Организация и производство горнопроходческих работ

=13 - для людских подъемов;

=10 - для грузо-людских подъемов;

=8,5 - для грузовых подъемов;

По ГОСТу принимается канат со значением близким .

Определяем действительный коэффициент запаса прочности

(13.11)

Основным принципом установления производительности подъема является следующее. Производительность подъема Р_под должна быть больше или равна производительности погрузки породы Р_п в первой фазе на конечной глубине ствола, так как Р_под Р_п. Однако могут быть и отклонения от этого принципа.

При работе без перецепки бадей возможны случаи, когда Р_под Р_п.

Для ориентировочных подсчетов суммарную производительность подъема (м³/ ч) можно определить по формуле

(13.12)

где V_м - месячная скорость проходки ствола, м/ мес;

t - продолжительность работы подъемной установки в сутки, равная 13-15 часам;

m - количество рабочих дней в месяце по проходке ствола.

Продолжительность цикла подъема зависит от глубины и оснащения ствола, технологической схемы проходки, типа подъемной машины и скорости подъема, тахограммы подъема и других факторов.

Тахограмма - изменение скорости движения бадьи по стволу.

При составлении тахограммы руководствуются следующими положениями.

Движение бадьи без направляющих канатов допускается на участке не более 20 м, а при применении погрузочных машин - 40 м. Максимальная скорость движения бадей не должна превышать при подъеме и спуске людей по направляющим канатам - 8 м/с, без них - 1 м/с, грузов по направляющим канатам - не более 12 м/с, без них - 2 м/с.

При спуске бадьи останавливаются на расстоянии 5 м до полка и забоя. Подъем бадей из забоя осуществляют только после их успокаивания и оборки днища на высоте 1,5- 2 м от забоя. Скорость движения бадьи при спускании на забой, подъем ее для успокаивания, выбор напуска каната не должен превышать 0,3 м/с. Скорость движения бадьи при проходе через проемы натяжного полка не должна превышать 0,7 м/с, подвесного полка 1м/с, через нулевую раму 2 м/с.

14. Горнопроходческие работы при строительстве вертикальных выработок. Проветривание стволов

Проветривание ствола осуществляют для обеспечения нормального состава воздуха и температуры воздуха не более 26С при влажности до 90 %. По ПБ состав воздуха должен иметь по объему не менее 20 % кислорода и углекислого газа не более 0,5 %. После взрыва ВВ перед допуском людей в забой содержание ядовитых газов (%) должно быть не более:

- окиси углерода - 24;

- окиси азота - 1;

- сернистого ангидрида -35;

- сероводорода - 66.

При проходке устьев стволов допускается естественное проветривание: на негазовых шахтах - до 10 м, на газовых - до 6 м.

При дальнейшей проходке и укладке нулевой рамы применяется искусственное проветривание с применением вентилятора и трубопровода, опущенного в ствол. В соответствии с ПБ вентилятор должен находиться на расстоянии не ближе 20 м от ствола и работать непрерывно. Отставание вентиляционных труб от забоя должно быть не более 15 м, а во время погрузки породы грейфером - не более 20 м.

Стволы при проходке, как правило, проветривают нагнетательным способом по трем схемам, при которых свежий воздух с поверхности земли вентилятором нагнетается в забой ствола и вместе с продуктами взрыва поднимается по нему на поверхность земли.

По схеме с подачей свежего воздуха по трубам после взрыва ВВ газы под действием первоначального толчка и высокой температуры поднимаются вверх, а нагнетаемый свежий воздух поступает в призабойную часть ствола и интенсивно удаляет продукты взрыва.

Достоинством данной схемы является простота оснащения, интенсивное проветривание забоя.

Недостатком схемы является то, что в стволах большой глубины (700-1000 м) резко увеличивается аэродинамическое сопротивление вентиляционных труб, а масса става труб диаметром 0,6-1,2 м достигает 40-60 т и более.

При проветривании по схеме сквозной струи между стволами проводят сбойку, в которой устанавливают два вентилятора. Свежий воздух поступает по стволу А и одним вентилятором нагнетается в забой ствола А, а другим - в забой ствола Б. На поверхность земли воздух поднимается по стволу Б. Эту схему можно применять при одновременной проходке двух глубоких стволов, находящихся на небольшом расстоянии.

Недостаток схемы - необходимость проходить сбойку между стволами.

Проветривание по схеме с использованием продольной перемычки применяют в зарубежной практике при проходке весьма глубоких стволов большого диаметра (9-10 м). Продольная железобетонная перемычка разделяет ствол на две части: в одной располагают подъемные сосуды, а вторая свободная служит только для вентиляции.

Расход воздуха определяется по следующим факторам:

- по количеству ядовитых газов ВВ;

- наибольшему числу работающих в стволе людей;

- по метановыделению;

- по минимально допустимой скорости движения воздуха.

Количество воздуха по фактору взрывания (м³/мин)

(14.1)

где S_св - площадь поперечного сечения ствола в ствету, м²;

t - время проветривания ствола, мин;

В - количество одновременно взрываемого ВВ, кг;

I_вв - газовость ВВ, равное 100 л/кг при взрывании по углю, 40 л/кг при взрывании по породе;

H_ств - глубина ствола, м;

К_обв - коэффициент, учитывающий обводненность ствола.

Стволы сухие любой глубины (приток 10 м³/ч), и обводненные Н_ств 200 м - К_обв 0,8.

Стволы обводненные (приток 6 м³/ч) глубиной Н_ств > 200 м 0,6 К_обв 0,8.

Стволы обводненные (приток 6...15 м³/ч), капеж в виде дождя 0,3 K_обв 0,6.

Стволы обводненные (приток > 15 м³/x), капеж в виде ливня 0,15К_обв<0,3.

К_у - коэффициент удельной стыковой воздухопроницаемости, равный 0,0006 для резиновых прокладок; 0,0003 для промасленных пенькового каната или картона;

d_тр - диаметр трубопровода, м;

l_зв - длина звена трубопровода, м;

R - аэродинамическое сопротивление трубопровода,

,

- коэффициент аэродинамического сопротивления.

В том случае, если глубина ствола значительна, в формулу для определения количества воздуха вводится не полная глубина ствола (Н_ств), а критическая глубина трубопровода (L_кр), т. е. длина, на которой концентрация ядовитых газов взрывных работ снизится до допустимой нормы

(14.2)

где К_т - коэффициент турбулентной диффузии, определяется в зависимости от ;

l_з.тр - расстояние от забоя до конца трубопровода, равное 15 м;

d_пр - приведенный диаметр трубопровода;

d_пр = 2d_тр - при расположении трубопровода в центре ствола,

d_пр =1,5d_тр - у стенок ствола.

Количество воздуха по наибольшему числу работающих в стволе людей (м³/мин)

Q_л=6n_л (14.3)

где n_л - количество людей в смену.

Количество воздуха по метановыделению (м³/мин)

(14.4)

где с -максимально допустимое содержание метана в исходящей струе, не более 1 %;

- для стволов равно нулю;

I_п - метановыделение в стволе, м³/мин.

Количество воздуха по пылевому фактору определяется исходя из минимальной скорости движения воздушной струи, равной V_min = 0,3 м/с, оптимальная скорость V_опт = 0,6 м/с.

В случае проведения мероприятий, обеспечивающих содержание пыли в допустимых пределах, скорость воздуха в соответствии с ПБ принимается равной V_min = 0,15 м/с.

Q_v=60V_minS_св (14.5)

Из полученных значений количества воздуха для дальнейших расчетов принимают максимальное значение.

Подача вентилятора определяется по формуле

(14.6)

Депрессия вентилятора при применении жесткого трубопровода

(14.7)

где - потеря давления в местах сопротивления.

Для каждого поворота трубопровода

=0,35² (14.8)

где - угол поворота, радиан;

- угол поворота трубопровода, град;

- средняя скорость движения воздуха на прямолинейном участке, м/с.

По расчетным параметрам Q_в и h_в по справочникам подбирается вентилятор.

При необходимости присоединяется несколько вентиляторов последовательно или параллельно.

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

Армировка стволов предназначена для обеспечения направленного движения подъемных сосудов при заданных режимах работы подъемных установок. К армировке относятся также лестничные отделения для аварийного выхода людей из ствола и опорные конструкции для труб и кабелей различного назначения. На практике применяют два типа армировки: с жесткими и канатными проводниками.

Расположение расстрелов зависит от типа, числа и размеров подъемных сосудов. Расстрелы подразделяют на главные, вспомогательные и ложные. Главные расстрелы заделываются в крепь ствола обоими концами, вспомогательные - одним, другой их конец прикрепляют к главному расстрелу. Ложный расстрел устанавливают между парными проводниками для жесткости. Главный расстрел, по центру ствола или близко к нему, называется центральным.

Главные и вспомогательные расстрелы, находящиеся в одной плоскости, составляют ярус. Расстояние между ярусами определяется расчетом в зависимости от типа и скорости движения подъемного сосуда. Расстояние между ярусами называется шагом армировки. Шаг армировки принимают: для деревянных проводников от 2 до 4 м; рельсовых - 3,125 м; 4,168м; коробчатых от 3 до 6 м.

Расстрелы бывают металлические, железобетонные и деревянные. Металлические расстрелы выполняют из двутаврового профиля с повышенным сопротивлением боковому изгибу №20В,27В,30М,36С,36М, 40, сварные прямоугольного профиля.

Железобетонные расстрелы применяют в зарубежной практике при проходке глубоких стволов. Используют расстрелы прямоугольной формы и овальной формы.

Деревянные расстрелы изготавливают из брусьев 2020 и 2025 см, на вспомогательных стволах и шурфах.

Главные расстрелы для удобства заведения их в лунку делают составными из двух неравных частей. Длинная часть на 60-80 см короче диаметра ствола в свету. Стыки расстрелов скрепляют накладками и болтами. Болты после затяжки гаек расклепывают.

Жесткая армировка с продольными проводниками обладает недостатками: большая металлоемкость, значительная трудоемкость ее изготовления и монтажа, высокое аэродинамическое сопротивление.

Проводники предназначены для направления движения сосудов. В зависимости от расположения сосудов различают проводники лобовые и боковые, односторонние и двусторонние. Лобовые проводники располагают в торцах клети, боковые - на длинной стороне клети. Односторонние - два проводника на одной стороне подвижного сосуда. Проводники двух сосудов, прикрепленные к одному расстрелу, называют парными, проводники одного подъемного сосуда, прикрепленные к расстрелу, одинарными. Для крепления такого проводника к расстрелу устанавливают короткий проводник, который называется ложным.

Применяют два способа стыкования проводников: на расстреле и между расстрелами. Между проводниками оставляют зазор 5 мм на случай изменения их длины при температурных колебаниях, а также для удобства замены проводников. Парные проводники и одинарные с ложным проводником крепят к расстрелу скобами Бриара , одиночные без ложных проводников - скобами СОЛ. Коробчатые проводники крепят к расстрелам болтами Т-образной формы и с помощью приваренных коротышей.

Лестничное отделение обшивают досками или металлической сеткой. Расстояние между лестничными полками принимают кратным расстоянию между ярусами, но не более 8 м. В полках делают проемы (лазы) размерами 0,70,6 м. Лестницы бывают деревянными и металлическими. Ширина лестницы не менее 0,4 м, расстояние между ступеньками не более 0,4 м. Лестницу устанавливают под углом не более 80. Расстояние от основания лестницы до крепи ствола - не менее 0,4 м. Лестница должна выступать над полком на 1 м или на этой высоте устраивают опорную скобу.

Последовательная схема армирования предусматривает разновременное проведение работ по установке расстрелов и навески проводников. По этой схеме сначала в направлении сверху вниз на всю глубину ствола устанавливают расстрелы и лестничное отделение, а затем снизу вверх навешивают проводники.

При установке расстрелов работы ведут с двухэтажного полка. На нижнем этаже полка в крепи долбят лунки для расстрелов, а на верхнем устанавливают расстрелы и лестничное отделение. Одновременно монтируют ставы труб сжатого воздуха, водоотлива и сигнализацию.

После установки расстрелов на всю глубину ствола подвесной полок демонтируют, в ствол опускают подвесные люльки, с которых снизу вверх устанавливают проводники.

Достоинство этой схемы заключается в простой организации работ. Члены бригады специализируются на выполнении однотипных работ, что повышает производительность труда. Такая схема позволяет организовать ритмичную работу - установку одного или двух ярусов в смену.

Недостатком является разновременное выполнение работ по установке расстрелов и навеске проводников, в результате чего увеличивается общее время и стоимость армирования.

Совмещенная схема армирования предусматривает одновременное выполнение работ по установке расстрелов, лестничного отделения и навеске проводников. При этом работы могут выполняться как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх.

Армирование по этой схеме в направлении сверху вниз осуществляют с подвесного двухэтажного полка. На нижнем этаже полка долбят лунки для установки расстрелов. На верхнем устанавливают расстрелы и лестничное отделение. Одновременно над полком с помощью подвесной люльки и, как исключение, с временных переносных полков навешивают проводники.

При армировании по совмещенной схеме снизу вверх установку расстрелов ведут с подвесного полка, а навеску проводников - с люлек, которые поднимаются вслед за полком. Расстрелы устанавливают с нижнего этажа полка, а лунки разделывают с верхнего этажа.

Достоинством схемы армирования является: сокращение времени на подготовку ствола к армированию и переоборудование перед навеской проводников; обеспечение удобства и безопасности производства работ; упрощение технического контроля в процессе армирования ствола; совмещение работ по установке расстрелов и навеске проводников.

Недостатком схемы является увеличение подвесного оборудования.

Анализируя различные схемы армирования ствола, можно сделать следующее заключение. Последовательную схему армирования ствола следует применять при неглубоких стволах. Совмещенную схему армирования ствола следует применять при глубоких стволах.

Выбор вариантов схемы армирования ствола обуславливается конкретными организационно-технологическими условиями работ и устанавливается расчетом затрат времени и средств.

Продолжительность и объем подготовительных работ зависят от технологической схемы армирования, глубины и размеров поперечного сечения ствола, расположения оборудования в нем и на поверхности, числа и расположения расстрелов и проводников и других факторов.

Продолжительность подготовительных работ - 10-30 дней. Для сокращения продолжительности подготовительных работ необходимо еще при проектировании проходческого оборудования в стволе учитывать последующие работы по армированию. С целью минимального объема работ по переоборудованию расположение проходческого оборудования в стволе и на поверхности увязывают с конструкцией этажей подвесных полков, нулевой рамы, разгрузочной и подшкивной площадок копра. Проходческое оборудование по возможности следует располагать между расстрелами, чтобы они могли быть использованы в процессе армирования.

Подготовительные работы разделяются на работы вне ствола и связанные с переоснащением ствола.

Подготовительные работы вне ствола состоят из заготовки элементов армировки, оборудования и инструмента. На заводе или в центральной механической мастерской изготавливают расстрелы, проводники, элементы лестничного отделения, обшивку, полки, крепежный материал, скобы для кабелей и т.п. Расстрелы и лестничные отделения маркируют по ярусам.

Заготовленные на полную глубину ствола элементы армировки завозят к стволу укладывают в штабеля по маркам. Изготавливают шаблоны для контроля расстояний между расстрелами в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изготавливают и завозят к стволу маркшейдерские лебедки, люльки для навески проводников, машины для сверления лунок, отбойные молотки, штанги, ключи и т.п.

Своевременное выполнение подготовительных работ в полном объеме обеспечивает проведение армирования с высокой скоростью.

Непосредственно в стволе проводят следующие работы: контрольное профилирование ствола, т.е. маркшейдерскую съемку стен крепи в местах минимальных зазоров между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и крепью; составляют продольный разрез ствола и его поперечных сечений на разных глубинах; разборку разгрузочной площадки в копре; перестановку шкивов на подшкивной площадке, если их расположение не обеспечивает свободного прохода бадей между расстрелами и балок основной проходческой рамы; монтаж шкивов для канатов подвесной люльки; демонтаж и выдачу вентиляционных труб, если к началу армирования проведена сбойка между стволами; демонтаж и выдачу из ствола проходческого оборудования; подъем в устье ствола подвесного полка и переоборудование его для армирования; установку в 1,5-2 м ниже нулевой рамы с подвесного полка контрольного яруса расстрелов и др.

Установка контрольного яруса расстрелов является одной из важных работ, так как правильности ее выполнения зависит качество работ по армированию. После установки и закрепления контрольных расстрелов на них укрепляют кронштейны с отверстиями, через которые пропускают тросы отвесов. На расстрелах контрольного яруса устраивают настил, в котором оставляют ограждаемые раструбом проемы для бадей, труб и канатов. На этом же ярусе или на нулевой отметке устанавливают лебедки для подвески отвесов.

Установка расстрелов заключается в разметке и долблении лунок в бетонной крепи, установке расстрелов и заделке концов расстрелов.

Разделку лунок осуществляют отбойными молотками, с оставлением ниш в процессе бетонирования ствола и др. На разделку лунок в зависимости от площади поперечного сечения и вида крепи приходится 15-25 % общих затрат труда по армированию.

Разделка лунок с помощью отбойных молотков требует больших трудовых и временных затрат. Не получил распространения и способ оставления лунок при возведении бетонной крепи, так как он связан с высокой точностью установки опалубки, сложностью отрыва ее от бетона и перемещения, невозможностью заглубления лунок в породу.

Для механизации тяжелого и трудоемкого процесса разделки лунок применяют станки типа СБЛ-1М и БАС-1.

При бурении образуется лунка размером 280570 мм. Сменная производительность станка при бурении в бетоне 12-14 лунок глубиной 500-550 мм. Применение станков для бурения лунок повышает производительность труда проходчиков в 3-4 раза.

Лестничное отделение устраивают сразу после установки и раскрепления всех расстрелов яруса. Обычно принимают следующий порядок устройства лестничного отделения: настилают полок, устанавливают лестницу и выполняют обшивку досками или монтаж рамы с металлической сеткой. Обшивку досками осуществляют с внутренней стороны лестницы. Металлическую раму с сеткой спускают в ствол и закрепляют болтами.

Навеску проводников удобнее производить снизу вверх. Сначала подвешивают первые от низа проводники. Расположение их тщательно проверяют с помощью маркшейдерских инструментов. Затем в ствол по одному спускают последующие проводники и устанавливают на ранее смонтированные. Стыковку проводников осуществляют с применением штырей, которые вставляются в отверстия, просверленные в яблоке торца рельса. Между проводниками должен быть зазор 4-5 мм. Для этого в торцы проводников помещают фанерную прокладку. Навеску проводников осуществляют с люлек конструкции ЦНИИПодземмаша. Люльки состоят из четырех отдельных секций - верхней, нижней и двух средних. Каждая секция состоит из четырех стоек углового профиля, верхней и нижней швеллерных рам и настила из рифленой стали. Рабочие площадки расположены на расстоянии, равном шагу расстрелов, и оборудованы лестницами. Лестничные проемы на площадках смещены относительно друг друга и перекрыты лядами. Нижняя часть секции имеет ограждение высотой 1,1 м. Разработаны шесть типоразмеров люлек (табл.12.1)

Таблица 12.1 - Характеристика люлек

Люлька	Л-5	Л-6	Л-7	Л-8	Л-9	Л-10
Размеры в плане, м	1,61,3	1,61,3	2,51,3	2,51,3	0,81,5	1,13,8
Высота, м	14,8	14,8	14,8	8,4	15,7	7,1
Масса, т	1,83	1,84	2,54	1,2	1,16	1,82
Число кранов	1	1	2	1	1	2
Расстояние между ярусами,мм	4168	4168	4168	2000	4168	2000

Люльку подвешивают на канате тихоходной лебедки при помощи клиновой втулки или коуша. Диаметр каната подбирают из расчета обеспечения запаса прочности, равного 7. Нижнюю секцию люльки оборудуют съемными башмаками, охватывающими проводники, что предотвращает поворот и раскачивание люльки.

Навеску проводников с помощью люлек осуществляют следующим образом. Проводник спускают в ствол таким образом, чтобы прицепное устройство подъема оказалось против верхней секции люльки. Затем проводник перецепляют на крюк поворотного крана лебедки за свободные концы серьги и подают к месту его навески. В отверстие ранее установленного проводника вставляют шпильку, кладут прокладку и устанавливают следующий проводник. Проводник крепят к расстрелам одновременно с трехэтажной люльки.

Для установки трубопроводов в стволе закрепляют балки (для установки опорных стульев и сальниковых компенсаторов), изготовляют хомуты, серьги, скобы и направляющие фонари для спуска звеньев труб. Трубы спускают в ствол звеньями из 6-10 штук.

Перед спуском в ствол звено труб собирают в специальном зажиме - хомуте, установленном на нулевой раме.

При подходе звена труб к ранее установленным трубам на 0,5-0,6 м со звена труб снимают концевой направляющий фонарь, трубы стыкуют с ранее установленными и соединяют фланцами. Затем трубы с помощью хомутов прикрепляют к расстрелам и отсоединяют прицепное устройство. После монтажа трубопроводов их испытывают на герметичность.

Прокладка кабелей, обычно, в стволе осуществляется около лестничного отделения. Кабели с помощью дубовых вкладышей крепят к скобам, заделанным в крепь ствола. К одной скобе крепят до четырех кабелей. Кабели спускают в ствол при помощи тихоходной проходческой лебедки. Диаметр каната определяется массой кабеля с запасом прочности, равным пяти. Тихоходную лебедку устанавливают у ствола на расстоянии 12-15 м, кабель спускают со скоростью не более 0,3 м/с. Кабель прикрепляют к канату через 1-1,5 джутовым или пеньковым канатом, а через 20-25 м - жимками.

После спуска кабель на всю глубину ствола кабель крепят к скобам снизу вверх. Закрепленный между двумя скобами кабель должен иметь незначительный прогиб.

16. Специальные способы строительства вертикальных выработок

Характеристики месторождений со сложными гидрогеологическими условиями. Проблемы, возникающие при проведении горных выработок в этих условиях.

Под сложными условиями следует понимать такие условия, в которых строительство горных выработок и обеспечение их нормального эксплуатационного состояния обычными способами по техническим, экономическим или санитарно-гигиеническим причинам оказывается менее целесообразным, чем с применением специальных способов, либо практически невозможным.

При проведении горных выработок в подобных условиях приходится бороться с притоками подземных вод, а также с явлениями, вызываемыми их присутствием в породах.

Значительный приток подземной воды в проходимую выработку создает определенные трудности при производстве работ. При этом трудности возрастают с увеличением притока.

Наличие подземных вод в песках приводит к значительному снижению их устойчивости, которое растет с увеличением скорости движения воды.

В глинистых породах действие воды проявляется в изменениях их структуры, вязкости, тексотропии и некоторых других физико-механических свойств. В таких породах появляются явления разбухания, размокания, отслаивания, текучести и др. Глина, насыщенная водой, теряет связи между отдельными частицами, приобретает большую подвижность и способна вытекать в выработку.

Наибольшие трудности при проведении горных выработок вызывает плывун. Это неустойчивые текучие тонкозернистые породы от мелкого песка до ила. Плывун способен проникать через мельчайшие не плотности в крепи и заполнять пройденные выработки.

Мелкий песок с частицами диаметром 0,2 - 0,01 мм и меньше при наличии примесей илистых и глинистых частиц диаметром 0,1 - 0,001 мм.

Некоторые водонепроницаемые породы (песчаные глины, суглинки, илы и др.), соприкасаясь с водой, в естественном залегании, подвергаются размоканию и становятся водоносными только в слоях, непосредственно контактирующих с водоносными пластами.

При проходке горных выработок в подобных породах с применением водоотлива породы интенсивно размываются водой и из водонепроницаемых становятся водоносными, а затем и плывучими.

Таким образом, при проведении горных выработок в рыхлых водоносных породах. наряду с мерами по уменьшению притока воды, приходится применять специальные меры, обеспечивающие удержание стенок выработок до возведения постоянной крепи, а также исключающие прорывы плывучих пород в пройденные выработки.

Виды подземных вод и их свойства.

Вода, заключенная в горных породах, может быть: гравитационная (подвешенная, капилярная, свободная), связанная (гигроскопическая, пленочная).

Подвешенная вода не связана с основным водоносным горизонтам и попадает в верхние слои породы в результате атмосферных осадков. Капиллярные воды образуются в результате подъема по капиллярам воды основного водоносного горизонта. Подъем капиллярной воды основного водоносного горизонта в песках до 3 м, в глинах - до 1,5 м. Диаметр капилляров 10^-5 см.

Максимальной гигроскопической влажностью породы называют то количество воды, которое удерживается породой в воздухе, насыщенном водяными парами.

Пленочная вода - это слой воды, удерживаемый на частицах породы силами молекулярного притяжения, возникающего между частицами породы и молекулами воды. Пленочная вода движется независимо от силы тяжести с одинаковой скоростью во всех направлениях от зон с более плотной пленкой в зоны с менее плотной пленкой.

Силы молекулярного притяжения пленки воды достигает 10⁵ Н/ см². Плотность пленочной воды равна 1,28 - 2,45 г/ см³.При замерзании пленочная вода не выделяет скрытой теплоты и не увеличивается в объеме. Замерзает она при температуре около - 80° С.

Специальные способы проходки, их классификация.

Специальные способы в зависимости от решаемых задач можно разделить на 3 группы.

1. Специальные способы, обеспечивающие удержание стенок выработки от обрушения и оплывания, но не исключающие приток воды в проходимую выработку. К этой группе относятся все виды забивных крепей, опускные крепи.

2. Специальные способы, обеспечивающие проходку выработок в осушенных породах, либо в породах с небольшим притоком воды. К ним относятся кессон, водопонижение, тампонаж.

3. Специальные способы, обеспечивающие устойчивость стенок сооружаемых выработок и ликвидацию поступления воды в выработку. К ним относятся замораживание горных пород, химическое закрепление, бурение стволов.

17. Строительство вертикальных выработок с применением ограждающих крепей

Забивная крепь является простейшим специальным способом проходки горных выработок и применяется в случаях пересечения рыхлых водоносных пород небольшой мощности, залегающих неглубоко от поверхности земли. Забивные крепи могут применяться при залегании непосредственно под водоносным пластом мягкой водонепроницаемой породы (водоупора) и отсутствии в водоносной породе включений валунов или крупной гальки. В зависимости от материала, применяемого для забивной крепи, различают деревянную и металлическую забивные крепи.

Деревянная прямая вертикальная забивная крепь. Конструкция крепи. Технология производства работ. Оценка способа.

Деревянная забивная крепь бывает прямая (вертикальная) и косая. Проходка стволов с применением прямой (вертикальной) деревянной забивной крепи осуществляется следующим образом. В сухих породах, покрывающих водоносный пласт, выработка проходится обычным способом. Не доходя 0,5-0,7 м до кровли водоносного пласта, забой ствола выравнивают и на нем укладывают внутреннюю и наружную направляющие рамы. В зависимости от формы поперечного сечения ствола и вида постоянной крепи эти направляющие рамы выполняются в виде металлических колец из швеллеров № 18- № 20 (при круглых стволах) или деревянных венцов (при прямоугольных стволах с деревянной крепью). В пройденной части ствола между постоянной крепью и наружными направляющими кольцами укладывают несколько брусьев толщиной 60-80 мм.

Направляющие кольца (внешние и внутренние) устанавливают по отвесам и уровню, обеспечивая вертикальность ствола и наличие зазора между ними, равного толщине шпунта. Наружный диаметр внутреннего направляющего кольца равен диаметру ствола в проходке.

Внутренний диаметр наружного направляющего кольца равен диаметру ствола в проходке плюс две толщины шпунта.

В зазор между наружным и внутренним направляющими кольцами забивают вертикально, заостренные внизу доски - шпунты. Забивка шпунтов ведется поочередно один к одному на глубину 0,7 - 1 м.

В качестве шпунта применяют сухие сосновые или дубовые доски толщиной 50 - 100 мм, шириной 150-200 мм. Длина шпунта определяется мощностью пересекаемого водоносного горизонта и принимается в пределах 2 - 6 м. Шпунтины в местах примыкания друг к другу выполняют в виде пазов и выступов различной конфигурации (елочка, шип и др.). Шпунт забивают кувалдами, пневмомолотами, пневмобетоноломами.

После забивки шпунта по всему периметру на 0,7 - 1 м из забоя ствола вынимают породу. Во избежание прорыва водоносных пород, а также выжимания концов шпунта в ствол, необходимо следить, чтобы нижние концы шпунта находились в породе не менее 0,2- 0,3 м. По мере проходки ствола через каждый 1- 1,2 м устанавливаются и тщательно расклиниваются направляющие кольца.

Верхняя часть ствола, пройденная по сухим породам, должна иметь диаметр в свету на 0,5 м больше диаметра ствола в проходке.

Забивка каждого нового яруса шпунтов (посада) уменьшает диаметр ствола в свету на 0,5 м.

Деревянная косая забивная крепь. Конструкция крепи. Технология производства работ. Оценка способа.

При применении косой забивной крепи сечение выработки остается постоянным и не зависит от числа ярусов шпунтов (посадов). Обычно косую забивную крепь применяют при проходке стволов прямоугольного сечения с деревянной крепью. Шпунты длиной 1,2 - 1,6 м толщиной 50 - 75 мм и шириной 150 -200 мм забивают под углом 70° - 75° . Забивку шпунта начинают в плотной породе, не доходя на один ярус посада до водоносного грунта. При забивке шпунта длиной 1,5 м под углом 70° - 75° концы шпунта в углах образуют просвет приблизительно равный 0,5 м. Чтобы избежать этого, с каждой стороны угла забивают специальные трапециевидные шпунты с широким основанием внизу, а затем забивают обычные прямоугольные шпунты.

Установку наружного (вспомогательного) и внутреннего (коренного) направляющих венцов проводят по уровню и отвесам.

Размеры внутреннего направляющего венца такие же, как и венца постоянной крепи ствола. Размеры наружного направляющего венца принимаются с учетом возможности забивки шпунта.

Технология выемки породы, а также забивки шпунта аналогична применяемой при вертикальной забивной крепи. Промежуточные венцы устанавливаются через 0,5 м. Во избежание выдавливания шпунтин концы их всегда должны находиться в породе не менее 0,2 м.

Деревянная забивная крепь обладает низкой устойчивостью. При ее применении часто имеют место выпуски породы, а, следовательно, образование пустот за крепью, оседание и перекос крепи. Работы по забивке шпунтин трудоемки. Скорость проходки низкая и составляет приблизительно 5 м/мес.

Деревянную забивную крепь рекомендуется применять при проходке вспомогательных вертикальных выработок в рыхлых водоносных породах небольшой мощности (до 6 м), неглубоком залегании (до 15 - 20 м), а также при проходке опережающих водосборных колодцев.

Металлическая забивная крепь. Виды металлических шпунтов. Их оценка. Технология забивки шпунтов. Определение размеров форшахты.

Металлическая забивная крепь имеет ряд преимуществ перед деревянной, что обусловило более широкое ее применение.

Металлически шпунты обладают высокой прочностью, что обеспечивает надежность ограждения и позволяет применять мощные средства забивки. Соединения в замках между шпунтинами более плотное, это позволяет избежать выноса мелких частиц породы. В настоящее время металлические шпунты выпускаются длиной до 22 м. Таким образом, одним рядом шпунтового ограждения можно пересекать водоносные породы мощностью до 18 м. Высокая прочность металлического шпунта, применение мощных средств забивки их, более низкое сопротивление пород при внедрении таких свай позволяет полностью перекрывать всю толщу водоносных пород до начала выемки породы.

Выбранный тип шпунта должен обеспечивать прочность ограждения и при этом быть наиболее экономичным для конкретных условий. Прочность шпунта характеризуется моментом сопротивления (W), а жесткость сваи - моментом инерции (I). Показателем экономичности шпунта является отношение момента сопротивления шпунта к его массе (G) - W/ G. Чем больше это отношение, тем лучше используется металл. Применяемые шпунты можно подразделить на следующие типы: плоские, трубчатые, корытчатые ячейковые и комбинированные. Каждый из этих типов в свою очередь подразделяется в зависимости от профиля поперечного сечения и конструкции замков.

Плоские шпунты имеют сравнительно малый момент сопротивления при большей массе. У них отношение W/ G находится в пределах 1 - 5.

Трубчатые шпунты просты в изготовлении. При их забивке легко использовать гидроразмыв. Отношение W/ G в трубчатых шпунтах небольшое и равно 1,5 - 2.

Шпунты корытчатой формы более сложны в изготовлении, но они имеют высокий момент сопротивления (до 900 см³ ). Отношение W/ G равно 3 - 14.

Забивку шпунтового ограждения можно производить отдельными небольшими заходками (1 м) после установки последовательно всех свай в контуре, либо последовательно забивать каждую сваю сразу на полную глубину.

Первый способ обеспечивает плотное ограждение на всей глубине погружения. Вместе с тем при этом способе погружения в замках возникают большие напряжения, сильно затрудняющие забивку шпунтов. В отдельных случаях имеют место разрывы замков. Для снижения трения в замках их заполняют битумом.

При втором способе шпунт забивается значительно легче. Однако при этом способе возможно отклонение каждой забиваемой сваи от проектного направления. Эти отклонения накапливаются, и обычной сваей замкнуть контур ограждения невозможно. Для того, чтобы контур замкнуть, приходится забивать специальную сваю, изготавливаемую на основании замеров положения свай, либо забивать в образовавшемся просвете внахлестку новый ряд свай.

Во избежание прорыва водоносных пород из-под нижних концов ограждения шпунт должен полностью пересекать водоносный пласт и внедряться в водоупор на 1,5 - 2 м. К выемки породы приступают после забивки всех свай. Породу вынимают участками приблизительно равными 1 м и устанавливают временную крепь.

Забивка металлического шпунта может производиться пневматическими и паровыми молотами, вибромолотами и вибропогружателями. Наиболее прогрессивным способом забивки является вибропогружение.

В горном строительстве нашли широкое применение вибропогружатели типа ВПП-2.

При определении диаметра ствола по осям шпунтин на участке, огражденным металлическим шпунтом, следует учитывать конструкцию замка шпунта, а при определении диаметра форшахты - габариты вибропогружателей

(17.1)

где D_шп - диаметр ствола по осям шпунта, м;

D_св - диаметр ствола в свету, м;

Е - толщина постоянной крепи, м;

b - толщина шпунта в замке, м;

0,01Н - величина возможного отклонения шпунтин от вертикали во внутрь ствола, принимается до 1% от глубины погружения шпунта, м.

Диаметр ствола в проходке

(17.2)

где с - размер выступающей наружу части вибропогружателя, м;

а - зазор между выступающей частью вибропогружателя и крепью форшахты, обеспечивающий удобство и безопасность работы (принимается равным 0,7 м).

18. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

Суть этого способа заключается в том, что в районе расположения ствола при помощи различных дренажных устройств снижается уровень подземных вод. В результате этого сокращаются притоки воды в ствол, неустойчивые горные породы теряют подвижность и повышается устойчивость стенок ствола. Таким образом, создаются условия проходки, приближающейся к проходке в обычных условиях.

Область применения этого способа сравнительно ограничена. Он не применим в случаях, когда в разрезе пород имеется несколько водоносных горизонтов, представленных неустойчивыми породами с низким коэффициентом фильтрации (К_ф< 1 м/с), а также при неоднородности литологического состава и неодинаковой водопроницаемости водоносного горизонта (наличие водоупорных прослоев), в особенности, если мощность водоносных пород незначительная и число водоупорных прослоев большое.

Для рассмотренных целей могут применяться поверхностный, подземный и комбинированный способы осушения.

Поверхностный способ рекомендуется применять при проходке стволов в обводненных скальных и полускальных трещиноватых или карстовых породах, в валунных, песчано-галечниковых или песчаных отложениях, подошвы которых залегают ниже конечной отметки зумпфа ствола, а также для снижения напора подземных вод в водоносном горизонте, залегающем ниже зумпфа ствола.

При поверхностном способе осушения на участке ствола сооружаются водопонижающие или водопоглощающие скважины. Эти скважины располагаются по контуру вокруг ствола в вершинах треугольника, квадрата, многоугольника или по окружности.

В тех случаях, когда ствол полностью пересекает водоносный пласт, поверхностный способ не обеспечивает полного осушения пласта. Для осушения таких пластов применяют подземный способ осушения. Этот способ предусматривает применение легких иглофильтровых установок, установленных непосредственно в стволе, а также применение восстающих скважин и забивных фильтров, которые устанавливаются на пройденных горных выработках.

Иглофильтровые легкие установки применяются при необходимости осушения безнапорных водоносных пластов. Одна установка иглофильтров (ярус) позволяет понизить уровень воды на 3-3,5 м. После проходки осушенного участка устанавливают следующий ярус иглофильтров. Восстающие скважины и забивные фильтры очень эффективны и обеспечивают осушение как напорных, так и безнапорных водоносных пластов.

Комбинированный способ осушения предусматривает совместную работу водопонизительных скважин с иглофильтрами. Скважинами срабатываются напоры, а иглофильтрами снижается остаточный уровень подземных вод, а затем осушается участок, где проходится ствол.

Водопонижающие скважины применяются при поверхностном и комбинированном способах осушения. С поверхности бурятся скважины с конечным диаметром, позволяющим опустить в скважину насос. Против осушаемого водоносного горизонта устанавливается фильтр. Вода насосом подается по водоподъемным трубам. Бурение водопонижающих скважин можно производить удароно-канатным или вращательным способами. При бурении водопонижающих скважин отклонение оси от вертикали не должно превышать 2° .

19. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

Водопоглощающие скважины служат для перепуска из вышележащих водоносных горизонтов в нижележащие породы. В этом случае отпадает необходимость оборудовать скважины насосами, подводить к ним электроэнергию. Применение водопоглощающих скважин особенно целесообразно при осушении маломощных пластов с невысоким коэффициентом фильтрации. В этих случаях дебит скважин очень низкий и практически оборудовать такие скважины насосами невозможно.

Водопонижающие скважины оборудуются фильтрами. Их назначение пропускать в водоприемную часть скважины (к насосу) чистую воду, задерживая твердые части породы. Это обеспечивает нормальную работу насоса и предохраняет от образования пустот и выноса большого количества породы на поверхность земли.

Фильтры, виды и области применения.

Различают следующие виды фильтров:

- дырчатые и щелевые,

- сетчатые и проволочные,

- гравийные и гравийно-засыпные.

Дырчатые и щелевые фильтры представляют собой трубы с круглыми или щелевидными отверстиями. Размер отверстий определяется породами, в которых фильтры устанавливаются. В породах полускальных неустойчивых, щебеночных, галечниковых с преобладанием частиц размером 10-100 мм. Диаметр отверстий 10-25 мм и размер щелей 10х 150 мм.

В гравийных отложениях и в крупнозернистых песках с преобладанием частиц 2-5 мм устанавливаются фильтры с диаметром 2-5 мм. В песках с размерами частиц 1-2 мм устанавливаются дырчатые и щелевые фильтры, оплетенные проволокой, или сеткой из нержавеющих материалов с размерами щели между проволокой 1,25-3 мм, сетки 1х1...2х2 мм.

В песках с преобладающей крупностью частиц 0,25-0,5 мм устанавливаются проволочные или сетчатые фильтры с отверстиями, равными диаметру частиц песка, а также гравийные фильтры.

В песках с преобладающей крупностью частиц 0,1-0,25 мм устанавливаются гравийные или гравийно-засыпные фильтры.

Для откачки воды из водопонижающих скважин применяют глубинные насосы. Погружные насосы выпускаются типов ЭЦВ, АПТ, АЭНП, ЭПН и др. Непогружные насосы выпускаются типа АТН. Минимальный внутренний диаметр скважин для насосов АТН 250-350 мм.

20. Строительство вертикальных выработок с применением водопонижения

Ударно-канатный способ применяется при бурении скважин в твердых трещиноватых с большой водопронецаемостью породах, где есть опасения большого поглощения промывочной жидкости. Достоинством этого способа бурения является:

- возможность бурить скважины большого диаметра;

- незначительные отклонения оси скважины от вертикали;

- сохранение фильтрационных свойств пород в при фильтровой зоне.

К недостаткам способа следует отнести:

- низкую скорость бурения;

- большой расход обсадных труб;

- большую разницу между начальными и конечным диаметром скважин.

Ударно-канатное бурение осуществляют станками УКС-22, УКС-30М и другими.

При вращательном способе бурения скважины крепят после окончания бурения на всю глубину или на отдельных интервалах. Это значительно сокращает расход обсадных труб. Скорости бурения при этом способе высокие. Глубина бурения свыше 600 м.

Существует два способа вращательного бурения - роторный и турбинный. При вращательном бурении искривление скважины больше, чем при ударно-канатном. Вращательное бурение осуществляется с применением промывочных жидкостей. Их назначение: вынос разбуренных пород, удержание стенки скважины от обрушения и охлаждение и очистку бурового инструмента. При турбинном бурении промывочная жидкость еще приводит во вращение вал турбобура.

Напорным водоносным пластом мы называем пласт, в котором отметка гидростатического уровня выше уровня кровли пласта.

Безнапорным пластом мы называем пласт, в котором отметка гидростатического уровня ниже уровня кровли пласта.

Совершенной скважиной мы называем скважину, пересекающую весь пласт (забой скважины находится ниже почвы водоносного пласта).

Несовершенной скважиной мы называем скважину, у которой находится забой выше почвы водоносного пласта (скважина не полностью пересекает водоносный пласт).

Расчеты одноконтурных взаимодействующих скважин производится методом подбора в следующей последовательности.

1. Исходя из конкретных условий, назначают число скважин и места их расположения.

2. Определяется радиус приведенного равновеликого круга:

а) при прямоугольной форме реального контура

, (20.1)

или , (20.2)

б) при многоугольной форме

, (20.3)

в) при сложных формах контура

, (20.4)

где a - длина контура, м;

b - ширина контура, м;

p - периметр контура, м;

n - число характерных точек в многоугольнике (углы или середины его сторон);

r₁, r₂ … r_n - расстояния от этих точек до центра тяжести многоугольника, м;

F - площадь сложного контура, м².

Принимается радиус скважин r_c (по производственным и конструктивным соображениям), задается понижение в скважинах (S) и определяется дебит каждой скважины.

1. Определяется уровень подземных вод или высота пониженного напора в центре ствола.

Если не достигнуто требуемое снижение уровня воды в месте расположения ствола, то изменяют число водопонизительных скважин или увеличивают понижение уровня воды в скважине (S) и проводят повторный расчет до достижения требуемого понижения уровня воды в районе ствола.

Определение дебита взаимодействующей в контуре водопонижающей скважины и эффекта водопонижения в напорных водоносных пластах.

Для напорных условия скважины совершенные.

Дебит каждой совершенной скважины определяется по формуле Щелкачева В.Н.

, (20.5)

где Q₀' - дебит каждой из взаимодействующих скважин, м³/сут.;

R - радиус депрессии, образующейся при работе скважин, м;

S - понижение уровня воды в скважине, м;

n - число скважин;

m - мощность напорного пласта, м;

r_c - радиус скважин, м;

r₀ - радиус приведенного круга, м.

Радиус депрессии (влияния) определяется по формулам Кусакина

, (20.6)

и Зихерта

, (20.7)

а затем принимается среднеарифметическая величина

; (20.8)

где S - принятое понижение уровня воды в скважине;

K - коэффициент фильтрации породы, м/сут.;

H - гидростатический напор воды на почву пласта, м.

Для напорных условия скважины несовершенные.

Дебит каждой взаимодействующей несовершенной скважины определяется по формуле Чарного-Абрамова

, (20.9)

, (20.10)

, (20.11)

, (20.12)

f зависит от отношения , (20.13)

где l - длина водоприемной части фильтрам;

m - мощность пласта, м.

Величина остаточного напора в интересующей нас точке, расположенной в зоне депрессионной воронка, определяется по формуле Ф.Форхгеймера:

, (20.14)

где H - высота уровня подземных вод до понижения (считая от подошвы пласта), м;

x₁, x₂, x₃ … x_n - расстояние от исследуемой точки до соответствующих скважин.

Определение дебита взаимодействующей в контуре водопонижающей скважины и эффекта водопонижения в безнапорных водоносных пластах.

Для безнапорных условий скважины совершенные.

Дебит каждой совершенной скважины определяется по формуле Щелкачева

, (20.15)

где H - гидростатический напор на почву осушаемого пласта, м.

Для безнапорных условий скважины несовершенные.

Дебит каждой вертикальной несовершенной скважины определяется по формуле Абрамова С.К.

, (20.16)

где

l - высота слоя воды в несовершенных дренах;

T=S-h;

(20.17)

Величина сниженного уровня подземных вод в интересующей нас точке определяется по формуле Ф.Форхгеймера:

, (20.18)

21. Строительство вертикальных выработок с применением искусственного замораживания горных пород

При охлаждении пород до температуры ниже точки замерзания, вода, находящаяся в порах породы, превращается в лед. Ледопородный массив водонепроницаем и обладает сравнительно высокой прочностью.

Эти обстоятельства создают предпосылки для использования замораживания при проходке горных выработок в неустойчивых и трещиноватых обводненных горных породах.

Заморозив вокруг проходимого ствола обводненные горные породы (создав замкнутое кольцо), можно обеспечить устойчивость стенок ствола и ограждение его от притока воды из окружающих не замороженных обводненных пород.

Использование холода при проходке горных выработок в обводненных породах известно давно. Старатели при пересечении шурфами обводненных слоев породы оставляли вскрытые обводненные породы обнаженными до зимних морозов. По мере промерзания этих пород верхний слой льда скалывали. После полного промерзания всей толщи обводненных пород возводилась постоянная крепь, и проходка шурфа продолжалась. Позже стали в шурф нагнетать холодный атмосферный воздух.

Указанные способы замораживания можно было применять только зимой при относительно низких температурах воздуха. Кроме того, существенным недостатком указанных способов было сравнительно продолжительный период замораживания.

После освоения искусственного производства холода (создание замораживающих установок), способ замораживания пород начал быстро развиваться. Изменилась и технология замораживания пород. В современном виде замораживание пород осуществляется путем нагнетания жидкости с низкой температурой в замораживающие колонки, опущенные в специально пробуренные скважины. Скважины располагаются таким образом, чтобы после образования вокруг каждой из них ледопородного цилиндра, последние сомкнулись и образовали вокруг проходимой выработки замкнутое ледопородное ограждение.

Прочность замороженных пород зависит от состава пород, степени водонасыщения и температуры замораживания.

Замороженные глинистые породы при прочих равных условиях менее прочны, чем песчаные. Прочность замороженных песков возрастает с увеличением крупности зерен песка. Замерзшая вода (чистый лед) менее прочна, чем замерзшая порода. Замороженные породы имеют максимальную прочность при полном водонасыщении. С понижением температуры замораживания прочность замороженных пород растет.

Предел прочности на одноосное сжатие замороженных пород можно определить по формулам, предложенным МГИ.

Для песков мелкозернистых и крупнозернистых

, (21.1)

Для глин и пылеватых песков

, (21.2)

где С₁ и С₂ - эмпирические коэффициенты;

t_ср - средняя температура ледопородного массива, ° С.

Исследованиями установлено, что замороженные грунты снижают свою прочность под действием постоянной длительной нагрузки. Это явление называют ползучестью. В связи с этим различают два вида прочности - мгновенную s _мг и длительную s _дл.

Под мгновенной прочностью понимают предел прочности замороженных пород при приложенной нагрузке сразу же после замораживания.

Длительная прочность - это предел прочности приложения нагрузки в течение 1000 ч.

Некоторые авторы вводят понятие “коэффициент расслабления” замороженных пород, вычисляемый по формуле

, (21.3)

У замороженных глин в месячном возрасте К_р=1,5, в трехмесячном возрасте К_р=3.

Обычно это свойство замороженных пород учитывают коэффициентом запаса прочности.

Применяемые для замораживания горных пород замораживающие станции представляют собой комплекс аппаратов с замкнутым циклом, в котором хладоагенты (аммиак, углекислота и др.), будучи сжаты в компрессорах, а затем охлаждены, переходят из газообразного состояния в жидкое, сохраняя повышенное давление. Последующее уменьшение давления жидкого хладоагента сопровождается резким понижением его температуры.

...