Одним из наиболее сложных, длительных, дорогостоящих и трудоемких процессов в комплексе работ по строительству шахты является строительство рекомендаций. Оценивая динамику развития технико-экономических показателей строительства вертикальных стволов, следует отметить, что в течение последних 30 лет существенного улучшения их не наблюдается, несмотря на отдельные бесспорные практические, научно-технические и проектно-конструкторские достижения. Одной из основных причин негативных тенденций, сложившихся следует считать исключительное употребление моно технологии - совмещенной технологической схемы проходки независимо от горно-геологических условий проходки, технологических решений проекта и стратегии строительства предприятия. Данная работа посвящена обоснованию параметров параллельной технологии проходки вертикальных стволов, что позволит повысить скорость проходки при по-вышении качества работ.
При сооружении глубоких вертикальных стволов в крепких устойчивых породах в мировой практике наиболее распространена параллельная схема проходки [10, 11].
Параллельная схема проходки стволов обеспечивает максимальное совмещение во времени работ по бурению шпуров и уборке породы с операциями по возведению постоянной крепи, что обеспечивает более высокие скорости проходки стволов по сравнению с совмещенной схемой [12, 13].
Немаловажным фактором при параллельной схеме является то, что постоянное крепление производится вне зоны упругих деформаций пород, вызванных разрушением породного массива в забое ствола, отсутствует так же воздействие динамических нагрузок при взрывных работах на опалубку и бетон, который не достиг достаточной прочности. Это устраняет возможность разрушения крепи и создает условия для уменьшения ее толщины [14].
Таким образом, совершенствование параллельной схемы проходки вертикальных стволов в данный момент является очень актуальной проблемой.
Целью работы является совершенствование технологии строительства вертикальных стволов шахт на основе обоснования и выбора рациональных параметров параллельной технологической схемы проходки.
Задачи исследования:
- Обосновать замену щит-опалубки бетонным креплением на анкерах;
- определение рационального состава бетонной смеси с добавками ускорения схватывания;
- выбор рационального состава набрызг-бетона для временного крепления;
- обеспечения регулирования процесса схватывания;
- компьютерное моделирование НДС массива ствола в зонах анкерирования;
- разработка технологического регламента параллельной технологии проходки вертикальных стволов.
Получены зависимости процесса твердения бетона от вводимых добавок. Обоснована толщина бетонного крепления. Был усовершенствован технологический процесс возведения бетонной крепи.
1. Отечественный опыт строительства вертикальных шахтных стволов.
На нынешнем этапе эксплуатации Донецкого угольного бассейна практически все вертикальные стволы сооружаются в сложных горно-геологических условиях [1] . Особая сложность горно-геологических условий Донбасса, объясняется повсеместным распространения слабых, слоистых, трещиноватых и в силу этого легко обрушаемых глинистых пород. Проходка стволов в Донбассе усложняется и тем, что стволы пересекают выбросоопасные угольные и породные пласты, и большое число нарушений с сильно перемятыми горными породами.
Водоносные горизонты каменноугольных отложений приурочены к угольным пластам, пропласткам и песчаникам [2] . При взаимодействии и даже шахтной влажной атмосферой 88 - 95% глинистых пород, вмещающих угольные пласты разрушаются и прочность их снижается в 2-5 раз по сравнению с первоначальной, достигая при этом (80 - 30)•105 Па. При пересечении стволами песчаников притоки воды в ствол составляют до 40-60 м куб./ч и более, сами песчаники трудно поддаются цементации. Пересекаемые стволами аргиллиты и алевролиты слабы и неустойчивы, что позволяет иметь в забое незакрепленное пространство не более 2-2,5 м. Это приводит к большим осложнениям при сооружении и поддержании таких выработок как вертикальные стволы.
Проведение вертикальных стволов также имеет дополнительные особенности: данные бурения разведочных скважин не дают полную картину состояния горного массива, а ведение буровзрывных работ значительно его ослабляет, водопритоки прогнозируются крайне неточно. Проходка характеризуется также большим объемом работ по возведению бетонных и железобетонных крепей.
Практика показывает, что условия проведения вертикальных стволов усугубляются формированием очагов вывалообразований, влияющих на сроки сооружения и стоимость ствола. Отметим что, в самом процессе развития трещин, как источника формирования очагов вывалообразований можно выделить три этапа [3] :
1. медленное развитие зародышей трещин, обусловленное внутренним строением среды, ее прочностью и пластичностью, и незначительно зависящее от условий нагружения;
2. ускоренное развитие трещин, которое в большей степени зависит от условий нагружения, и упругопластических свойств среды;
3. рост сквозной трещины с постоянной скоростью, зависящей только от интенсивности подвода к ней энергии.
Дальнейшее формирование сети микротрещин в системы мак-ротрещин, процессы дезинтеграции в породном массиве ведут к интен-сивному вывалообразованию. Принимая во внимание, что предупреждение только первых двух этапов даст несомненный эффект, видно, что технологии, которые сейчас применяют, мало эффективны в связи с нахождением продолжительное время забоя в обнаженном состоянии.
Выбор способа и технологии сооружения вертикальных стволов горнодобывающих предприятий делают в зависимости от комплекса горно-геологических условий прогнозируемых на основе данных полученных в результате бурения разведочных скважин, и организационных, горнотехнических факторов характеризующих строящийся объект (наличие или отсутствие развитой инфраструктуры дорог и прочих сетей коммуникаций, достаточность финансирования, степень комплектации горнопроходческим и строительным оборудованием, имеющиеся предприятия строительной индустрии).
Размеры поперечного сечения стволов могут быть различны, их выбор производится в зависимости от технологического назначения ствола и располагаемого в нем оборудования.
Несмотря на разнообразие геологических характеристик вмещающих пород, колеблющиеся в больших интервалах водопритоки, достаточно широкий арсенал применяемых типов крепей, технология и схема прохождения стволов почти всегда одна и та же, и разнится лишь в зависимости от назначения сооружаемого ствола. Типы машин и механизмов, применяемых в забое и на поверхности, не модернизируются и не изменяются на протяжении многих лет. Это связано с унификацией технических средств, что положительно, но в тоже время и ограничивает возможности применения специальных, индивидуальных технологий. Применение типов крепей, как будет показано ниже, ограничивается в основном монолитными. На лицо отсутствие разработок новых облегченных видов крепей с упрочнением пород при подавляющем применении дорогостоящих монолитных, с использованием передвижных металлических опалубок, и штучных видов крепей. Стволы проходят в основном по совмещенной схеме, исследования по совершенствованию наиболее эффективной параллельной схемы и ее применение на деле очень редки [4].
С целью обоснования способов крепления исследованиям автора были подвергнуты статистические данные ряда источников (тр. ДШП) о горно-геологических характеристиках породного массива, толщине и виде крепи, темпах проходки по 18 стволам Донецкой области, различного диаметра и глубины. Полученные результаты позволяют утверждать (рис.1.2), что в качестве крепи вертикальных стволов наиболее широкое распространение получила бетонная крепь.
Анализ статистических данных показывает, что не смотря на то, что комбинированная крепь является более ресурсосберегающей и экономичной, она до сих пор не получила большого распространения, и ее доля составляет не многим более 2%. В то время как увеличение толщины постоянного крепления при сооружении стволов в сложных геологических условиях, не оправдало себя, т.к. толщина бетона более 700мм не увеличивает несущей способности крепи. Данные статистики показывают, что отклонение толщины крепи от проектной величины на практике распространено повсеместно и может достигать 100% и является характерной особенностью принятых технологий в условиях неустойчивых, трещиноватых пород с явно выраженными реологическими свойствами.
Результаты анализа состояния вертикальных с шахт Донбасса достаточно достоверно позволяют сделать вывод о том, что применяемые конструкции крепи стволов в большинстве случаев не соответствуют предъявляемым к ним требованиям. Статистические данные проходки стволов свидетельствуют о том, что применяемые технологии не способны предотвратить вывалообразования. Необходимо переходить на новые виды комбинированных крепей, которые позволят ликвидировать очаги вывалообразований на раннем этапе. Увеличивать несущую способность крепи за счет увеличения класса бетона по прочности, применения временных крепей, входящей затем в состав постоянной, упрочнения вмещающих пород цементацией и химизацией, использование несущей способности породного массива, и др. мероприятиями.
Из всего выше сказанного видно, что медленные темпы развития отрасли строительства вертикальных стволов, даже принимая во внимание некоторые научно-исследовательские успехи и технические новшества, связанны с узостью взгляда рассмотрения проблем. Это подтверждается зарубежным опытом строительства вертикальных стволов, отличающимся большим разнообразием технических решений. [5]
1.2 Передовой опыт проходки стволов на зарубежных шахтах.
По оценке зарубежных специалистов, потребность мирового рынка в вертикальных стволах будет расти за счет строительства новых и реконструкции действующих предприятий [6] .
Наиболее высокий уровень развития техники и технологии проходки вертикальных стволов достигнут шахтостроительными фирмами ЮАР и Германии. Известны примеры высокоэффективных проходок вертикальных стволов с решением сложных технических задач в США, КНР, Польше, Великобритании и Франции [7]
В последние время лет в ЮАР в проходке находилось около 30—40 шахтных стволов, из них 75% на шахтах золоторудной промышленности. Проходку стволов ведут специализированные фирмы.
Вертикальные стволы в ЮАР, как правило, проходятся крупного сечения диаметром в свету 6—9 м и крепятся монолитным бетоном. В большинстве случаев диаметр ствола в свету 8 м.
Преимущественная глубина стволов 1500-2000 м. Некоторые особенно глубокие шахтные стволы для одноступенчатого подъема пройдены до глубины 2500 м [7].
При проходке стволов применяют проходческие и постоянные копры. Временные проходческие копры сооружаются для стволов, которые после ввода в эксплуатацию не должны быть оснащены подъемными установками, как это часто имеет место для вентиляционных стволов с исходящей струей воздуха. Чаще применяются проходческие копры двухопорной конструкции, что объясняется их невысокой стоимостью, удобством монтажа и наличием свободного пространства для опрокидывания проходческих бадей и навески оборудования [7].
Если постоянный шахтный копер из стальных конструкций намечено использовать и для проходки, то форшахта и технологический отход ствола сооружаются перед монтажом копра. Если же намечено применять временный проходческий копер, то он монтируется до проходки форшахты, так, чтобы использовать его для проходки технологического отхода ствола. При возведении башенного бетонного копра форшахта проходится через сооруженный фундамент копра, а к проходке технологического отхода приступают после сооружения копра.
Неустойчивые породы, требующие применения спецспособов проходки, встречаются в ЮАР редко. Участки рыхлых пород пересекают с помощью опускной крепи или под защитой буровых бетонных свай. Притоки воды откачиваются насосами.
Технологический отход ствола для размещения проходческого полка и грейферного погрузчика в забое проходится, как правило, глубиной 90 м. При проходке этого участка применяют бурильные машины с ручным управлением и ВВ малой мощности. Уборку породы производят ручным способом. Бетонная крепь ствола возводится на расстоянии от забоя ствола по параллельной технологической схеме с помощью специального подвесного полка. После достижения заданной глубины проходка прерывается и основной проходческий полок монтируется либо в забое, либо на поверхности рядом со стволом и с помощью большегрузного крана спускается в забой. Полок прикрепляется к канатам и поднимается вверх, затем устанавливается грейферный погрузчик. Все оборудование для проходки технологического участка ведется из забоя [7].
Проходческие полки обычно имеют пять этажей, с которых возводится как временная, так и постоянная крепь и ведется обслуживание грейферного погрузчика.
От начала строительных работ до завершения этого этапа затрачивается не менее 6 мес. Одновременно с проходкой технологического отхода сооружается весь комплекс зданий и сооружений, необходимый для проходки основной части ствола, включая проходческие подъемные установки. Из-за большой стоимости подъемных машин при проходке, когда это возможно, используют постоянные подъемные машины. Как правило, постоянные подъемные машины применяют и для проходки стволов, не оборудованных эксплуатационными подъемами. Для этого используют машины, которые впоследствии будут смонтированы на подъемных стволах.
Проходка основной части ствола производится буровзрывным способом. Проходческий цикл по стандартной технологии (уборка породы, бурение шпуров, их заряжание и взрывание) в стволе завершается за 8 ч. Исходя из этого, выбирают подъемные машины, вместимость бадей, численность бригады, глубину заходки, устройство для разгрузки бадей, вместимость грейферных грузчиков.
Обычная глубина заходки колеблется от 1,5 до 2 м, что соответствует суточным темпам 4,5—6 м. Большинство забоев в стволах ЮАР работает в трехсменном режиме по вызывной системе (следующая смена вызывается тогда, когда ВВ для работающей смены спускается в забой).
Уборка взорванной породы производится многочисленными грейферными машинами с ковшом вместимостью 0,56 м для стволов диаметром 6—8 м и 0,85 м для стволов большого диаметра. Производительность грейферных машин при глубине ствола 1000—1500 м, как правило, выше производительности подъема. Грейферный погрузчик загружает породу в бадьи вместимостью 10—20 т, которые выдаются на поверхность. Ковшовые погрузочные машины на гусеничном ходу используются в стволах диаметром в проходке до 5,5 м. Также применяются грейферные погрузчики емкостью 0,28 м .
Шахтные стволы обычно крепятся монолитным бетоном, прочность которого через 28 дней достегает 30 МПа, через 8 ч — 5 МПа. Крепление ведется по параллельной технологической схеме.
Как правило, бетонная смесь готовится на поверхности рядом со стволом и затем по стальному трубопроводу диаметром 150 мм проходит в распределительный контейнер на верхнем этаже проходческого полка. Оттуда по резиновым рукавам она подается за опалубку. Обычно имеется два трубопровода: один в эксплуатации, другой резервный.
Высота заходок бетонирования совпадает с расстоянием между расстрелами в уже готовом стволе и промежутками между этажами проходческого полка. Для работы грейферного погрузчика требуется высота около 14 м. Это расстояние определяет положение опорного кольца опалубки. Его правильное положение, вертикальность и расположение по высоте имеют решающее значение для качества крепления.
Работы по армированию ведутся исключительно с верхней приемной площадки вниз с помощью армировочного полка. При армировании одновременно монтируют расстрелы и проводники. Спуск материалов производят клетью, движущейся в одном из отделений ствола по смонтированной армировке. Заделку концов расстрелов производят в ранее отформованных в бетонной крепи лунках. Точность монтажа армировки в вертикальном и горизонтальном направлениях ±3 мм. Это обеспечивает плавное движение подъемных сосудов со скоростью до 18 м/с. Такая технология строительства вертикальных стволов в ЮАР обеспечивает темпы проходки стволов порядка 200 м/мес.
При проходке глубоких стволов проходческий полок является ключом к решению проблемы повышения темпов проходки стволов и внедрения параллельного способа проходки с одновременным ведением проходки, крепления и армирования. Разрабатываются новые полки с 9 или 10 этажами, на которых монтируются подъемные лебедки, разгрузочное устройство породный бункер и размещаются материалы. Масса такого полка будет превышать 500 т, и он будет не подвешиваться на канатах, а удерживаться гидравлическими распорными устройствами. Такой полок разделяется на две части. Верхняя часть служит для монтажа армировки и рассечки горизонтов, а нижняя представляет собой проходческий полок в собственном смысле слова. Оба полка соединены канатами и могут перемещаться с помощью собственных гидравлических шагающих устройств со скоростью до 2 м/ч. Монтаж армировки осуществляется с верхнего полка во время проходки. На верхнем полке размещаются также породный бункер и склад материалов, что позволяет вести работы по рассечке горизонтов и их креплению. Проходческие бадьи опрокидываются на верхнем полке, там же находятся необходимая для этого подъемная лебедка и служебные помещения.
Главная проходческая бадья с поверхности доходит до верхнего полка и в нее загружается порода от проходки ствола, а также от рассечки околоствольного двора. Нижний полок перемещается независимо от верхнего и по конструкции весьма схож с современными проходческими полками и рассчитан на непрерывный способ проходки [7].
Одним из основных путей повышения эффективности проходческих работ является переход на использование гидравлических бурильных машин. Их внедрение вызовет проблемы с заряжанием шпуров, так как численность бригады резко уменьшится. Для ускорения заряжания и забойки шпуров разрабатываются водонаполненные ВВ, приготовляемые на полке и подаваемые оттуда в шпуры насосом. Кроме того, эти ВВ обладают рядом преимуществ: улучшается состояние окружающей среды, поскольку образуются лишь небольшие количества окислов азота; повышается уровень безопасности работ, так как они не столь чувствительны к ударам и токам скользящего заряда; упрощается обращение с детонаторами и подключение их к взрывной сети; обеспечивается (по данным испытаний) экономический эффект.
В целях исключения отрицательного влияния на ритм и темпы проходки бурения опережающих скважин и предварительной цементации разрабатывается технология направленного бурения с проходческого полка спирального веерного комплекта скважин с последующей их цементацией.
При проходке глубоких стволов, исходя из положений механики горных пород, бетонная крепь должна сооружаться на расстоянии от забоя ствола, вдвое превышающем диаметр ствола. Это необходимо, чтобы на большой глубине перед креплением происходила достаточная конвергенция пород и тем самым обеспечивалось предохранение крепи от повреждений при смещении породного контура.
Изложенные технические решения, а также применение параллельной технологической схемы, по мнению специалистов ЮАР, делают достижимой скорость проходки 300 м/мес. Тем самым становится возможным сооружение шахтных стволов глубиной 4000 м за три-четыре года, включая проходку основных горизонтальных приствольных выработок [8] [9] .
В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы. Получены зависимости в качестве граничных условий при проведении компьютерного вычислительного экспиримента.