Одним з найбільш складних, тривалих, дорогих і трудомістких процесів в комплексі робіт по будівництву шахти є будівництво вертикальних стволів. Оцінюючи динаміку розвитку техніко-економічних показників будівництва вертикальних стволів слід зазначити, що протягом останніх 30 років істотного поліпшення їх не спостерігається, не дивлячись на окремі безперечні практичні, науково-технічні і проектно-конструкторські досягнення. Однією з основних причин негативних тенденцій, що склалися, слід рахувати виняткове вживання моно технології – сумісної технологічної схеми проходки незалежно від горно-геологічних умов проходки, технологічних вирішень проекту і стратегії будівництва підприємства. Дана праця присвячена обґрунтуванню параметрів поточної технології проходки вертикальних стволів, що надасть змогу підвищити швидкість проходки при підвищенні якості робіт.
При спорудженні глибоких вертикальних стволів в міцних стійких породах у світовій практиці найбільш поширена паралельна схема проходки [10, 11]. Паралельна схема проходки стовбурів забезпечує максимальне суміщення в часі робіт з буріння шпурів і прибирання породи з операціями по зведенню постійного кріплення, що забезпечує більш високі швидкості проходки стовбурів в порівнянні з суміщеною схемою [12, 13].
Важливим чинником при паралельній схемі є те, що постійне кріплення здійснюється поза зоною пружних деформацій порід, викликаних руйнуванням породного масиву у вибої ствола, відсутній так же вплив динамічних навантажень при вибухових роботах на опалубка і бетон, який не досяг достатньої міцності. Це усуває можливість руйнування кріплення та створює умови для зменшення її товщини [14].
Таким чином, вдосконалення паралельної схеми проходки вертикальних стволів у даний момент є дуже актуальною проблемою.
Метою роботи є вдосконалення технології будівництва вертикальних стволів шахт на підставі обгрунтування та вибору раціональних параметрів паралельної технологічної схеми проходки.
Завдання дослідження:
- Обгрунтувати заміну щит-опалубки бетонним кріпленням на анкерах;
- Визначення раціонального складу бетонної суміші з добавками прискорювання схоплювання;
- Вибір раціонального складу набризк-бетону для тимчасового кріплення;
- Забезпечення регулювання процесу схоплювання;
- Комп'ютерне моделювання НДС масиву стовбура в зонах анкерування;
- Розробка технологічного регламенту паралельної технології проходки вертикальних стволів
Отримані залежності процесу твердіння бетону від кількості добавок що вводяться. Обгрунтуванна товщина бетонного кріплення. Був вдосконаленний технологічний процесу зведення бетонного кріплення.
1. Вітчизняний досвід будівництва вертикальних шахтних стволів.
На нинішньому етапі експлуатації Донецького вугільного басейну практично всі вертикальні стволи споруджуються в складних гірничо-геологічних умовах [1]. Особлива складність гірничо-геологічних умов Донбасу, пояснюється повсюдним розповсюдження слабких, шаруватих, тріщинуватих і в силу цього порід, що легко обрущуються. Проходка стволів у Донбасі ускладнюється і тим, що стовбури перетинають викидонебезпечні вугільні і породні шари, і великі кількість порушень з сильно перемятими гірськими породами.
Водоносні горизонти кам'яновугільних відкладень приурочені до вугільних пластів з пропласткам пісщаника [2]. При взаємодії навіть з шахтною вологою атмосферою, 88 - 95% глинистих порід, що вміщають вугільні пласти руйнуються і міцність їх знижується в 2-5 разів в порівнянні з початковою, досягаючи при цьому (80 - 30) • 105 Па. При перетині стовбурами пісщаників, притоки води в стовбур становлять до 40-60 м куб./ год і більше, самі пісщаники важко піддаються цементації. Аргіліти і алевроліти слабкі і нестійкі, що дозволяє мати в забої незакріплені простір не більше 2-2,5 м. Це призводить до великих ускладнень під час будівництва і підтримці таких виробок як вертикальні стволи.
Проведення вертикальних стволів також має додаткові особливості: дані буріння розвідувальних свердловин не дають повну картину стану гірського масиву, а ведення буропідривних робіт значно його послаблює, водоприток прогнозуються вкрай неточно. Проходка характеризується також великим обсягом робіт по зведенню бетонних і залізобетонних кріплень.
Практика показує, що умови проведення вертикальних стволів погірщуються формуванням центрів викидообразуваннь, що впливають на терміни спорудження і вартість стовбура. Відзначимо що, в самому процесі розвитку тріщин, як джерела формування центрів викидообразуваннь можна виділити три етапи [3]:
1. повільний розвиток зародків тріщин, обумовлене внутрішньою будовою середовища, її міцністю і пластичністю, і незначно залежне від умов навантаження;
2. прискорений розвиток тріщин, яка більшою мірою заві-сит від умов навантаження, і пружнопластичних властивостей середовища;
3. зростання наскрізної тріщини з постійною швидкістю, яка залежить тільки від інтенсивності підведення до неї енергії.
Подальше формування мережі мікротріщин в системи макротріщин, процеси дезінтеграції в породному масиві ведуть до інтенсивність вибухобезпечний викидообразуваннь. Беручи до уваги, що попередження тільки перших двох етапів дасть безсумнівний ефект, видно, що технології, які зараз застосовують, мало ефективні у зв'язку з перебуванням тривалий час забою в оголеному стані.
Вибір способу і технології спорудження вертикальних стволів гірничодобувних підприємств роблять залежно від комплексу гірничо-геологічних умов прогнозованих на основі даних отриманих в результаті буріння розвідувальних свердловин, і організаційних, гірничотехнічних факторів що характеризують об'єкт, що будується (наявність або відсутність розвиненої інфраструктури доріг та інших мереж комунікацій, достатність фінансування, ступінь комплектації гірничопрохідницьких та будівельним обладнанням, наявні підприємства будівельної індустрії).
Розміри поперечного перерізу стовбурів можуть бути різні, їхній вибір здійснюється в залежності від технологічного призначення стовбура і наявного в ньому обладнання.
Незважаючи на різноманітність геологічних характеристик вміщуючих порід, що коливаються у великих інтервалах водоприток, досить широкий арсенал вживаних типів кріплень, технологія і схема проходження стволів майже завжди одна і та ж, і різниться лише в залежності від призначення споруджуваного стовбура. Типи машин і механізмів, що застосовуються в забої і на поверхні, не модернізуються і не змінюються протягом багатьох років. Це пов'язано з уніфікацією технічних засобів, що добре, але в той же час і обмежує можливості застосування спеціальних, індивідуальних технологій. Застосування типів кріплень, як буде показано нижче, обмежується в основному монолітними. На обличчя відсутність розробок нових полегшених видів кріплень з зміцненням порід при переважній застосуванні дорогих монолітних, з використанням пересувних металевих опалубок, і штучних видів кріплень. Стовбури проходять в основному по сполученою схемою, дослідження щодо вдосконалення найбільш ефективної паралельної схеми та її застосування на ділі дуже рідкісні [4].
З метою обгрунтування способів кріплення досліджень автора були піддані статистичні дані ряду джерел (тр. ДШП) про гірничо-геологічних характеристиках породного масиву, товщина й вигляд кріплення, темпи проходки по 18 стовбурах Донецької області, різних діаметрів і глибини. Отримані результати дозволяють стверджувати (мал.1.1), що в якості кріплення вертикальних стволів найбільш широке розповсюдження отримало бетонне кріплення.
Аналіз статистичних даних показує, що не дивлячись на те, що комбіноване кріплення є більш ресурсозберігаючим й економічним, вона до цих пір не отримало великого поширення, і його частка становить не набагато більше 2%. У той час як збільшення товщини постійного кріплення при спорудженні стволів у складних геологічних умовах, не виправдало себе, тому що товщина бетону більш 700мм не збільшує несучої здатності кріплення. Дані статистики свідчать, що відхилення товщини крепі від проектної величини на практиці поширене повсюдно і може досягати 100% і є характерною особливістю прийнятих технологій в умовах нестійких, тріщинуватих порід з явно вираженими реологическими властивостями.
Результати аналізу стану вертикальних стовбурів із шахт Донбасу досить вірогідно дозволяють зробити висновок про те, що застосовувані конструкції кріплення стволів у більшості випадків не відповідають пропонованим до них вимогам. Статистичні дані проходки стовбурів свідчать про те, що застосовувані технології не здатні запобігти викидообразуваннь. Необхідно переходити на нові види комбінованих кріплень, які дозволять ліквідувати вогнища викидообразуваннь на ранньому етапі. Збільшувати несучу здатність кріплення за рахунок збільшення класу бетону за міцністю, застосування тимчасових кріплень, що входить потім до складу постійної, зміцнення вміщуючих порід цементацією і хімізацією, використання несучої здатності породного масиву, та ін заходами.
З усього вище сказаного видно, що повільні темпи розвитку галузі будівництва вертикальних стволів, навіть беручи до уваги деякі науково-дослідні успіхи і технічні нововведення, пов'язані з вузькістю погляду розгляду проблем. Це підтверджується зарубіжним досвідом будівництва вертикальних стволів, що відрізняються великою різноманітністю технічних рішень. [5]
1.2 Передовий досвід проходки стовбурів на іноземних шахтах.
За оцінкою зарубіжних фахівців, потреба світового ринку у вертикальних стовбурах буде зростати за рахунок будівництва нових і реконструкції діючих підприємств [6].
Найбільш високий рівень розвитку техніки і технології проходки вертикальних стволів досягнуті шахтобудівними фірмами ПАР і Німеччини. Відомі приклади високоефективних проходок вертикальних стволів з вирішенням складних технічних завдань у США, КНР, Польщі, Великобританії та Франції [7].
В останні час в ПАР у проходці знаходилося близько 30-40 шахтних стовбурів, з них 75% на шахтах золоторудної промисловості. Проходку стовбурів ведуть спеціалізовані фірми.
Вертикальні стволи у ПАР, як правило, проходяться великого перерізу діаметром в світлі 6-9 м і кріпляться монолітним бетоном. У більшості випадків діаметр ствола досягає 8 м.
Переважна глибина стволів 1500-2000 м. Деякі особливо глибокі шахтні стовбури для одноступінчатого підйому пройдені до глибини 2500 м [7].
При проходці стволів застосовують прохідницькі і постійні копри. Тимчасові прохідницькі копри споруджуються для стовбурів, які після введення в експлуатацію не повинні бути оснащені підйомними установками, як це часто має місце для вентиляційних стовбурів з вихідним струменем повітря. Найчастіше застосовуються прохідницькі копри двухопорной конструкції, що пояснюється їх невисокою вартістю, зручністю монтажу і наявністю вільного простору для перекидання прохідницьких бадей і навішування обладнання [7].
Якщо постійна шахтний копер із сталевих конструкцій намічено використати і для проходки, то форшахта і технологічний відхід стовбура споруджуються перед монтажем копра. Якщо ж намічено застосовувати тимчасовий прохідницький копер, то він монтується до проходки форшахти, так, щоб використовувати його для проходки технологічного відходу стовбура. При зведенні баштового бетонного копра форшахта проходиться через споруджений фундамент копра, а до проходці технологічного відходу приступають після спорудження копра.
Нестійкі породи, що вимагають застосування спецспособов проходки, зустрічаються в ПАР рідко. Ділянки пухких порід перетинають за допомогою опускного кріплення або під захистом бурових бетонних паль. Притоки води відкачуються насосами.
Технологічний відхід ствола для розміщення прохідницького полку і грейферного навантажувача в забої проходиться, як правило, завглибшки 90 м. При проходці цієї ділянки застосовують бурильні машини з ручним керуванням і ВВ малої потужності. Збирання породи проводять ручним способом. Бетонне кріплення стовбура зводиться на відстані від вибою ствола по паралельній технологічній схемі за допомогою спеціального підвісного полку. Після досягнення заданої глибини проходка переривається і основний прохідницький полиць монтується або в забої, або на поверхні поруч зі стовбуром і з допомогою великовантажного крана спускається в забій. Полок прикріплюється до канатів і піднімається вгору, потім встановлюється грейферний навантажувач. Все обладнання для проходки технологічної ділянки ведеться із забою [7].
Прохідницькі полки зазвичай мають п'ять поверхів, з яких зводиться як тимчасова, так і постійна кріплення і ведеться обслуговування грейферним навантажувача.
Від початку будівельних робіт до завершення цього етапу проходить не менше 6 міс. Одночасно з проходкою технологічного відходу споруджується весь комплекс будівель та споруд, необхідний для проходки основної частини стовбура, включаючи прохідницькі підйомні установки. Через велику вартість підйомних машин при прохідці, коли це можливо, використовують постійні підйомні машини. Як правило, постійні підйомні машини застосовують і для проходки стовбурів, не обладнаних експлуатаційними підйомами. Для цього використовують машини, які згодом будуть змонтовані на підйомних стволах.
Проходка основної частини стовбура проводиться буровибуховим способом. Прохідницький цикл за стандартною технологією (прибирання породи, буріння шпурів, їх заряджання і підривання) в стовбурі завершується за 8 год. Виходячи з цього, вибирають підйомні машини, місткість бадей, чисельність бригади, глибину заходки, пристрій для розвантажування бадей, місткість грейферних вантажників.
Звичайна глибина заходки коливається від 1,5 до 2 м, що відповідає добовим темпами 4,5-6 м. Більшість вибоїв в стволах ПАР працює в тризмінному режимі по викличної системі (наступна зміна викликається тоді, коли ВВ для працюючої зміни спускається в забій).
Прибирання підірваної породи проводиться численними грейФерні машинами з ковшем місткістю 0,56 м для стовбурів діаметром 6-8 м і 0,85 м для стовбурів великого діаметру. Продуктивністьність грейферних машин при глибині стовбура 1000-1500 м, як правило, вище продуктивності підйому. Грейферний навантажувач завантажує породу в бадді місткістю 10-20 т, які видаються на поверхню. Ковшові вантажні машини на гусеничному ходу використовуються в стволах діаметром в проходці до 5,5 м. Також приміняються грейферні навантажувачі ємністю 0,28 м.
Шахтні стовбури зазвичай кріпляться монолітним бетоном, міцність якого через 28 днів достегает 30 МПа, через 8 год - 5 МПа. Кріплення ведеться по паралельній технологічною схемою.
Як правило, бетонна суміш готується на поверхні поруч зі стовбуром і потім по сталевому трубопроводу діаметром 150 мм проходить в розподільчий контейнер на верхньому поверсі прохідницького полку. Звідти по гумовим рукавах вона подається за опалубку. Звичайно є два трубопроводи: один в експлуатації, другий резервний.
Висота заходок бетонування збігається з відстанню між расстрілами у вже готовому стовбурі й проміжками між поверхами прохіницького полка. Для роботи грейферним навантажувачем потрібно висота близько 14 м. Ця відстань визначає положення опорного кільця опалубки. Його правильне положення, вертикальність і розташування по висоті мають вирішальне значення для якості кріплення.
Роботи по армуванню ведуться виключно з верхнього прийомного майданчики вниз за допомогою арміровочного полку. При арміровании одночасно монтують розстріли і провідники. Спускають матеріали за допомогою клітті, що рухається в одному з відділень стовбура по змонтованому армуванню. Закладення кінців розстрілів виробляють в раніше відформованих в бетонного кріплення лунках. Точність монтажу армировки у вертикальному та горизонтальному напрямках ± 3 мм. Це забезпечує плавний рух підйомних судин із швидкістю до 18 м/с. Така технологія будівництва вертикальних стволів у ПАР забезпечує темпи проходки стовбурів близько 200 м / міс.
При проходці глибоких стовбурів прохідницький полок є ключем до вирішення проблеми підвищення темпів проходки стовбурів і впровадження паралельного способу проходки з одночасним веденням проходки, кріплення і армування. Розробляються нові полки з 9 або 10 поверхами, на яких монтуються підйомні лебідки, розвантажувальне пристрій породний бункер і розміщуються матеріали. Маса такого полку буде перевищувати 500 т, і він буде не підвішений на канатах, а утримуватися гідравлічними розпірними пристроями. Такий полок розділяється на дві частини. Верхня частина слугує для монтажу армування і розтин горизонтів, а нижня являє собою прохідницький полок у власному розумінні слова. Обидва полку з'єднані канатами і можуть переміщатися за допомогою гідравлічних пристроїв крокуючих зі швидкістю до 2 м/г. Монтаж армування здійснюється з верхнього полку під час проходки. На верхньому полку розміщуються також породний бункер і склад матеріалів, що дозволяє вести роботи з розтину горизонтів та їх кріплення. Прохідницькі бадді перекидаються на верхньому полку, там же знаходяться необхідна для цього підйомна лебідка і службові приміщення.
Головна прохідницька баддя з поверхні доходить до верхнього полку і в неї завантажується порода від проходки ствола, а також від рассічки біляствольного двору. Нижній полок переміщується незалежно від верхнього і за конструкцією дуже схожий з сучасними прохідницькими полицями і розрахований на безперервний спосіб проходки [7].
Одним з основних шляхів підвищення ефективності проходчеських робіт є перехід на використання гідравлічних бурильних машин. Їх впровадження спричине проблеми з заряджанням шпурів, так як чисельноості бригади різко зменшиться. Для прискорення заряджання і набійки шпурів розробляються водонаповнені ВВ, що готуються на полиці і подаються звідти в шпури насосом. Крім того, ці ВВ володіють рядом переваг: поліпшується стан навколишнього середовища, оскільки утворюються лише невелика кількість окислів азоту; підвищується рівень безпеки робіт, так як вони не настільки чутливі до ударів і струмів ковзаючого заряду; спрощується поводження з детонаторами і підключення їх до вибуховою мережі; забезпечується (за даними випробувань) економічний ефект.
З метою виключення негативного впливу на ритм і темпи проходки буріння випереджальних свердловин та попередньої цементації розробляється технологія спрямованого буріння з проходчеського полку спірального комплекту свердловин з подальшою їх цементацією
При проходці глибоких стовбурів, виходячи з положень механіки гірничих порід, бетонне кріплення повинна споруджуватися на відстані від вибою ствола, вдвічі перевищує діаметр стовбура. Це необхідно, щоб на великій глибині перед кріпленням відбувалася достатня конвергенція порід і тим самим забезпечувалося оберігання крепі від пошкоджень при зміщенні породного контуру.
Викладені технічні рішення, а також застосування паралельної технологічної схеми, на думку фахівців ПАР, роблять досяжною швидкість проходки 300 м / мес. Тим самим стає можливим спорудження шахтних стовбурів глибиною 4000 м за три-чотири роки, включаючи проходку основних горизонтальних пристволових виробок [8] [9].
В результаті аналізу літературних джерел визначені мета і завдання даної магістерської роботи. Отримані залежності як граничні умови при проведенні комп'ютерного обчислювального експерименту.