ШАХТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

http://www.rosugol.ru

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА СОКРАЩЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОСНАЩЕНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА НАКЛОННЫХ СТВОЛОВ

В.В.ПЕРШИН
Доктор техн. наук, проф.
(КузГТУ)

Н.Ф.КОСАРЕВ
Канд. техн. наук, проф.
(КузГТУ)

ЦЗЯО Ви-Го
Канд. техн. наук
(Шанхайский НТУ, Китай)

В последние годы в России и странах с развитой горнодобывающей промышленностью, в том числе и в Китае, прослеживается тенденция к переходу от подъема полезного ископаемого скипами по вертикальным стволам к подъему конвейерами по наклонным стволам. Это наблюдается как в угольной, так и в горнорудной промышленности.

В Кузбассе ряд шахт, построенных в 40-60-е годы, переведены или переводятся на подъем угля на поверхность по наклонным стволам конвейерами (шахты “Абашевская”, “Шушталепская”, “Октябрьская”, “7ое Ноября”, “им. С.М.Кирова” и др.). Построенная в 70-х годах крупнейшая шахта России “Распадская” производственной мощностью 7,5 млн т в год полностью конвейеризирована – от забоя до погрузки угля в железнодорожные вагоны. На всех построенных или строящихся шахтах Ерунаковского района подъем угля на поверхность также предусмотрено производить конвейерами.
Выхода пластов угля под наносы в Кузбассе находятся на небольшой глубине. Поэтому для сокращения продолжительности строительства новой шахты или уменьшения нагрузки на подземный транспорт действующей, подготовка линии очистных забоев производится через наклонные выработки, пройденные с поверхности. Обычно по назначению эти выработки выполняют роль бремсбергов. Такая технология подготовки очистного фронта значительно увеличивает объем проходки наклонных выработок с поверхности.

При реконструкции рудника имени С.М. Кирова в Криворожском железорудном бассейне для подъема руды с глубины около 1000 м на поверхность было пройдено два наклонных ствола при угле наклона ? = 16о. Протяженность каждого ствола составила около 3,7 км. [1, 2].

Подъем угля на поверхность по конвейерным наклонным стволам осуществляется и за рубежом. Так, в Великобритании на шахте “Гэскойн Вуд” для этого были построены два наклонных ствола круглого поперечного сечения диаметром 4,55 м с углом наклона ? = 16о и длиной каждого 758 м, а на крупнейшей шахте “Сельби” [3] производственной мощностью 10 млн т в год – два ствола с углом наклона ? = 14о, диаметром в свету 4,75 м и длиной каждого по 1400 м. В Германии на шахте “Проспер-Ханниель”, образованной объединением четырех шахт с годовой производственной мощностью 10 млн т, подъем угля производится по конвейерному наклонному стволу круглого поперечного сечения диаметром 4,75 м, с углом наклона 12о и длиной 3653 м. [4,5].

На шахтах Китая подъем горной массы по наклонным стволам осуществляется ленточными конвейерами, либо в скипах вместимостью 2-8 куб.м. При этом главные наклонные стволы имеют Sсв=12,4-15,5 м2.

Увеличение объемов строительства наклонных стволов требует разработки прогрессивной технологии с применением современных высокопроизводительных горнопроходческих машин и подъемного оборудования.

В Великобритании и Германии наклонные стволы проходятся проходческими комбайнами с высокой технической скоростью. Максимальная скорость проходки комбайном избирательного действия Роботер Е – 134 фирмы “Паурат” составила 223,2 м/мес, а буровым комбайном TVM – 54 – 58/60 Н при работе снизу вверх за 6 месяцев было пройдено 2338 м, при этом пересечено 12 погашенных добычных участков и одна действующая выработка. Средняя месячная скорость проходки составила около 390 м. Эти комбайны специально приспосабливают для проходки наклонных выработок: удлиняют рабочий орган, увеличивают площадь рабочего полка до 12 м2, увеличивают ширину гусениц и к ним приваривают шипы, усиливают распорные устройства и т.д.

Количество шахт в Китае, которые вскрываются наклонными стволами в среднем составляет 15%, но в северо-западном и северо-восточном угольных районах их число достигает более 50% [6]. Как правило, это шахты небольшой или средней производственной мощности – 900 тыс. т угля в год. Наклонные стволы имеют сводчатую с вертикальными или сводчатую с трехцентровым пониженным сводом и вертикальными стенками формы поперечного сечения. В качестве крепи применяют анкер - набрызгбетон, либо бетонные и каменные крепи. Наклонные стволы проходят, как правило, по породе, реже по углю. По породе стволы проходятся буровзрывным способом, бурение шпуров осуществляется колонковыми перфораторами типа YТ24, YТ26, YТ28, YТР28 с пневмоподдержкой, либо ручными электросверлами типа YD2, YD25, YD31, YDT30. Для погрузки породы применяют в основном скреперные установки типа DYP-30, ZYP-17 (емкость скрепера - 2,5; 3,5; 4 куб. м; вместимость скипов - 2-8 куб. м). Для проходки наклонных стволов по углю применяют проходческие комбайны типа S –100 и др. Кстати, несколько комбайнов S-100 китайского производства работают и на шахтах Кузбасса. Среднемесячная скорость проходки наклонных стволов составляет 50-60 м, достигнутая максимальная скорость – 705,3 м/мес. [7].

В сложных горногеологических условиях широко применяются специальные способы проходки. На наклонных стволах шахты “Сельби” (Германия) применяли: водопонижение через скважины, пробуренные с поверхности, осушение наносов иглофильтрами, замораживание водоносных пород, цементацию трещиноватых пород, щитовой способ с опережающей крепью. Стволы здесь имеют круглую форму, крепятся железобетонными тюбингами или металлическими арками замкнутого профиля. В забое, как правило, вода отсутствует.

В России проходческие комбайны при строительстве наклонных стволов практическим не применяются по следующим причинам: большинство из выпускаемых отечественной промышленностью комбайнов предназначены для смешанных забоев с коэффициентом подрывки породы не более 75%; угол наклона выработок не должен превышать ? 12? ; крепость пород должна быть f? 6; образивность - менее 15 мг.

В Кузбассе на проходке наклонных стволов в последние годы используются буропогрузочные машины типа 2ПНБ-2Б [8] (2000 г., наклонный ствол шахты “Распадская” с площадью поперечного сечения Sпр=24 м2 со скоростью 30 м/мес) (рис.1), а также комплексы “Сибирь-I” и “Сибирь-II”. Максимальная скорость проходки комплексом “Сибирь-I” составила 103 м/мес, а комплексом “Сибирь-II” - 81 м/мес. Следует отметить, что комплексы “Сибирь” довольно часто работают при притоках воды в забой до 30 куб.м/ч. Хотя обычно при таких притоках воды требуется применение специальных способов проходки.

Конечной целью любого строительства является ввод объекта в эксплуатацию при минимальной продолжительности и стоимости. Строительство наклонных стволов состоит из нескольких этапов: оснащение для проходки (строительство автодороги, ЛЭП, линии связи, здания подъемной машины, котельной, эстакады, породного бункера, склада материалов и др.); сооружение устья ствола; строительство постоянных зданий и сооружений; проходка ствола; демонтаж временного оснащения; оснащение ствола по постоянной схеме (основание под конвейер, монтаж конвейера, постоянных путей или монорельса, освещения, сигнализации, противопожарного трубопровода и др.).

Для сокращения продолжительности строительства наклонных стволов нужно уменьшить продолжительность каждого этапа и, по возможности, совмещать работы разных этапов. Например, при сооружении устья ствола открытым способом одновременно выполнить фундаменты конвейера, приствольных зданий, построить здания подъемной машины и т.д. (рис.2, 3). Для грамотного выбора технологии производства работ необходимо получить данные инженерно-геологических изысканий по площадке устья наклонного ствола, геологических и гидрогеологических – по пересекаемым стволом породам. На основании этих данных и наличия оборудования принимается технология производства работ по строительству наклонного ствола.

В Кузбассе устья наклонных стволов обычно закладываются в четвертичных отложениях в слабых неустойчивых обводненных породах. Строительство устья без применения специальных способов упрочнения наносов значительно усложняет производство работ, увеличивает продолжительность строительства и может привести к аварии. По этой причине произошли аварии на устьях вспомогательного уклона, путевого и конвейерного бремсбергов при строительстве шахты “Байдаевские уклоны”, “Новокузнецкая”, на устье бремсберга пласта 7-7а блока № 4 шахты “Распадская”, а на шахте “Северная” устье вынуждены были перенести на другое место.

В условиях Сибири в зимнее время для упрочнения слабых наносов можно использовать естественный холод. Член-корреспондент АН СССР Г.И. Маньковский писал, что в мировой литературе замораживание слабых пород естественным холодом получило название “сибирского способа” и приводит многочисленные примеры его использования в Восточной и Западной Сибири и Якутии [9]. Профессор Покровский Н.М. приводит пример замораживания гравийно-галечных отложений и водоносного песка мощностью 32 м при проходке клетевого и скипового стволов на шахте № 20 Воркутинского месторождения [10]. Для замораживания в ствол двумя вентиляторами “Проходка – 500” подавался наружный воздух с температурой минус 16-20оС. За первые сутки толщина замороженного слоя составила 16-20 см, а на замораживание стенок ствола толщиной 40-50 см потребовалось около 15 суток. Воздух в ствол подавался двумя вентиляторами “Проходка - 500”. Для более эффективного использования естественного холода при замораживании слабых неустойчивых и водоносных пород научно-исследовательскими институтами СибЦНИИС и Красноярским ПромстройНИИпроект были разработаны, внедрены и получили широкое распространение сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ). Использование их в зимнее время при сооружении устьев стволов и фундаментов приствольных зданий и сооружений в слабых грунтах значительно удешевит в сравнении с другими спецспособами стоимость работ и практически исключит возможность аварий.

Важную роль в достижении высокой технической скорости проходки наклонных стволов является выбор подъема горной массы на поверхность. На практике применяются два основных вида подъема: колесно-рельсовый и конвейерный. На выбор вида транспорта влияет ряд факторов: угол наклона выработки; длина выработки; тип постоянного крепления; характеристика пересекаемых стволом пород; водоприток; изменение свойств горных пород в результате увлажнения, разрушения и погрузки; назначение ствола.

На большинстве наклонных стволов возможно применение скребковых и ленточных конвейеров для подъема горной массы на поверхность.

Скребковые конвейеры легко вписываются в проходческий цикл, но плохо работают при прочных крупнокусковатых фракциях породы. Они имеют ограниченную длину, поэтому в транспортной цепочке для проходки ствола на полную глубину их потребуется несколько штук, но более трех в цепочке не рекомендуется.
Постоянные ленточные конвейеры для целей проходки использовать нерационально, так как стационарные конвейеры обычно имеют резинотросовую ленту, для наращивания которой требуется вулканизация, что приводит к остановке забоя. Кроме этого для стационарного конвейера необходим бетонный фундамент под натяжную головку, на набор прочности которого требуется время, т.е. остановка забоя.

Полустационарные конвейеры не требуют бетонного фундамента натяжной головки, имеют высокую производительность и в зависимости от ширины ленты и скорости ее движения ограничивают крупность породы. Максимальная крупность кусков породы определяется по формуле:

,

где а – максимальный размер куска, мм; В – ширина ленты, мм; К – коэффициент, зависящий от ширины ленты: для ленты шириной меньше 1200 мм К = 3, т.е. для ленты шириной 800 мм размер куска породы не должен превышать 200 мм.
Недостатком ленточных конвейеров является то, что при больших размерах куска резко сокращается срок службы ленты. Для спуска – подъема людей и материалов требуется второй вид транспорта. Кроме того, ленточные конвейеры невозможно применять в обводненных легко разлагаемых породах, образующих пульпу и легко налипающих. Большинство же пород в Кузбассе легко разлагаются и при погрузке их образуют пульпу, особенно если грузит машина с нагребающими лапами.
Опыт проходки наклонных стволов с использованием ленточного транспорта показал его непригодность в породах, склонных к размоканию, поэтому конвейерный подъем был заменен на скиповой.

При колесно-рельсовом транспорте подъем горной массы может производиться вагонетками и скипами. Предпочтение отдается скиповому подъему, так как обычно скип имеет большую вместимость, чем вагонетка, а цикл подъема его меньше, чем у вагонетки. Кроме того, по согласованию с органами Госгортехнадзора в скипе разрешается перевозка людей, а в вагонетке, которая при разгрузке отцепляется – не разрешается.

При колесно-рельсовом транспорте требуется проверка на самокатное движение подъемного сосуда до конечной точки. Минимальный угол, обеспечивающий самокатное движение подъемного сосуда, определяется по формуле:

,

где ? - минимальный угол наклона выработки, обеспечивающий самокатное движение подъемного сосуда; Yо – масса порожнего сосуда, кг; Рк – линейная плотность каната, кг/м; W| - коэффициент сопротивления движению подъемного сосуда, W| = 0,022; W|к – коэффициент сопротивления движению каната, W|к = 0,3; Lр – рабочая длина каната, м.
При отсутствии на наклонном стволе постоянной подъемной машины временная должна обеспечить проходку наклонного ствола на полную длину при минимальных затратах на строительные и монтажные работы по подъему и при минимальной стоимости строительства ствола.

Серьезным недостатком колесно-рельсового транспорта является то, что с увеличением длины выработки возрастает продолжительность цикла подъема, т.е. уменьшается скорость проходки.

Существующие методики определения вместимости подъемного сосуда рекомендуют расчет производить на конечную длину выработки. Это приводит к тому, что на большом протяжении выработки мощность подъемной машины и грузонесущая способность каната используются недостаточно. С экономической точки зрения расчет вместимости подъемного сосуда по конечной длине выработки неверен. В каждом конкретном случае должна определяться длина откатки, для которой должна рассчитываться оптимальная вместимость подъемного сосуда.

С целью более рационального использования мощности подъемной машины и грузонесущей способности каната институтом “КузНИИшахтострой” разработана конструкция скипа переменной вместимости на 4,0-3,5-3,0-2,5 м3 (табл.1) [11].
Изменение вместимости скипа достигается за счет съемных бортов. Конструктивные решения унифицированного скипа переменной вместимости представлены на рис. 4, 5.

Таблица 1

Техническая характеристика унифицированного скипа переменной вместимости.

Показатели

Вместимость кузова, куб.м

2,5

3,0

3,5

4,0

Длина, мм

3170

Ширина кузова, мм

1545

Высота кузова, мм

1050

1200

1350

1500

Высота от головки рельсов, мм

1154

База, мм

1600

Колея, мм

900

Масса, кг

3060

3160

3320

3580

Способ разгрузки

В разгрузочных кривых

Расчет подъемной установки для подъема с конечной точки производится по вместимости каната барабана подъемной машины при трех слоях навивки и по разрывному усилию каната, причем допустимое статическое натяжение каната принято с запасом прочности m = 7,5, как для грузолюдского подъема [12].
Приведем фрагмент расчета для канатов диаметром 18-20 и 22 мм по ГОСТ – 7668-80 с разными маркировочными грунтами и пятью типами подъемных машин при угле наклона ? = 15о (табл.2).
Пусть требуется построить наклонный ствол длиной 1400 м при угле наклона 15о. Из табл. 2 видим, что при диаметре каната 18 мм по трем слоям навивки каната на барабан удовлетворяют подъемные машины Ц 2,5? 2 и Ц 3? 2,2, а по разрывному усилию при маркировочной группе 1770 (1464 м) и 1860 (1700 м). Поэтому при маркировочной группе 1770 до длины 98 м можно использовать скип вместимостью 4 куб. м; до 703 м – 3,5; до 1095 – 3; и до 1400 м – 2,5 куб.м. При маркировочной группе каната 1860 до длины 335 м можно использовать скип вместимостью 4 куб.м; до длины 939 м – 3,5; до длины 1334 – 3 и до 1400 м – 2,5 куб. м.
Аналогично рассматриваются другие диаметры каната с различными маркировочными группами. Так при диаметре каната 22 мм с маркировочными группами 1770 и 1660 скип вместимостью 4 куб. м обеспечивает проходку на 1400 м.
Применяя эту методику расчета подъема можно более рационально использовать имеющееся в наличии оборудование (подъемные машины и канат).
Очевидно, что таблицы, подобные табл. 2, можно составить для различных углов наклонной выработки.
Анализируя вышеизложенное с учетом отечественного и зарубежного опыта можно сформулировать следующие основные направления сокращения продолжительности оснащения и строительства наклонных стволов.
1. Основным технико-экономическим показателем строительства наклонного ствола должна быть не техническая скорость проходки, а минимальная продолжительность строительства при минимальной или целесообразной ее стоимости. Целесообразная стоимость строительства – это некоторое увеличение по сравнению с минимальной стоимостью, но более ранний срок ввода объекта в эксплуатацию приблизит начало окупаемости затраченных на строительство финансов и компенсирует увеличенные затраты.
2. Следует шире применять специальные способы проходки как при строительстве устья и приствольных зданий и сооружений, так и при проходке ствола.
3. Для уменьшения затрат на спецспособы необходимо внедрить сезонно-действующие охлаждающие устройства типа СОУ , которые используют естественный холод.
4. Проходку ствола производить с использованием постоянного подъема, а в случае его отсутствия расчет подъема производить по методике с использованием унифицированного скипа переменной вместимости или с передвижных подъемных установок типа ППМ.
5. При монолитном бетонном креплении использовать опалубку ОМП, а бетонную смесь подавать к бетонноукладчику по скважине, пробуренной с поверхности, с использованием передвижного копра по опыту строительства наклонных стволов на шахте “Распадская”.
6. При строительстве спаренных стволов в одном из них выше сбойки параллельно с проходкой готовить основание под конвейер и монтировать роликоопоры.
7. В зимнее время для подогрева подаваемого в стволы воздуха использовать передвижные котельные с электрокотлами.

Таблица 2

Расчетные длины канатов по разрывному усилию и по трем слоям навивки на барабане подъемных лебедок и машин при подъеме груженных сосудов из выработки с углом наклона ? = 15о

Характеристика каната ГОСТ 7668-80

Длина трех слоев навивки каната на барабаны подъемных лебедок и машин, м

Расчетная длина каната по разрывному усилию при подъеме груженного сосуда вместимостью и массой (куб. м/кг) подъемного сосуда, м

dк

Рк

Маркировочная группа, ? , Н/мм2 (кгс/мм2)

Суммарное разрывное усилие всех проволок каната, Н

Допустимое статическое натяжение, при m = 7,5Н

Ц

1,2? 1

Ц

1,6? 1,2

Ц

2? 1,5

Ц

2,5? 2

Ц

3? 2,2

Скип, куб.м/кг

4,0

10400

3,5

8920

3,0

7960

2,5

7060

 

1570 (160)

197000

26267

          

-

231

623

992

 

1670 (170)

209500

27933

          

-

464

854

1223

18

1,24

1770 (180)

221500

29533

413

820

1330

2300

2970

98

703

1095

1464

1860 (190)

234000

31200

          

335

939

13321

1700

 

1570 (160)

241000

32133

          

465

958

1278

1579

 

1670 (170)

253000

33733

          

717

1210

1530

1831

20

1,52

1770 (180)

271500

36200

474

750

1200

1890

2700

957

1450

1770

2071

1860 (190)

286500

38200

          

1007

1722

2022

2323

 

1570 (160)

290000

38667

          

1054

1463

1729

1979

 

1670 (170)

308000

41067

          

1293

1708

1968

2218

22

1,83

1770 (180)

326500

43533

-

690

1105

1750

2480

1542

1951

2217

2467

1860 (190)

344500

45933

          

1791

2200

2406

2716

Список литературы

1. Штейн И.Д., Кривошей И.А.. Проходка наклонных стволов в Криворожском бассейне. //Шахтное строительство.- 1963 г.- С. 23-26.
2. Строительство наклонных стволов крупнейшей шахты в Кузбассе. Гордон С.Б., Максимчук А.А. и др. //Шахтное строительство.- 1974.- № 10.- С. 22-24.
3. Клайн И. Проходка стволов с проектом “Сельби” // Глюкауф.- 1981.- № 23.-С. 10-15.
4. Фриц В. Проектирование конвейерного наклонного ствола на шахте “Проснер - Хейнкель” // Глюкауф.- 1985.- № 12. - С. 11-16.
5. Руше И. Завершение проходки наклонного ствола “Проснер” // Глюкауф.- 1986. - № 9. - С. 24-28.
6. Цуй Цзэн-ци. Состояние строительства наклонных стволов в КНР // техника строительства шахтных стволов. – Пекин, 1997. - №2. – С.12-16.
7. Справочник проектировщика угольных шахт. – Пекин, 1984. – 400 с.
8. Григоренко Ю.Д., Войтов М.Д., Винокуров Г.Ф. Горнопроходческие работы и применяемая техника на шахтах Кузбасса / Труды Российско-Китайского симпозиума 24-27 апреля 2000 г. // Строительство шахт и городских подземных сооружений. - Кемерово – Тайань, 2000. - С. 104-108.
9. Маньковский Г.И. Специальные способы сооружения стволов шахт. – М.: Наука, 1965. – 316 с.
10. Покровский Н.М. Сооружение и конструкция горных выработок. часть III М.: Госгортехиздат, 1963. – 316 с.
11. Разработать конструкцию унифицированного скипа переменной вместимости для проходки наклонных горных выработок. Отчет НИР КузНИИшахтострой / Рук. Косарев Н.Ф. – 1994. – 15 с.
12. Першин В.В., Косарев Н.Ф., Войтов М.Д, Гордеев С.В. Методика расчета подъема по наклонным стволам с применением унифицированного скипа переменной вместимости / Междунар. научн.-техн. сб. //Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых Вып. 5. - Новокузнецк, 1999. - С. 113-118.

Рис. 1. Наклонный ствол шахты “Распадская”

Рис. 2. Эстакада наклонного ствола при подъеме породы в скипах или вагонетках: 1 – комплекс разгрузки скипа; 2 – бункер подачи бетона; 3 – эстакада подачи бетона; 4 – тельфер; 5 – маневровая лебедка; 6 – подъемная машина; 7 – здание подъемной машины; 8 – калориферная; 9 – предохранительный барьер; 10 – устье; 11 – рельсовые пути

Рис. 3. Эстакада наклонного ствола при транспортировании породы конвейером: 1 – здание подъемной машины; 2 – бункер породный; 3 – надшахтное здание; 4 – предохранительный барьер; 5 – эстакада под конвейер; 6 – козловый кран; 7 – галерея откаточных путей; 8 – задерживающий стопор

а

б

Рис. 4. Конструктивные решения унифицированного скипа переменной вместимости: а – V = 2,5 куб. м; б – V = 3 куб. м

а

б

Рис. 5. Конструктивные решения унифицированного скипа переменной вместимости: а – V = 3,5 куб. м; б – V = 4 куб. м

Российский уголь©All rihgt reserved.1997-2003 г.