Технологія, механізація та організація проведення вертикальних стволів

 

Термін будівництва шахти розділяють на три періоди: перший –підготовчий, другий – проведення стволів і приствольних камер, третій – проведення інших гірничих підготовчих виробок включно з нарізними печами для лав.

Для забезпечення будівництва шахти, ритмічного проведення гірничих виробок необхідно виконати комплекс попередніх підготовчих робіт, серед них: прокладання шосейних доріг, залізничної дороги, лінії електропередачі, планування проммайданчика, будівництво водогону, системи каналізації, компресорної станції та інших споруд промислового призначення. В цей попередній період проходять і устя стволів.

Проведення стволів залежно від гірничо-геологічних умов може здійснюватись звичайними або спеціальними способами. В першому випадку в технології проведення можуть застосуватись БПР, в тому числі стволопрохідницькі комплекси.

 

3.3.1. Проведення вертикальних стволів звичайним способом за допомогою БПР

.

Устя стволів, дренажних шурфів найчастіше проходять в нестійких породах, наносах з використанням тимчасового прохідницького обладнання. В таких випадках, зазвичай, крім устя ствола проходять і верхню частину його до глибини 30...50 м, так званий технологічний відхід, який необхідний для розташування обладнання при проведенні основної його частини.

Верхні 3...5 м устя проходять відкритим способом за допомогою екскаватора з встановленням постійного, найчастіше бетонного кріплення, опорний вінець якого встановлюють в стійких породах. Для проходження устя ствола використовують комплекси прохідницького обладнання ПК-1, ППУ-1, КПШ-2. Загальний вигляд розташування обладнання комплексу КПШ-2 наведено на рис. 3.12. Крім того, до складу комплексу входять: кран-екскаватор, розвантажувальний бункер, два компресори, пересувна підстанція, вибійний насос.

Рис. 3.12. Проходка устя ствола комплексом КПШ-2: 1 – автокран; 2 – баддя; 3 – грейферний навантажувач; 4 – підвісна опалубка; 5 – лебідки для підвішування опалубки; 6 – труби для подачі бетону; 8 – автосамоскид; 9 – рама-шаблон: 10 – кран-екскаватор

При проведенні основної частини ствола залежно від послідовності робіт з виймання порід, кріплення та армування виділяють три основні схеми проведення: послідовну, паралельну і сумісну.

Послідовна схема проведення визначається чергуванням робіт з проведення і кріплення. Для цього увесь ствол ділять на окремі ділянки довжиною від 10 до 40 метрів. Кожна ділянка проходять з тимчасовим кріпленням. Після зупинки власне прохідницьких робіт на черговій ділянці переходять до встановлення постійного кріплення цієї ділянки (рис. 3.13, а).

 

Рис. 3.13. Технологічні схеми проходження вертикальних стволів: а) – послідовна; б) – паралельна; в) – паралельно-щитова; г) – суміщена; 1 – опорний вінець; 2 – постійне бетонне кріплення; 3 – тимчасове кільцеве металеве кріплення; 4 – опалубка для подачі бетону; 6 – натяжний триповерховий поміст; 7 – металевий щит-оболонка

 

При паралельній схемі проведення ствола виймання породи і встановлення постійного кріплення здійснюють одночасно у двох суміжних ланках. Паралельна схема може здійснюватись з тимчасовим кріпленням (рис. 3.13, б, в) або без нього, якщо бокові породи мають досить високу міцність. Виймання породи і кріплення здійснюють в сусідніх ланках ствола. Як тимчасове кріплення використовують також спеціальні щити. Порівняно з попередньою схемою організація робіт набагато складніша але й темпи проведення ствола значно вищі.

При суміщеній схемі роботи проходження і постійне кріплення виконують в одній ланці, що дозволяє обходитись без тимчасового кріплення (рис. 3.13, г; 3.14). У цьому випадку після проведення БПР і провітрювання прибирають спочатку частину породи біля стінок і встановлюють там металеву опалубку, заповнюють її бетоном, а вже потім закінчують вантаження решти породи. Ця схема проведення є найбільш продуктивною і безпечною. Захист людей у вибої здійснюють за допомогою підвісних полків.

Рис. 3.14. Суміщена схема проходження ствола комплексом КБ-1; 1 – опалубка; 2 – навантажувальна машина КС-3; 3 – підвісний двоповерховий поміст; 4 – бетонопровід.

 

Суттєвого поліпшення техніко-економічних показників вдалося досягти шляхом застосування стволопрохідницьких комплексів. Так, застосування комплексу КС-ІМ/6,2 дозволило збільшити швидкість проходження до 390 м/місяць при середній швидкості 60–75 м/місяць. Комплекс складається з двоповерхового підвісного полка, жорстко підв’язаного зі щитом-оболонкою, навантажувальної машини КС-ІМ, з лебідки і пересувної розпірної каретки, двох саморозвантажувальних бадей місткістю 5,5 м³, металевої опалубки, підвішеної на канатах, трьох лебідок, встановлених на поверхні. Подачу у вибій стисненого повітря і бетонної суміші здійснюють за допомогою підвішених труб. Комплекс забезпечує проведення буро-підривним способом ствола діаметром 6,2 м, глибиною до 700 м. За цією ж схемою працюють і комплекси КБ-1, ОСК, КС-24, вони забезпечують проведення стволів діаметром у світлі від 4...5,5 м до 6...7 м. Розташування обладнання у вибої для комплексу КБ-1 показано на рис. 3.14.

Модернізовані комплекси КС-8 і КС-9 дають можливість вести проходження стволів більших розмірів (до 8,0...9,0 м).

Після проведення і кріплення стволів проводиться їх армування, яке полягає в установленні розстрілів, провідників, східців. Головними несучими елементами є розстріли, які виготовляють найчастіше з двотаврових балок і закріплюють в стінах ствола. До розстрілів кріпляться провідники, кабелі, трубопроводи, східці. Для експлуатації стволів застосовують жорсткі провідники з коробчастих металевих профілів або дерев’яних брусків. Приклад розташування армування для скіпо-клітьового ствола наведено на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Загальний вигляд армування скіпо-клітьового ствола: 1 – розстріли, 2 – провідники, 3 – скіпи, 4 – труби водовідливу, 5 – кліть, 6 – силові кабелі

 

3.3.2. Технологія проведення стволів і свердловин великого діаметра способом вибурювання

 

Для вибурювання стволів і свердловин великого діаметра використовують бурові установки, які працюють за принципом а) суцільного і б) кернового руйнування порід. Перший спосіб використовують для буріння в більш слабких породах (), другий – у більш міцних.

Для суцільного буріння широкого застосування набули бурові установки Уральського заводу важкого машинобудування УЗТМ-6,2; УЗТМ-7,5 для проходження стволів діаметром 6,2 і 7,5 м на глибину до 400 м і установка УЗТМ-8,75 для проведення стволів діаметром 8,75 м на глибину до 800 м.

Технологія проведення ствола діаметром 6,2 м для порід міцністю така. Після проведення устя ствола звичайним способом на глибину 20...30 м проводять попереднє буріння свердловини діаметром 1,2 м з наступним розбурюванням її спочатку до 3,6 м, а потім – до 6,2 м. Для порід з f < 2 розбурювання проводять зразу з 1,2 до 6,2 м. Передню свердловину бурять тришарошковим свердлом, нарощування бурової колонки проводять ланками через 6 м. Розчин глини через бурову колонку потрапляє у вибій і далі разом зі зруйнованими частками породи піднімається між стінками свердловини і буровим поставом на поверхню, де порода осідає, а розчин знову подається у вибій. При розширенні свердловини розчин подається вже між стінками ствола і труби, а шлам видається по трубі. В обох випадках розчин глини або шлам використовують як тимчасове кріплення. Постійне кріплення ствола здійснюють зверху вниз після закінчення буріння з поступовим відкачуванням розчину.

Буріння стволів діаметром 8,75 м відбувається аналогічно, діаметри проміжних стадій буріння 3,0; 5,75; 7,5 м (при f < 2), або тільки 3,0 м (при f < 2).

Для буріння свердловин керновим способом використовують реактивно-турбінні установки РТБ, які забезпечують проведення свердловин діаметром 1,0...3,2 м на глибину до 1000 м в більш міцних породах (f < 12).

При керновому способі буріння породу руйнують лише по периметру свердловини. Утворений циліндр підрізують знизу, відокремлюють і разом з буром піднімають на поверхню. Для проведення стволів цей спосіб не знайшов широкого використання.

 

3.3.3. Проведення стволів спеціальними способами

 

Спеціальні способи проведення стволів застосовуються при наявності надто нестійких порід (пливунів), при наявності тріщинуватих порід з великим водоприпливом. У цих випадках спочатку проводять роботи з огородження вибою від пливуна, з відведення води або по укріпленню породи, а вже потім розпочинають виймання породи і кріплення. Нижче розглянуті принципові особливості цих способів і умови їх застосування.

Проведення ствола із використанням забивного кріплення. Застосовується при наявності шару слабких водоносних порід потужністю до 6…8 м на глибині до 15...20 м. Навколо ствола забивається суцільним кільцем металеве кріплення із спеціальних шпунтів на глибину, яка перевищує потужність пливуна. В огородженій зоні вибирають породу і встановлюють водонепроникне кріплення. Замість шпунтів можна застосовувати швелерний або інший профіль металу.

Проведення ствола з опускним кріпленням. Опускне кріплення застосовують при потужності нестійких порід до 10 м і глибині залягання до 25 м. Суть способу полягає в тому, що опускне кріплення під дією власної ваги, а іноді ще й додаткового навантаження, продавлюється через товщу нестійких порід і доходить до стійких, а порода всередині опускного блоку виймають грейфером або іншим способом. Після цього встановлюється постійне кріплення з опорним кільцем. Для кращого проникнення в породу в нижній частині кріплення встановлюють ріжучий башмак.

Проведення ствола в зоні стисненого повітря. У вибої ствола створюють ізольовану камеру з підвищеним тиском (до 0,2 МПа) для відтискання води з порід вибою. Між герметично перекритою і відкритою частинами ствола обладнують спеціальну ізольовану камеру, в яку опускаються робітники; і в камері поступово збільшують тиск від атмосферного до робочого. В кінці зміни проводиться зворотна операція – “акліматизація” від підвищеного до атмосферного тиску. Глибина ствола для цього способу не повинна перевищувати 20 м. Спосіб шкідливий для здоров’я робітників і тепер практично не використовують.

При проведенні ствола із застосуванням водознижуючих свердловин навколо ствола вибурюють декілька свердловин, з допомогою яких знижують рівень води до заданого. В осушеному масиві проводять стволи, встановлюють водонепроникне кріплення.

Проведення ствола з тампонажем порід з астосовують при очікуваних припливах води більше 5 м³/годину. Спосіб полягає в заповненні тріщин і пор у породах цементним або іншим розчином. Свердловини для тампонажу можуть бурити з поверхні, якщо глибина не перевищує 12...18 м, або з вибою ствола при підході до водоносного горизонту. Цементація може бути проведена відразу для усієї товщі або ж окремими шарами потужністю від 10...20 до 40...80 м. Нагнітання швидко твердіючих розчинів здійснюють під тиском до 12...15 МПа. Після цього проводять безпосередньо проходження ствола.

При проведенні ствола з застосуванням замороження порід спочатку на місці заводненої ділянки майбутнього ствола створюють льодопородний масив, в якому здійснюють проходження ствола звичайним способом з використанням відбійних молотків або БПР. Для цього навколо ствола бурять свердловини діаметром 100...175 мм, обсаджують їх трубами, в які опускають другий постав труб меншого діаметра (25...50 мм). По цих трубах подають з поверхні розсіл хлористого кальцію з температурою замерзання – 28...35°С, який і забезпечує утворення льодопородного масиву. Буріння свердловин можуть проводити як з поверхні, так і з вибою ствола.