Проектирование первого основного периода строительства шахты

Проектирование первого основного периода строительства шахты

Порядок проектирования строительства ствола

Проектирование проходки вертикального ствола.

Проектирование оснащения ствола.

Сводный проект строительства ствола

Порядок проектирования строительства ствола

Строительство ствола шахты предусматривает выполнение всего, комплекса работ, обеспечивающих его готовность для сдачи в эксплуатацию по добыче полезного ископаемого.

Основными этапами этих работ являются: подготовительные относящиеся к проходке ствола; оснащение и проходка технологической части (устья) и самого ствола; проходка всех приствольных камер, которые требуют остановки работ в забое ствола; армирование ствола; монтаж и демонтаж временного копра, сооружение постоянного копра; монтаж комплекса постоянных, а при необходимости и временных подъемов; переходы от проходки ствола к проведению горизонтальных выработок на основном горизонте.

Не следует отождествлять термины «строительство» и «про­ходка» ствола, так как проходка ствола является составной частью его строительства. Термин «проходка» ствола и его содержание и соответственно «технологические схемы проходки ствола» объединяют круг вопросов, относящихся к проходческому оборудованию, взаимосвязи процессов и организации работ в забое. Сюда же относится и армирование, если оно выполняется одновременно с выемкой породы и возведением постоянной крепи.

Содержание и объем проекта строительства ствола шахты оп­ределяются его диаметром, глубиной и типом постоянного экс­плуатационного оснащения. Технико-экономические показатели проекта, и в первую очередь продолжительность строительства ствола, определяются его функциями и сроками, установленны­ми схемой строительства шахты. Например, в первую очередь стремятся ввести в эксплуатацию клетевой, вентиляционный и другие стволы, которые обеспечивают разворот фронта работ по проведению горизонтальных выработок. Скиповой ствол может быть введен несколько позже, когда фронт работ достигнет максимального развития и работающие стволы не справятся с грузопотоками. Функции стволов определяются еще нуждами вентиляции и водоотлива.

Порядок проектирования строительства всех стволов шахт (рис. 1) предусматривает развитие и углубление разработок: технологической схемы строительства шахты.

К исходным данным при проектировании технологии строительства ствола шахты относятся следующие сведения: район закладки стволов шахты; генеральный план поверхности с подъездными дорогами, отвалами; источники водоснабжения и электроснабжения, линии связи; наличие предприятий стройиндуст­рии, продукция которых может быть использована при сооружении ствола шахты; геологические и гидрогеологические условия строительства ствола (структура и сложение пересекаемых свит, направление простирания пород и угол падения, характеристика основных пересекаемых пород, и в первую очередь наиболее сла­бых и крепких, водоносных и газоопасных, мощности отдельных толщ парод, детальный геологический разрез пород, приток воды по отдельным пластам и горизонтам, химический состав подзем­ных вод с указанием их агрессивности по отношению к цементу и металлу); газоопасность пересекаемых пород (категория шахты по газу, ожидаемая газообильность по отдельным пластам уг­ля, возможности суфлярных газовыделений, внезапных выбросов угля и породы); техническая характеристика ствола (попереч­ные размеры, площадь поперечного сечения ствола в свету и в проходке, глубина ствола, глубина зумпфа, материал, тип и тол­щина крепи, перечень и конструкция примыкающих к стволу выработок с указанием горизонтов, характеристика и чертежи конструкций армировки ствола); основные сведения о постоянном копре и постоянных подъемах; общие данные по постоянной тех­нологической схеме транспорта породы от ствола в отвал, место размещения породного отвала на период строительства и экс­плуатации шахты.

Задача проектирования строительства ствола на первой ста­дии определяется порядком проектирования (см. рис. 1) и со­держанием отдельных разделов, изложенных в последующих па­раграфах. Завершается проект построением графика строитель­ства ствола и определением технико-экономических показателей (продолжительности, скорости, стоимости). Производительность труда определяется по отдельным этапам и видам работ.

Проект строительства вертикального ствола шахты на рабо­чей стадии (ППР) требует более детальной разработки органи­зации работ и изготовления рабочих чертежей с конкретной при­вязкой к местным условиям. Здесь наряду с графиком строитель­ства ствола составляются графики организации работ в забое по выемке породы и креплению, графики организации работ по армированию, паспорта буровзрывных работ, крепления, норм и расценок, технологические карты и отдельные проекты на слож­ные виды работ (цементация и др.) и работы, выполняемые но­выми методами, не получившими широкого распространения, де­тализированный расчет стоимости проходки 1 м(м³) ствола в свету на основе объемов работ и расхода материалов по конст­руктивным элементам, а также тарифных ставок проходчиков.

Рис. 6.1. Порядок проектирования строительства стволов шахт

Рабочие чертежи изготовляются на временные технологиче­ские комплексы и оснащение поверхности, а также приспособле­ния, устройства и оборудование, необходимые для проходки ствола. Большое внимание уделяется технике безопасности, пром­санитарии и гигиене труда. Некоторые важные вопросы (вскры­тие пласта угля, опасного по внезапным выбросам угля и газа, или пересечение стволом выбросоопасных пород и др.), требую­щие проектной разработки, выделяются в отдельные разделы.

Проектирование проходки вертикального ствола

Выбор способа проходки ствола зависит  от геологической и гид­рогеологической характеристики пересекаемых пород, а также от условий применения каждого способа.

Стволы и их сопряжения с горизонтальными выработками при притоках воды в забое более 8 м³ /ч (в рыхлых и неустойчи­вых породах, а также в скальных трещиноватых водоносных по­родах) следует проходить с помощью специальных способов. обеспечивающих повышение устойчивости и водонепроницаемо­сти, а в отдельных случаях - метанонепроницаемости горных пород.

Проект проходки ствола обычным способом в устойчи­вых породах и с притоками воды менее 8 м³/ч на стадии ППР выполняется в следующем порядке:

выбирают наиболее эффективную для данных горно-геологи­ческих и горнотехнических условий технологию проходки ствола (буровзрывную, комбинированную, комбайновую);

выбирают на основе уже принятой технологии и заданных ус­ловий технологическую схему проходки (совмещенную, последо­вательную, параллельную, параллельно-щитовую, комбинирован­ную) и комплекс проходческого оборудования забоя;

проектируют технологию работ по процессам, рассчитывают комплексную норму выработки, подбирают состав проходческой бригады, определяют продолжительность проходческого цикла и строят график организации работ в забое;

рассчитывают техническую скорость проходки ствола, уточ­няют возможную производительность труда проходчиков и опре­деляют полную стоимость 1 м³ ствола;

проектируют оснащение поверхности ствола, рассчитывают ­подъем, транспорт породы на поверхности, вентиляцию, водоот­лив, снабжение сжатым воздухом, освещение, сигнализацию и связь;

проектируют технология вскрытия опасных по газу или вне­запным выбросам пластов угля и другие мероприятия по без­опасному ведению работ;

проектируют строительство технологической части ствола сов­местно с устьем и проходку примыкающих к стволу выработок и сопряжений.

В случаях, когда для одних и тех же условий могут быть вы­браны несколько схем проходки ствола, следует провести техни­ко-экономическое сравнение и выбрать наиболее целесообразную схему. Далее производится расчет и выбор оборудования строи­тельства.

Буровзрывная технология при обычном способе проходки ство­лов не имеет ограничений и наиболее распространена. Этой тех­нологии проходки присущи следующие технологические схемы: последовательная, совмещенная, параллельная и параллельно-­щитовая.

Последовательная и параллельная схемы не применяются из­-за существенных недостатков, основным из которых является не­обходимость возведения и снятие временной крепи.

Преимущественное применение имеет совмещенная технологи­ческая схема, при которой временная крепь отсутствует, а на­правление возведения постоянной крепи совпадает с направлени­ем выемки породы. По сравнению с другими совмещенная схема требует минимума проходческого оборудования на оснащение ствола. Термин «совмещенная» относится к совместному произ­водству работ в призабойном участке ствола по выемке породы и возведению постоянной крепи. Совмещение работ во времени достигает 20-30%.

Параллельно-щитовая схема по сравнению с совмещенной обеспечивает повышение технической скорости проходки ствола, однако требует некоторого увеличения продолжительности подго­товительно-переходных периодов в связи с монтажом и демонта­жом сложных комплексов и дополнительного проходческого обо­рудования.

Технологическую схему проходки ствола и соответствующий ей комплекс проходческого оборудования предварительно можно выбирать по данным табл. 1, рекомендованной ЦНИИПодзем­машем, в зависимости от диаметра и глубины ствола с учетом требуемой скорости проходки ствола.

Таблица 1

Комбинированная технология проходки стволов (рис. 2) обычным способом не имеет ограничений по диаметру ствола и глубине, однако может применяться в устойчивых породах на действующих шахтах, так как необходимо подвести транспорт­ную магистраль под ствол для выпуска породы. Сущность техно­логии заключается в следующем: по оси ствола в зависимости от его диаметра бурят скважину на полную его глубину диамет­ром от 1,5 до2 мпри помощи бурильной установки. Скважину не крепят, однако в местах пересечения геологических нарушений и легко обрушающихся пород она может быть закреплена бетон­ными кольцами.

Транспортную магистраль под ствол начинают проходить за­ранее с таким расчетом, чтобы строительство сопряжения этой выработки со стволом было начато сразу после окончания буре­ния скважины и откачки из нее глинистого раствора. На поверх­ности буровую вышку заменяют проходческим копром и подвеши­вают в устье ствола оборудование, необходимое для проходки ствола.

Рис. 2. Комбинированная технологическая схема проходки ствола с предвари­тельно пробуренной скважиной диаметром:

а - не более1,5 м; б - 2 м: 1 - подвесная передвижная опалубка; 2 - трехэтажный под­весной полок с бурильными установками на манипуляторах; 3 - предварительно пробурен­ная скважина для выпуска породы и других целей; 4 - сопряжение ствола с околостволь­ным двором; 5 - породопогрузочные машины; 6 - конвейеры для транспортирования поро­ды

На рис. 2а показан вариант технологической схемы с предварительно пробуренной скважиной диаметром до 1,5 м. Забой ствола имеет уступную форму, наклоненную под углом 30-40 градусов. Обуривание забоя осуществляется бурильными установками с одноэтажного или двухэтажного полка (в зависимости от диа­метра ствола). Заряжание шпуровых зарядов и монтаж взрыв­ной сети производят с подвесных полков. Проходчики освобож­даются от работы непосредственно на породном забое ствола. Взрывание шпуровых зарядов производится малыми сериями при помощи электродетонаторов замедленного действия в направле­нии от скважины к периферии ствола.

На рис. 2б показан вариант той же схемы с предваритель­ным бурением скважины диаметром 2 м более. Порядок производства работ аналогичный. Отбитая порода падает в сопряже­ние и убирается из навала несколькими погрузочными машина­ми. После взрывания всех шпуровых зарядов опускают подвесной полок и зачищают забой при помощи пневмомониторов на манипуляторах. Бетонная крепь возводится при помощи самооцентрирующейся или секционной опалубки.

Достоинства технологической схемы: в 2-3 раза сокращают­ся затраты времени и средства на оснащение ствола, а также по­требность в оборудовании, так как нет необходимости в нагрузке и выдаче породы, водоотливе и вентиляции; значительно повы­шается эффективность буровзрывных работ, а денежные затра­ты на разрушение 1 м³ породы в десятки раз ниже по сравнению с затратами при комбайновой технологии; основные проходче­ские процессы выполняются одновременно и даже взрывание шпуровых зарядов совмещается с удалением породы из забоя ствола; создаются благоприятные условия для нанесения на сте­ны ствола водонепроницаемого покрытия методом набрызга; улучшаются условия и безопасность труда проходчиков. По пред­варительным подсчетам скорость строительства ствола по ком­бинированной технологии возрастает в 2 раза, стоимость снижа­ется в 1,8 раза, а производительность труда проходчиков повы­шается в 3-4 раза, что зависит от подбора бурового оборудо­вания и удобства его использования.

Важная задача при данной технологии - вертикальность бурения скважины, чтобы она не вышла за пределы сечения ствола.

Отечественный и зарубежный опыт бурения подтверждает вы­сокую степень возможности решения этой задачи.

Имеется опыт проходки стволов с предварительно пробурен­ной скважиной. Применявшаяся технологическая схема отлича­лась тем, что скважину на время работы проходчиков на забое перекрывали. В процессе погрузки породы перекрытие скважины снимали и грейфером с механическим вождением сбрасывали по­роду в скважину. Скважину бурили диаметром 1,85 мна глуби­ну 645 м. Скорость расширения ствола достигала 168 м/мес.

Комбайновая технология базируется на применении проходче­ского комбайна СК-1Д при диаметре ствола в свету 7 ми в про­ходке 7,7 м. Технологическая схема проходки - параллельная с максимальным совмещением основных проходческих процессов.

Рис. 3

Достоинства схемы - облегчение труда проходчиков и дости­жение высоких показателей по скорости проходки и производи­тельности труда. К недостаткам следует отнести большую массу комбайна, сложное оснащение ствола и значительные затраты энергии на разрушение породы и ее измельчение в мелкую фрак­цию.

Рис. 4 Агрегатная схема армирования стволов снизу вверх:

1- монтажный кран; 2- монтажные разъемные полки; 3- копер Днепрогипрошахта; 4-лазерные указатели направления (ЛУН); 5- монтажная платформа; 6-агрегат (звено) армировки перед спуском в ствол; 7- самоподъемные монтажные люльки; 8- склад проводников; 9- склад расстрелов; 10- склад метизов; 11- здание подъемной машины

Важное значение имеет применение новой агрегатной схемы армирования ствола снизу вверх, позволяющее значительно повысить производительность труда и сократить общее время армирования ствола (рис. 4).

Показателями оценки эффективности технологических схем проходки ствола для конкретных условий являются: удельные за­траты времени на выемку 1 м³ горной массы в массиве (ч/м³) за один проходческий цикл и объем породы, выдаваемой в еди­ницу времени; техническая скорость проходки ствола; стоимость проходки 1 м³ ствола; производительность труда проходчиков и др.

Методика сравнения проектных показателей технологических схем требует детальных расчетов по процессам с подбором опти­мальных исходных расчетных параметров (глубины шпура и др.) и построения графика организации работ в забое.

За последние годы достигнуто значительное снижение показа­теля удельного расхода времени по процессу уборки породы при буровзрывной технологии в связи с применением высокопроизво­дительных погрузочных машин грейферного типа с механическим вождением по забою.

Целесообразно проанализировать и другой важный показа­тель уборки породы - величину грузопотока или объем породы, выдаваемой в единицу времени (м³/ч), тем более что этот пока­затель является основной исходной величиной для расчета про­ходческого подъема и транспорта породы в отвал на поверх­ности.

Величина грузопотока из забоя ствола при взрывном способе отделения породы от массива определяет средства погрузки породы и подъема ее на поверхность. В данном случае подъем не должен лимитировать величину максимального грузопотока из забоя, которая равна максимальной производительности погру­зочных машин в забое.

Проектирование оснащения ствола

Проектирование оснащения ствола включает проектирование рас положения проходческого оборудования в стволе, составление ситуационного плана размещения проходческих лебедок и другого оборудования на поверхности, проектирование строительных генеральных планов каждой площадки в первом и втором периодах  строительства.

К исходным данным для проектирования относят перечень и характеристику всего оборудования, которое будет размещено в стволе на период его проходки и армирования вплоть до переоборудования ствола на постоянные подъемные сосуды.

Расположение проходческого оборудования в стволе проектируют одновременно с ситуационным планом расположения подъемных машин и лебедок на поверхности из условия удобства эксплуатации оборудования и использования   минимального числа канатов в стволе и проходческих лебедок на поверхности.

Для уменьшения числа проходческих лебедок на поверхности:

а) трубы всех назначений желательно подвешивать не на канатах, а к стенам ствола (при последовательном выполнении работ по проходке и армированию ствола) или к расстрелам (при одновременной проходке и армировании ствола);

б) направляющие канаты использовать для подвески полка - каретки, передвижной опалубки; трубы всех назначений целесообразно располагать с учетом возможности их осмотра и проведения мелкого ремонта с бадей или спасательной лестницы;

Проходческое оборудование в стволе и проходческие лебедки поверхности располагать с учетом симметричной нагрузки на копер;

Ситуационный план расположения лебедок на поверхности вокруг ствола проектируют после выбора проходческих лебедок.

Рис. 5

Оснащение ствола - сложный комплекс различного вида работ (строительных, горных, монтажных и специальных), занимающий до 30 - 40% времени продолжительности его сооружения. Для сокращения затрат времени целесообразно вести работы по отдельному линейному или сетевому графику оснащения ствола, который при рабочем проектировании  (на стадии ППР) вливается в общий график сооружения ствола и строительства  всего предприятия

Сводный проект строительства ствола

Сводный ППР по строительству ствола включает все вопросы, относящиеся к порядку его проектирования в обычных горно-геологических условиях, а также   отдельные   проекты, составленные на проходку участков ствола специальными способами, на проведение мероприятий, связанных со вскрытием газоносных и выбросоопасных пластов угля, пород и др. Каждый проект, входящий в состав сводного проекта сооружения ствола, должен завершаться определением объемов, сроков и стоимости выполнения работ.

На основе сроков работ по отдельным проектам и стадиям проектирования составляют сводный график сооружения ствола. Как видно из графика, продолжительность сооружения главного ствола составляет 42 мес., вспомогательного — 36 мес. Скорость сооружения главного ствола составляет 25,8 м/мес., вспомогательного — 28,8 м/мес.

Графическая часть ППР по строительству вертикального ствола включает следующие чертежи: поперечное сечение ствола с размещением проходческого оборудования; ситуационный план; стройгенплан; продольный разрез по стволу с размещением проходческого оборудования; площадочные сети электроснабжения, водоснабжения, связи, воздухопроводов и отвода шахтных вод; подшкивная площадка копра (общий вид и детали); разгрузочный станок копра (общий вид и детали); открывание ляд разгрузочного станка. Нулевая проходческая рама (общий вид и детали); схемы открывания ляд нулевой рамы; планы верхнего и нижнего этажа полка-каретки. Разрезы и детали; общий вид и схемы пневмосистемы и гидросистемы полка-каретки; металлическая секционная опалубка; графики организации работ  и  паспорта  буро-взрывных работ по породам различной крепости; паспорта норм и расценок в соответствии с крепостью пересекаемых пород; график сооружения ствола, специальные виды работ по цементации, вскрытию газоносных пластов или пород, опасных по внезапным выбросам.