Сооружение устья вертикального ствола

Объем проведения шахтных стволов в геологоразведочной практике составляет около 5% объема подземных выработок. Однако это наиболее ответственная и дорогостоящая часть горных работ при разведке и добыче полезных ископаемых. Через стволы шахт осуществляют подъем на земную поверхность полезного ископаемого, водоотлив, спуск в шахту различных материалов и оборудования, подачу свежего воздуха для проветривания горных выработок, спуск и подъем людей.

Глубина стволов при разведке месторождений колеблется в пределах 100-400 м, площадь поперечного сечения 6—12 м2. В зависимости от свойств пересекаемых пород и притока воды выделяют обычную (приток воды до 5 м3/ч) и специальными способами (приток воды более 5 м3/ч) проходку стволов. По длине ствол шахты состоит из устья 1, основной части 2, сопряжения с околоствольным двором 8 и зумпфа 4.

Комплекс работ по проходке стволов разделяется на два этапа: подготовительный и собственно проходку ствола. Устья разведочных шахт глубиной более 100 м должны крепиться сплошной несгораемой крепью или крепью с огнестойким покрытием. Длина закрепляемого участка должна быть не менее 5 м. Устья стволов разведочных шахт должны иметь сплошное ограждение высотой не менее 2,5 м; с рабочей стороны ограждения должны иметь двери и решетки. Проходка устья ствола начинается (подготовительный период) с фиксирования центра ствола и инструментальной разбивки его осей.

Устье сооружается обычно в более сложных горно-геологических условиях (чем остальная часть ствола).

При выборе конструкции, материалов и размеров крепи необходимо учитывать то, что крепь испытывает значительные нагрузки, которые слагаются из бокового горизонтального асимметричного давления грунтов, внешних вертикальных сил, передаваемых стойками копра, влияния фундамента колонн надшахтного здания или башенного копра, а также фундаментов подъемных машин и других возможных внешних нагрузок (вес крепи устья). С учетом этого обычно крепь устья рекомендуется выполнять из монолитного бетона или железобетона.

ОСНАЩЕНИЕ ДЛЯ ПРОХОДКИ УСТЬЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОТХОДА ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА

Общие положения

Устьем вертикального ствола называется его верхняя часть, выходящая на поверхность. В большинстве случаев устье сооружают в слабых, рыхлых, неустойчивых наносных породах, мощность которых колеблется в широких пределах. Поэтому глубину устья в каждом отдельном случае устанавливают проектом. Она равна 12-35 м.

В случае, когда коренные породы выходят на поверхность, устьем ствола является его участок протяженностью до отметки, расположенной ниже почвы проема для вентиляционных, калориферных, кабельных, трубных и других каналов.

Для защиты ствола от поверхностных вод устье сооружают на 0,15-0,20 м выше отметки поверхности промышленной площадки. В устье стволов, по которым подается свежий воздух, устанавливают стальные противопожарные ляды на нулевой отметке или на расстоянии 0,5-1,0 м ниже проема калориферного канала.

Наносные отложения пород, пересекаемые устьем, чаще представлены глинами, суглинками, песками, гравийно-галечниковыми отложениями, мергелями, мелом, сильно выветренными и нарушенными коренными породами.

Такие породы при незначительном насыщении их водой создают большие нагрузки на постоянную и временную крепь. Поэтому следует учитывать эти условия при выборе схемы оснащения, технологии работ, при сооружении технологического отхода и в расчете параметров временной и постоянной крепи. Для крепления устья в зависимости от назначения ствола, расчетных нагрузок и горно-геологических условий применяют бетон, монолитный железобетон, чугунные тюбинги или комбинированную крепь (чугунные тюбинги и монолитный бетон, железобетонные тюбинги и монолитный бетон).

Конструкция устья определяется назначением ствола и формой его поперечного сечения; величиной вертикальных нагрузок, передаваемых на устье сооружениями, опирающимися на него; мощностью, условиями залегания и физико-механическими свойствами горных пород, в которых сооружаются устья стволов; размерами проемов для каналов; материалом крепи; способом сооружения и организации проходческих работ ствола и устья и др. Опорный венец устья устанавливают в коренных породах. Выбор места размещения устья ствола производят во взаимной увязке с генеральным планом и расположением горных выработок. При расположении устьев стволов санитарно-защитные зоны следует предусматривать в соответствии с нормами проектирования горных предприятий. Участок ствола, непосредственно прилегающий к земной поверхности (включая устье ствола), предназначенный для монтажа стволопроходческих комплексов и начала их эффективной эксплуатации, называют технологическим отходом.

Глубина технологического отхода зависит от принятой технологической

схемы проходки и составляет: для совмещенной – 40-50 м, параллельной – до 70 м, при комбайновом способе проходки – до 25 м.

К проходке технологического отхода приступают после выполнения первоочередных работ подготовительного периода, связанных с освоением территории, отведенной под строительную площадку, сооружения магистральных инженерных линий и коммуникаций, а также разработки проекта производства работ.

Схемы оснащения

Наиболее часто применяются три основные варианта оснащения стволов для сооружения устья и технологического отхода. Выбор варианта производят на базе технико-экономического анализа. Первый вариант предназначен для стволов, где проектом предусматривается монтаж металлических копров (постоянных или проходческих временных).

Для проходки устьев вертикальных стволов и технологических отходов

используют известные передвижные установки, разработанные различными специализированными шахтостроительными организациями (ПК-1, ПАШ-100, ПАШ-150, НПУ, ПУ-1 и др., обеспечивающих выполнение операций проходческого цикла. При этом забой оснащается обычным облегченным оборудованием. Чаще для погрузки породы в бадьи используют породопогрузочные машины грейферного типа с ручным управлением КС-3, ПМС и другие, водоотлив – насосами Н-1м. Проветривание ведется по нагнетательной схеме вентиляторами типа ВМ по прорезиненным трубам, подвешенным на канате.

Постоянная крепь возводится с применением призабойной опалубки, бетонная смесь опускается в ствол в специальной емкости или по металлическим трубопроводам. Для технологического отхода используется либо опалубка, предназначенная для оснащения всего ствола, либо облегченная опалубка высотой до 2 м. В подготовительном периоде, одновременно с работами по проходке технологического отхода производят оснащение поверхности для сооружения всего ствола. Для этого осуществляют монтаж оборудования, предусмотренного проектом оснащения на проходку всего ствола передвижными проходческими лебедками, вентиляторами, подъемными машинами (передвижными, временными стационарными или постоянными). Производят подготовку оборудования для приствольного бетонно-растворного узла, канатов, бадей и производят в стороне монтаж проходческого копра, который затем надвигают на выполненные фундаменты.

По окончанию работ по сооружению технологического отхода демонтируют и выдают на поверхность забойное облегченное оборудование. Затем монтируют или надвигают копер с нулевой рамой и разгрузочным станком. На поверхности монтируют призабойную опалубку, опускают ее в ствол, а затем монтируют подвесной проходческий полок, породопогрузочные машины грейферного типа с механическим вождением, спасательную лестницу, технологические трубопроводы, проходческое оборудование освещения, связи и сигнализации. Тип и количество монтируемого оборудования, расположение его на поверхности и в стволе, продолжительность и стоимость оснащения ствола зависят от диаметра и глубины ствола, технологической схемы проходки, горно- и гидрогеологических условий и других факторов, и в каждом конретном случае определяются проектом.

Второй вариант оснащения используют для условий, аналогичных первому варианту. При этом варианте, для окончания работ по сооружению технологического отхода, предусматривается использование комплекса блочнопередвижного проходческого оборудования, разработанного Донгипрооргшахтостроем. После окончания проходки форшахты на 8-10 м, сооружения фундаментов под ноги копра и приствольного бетонно-растворного узла, на поверхности монтируют оборудование, с помощью которого выполняются проходческие работы оставшегося участка технологического отхода, а затем, после демонтажа облегченного забойного комплекса и монтажа стволового проходческого агрегата, продолжаются работы по проходке основной части ствола. Для этого, в зависимости от диаметра ствола в свету и его глубины, проектом принимают следующее передвижное, проходческое оборудование:

копровые комплексы КПК-1, КПК-2, КПК-3 (соответственно для

глубины 800; 1200 и 1600 м);

подъемные машины МПП-6,3, МПП-9, МПП-17,5 со статическими натяжными канатами соответственно 61,8; 88,2 и 171,5 кН или временные стационарные машины ЦР-4×3/0,7; ЦР-5×3/0,6; ЦР-6×3/0,6;

проходческие передвижные лебедки ПЛПО-5; ПЛПЭ-5А; ПЛПЭ-10м;

ПЛПЭ-10АМ; ПЛП-18Б; ЛПЭРП-6,3; ЛПЭП-6,3; ЛПЭП-10; ЛПЭП-16,

ЛПЭП-45; ЛППР-6,3; ЛПП-10; ЛПП-16; ЛПП-45 – грузоподъемностью 50, 100, 160, 250, 450 кН;

компрессорные станции ПКС-150 производительностью 150 м³/мин;

котельная установка (из 2-6 блоков) ПКУ-1/9-2Т;

высоковольтная распределительная установка ПРУ-6А на 6кВ;

трансформаторная подстанция БЭС-630; БЭС-400 мощностью 630, 400 кВА;

вентиляторная установка УПВЦП-16Б производительностью 25 м³/с;

административно-бытовой комбинат КБП-125 на 125 человек и др.

Такое оснащение можно использовать для стволов центральных площадок, для одиночных стволов, но особенно эффективно оно – для фланговых стволов, так как позволяет интенсифицировать производственный процесс проходки ствола, а также вести горнопроходческие работы второго основного периода с высокими технологическими скоростями и малыми затратами времени и средств на переоборудование ствола. Такие проектные решения для стволов, расположенных на флангах, обусловлены еще и тем, что здесь проектируются постоянные копры легкой конструкции и небольших размеров, а постоянные подъемные машины – малой мощности (например, инспекторский подъем). Такая шахтная подъемная установка не может обеспечить высокие скорости работ и использование современных стволовых комплексов, а также осуществлять подъемно-транспортные операции при проведении горизонтальных и наклонных выработок. Поэтому для сооружения стволов и проведения горнопроходческих работ второго основного периода, необходима установка проходческих копров и подъемных машин в блочнопередвижном варианте, с последующей их заменой на постоянные перед сдачей шахты в эксплуатацию.

Третий вариант предназначен в основном для глубоких стволов центральных площадок, где используются постоянные башенные железобетонные, металлические или смешанные копры. Станковые копры проектируют с учетом нагрузок от подвесного проходческого оборудования. Копры, изготовленные без учета этих нагрузок, должны использоваться с дополнительными несущими конструкциями. Там, где предусматривают железобетонные башенные копры, используют их нижнюю часть до отметки 35-45 м. Подъемные машины применяют как в блочно-передвижном варианте, так и временные стационарные. На один ствол устанавливают, как правило, две одноконцевые машины и полный комплект передвижного проходческого оборудования. Возможен вариант проходки с постоянной подъемной машины, установленной на башенном копре, но до глубины 1000-1200 м он экономически нецелесообразен.

Сооружение оставшегося участка технологического отхода и переход к проходке основной части ствола ведется аналогично описанной последовательности по второму варианту работ. После окончания работ по технологическому отходу и замены забойного технологического оборудования на высокопроизводительный стволовой комплекс типа КС, приступают к проходке ствола, проведению выработок, сопрягающихся со стволами, а также армированию и переоборудованию ствола.

По данным зарубежного опыта в каждом конкретном случае работы подготовительного периода и сооружения технологического отхода максимально совмещаются, однако в зависимости от местных условий принимаются различные технические решения. В ФРГ фирма "Тиссен" при оснащении стволов широко использует временные здания и проходческое оборудование. Наибольший интерес представляют работы по сооружению стволов на рудниках богатейших золотоносных и урановых руд, залегающих на глубине 2000 м и более, в ЮАР, где создана высокоэффективная техника и технология сооружения вертикальных стволов. Например, на руднике "БеффельсФонтейн" кампания "Дженерал Майнинг", где достигались высокие скорости проходки, подготовительный период длился от 2,5 до 3,5 лет. В этот период совмещались работы по оснащению стволов, велись работы по предварительному тампонажу водоносных пород. С использованием различных кранов велась проходка форшахты до глубины 10-11 м. Затем оснащали стволы временными проходческими копрами и машинами.