость по их перемещению.

Широко используют секционные самоцентрирующиеся опалубки (Рис.3.5), которые подвешиваются на направляющих канатах бадей или на специально для этой цели предусмотренных трех канатах.

Высоту опалубки принимают от 2 до 4,5 м. При пересечении стволом горных пород с f 4 высоту опалубки принимают не более 2-2,2 м, при пересечении горных пород с f=6-8 - не более 3 м, а при пересечении пород с f 8-13 - не более 4,5 м.



Рис. 3.5 Секционная самоцентрирующаяся опалубка

1- горизонтальное кольцо; 2- соединительные вертикальные стойки;

3- секции, формирующие оболочку опалубки; 4- горизонтальное кольцо;

5- косынки; 6- карманы для бетоновода; 7- пальцы (ролики); 8- винтовые стяжки; 9- канатные подвески опалубки; 10- продольно-наклонные пазы;

4. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Организация и производство работ

В подготовительный период проходят устье стволов и технологический отход.

Устьем вертикального ствола называется его верхняя часть, выходящая на поверхность. В большинстве случаев устье сооружают в слабых, рыхлых, неустойчивых наносных породах, мощность которых колеблется в широких пределах. Поэтому глубину устья в каждом отдельном случае устанавливают проектом. Она равна 12-35 м.

Если коренные породы выходят на поверхность, то устьем ствола является его участок протяженностью до отметки, расположенной ниже почвы проема для вентиляционных, калориферных, кабельных, трубных и других каналов.

Для защиты ствола от поверхностных вод устье сооружают на 0,15-0,2 м выше отметки поверхности промышленной площадки.

Наносные отложения пород, пересекаемые устьем, чаще представлены глинами, суглинком, песками, гравийно-галечниковыми отложениями, мергелями, мелом, сильновыветренными и нарушенными коренными породами.

Такие породы при незначительном насыщении их водой создают большие нагрузки на постоянную и временную крепь. Поэтому следует учитывать эти условия при выборе технологии работ, сооружении технологического отхода и в расчете размеров временной и постоянной крепи. Кроме того, следует принимать во внимание, что крепь устья стволов испытывает вертикальные и горизонтальные нагрузки. Вертикальные нагрузки складываются из собственного веса крепи, веса оборудования и сооружений, опирающихся на крепь. Вертикальные нагрузки, как правило, преобладают над горизонтальными. После выбора рациональной конструкции устья по вертикальным нагрузкам оно проверяется на горизонтальное давление Устье заканчивается опорным венцом. Опорные венцы устья рассчитываются на срез.

Конструкцию устьев определяют исходя из назначения ствола, величин вертикальных и горизонтальных нагрузок; условий залегания и физико-механических свойств горных пород, наличия фильтрации грунтовых вод, материала крепи и способа ведения работ. Устье в зависимости от назначения ствола может служить фундаментом для проходческого или постоянного копра, опорой для подвески временной крепи и части проходческого оборудования при проходке технологического отхода.

Устье состоит из оголовка, средней части и опорного венца.

Оголовком называют его сопряжение с земной поверхностью.

В зависимости от условий применения устья разделяют на 4 группы.

1 группа. Ступенчатые устья. Применяются при наличии плотных грунтов и небольших вертикальных нагрузках, действующих на устье.

2 группа. Венцовые устья. Применяются при любых нагрузках на устье, при наличии каналов, в прочных горных породах, залегающих на глубине 6-15 м от земной поверхности.

3 группа. Ступенчато-венцовые устья. Применяются при сооружении устьев в слабых горных породах.

4 группа. Специальные устья. Применяются при проходке стволов способом замораживания.

Крепь устьев стволов чаще сооружают монолитной бетонной и железобетонной, реже из металлических и железобетонных тюбингов. При тюбингах утолщение крепи для восприятия вертикальных нагрузок выполняют из монолитного бетона. Конструкции крепи устьев стволов проектируют в зависимости от действующих нагрузок, размеров проемов каналов, а также диаметров стволов. Толщина крепи устья верхнего уступа 1-1,5 м, среднего - 0,6-0,9 м и нижнего - 0,4-0,7 м.

Проходка устьев и технологических отходов при благоприятных горно-геологических условиях осуществляется по двум схемам оснащения:

- с применением передвижного проходческого оборудования для проходки устья ствола и технологического отхода;

- с применением проходческого оборудования, используемого для проходки основной части ствола.

Проходку устьев стволов с применением передвижного проходческого оборудования могут выполнять по совмещенной или последовательной технологической схеме.

При последовательной технологической схеме выемку породы и возведение временной крепи производят звеньями при недостаточно устойчивых горных породах или на всю глубину - при устойчивых горных породах.

Постоянную крепь возводят снизу вверх после проходки каждого звена или устья - на всю глубину. Очередность работ следующая. Производят выемку грунта с помощью экскаватора Э-153 на глубину оголовка, затем возводят его из монолитного бетона или железобетона с заделкой на нижнем обрезе анкерных крючьев для подвески временной крепи. После этого устанавливают раму-шаблон, монтируют все проходческое оборудование. располагая его вокруг ствола. Производят выемку породы на всю глубину устья или звена с возведением временной крепи вслед за подвиганием забоя. Разделывают место под опорный венец и возводят на него постоянную монолитную бетонную или железобетонную крепь, постоянно демонтируя (если позволяют условия) временную крепь. Заменяют раму-шаблон на основную проходческую (нулевую) раму.

Достоинства схемы

Малый объем подготовительных работ.

Недостатки схемы

1. Большая трудоемкость работ.

2. Наличие временной крепи.

При совмещенной технологической схеме проходки устья выемку породы и возведение постоянной монолитной бетонной крепи производят заходками сверху вниз с использованием секционной или створчатой металлической опалубки. или с навеской железобетонных (чугунных) тюбингов. Высоту заходки выбирают исходя из устойчивости горных пород, высоты опалубки и организации работ.

Достоинства схемы

1. Небольшой объем подготовительных работ.

2. Меньшая трудоемкость и стоимость работ.

3. Отсутствие временной крепи.

4.Более высокая скорость прохолки.

Недостатки схемы

Большая продолжительность подготовительного периода.

Участок ствола, непосредственно прилегающий к земной поверхности (включая и устье ствола), предназначенный для монтажа стволопроходческих комплексов и начала их эффективной эксплуатации, называют технологическим отходом.

Глубина технологического отхода зависит от принятой технологической схемы проходки и составляет для совмещенной - 40-50 м, параллельной - до 60 м.

После окончания проходки устья и технологического отхода производят оснащение ствола промышленной площадки оборудованием, необходимым для дальнейшей проходки. На поверхности монтируют подъемную машину, проходческий копер с нулевой рамой и разгрузочным станком, лебедки для подвески проходческого оборудования, приствольный бетонорастворный узел или приемные бункера для бетонной смеси и другое оборудование.

В стволе монтируют или спускают в него собранный на поверхности подвесной проходческий полок, под нижним этажом которого расположены машины с механическим вождением грейфера для погрузки породы. Лебедки для подвески грейферов с ручным вождением устанавливают на нижнем ярусе полка. В забое из отдельно спускаемых секций или створок собирают призабойную опалубку для возведения постоянной монолитной бетонной крепи (при совмещенной технологической схеме).

По всей глубине устья и технологического отхода монтируют ставы труб для сжатого воздуха, вентиляции. водоотлива, спуска бетона, осветительную сеть, оборудование связи и сигнализацию.

Вопросы для самопроверки

1. Для чего предназначено устье ствола, из каких частей оно состоит и от каких факторов зависит его конструкция?

2. По каким технологическим схемам проходят устья стволов, их отличительные особенности, преимущества и недостатки?

3. Назвать оборудование, входящее в комплекс для проходки устьев стволов, и его назначение?

4. Для каких целей предназначен технологический отход, по каким технологическим схемам его проходят?

5. Технологические схемы строительства стволов

Проходка стволов по последовательной схеме.

В зависимости от последовательности выполнения работ по выемке породы и возведению постоянной крепи во времени и пространстве выделяют следующие основные технологические схемы проходки стволов: последовательную, параллельную, параллельно-щитовую и совмещенную.

Проходка стволов по данным схемам может производиться разновременно и одновременно с армированием.

Последовательная схема..

При данной схеме строительства ствол по глубине разделяют на участки (звенья) высотой 10-15 м в слабых и средней устойчивости породах и 20-40 м - в крепких породах (Рис.5.1).

Звеном в данном случае называют участок ствола по вертикали, который по мере выемки пород крепится временной крепью. При возведении опорных венцов постоянной крепи величина звена равна расстоянию по вертикали между опорными венцами.



В зависимости от устойчивости и крепости пород каждый участок проходят на полную глубину с временной крепью или без нее. Проходку ведут обычно с погрузкой породы грузчиком КС-3. Породу поднимают в бадьях вместимостью 1-1,5 м³.

В пределах каждого участка работу выполняют в следующей последовательности. В соответствии с графиком цикличности заходками по 2-3 м с применением БВР проходят ствол на глубину звена с возведением временной крепи из металлических колец. После проходки участка на проектную величину, работы по выемке останавливают, разделывают углубление в породных стенках по периметру под опорный венец в непосредственной близости от забоя, устанавливают на частично неубранную и выровненную породу опалубку и укладывают за опалубку бетонную смесь. Затем опускают подвесной полок к забою, с которого заходками по 1,5-2 м снизу вверх на всю глубину звена возводят постоянную крепь. После окончания возведения постоянной крепи наращивают ставы всех трубопроводов, устанавливают подвесной полок на высоте 15-20 м от забоя и начинают проходку ствола на глубину нового участка.

В настоящее время последовательную схему применяют в основном при строительстве устьев стволов и технологических отходов, участков стволов в неустойчивых и водоносных породах с применением специальных способов, а также шурфов и стволов глубиной до 100 м.

Достоинства схемы.

Простая организация и малый объем работ по оснащению ствола.

Недостатки схемы.

Последовательное выполнение работ по выемки породы и возведению временной и постоянной крепи, наличие временной крепи, значительные затраты времени на выполнение вспомогательных работ, связанных с периодическими переходами от выемки породы к возведению крепи, низкие скорости строительства за счет применения малопроизводительных погрузочных машин и бадей малой вместимости.

До 1953 г данная схема широко применялась во всех угольных и рудных бассейнах СССР. При этом средняя скорость проходки составляла 25 м/мес, а максимальная скорость - 62 м/мес.

Проходка стволов по параллельной схеме.

Параллельная схема характеризуется одновременным производством работ по выемки породы и возведению постоянной крепи на двух смежных по высоте участках.

При параллельной схеме с временной крепью работы ведут на двух смежных участках, высота каждого из них 15-30 м в зависимости от устойчивости пород (Рис.5.2)

На нижнем призабойном участке заходками по 2-3 м производят выемку породы с разрушением ее БВР и возводят временную крепь из металлических колец и деревянной затяжки. На смежном верхнем участке возводят постоянную крепь снизу вверх. Работы на верхнем участке выполняются в следующей последовательности. Двух этажный проходческий полок устанавливают так, чтобы нижний этаж находился на уровне нижней границы верхнего участка, разделывают углубление в породных стенках по периметру под опорный венец; устраивают поддон и опалубку в пределах углубления; укладывают за опалубку бетон (если необходимо создать усиленный опорный венец, то перед укладкой бетона монтируют арматурный каркас); поднимают проходческий полок на высоту опорного венца и заходками по

1,5-2 м в направлении снизу вверх возводят постоянную крепь до ранее закрепленного участка.

Если позволяют горно-геологические условия перед возведением постоянной удаляют временную крепь.

Так как скорость возведения постоянной крепи выше скорости работ по выемки породы, число рабочих смен по креплению меньше, чем по выемке породы.

Средняя скорость проходки стволов по данной схеме в 2-2,5 раза выше, чем по последовательной схеме. Максимальная скорость 202,1 м /мес была достигнута в 1955 г на шахте №5/6 им. Калинина.

Схема применяется главным образом для проходки стволов большого диаметра и значительной глубины.

Достоинства схемы.

Совмещение работ по выемке породы и возведению постоянной крепи, появляется возможность повторного использования элементов временной крепи без выдачи ее на поверхность.

Недостатки схемы.

Сложная организация работ - необходима увязка основных и вспомогательных операций на двух участках ствола по глубине, повышение опасности работ при одновременности их выполнения на двух уровнях, наличие дополнительного перекрытия ствола натяжной рамой усложняет работу подъема.

6. Технологические схемы строительства стволов

Проходка стволов по параллельно-щитовой схеме.

Параллельная схема со щитом-оболочкой характеризуется одновременным производством работ по выемке породы и возведению постоянной крепи на одном участке ствола, но на разных уровнях по глубине (Рис.5.3). Монолитную бетонную крепь возводят на расстоянии 20-30 м от забоя в направлении сверху вниз. Роль временной крепи на участке от забоя до постоянной крепи выполняет щит-оболочка, подвешенный к натяжному полку или на направляющих канатах.

С применением этой схемы в Донбассе на ш. №17-17-бис в мае 1969 г установлен мировой рекорд - 401,3 м/ мес.

Схема применяется для сооружения глубоких стволов в устойчивых горных породах.

Достоинства схемы.

Высокая степень механизации и энерговооруженности наиболее трудоемких процессов, максимально возможное совмещение работ по выемке породы и возведению постоянной крепи, максимальная безопасность работ.

Недостатки схемы.

Большие капитальные затраты на оснащение ствола за счет усложнения подвесного проходческого оборудования, увеличение количества лебедок и канатов, высокая трудоемкость и продолжительность монтажных и демонтажных работ оборудования, возможность использования только в устойчивых горных породах.

Проходка стволов по совмещенной схеме.

Совмещенная схема строительства характеризуется частичным совмещением работ по выемке породы и возведению постоянной крепи на одном небольшом по высоте призабойном участке (Рис5.4). Временная крепь отсутствует.

Работы ведутся в следующем порядке. Спускают в ствол бурильные машины, обуривают забой, поднимают полок на безопасную высоту, заряжают, взрывают, проветривают, приводят забой в безопасное состояние, опускают полок, убирают породу на такую высоту, чтобы можно было опустить опалубку на новую заходку по креплению, отрывают ее от бетона, опускают на выровненную породу, центрируют, укладывают бетонную смесь за опалубку, добирают породу и зачищают забой. Далее все работы повторяются в такой же последовательности.

В настоящее время совмещенную схему применяют для строительства стволов на всех горных предприятиях в объеме 95-98 %.

Средние скорости проходки по совмещенной схеме составляют 80-90 м/ мес. Максимальная скорость была достигнута на стволе №4 ш.”Красноармейская-Капитальная” в 1967 г и равна 200,3 м /мес. В Чехословакии в 1964 г была достигнута рекордная скорость - 321 м/ мес. Схема применяется для стволов любой глубины в устойчивых породах.

Достоинства схемы.

Все работы проводятся в забое ствола, обеспечивается повышение безопасности труда, упрощение организации работ, обеспечивается высокая механизация основных процессов.

Недостатки схемы.

отсутствует полное совмещение работ по выемке породы и возведению постоянной крепи.

Проходка стволов с одновременным армированием.

При этой схеме одновременно с проходкой ствола проводят армирование - установку расстрелов, навеску проводников и устройство лестничного отделения (Рис.5.5). При последовательных и параллельных схемах проходки ствола армирование производится в пределах каждой заходки после возведения постоянной крепи. Рекордная скорость строительства по данной схеме (92 м/ мес) была установлена в Кузбассе в 1960 г. Эффективность строительства ствола с постоянным армированием увеличивается при применении постоянного копра и подъемной машины.

Достоинства схемы.

Сокращение времени переходного периода.

Недостатки схемы.

Усложняется организация и повышается опасность работ.



7. Комплексы оборудования для строительства стволов

Применение отдельных высокопроизводительных горнопроходческих машин не может обеспечить значительного увеличения скоростей проходки. Только при комплексной механизации основных процессов можно достичь высоких ТЭП строительства стволов. В связи с этим научно-исследовательские институты совместно с производственными организациями разработали и промышленно освоили комплексы оборудования для строительства стволов различных диаметров и глубины. В этих комплексах технологически увязано проходческое оборудование, позволяющее механизировать бурение шпуров, погрузку породы, возведение постоянной крепи, подъем, водоотлив, вентиляцию и др. вспомогательные процессы. Комплексы разработаны для стволов трех групп: малой глубины - до 300 м; средней глубины - 300-700 м; глубоких - более 700 м. Для каждой группы стволов по глубине и диаметру подобрано соответствующее оборудование, эксплуатация которого в конкретных условиях обеспечивает максимальную производительность труда при минимальных затратах средств.

...