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”, “7^ое 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 ? = 16^о. 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 ? = 16^о и длиной каждого 758 м, а на крупнейшей шахте “Сельби” [3] производственной мощностью 10 млн т в год – два ствола с углом наклона ? = 14^о, 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 12^о 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 S_св=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 7-7^а 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 16-20^оС. 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.