СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ШАХТНОГО СТВОЛА И СТВОЛОПРОХОДЧЕСКИЙ КОМБАЙН
METHOD OF MINE SHAFT CONSTRUCTION AND A SHAFT-PENETRATING COMBINE

Группа изобретений относится к области горного дела, а именно к технологии строительства вертикальных шахтных стволов горных предприятий и горнопроходческому оборудованию для ее осуществления.
Строительство горных выработок и подземных сооружений приводит к нарушению существовавшего в массиве пород равновесия. В окрестности обнажений происходят процессы деформирования и разрушения пород. Нормальную и безопасную эксплуатацию горных выработок и подземных сооружений обеспечивает крепь, которая препятствует смещениям и обрушению пород внутрь выработок. Смещающиеся породы встречают ее сопротивление, происходит взаимодействие крепи с массивом пород, в результате которого устанавливается новое состояние равновесия. Величина возникающих на контакте крепи с массивом напряжений и величина перемещений пород зависят как от свойств и начального напряженного состояния пород, так и от типа конструкции, механических характеристик крепи и технологии ее возведения [Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. - М., Недра, 1982, 270 с.]. По традиции напряжения на контакте крепи с массивом пород часто называют нагрузками на крепь.
Очевидно, что напряженно-деформированное состояние горного массива в равновесном состоянии статично. Но при сооружении ствола происходит частичная разгрузка его поверхности от радиальных напряжений, что вызывает упругие деформации и смещение пород внутрь выработки. При этом давление на крепь вследствие ползучести пород, вызванной этим процессом, развивается во времени и зависит от истории нагружения, то есть от последовательности и продолжительности технологических операций. Причем непосредственно вблизи забоя изменение напряжений и, как следствие, деформации стенок ствола проявляются наиболее интенсивно. На данном участке незначительное приращение аргумента функции приводит к существенному приращению значения функции. Однако, по мере удаления от забоя функция выполаживается (стремится к прямой линии), то есть даже существенное приращение аргумента не приводит к значительному увеличению значения функции. Применительно к рассматриваемой задаче выполаживание функции в заданных условиях означает условную стабилизацию конвергенции породных стенок.
Экспериментально установлено, что в период проходки ствола нагрузка на крепь резко возрастает. Так, например, при возведении монолитной бетонной крепи вслед за подвиганием забоя возникают значительные деформации за счет конвергенции вмещающих пород, которые неблагоприятно влияют на еще не совсем затвердевшую крепь и приводят к ее деформированию или разрушению. Для снижения действующих напряжений в крепи необходимо, чтобы она находилась на определенном расстоянии от забоя и была нагружена в пределах нормативной прочности [Боликов В.Е., Рыбак С.А., Озорнин И.Л. К вопросу о проведении стволов в тектонически-напряженном горном массиве // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2014. - №10. - С. 163-171]. При этом крепь не обязательно сразу обладает максимальной для нее несущей способностью, а наоборот, как правило, ей требуется некоторое время для приобретения необходимой прочности. Аналогичные процессы, хоть и в меньшей степени, характерны и для тюбинговой крепи, в основном, за счет необходимости тампонажа затюбингового пространства. Характер и продолжительность приобретения крепью своей нормативной прочности зависят от свойств и типа крепи.
Важно, чтобы в начальный момент монтажа (установки) крепи нагрузка на нее не превышала ее начальной прочности и при дальнейшей проходке возрастающие напряжения также не превышали несущей способности крепи, которую она успела приобрести к данному моменту. Принимая во внимание, что деформации ползучести вызываются только дополнительными (снимаемыми) напряжениями, обусловленными сооружением ствола (см. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений), при расчете следует учитывать не полную, а остаточную деформацию (на уровне условной стабилизации остаточной деформации породных стенок). То есть такую деформацию, которая возникает вследствие проявления дополнительных напряжений при приращении расстояния от забоя на условную величину (условную единицу). Расстояние от забоя, на котором остаточная деформация не превышает величины текущей несущей способности крепи заданного типа с известными свойствами в заданных горнотехнических условиях, является уровнем условной стабилизации остаточной деформации породных стенок.
Известна ступенчато-многослойная крепь [Описание полезной модели к патенту РФ №134216 от 23.04.2013, МПК E21D 11/00, E21D 5/00, опубл. 10.11.2013, Бюл. №31], являющаяся последовательно нанесенными на закрепляемые породные обнажения и друг на друга слоями из крепежного материла (бетона, железобетона, набрызг-бетона, полимеров), причем количество и/или толщина ступенчатых слоев меньше в направлении забоя выработки, а количество слоев равно числу ступеней, при этом длина каждого слоя, последовательно нанесенного после очередной уходки забоя, равна протяженности зоны сдерживающего влияния забоя, а длина ступени в слое равна длине очередной уходки забоя.
Недостатком данной крепи является довольно узкая сфера применения. Например, в условиях сильной конвергенции породных стенок наиболее близкие к забою слои, обладающие небольшой толщиной, будут деформироваться, не успевая набирать достаточную для противодействия создаваемым напряжениям прочность. Таким образом, область применения крепи должна быть ограничена относительно устойчивыми породами на объектах с хорошо известной геологией и отработанной технологией проходки горных выработок. В других же условиях использование данного технического решения небезопасно и снижает надежность и долговечность шахтного ствола.
Известен способ проходки вертикальных шахтных стволов в обводненных неустойчивых породах [Описание изобретения к патенту РФ №2398967 от 23.07.2009, МПК E21D 1/00, E21D 1/12, опубл. 10.07.2010, Бюл. №25], включающий замораживание пород и проведение буровзрывных работ, при этом при выполнении буровзрывных работ определяют зоны положения забоя с предельно возможной силой воздействия упругих волн на замораживающие колонки относительно границ контакта двух пород с различными физико-механическими свойствами, после чего осуществляют разрушение пород в этих зонах в режиме, обеспечивающем величину напряжений в замораживающих колонках, создаваемых упругими волнами, равную или меньшую максимально допустимого значения.
Недостатком данного способа является строгая привязка к технологии замораживания горных пород, что сужает область его применения. Кроме того, в рассматриваемом способе в качестве основного способа разрушения горных пород применяется буровзрывной способ, обладающий рядом существенных недостатков, среди которых выделяются низкая производительность, опасность, принципиальная невозможность точного определения характера и величины деформаций выработки, то есть сохранность замораживающих колонок в случае применения буровзрывного способа не может быть гарантирована. Это в свою очередь, снижает надежность, безопасность и экономическую эффективность проходки ствола.
Известен способ проходки глубоких шахтных стволов в слабых обводненных породах [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1126698 от 29.09.1983, МПК E21D 1/12, опубл. 30.11.1984, Бюл. №44], включающий предварительное определение упругих и прочностных характеристик горных пород в замороженном состоянии, искусственное замораживание горных пород для создания временного ледопородного ограждения, проходку ствола заходками и возведение крепи, при этом в процессе проходки ствола контролируют величину смещения ледопородного ограждения таким образом, чтобы оно не превышало заданной предельной величины, зависящей от толщины ледопородного ограждения, величины заходки, горного давления, реологических параметров замороженного горного массива и некоторых технологических особенностей. По достижении предельной величины смещения ледопородного ограждения возводят постоянную крепь.
Недостатком способа является узкая область применения, вызванная привязкой к технологии замораживания горных пород. Кроме того, для реализации способа необходимо предварительно в лабораторных условиях определять характеристики горных пород в замороженном состоянии, что также выражается в необходимости детального изучения геологии объекта, без которого способ не может считаться безопасным, а сооруженный шахтный ствол - надежным и долговечным.
Известен способ проходки шахтного ствола [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1286774 от 20.08.1985, МПК E21D 1/00, E21D 1/12, опубл. 30.01.1987, Бюл. №4], включающий образование ледопородного ограждения при помощи замораживающих колонок, размещенных за контуром ствола, цикличную углубку забоя на величину заходки, установку крепи в пределах заходки после определения момента начала снижения несущей способности ледопородного ограждения, который определяется при помощи акустических датчиков, размещаемых в предварительно пробуренных шпурах в ледопородном ограждении, путем наблюдения за развитием в ледопородном ограждении пластической области, причем момент начала снижения несущей способности ледопородного ограждения определяют, как момент достижения пластической областью замораживающих колонок.
Недостатком способа является узкая область применения вследствие привязки к технологии замораживания горного массива, а также необходимость проведения предварительных операций (бурение шпуров для размещения акустических датчиков), что снижает производительность работ, а также наличие дополнительных приборов и устройств для проведения многочисленных измерений.
Известен способ измерения нагруженности вертикального ствола [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1288302 от 30.12.1984, МПК E21D 5/00, опубл. 07.02.1987, Бюл. №5], заключающийся в оценке разности интенсивности деформаций в момент отрыва опалубки и окончания схватывания бетона и сравнении этой величины с допустимым значением.
Недостатком способа является необходимость в дополнительном оборудовании для проведения измерений. Кроме того, нагруженность ствола определяют уже после крепления выработки, то есть отсутствует возможность оперативного реагирования на внештатные ситуации. Таким образом, способ применим для ведения горнопроходческих работ на объектах с хорошо известной геологией и отработанной технологией проходки горных выработок.
Известен способ строительства вертикальной выработки буровзрывным способом [Описание изобретения к патенту РФ №2493367 от 06.07.2012, МПК E21D 1/03, опубл. 20.09.2013, Бюл. №26], включающий бурение грунта или горной породы с использованием бурового агрегата на манипуляторе, взрывание пород, экскавацию грунта или горной породы с использованием ковша, сооружение тюбинговой крепи с использованием самоходного полка проходческого.
Недостатком способа является использование для разрушения горных пород буровзрывной технологии, что снижает надежность, безопасность и экономическую эффективность проходки ствола. Как правило, настоящая и ей подобные технологии разработаны для теоретических, рафинированных условий проходки, которые не учитывают, в частности, негоризонтальность пластов горных пород с разными физико-механическими свойствами, когда ствол в одном уровне проходит через соседствующие легкодеформируемые и весьма устойчивые породы или через их выраженное наклонное расположение. Возведенная в таких геологических условиях крепь испытывает своеобразное нагружение и потенциально подвержена преждевременному износу.
Известен стволопроходческий комбайн, включающий монтажную раму для возведения армирующей крепи и забойную раму, щитовую распорную податливую оболочку в виде ряда установленных по периметру монтажной и забойной рамы шандор, связанных с ними посредством распорных гидродомкратов, исполнительный орган обработки сечения (диаметра) ствола, выполненный с возможностью осевого и радиального перемещения относительно забойной рамы, и систему управления [Описание изобретения к патенту РФ №2600807 от 29.09.2015, МПК E21D 1/03, опубл. 27.10.2016, Бюл. №30].
Недостатком комбайна является невозможность контроля процесса возведения армирующей тюбинговой и/или бетонной крепи в зависимости от оперативного изменения горно-геологических условий или при их несоответствии ранее произведенным геологическим изысканиям.
Задача, на решение которой направлена группа изобретений и достигаемый технический результат заключаются в повышении надежности и безопасности работ по возведению таких ресурсоемких и сложных инженерных сооружений, как шахтные стволы, в широком диапазоне горно-геологических условий - от легкодеформируемых до весьма устойчивых пород, в том числе в рамках одного геологического горизонта, - и специфических технологических особенностей проведения горнопроходческих работ, таких, например, как наличие или отсутствие предварительной заморозки ствола, наличие первичной крепи и/или анкерования и др. Кроме этого решается задача повышения эксплуатационной надежности шахтного ствола и производительность проходки, снижается ресурсоемкость горных работ.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе сооружения шахтного ствола, включающем механизированную разработку забоя, возведение временной крепи и дальнейшее возведение постоянной крепи с отставанием от груди забоя на величину не ниже уровня условной стабилизации остаточной деформации породных стенок, при котором нагрузка на крепь не превышает текущую несущую способность крепи, уровень условной стабилизации остаточной деформации породных стенок, при котором нагрузка на крепь не превышает ее текущую несущую способность определяют по характеру изменения деформаций породных стенок, для чего непосредственно у груди забоя, по меньшей мере, в одной точке фиксируют условно-исходное положение породной стенки ствола и по мере углубки ствола на заданный уровень производят, по меньшей мере, в одной точке измерение деформаций породной стенки относительно ее условно-исходного положения, после чего устанавливают характер изменения деформаций породных стенок ствола по высоте от уровня фиксации условно-исходного положения стенки ствола, а нагрузку на крепь определяют по текущей величине деформации на уровне условной стабилизации остаточной деформации породных стенок исходя из установленного характера деформации стенок ствола.
Кроме этого:
- изменение деформаций породных стенок определяют как разницу диаметров ствола на уровне груди забоя в точке условно-исходного положения породной стенки ствола и на заданном уровне;
- изменение деформаций породных стенок определяют как разницу периметров ствола на уровне условно-исходного положения породной стенки ствола у груди забоя и на заданном уровне;
- условно-исходное положение породной стенки ствола фиксируют у груди забоя путем назначения диаметра его обработки;
- измерения деформаций породных стенок производят в заданном уровне одновременно в нескольких точках по периметру поперечного сечения ствола и устанавливают характер изменения деформаций породных стенок ствола по точке с максимальной деформацией.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в стволопроходческом комбайне, включающем монтажную раму для возведения крепи и забойную раму, щитовую распорную податливую оболочку в виде ряда установленных по периметру забойной рамы шандор, связанных с ними посредством распорных гидродомкратов, исполнительный орган обработки поперечного сечения ствола, выполненный с возможностью, по меньшей мере, радиального перемещения относительно забойной рамы, и систему управления, по меньшей мере, между одной шандорой и одной из рам или обеими рамами и/или, по меньшей мере, между двумя соседними шандорами размещены датчики измерения перемещения, а система управления включает в себя блок обработки результата измерений, формирующий ординату уровня условной стабилизации остаточной деформации породных стенок от груди забоя, при этом система управления включает блок управления режимом обработки поперечного сечения ствола исполнительным органом.
Кроме этого, по меньшей мере, часть датчиков измерения перемещений размещена на распорных гидродомкратах или встроена в них.
Группа изобретений иллюстрируется чертежом, где показан общий вид стволопроходческого комбайна в забое шахтного ствола со схемой стабилизации его породных стенок.
В настоящем описании используются термины, требующие особого пояснения.
Под термином «уровень условной стабилизации остаточной деформации породных стенок» следует понимать уровень, при котором нагрузка на крепь вследствие возникших в результате ведения проходческих работ деформаций породных стенок не будет превышать текущую несущую способность крепи.
Под термином «заданный уровень углубки ствола» следует понимать перемещение стволопроходческого комбайна в осевом направлении вглубь ствола на величину шага обработки забоя, который, как правило, принимается кратным высоте рабочего органа.
Стволопроходческий комбайн включает монтажную раму 1 для возведения временной (условно не показана) и постоянной крепи 2 и забойную раму 3, щитовую распорную податливую оболочку в виде ряда установленных по периметру забойной рамы шандор 4, связанных с ними посредством распорных гидродомкратов 5, исполнительный орган 6 обработки поперечного сечения ствола, выполненный с возможностью радиального и, возможно, осевого перемещения относительно забойной рамы 3, и систему управления (условно не показана). В настоящем комбайне, по меньшей мере, между одной шандорой 4 и одной из рам - рамой 3 или рамой 1 или между обеими рамами 1 и 3 и/или, по меньшей мере, между двумя соседними шандорами 4, размещены датчики 7 измерения перемещения, а система управления включает в себя блок обработки результата измерений, формирующий ординату уровня Н условной стабилизации остаточной деформации породных стенок 8 от груди забоя 9, при этом система управления включает блок управления режимом обработки поперечного сечения ствола исполнительным органом 6. Следует отметить, что часть датчиков 7 измерения перемещений между шандорами 4 и рамой 3 или рамой 1, или между обеими рамами 1 и 3, для удобства размещения и обслуживания связаны с распорными гидродомкратами 5 или встроена в них.
1
1
i
a
Конструктивно настоящий стволопроходческий комбайн является одним из многих вариантов реализации оригинального способа сооружения шахтного ствола, который включает механизированную разработку забоя 9, возведение временной крепи (например, набрызг-бетона) и дальнейшее возведение постоянной крепи 2 с отставанием от груди забоя 9 на величину не ниже уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8, при котором нагрузка на крепь 2 не превышает ее текущую несущую способность, а уровень Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8 определяют по характеру а изменения деформаций породных стенок 8, для чего непосредственно у груди забоя 9, по меньшей мере, в одной точке О фиксируют условно-исходное положение породной стенки ствола 8 и по мере углубки ствола на заданный уровень производят, по меньшей мере, в одной точке h измерение деформаций δ породной стенки 8 относительно ее условно-исходного положения, после чего устанавливают характер =ƒ(δ, h) изменения деформаций породных стенок 8 ствола по высоте от уровня фиксации условно-исходного положения (точка О) стенки 8 ствола, а нагрузку на крепь определяют по текущей величине деформации δ на уровне Н условной стабилизации остаточной деформации породных стенок 8 исходя из установленного характера деформации этих стенок 8.
1
2
i
1
2
i
1
2
i
Изменение деформаций δ, δ, … δ породных стенок 8 определяют как разницу диаметров ствола на уровне груди забоя 9 в точке О условно-исходного положения породной стенки 8 ствола - диаметр D, - и на заданном уровне h, h, … h - диаметр d, d, … d, - и/или изменение деформаций δ породных стенок 8 определяют как разницу периметров стенок 8 ствола на уровне условно-исходного положения породной стенки 8 ствола у груди забоя 9 и на заданном уровне, а условно-исходное положение породной стенки 8 ствола фиксируют у груди 9 забоя путем назначения диаметра D его обработки.
Измерения деформаций δ породных стенок 8 производят в заданном уровне одновременно в нескольких точках по периметру поперечного сечения ствола и устанавливают характер изменения деформаций δ породных стенок 8 ствола по точке с максимальной деформацией (т.е. по «худшему» из замеров, который получился, например, в результате прохождения стволом границы пластов с различными физико-механическими свойствами).
По полученным данным смещения стенок 8 ствола на известном расстоянии от груди забоя 9 можно восстановить характер функции, описывающей деформации Δ стенок незакрепленного ствола при проходке в зависимости от расстояния h до забоя 9. Подобную функцию (см. книгу Булычева Н.С. Механика подземных сооружений и статью Боликова В.Е. и др. К вопросу о проведении стволов в тектонически-напряженном горном массиве) можно описать кривой, представляющей собой одну из ветвей параболы, то есть квадратичной функцией:
a
2
y=x+bx+с, где:
у(h) - расстояние от забоя,
x(Δ) - деформации стенок забоя,
а
, b и с - некоторые коэффициенты.
Экстремумом этой гипотетической параболы является точка, в которой деформации Δ стенок и расстояние h от забоя равны. Логично предположить, что началом координат в координатной системе при рассмотрении задачи является точка О, в которой деформации стенок 8 ствола равны нулю, также как и расстояние от забоя 9. То есть начало координат и экстремум рассматриваемой функции в данном случае совпадают (коэффициенты b и с равны нулю). Принимаем эту точку за условно исходное положение породной стенки 8. Тогда общий вид квадратичной зависимости может быть преобразован следующим образом:
а
2
y=х.
а
Коэффициент  характеризует функцию и полностью описывает совокупность влияющих (горно-геологических и технологических) факторов на рассматриваемом участке проходки.
i
i
Получив путем измерений значение деформации δ стенок 8 ствола на известном уровне h относительно уровня условно исходного положения хотя бы в одной точке, можно восстановить характер всей зависимости, получив значение коэффициента а из выражения
Крепь следует возводить на уровне Н условной стабилизации конвергенции породных стенок 8, когда приращение величины расстояния h от забоя не приводит к значительному приращению деформаций δ стенок ствола.
Приведенные рассуждения являются лишь примером интерпретации получаемых при измерениях данных. В действительности, математическое описание влияния расстояния h от забоя на смещение δ породных стенок вследствие конвергенции - это задача, имеющая на данный момент множество решений, описываемые различными функциональными зависимостями - экспоненциальными, логарифмическими и т.п. (см., например, работы Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. -М., Недра, 1982. 270 с.; Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. - М., Недра, 1982. 270 с.; Крупенников Г.А. и др. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок. - М., Недра, 1966. - 315 с.; Фотиева Н.Н. Расчет крепи подземных сооружений в сейсмически активных районах. - М., Недра, 1980. - 221 с.; Руппенейт K.В. Деформируемость массивов трещиноватых горных пород. - М., Недра, 1975. - 223 с. и другие работы). Использование этих зависимостей подразумевает применение эмпирических коэффициентов, для определения которых требуется проведение множества предварительных замеров, в отличие от предлагаемого способа, где теоретически достаточно одного замера. В любом случае, ни одно из существующих математических описаний не является превалирующим и вместе с тем все они учитывают гарантированный запас прочности, возникающий вследствие невозможности получения точной геологической картины ствола. С другой стороны, измерения, производимые непосредственно в процессе проходки позволяют, в частности, снизить завышенный запас прочности возводимой крепи ствола, не снижая надежности возводимого сооружения.
Проанализируем существенные признаки группы изобретений.
При сооружении всех шахтных стволов крепь 2 теоретически возводится на уровне не ниже уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8, причем эта величина определяется заранее по известным теориям. На практике это достигается либо монтажом крепи 2 на уровне, гарантированно выше теоретического уровня Н условной стабилизации, либо возведением крепи 2 на «удобном» расстоянии от забоя 9 с заведомым увеличением запаса прочности крепи 2. Во всех случаях увеличивают диаметр D сечения ствола «в проходке» и, соответственно, увеличивают материалоемкость крепи 2.
При сооружении ствола в соответствии с настоящим изобретением уровень Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8 реально замеряют непосредственно в процессе проходки ствола, для чего задают приемлемый для данной скорости проходки интервал замера (как правило, это шаг углубки или обработки забоя) и гарантированно определяют уровень Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8. Это позволяет, в частности уменьшить диаметр D сечения ствола «в проходке» и, соответственно, уменьшить материалоемкость крепи 2 без ущерба запасу ее прочности.
В качестве дополнительной информации горное предприятие получает реальное описание физико-механических свойств ствола по высоте, которое при желании можно сопоставить с ранее произведенными геологическими изысканиями и, при необходимости, скорректировать технологическую карту предстоящих ремонтно-восстановительных работ.
i
i
i
Изменение деформаций δ породных стенок 8 определяют как разницу диаметров ствола на уровне груди забоя 9 - D, - в точке О условно-исходного положения породной стенки 8 ствола и d на заданном уровне h или, как разницу периметров ствола на «нулевом» уровне условно-исходного положения породной стенки 8 ствола у груди забоя 9 и на заданном уровне h. Настоящие измерения можно с высокой точностью реализовать простыми распространенными методами, например, с использованием датчиков 7 измерения перемещения (или косвенными методами, например, с использованием условно не показанных датчиков давления и пр.), для чего периметр сечения ствола выстилают щитовой распорной податливой оболочкой в виде ряда установленных по периметру забойной рамы шандор 4. Шандоры 4 помимо базировки границ стенок 8 ствола, что делает возможным снимать достаточное количество усредненных значений деформаций δ стенок 8, также защищают область забоя 9 от неконтролируемого обвала породы.
Вышеперечисленные замеры деформаций δ требуют сравнения с неким условно-исходным положением породных стенок 8 ствола. Это положение удачно фиксируется у груди забоя 9 путем назначения диаметра D его обработки, которая осуществляется заданной программой работы исполнительного органа 6 стволопроходческого комбайна для обработки поперечного сечения ствола. В зависимости от конструкции исполнительный орган 6 выполнен с возможностью радиального перемещения относительно забойной рамы 1. При необходимости осевое перемещение (углубка, обработка забоя) исполнительного органа 6, например, фрезы (режущего барабана) 10, обеспечивается либо собственным осевым перемещением, либо перемещением совместно с забойной рамой 1.
i
i
i cp
i max
Для повышения точности измерений замер деформаций δ породных стенок 8 производят в заданном уровне h не в одной точке, что было бы достаточно для пород с одинаковыми физико-механическими свойствами (т.н. идеальные условия), а одновременно в нескольких точках по периметру поперечного сечения ствола, при этом характер изменения деформаций устанавливают не по среднему значению деформаций δ, а по точке с максимальной деформацией δ, т.е. по «худшему» из замеров.
1
1
2
i
i
Конструкция стволопроходческого комбайна отличается тем, что плотно прилегающие к породным стенкам 8 ствола шандоры 4 оснащены, как упоминалось выше, одним или несколькими датчиками 7 измерения перемещения. Теоретически, достаточно одного датчика 7 между одной из шандор 4 и одной из рам - забойной 1 или монтажной 3 или между двумя соседними шандорами 4. Однако, учитывая достаточно большие габариты ствола, измерения целесообразно осуществлять несколькими датчиками 7 и в нескольких уровнях, например, по числу шандор 4, если датчики 7 размещаются между шандорами 4 и забойной рамой 1 и монтажной рамой 3 или, если датчики 7 размещаются между соседними шандорами 4 - на их нижних и верхних участках. Датчики 7 измерения перемещений между деталями комбайна, установленные в одном уровне, например h преобразующие эти измеренные перемещения в значения деформации, например Δ породных стенок 8 в этом же уровне желательно дублировать в другом уровне, например h, отнесенном на некоторое удаление от первого или нескольких, например, трех и более разнесенных уровнях, если это необходимо. На практике это можно реализовать размещением датчиков 7 на уровне забойной рамы 1 и на уровне монтажной рамы 3 или около того, если датчики 7 размещают между соседними шандорами 4, а металлоконструкции рам 1 и 3 по какой-то причине ограничивают доступ к ним. Использование множества датчиков 7 в разных уровнях h позволяет увеличить точность измерений деформаций δ породных стенок 8 и более достоверно выявить и установить уровень Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8, при котором нагрузка на крепь 2 гарантированно не будет превышать ее текущую несущую способность.
Существуют три возможных варианта нейтрализации избыточных деформаций:
1 - увеличение диаметра обработки ствола;
2 - использование предварительного крепления (набрызг, анкетование и пр.);
3 - смещение работ по монтажу крепи 2 вверх по высоте ствола.
Последний метод нейтрализации при отсутствии технологических противопоказаний является наиболее предпочтительным.
Таким образом, получив исчерпывающую информацию об уровне Н стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8 с этого места или выше него можно начинать монтаж крепи 2. На практике, двухуровневый (т.е. имеющий забойную 1 и монтажную 3 раму) комбайн построен таким образом, что расстояние между забойной 1 и монтажной 3 рамами гарантированно перекрывает уровень Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8, например, на один метр для восьмиметрового диаметра ствола. Этому способствуют соответствующие габариты шандор 4 по высоте и чья податливость (возможность работы металлоконструкций в пределах упругих деформаций в том числе за счет применения распорных гидродомкратов 5 позволяет снимать независимые значения с каждого из разнесенных по высоте датчиков 7.
Измерение перемещений между соседними шандорами 4 осуществляются благодаря наличию гарантированного зазора между ними.
У длинномерных шандор 4 есть еще одно достоинство - они препятствуют неконтролируемому осыпанию породных стенок 8 между забоем 9 и уровнем реальной установки (монтажа) крепи 2. Это очень важно, когда на забойной раме 1 или комбайне в целом могут совершаться разнообразные плановые мероприятия от ремонта оборудования до смены экипажа и т.д.
Как упоминалось выше шандоры 4 связаны с забойной рамой 1 и монтажной рамой 2 посредством распорных гидродомкратов 5. Это позволяет на всех или части гидродомкратов 5 разместить датчики 7 измерения, что существенно упрощает конструкцию стволопроходческого комбайна без ущерба надежности конструкции.
Если оказывается, что на некотором горизонте уровень Н условной стабилизации остаточной деформации породных стенок 8 окажется выше уровня расположения монтажной рамы 3, то система управления предупредит об этом. В этом случае проводят серию мероприятий по снижению деформации стенок 8 ствола вблизи забоя 9 (набрызг, анкерование, увеличение диаметра обработки и пр.). Кроме этого возможно применение дополнительного подвесного полка над монтажной рамой 3. Следует отметить, что такие случаи являются не столь типичными при проходке ствола шахты.
На практике возможность отслеживания уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8 позволяет вмешаться в процесс проходки - система управления, например, дает команду исполнительному органу 6 на режим обработки поперечного сечения ствола, - диаметр D ствола «в проходке» уменьшается, но не меньше необходимого сечения ствола «в свету» с учетом толщины крепи 2, или диаметр D ствола «в проходке» увеличивается.
Следует отметить, что контролируемая «конусность» ствола вблизи забоя 9 способствует смещению стволопроходческого комбайна на очередной шаг вглубь забоя с минимальными энергозатратами.
i
Контроль деформаций δ в случае остановки проходческих работ позволяет отслеживать опасные для стволопроходческого комбайна смещения породных стенок 8, которые могут привести к его заклиниванию в стволе, что является следствием параметрического резерва технологических возможностей комбайна. Существующие технологии проходки шахтных стволов предусматривают специальные достаточно трудоемкие работы по исключению этого явления.
Безусловно, способ сооружения шахтного ствола по заявляемой технологии конструктивно можно осуществить на комбайнах иной конструкции, нежели описана выше, просто настоящий стволопроходческий комбайн конструктивно и в части затрат на изготовление, и эксплуатацию является оптимальным для комплексного решения задач строительства шахтных стволов.
Как видно, конструктивные и технологические особенности заявленных технических решений повышают надежность и безопасность работ по возведению шахтных стволов - ресурсоемких и сложных инженерных сооружений, - в широком диапазоне горно-геологических условий - от легкодеформируемых до весьма устойчивых пород, в том числе в рамках одного геологического горизонта. Это практически позволяет значительно уменьшить или исключить влияние специфических технологических особенностей проведения горнопроходческих работ, таких, например, как наличие или отсутствие предварительной заморозки ствола, наличие первичной крепи и/или анкерования и др. Это позволяет оптимизировать проходку ствола и толщину крепи 2 в сторону ее уменьшения. На практике это может выглядеть, в частности, как уменьшение объема извлекаемой породы и, соответственно увеличение скорости проходки при том же объеме извлекаемой породы, и экономия бетона для возведения крепи 2 при повышении эксплуатационной надежности шахтного ствола. В результате потребители получат современное горное предприятие с оптимальными затратами ресурсов.
Изобретения проиллюстрируем следующим Примерами:
Пример 1 - общий случай проходки шахтного ствола.
Элементы комбайна монтируют в заранее подготовленном технологическом отходе (коротком участке ствола, монтажной или стартовой камере) с помощью универсального кранового оборудования. Производят подключение всех необходимых коммуникаций (электроэнергия, вода, воздух). В результате внутри «юбки» шандор 4 располагаются монтажная 1 и забойная 3 рамы, которые контактируют с шандорами 4 посредством распорных гидродомкратов 5. Связь монтажной рамы 3 с забойной рамой 1 может осуществляться любым известным способом, например, таким, как описано в патенте РФ №2600807 от 29.09.2015.
Систему управления настраивают на диаметр ствола «в проходке» в соответствии с ранее полученными данными горно-геологических изысканий.
После монтажа оборудования и проверки его работоспособности на холостом ходу начинают процесс обработки забоя 9.
Исполнительный орган 6 обработки поперечного сечения ствола, выполненный, например, в виде фрезы (режущего барабана) 10, начитает свою работу в забое 9. Разрушенная порода выносится на поверхность.
После выработки первого слоя породы комбайн вместе с шандорами 4 смещается на величину проходки. Система управления начинает анализировать данные, полученные с датчиков 7 измерения перемещений (деформаций) породных стенок 8 и сравнивать их с условно-исходным положением (нулевыми точками) на уровне груди забоя 9. Выбирается максимальное из значений произведенных измерений - т.н. «худший» замер. Появляется возможность установить первое пока еще приблизительное значение уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8.
i
По мере углубки ствола система управления начинает анализировать значения произведенных измерений в замерах разных уровней, вследствие чего выстраивается достаточно достоверная картина определения уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8, при котором нагрузка на крепь 2 не будет превышать ее текущую несущую способность. При этом, каждое последующее измерение подтверждает выводы первичных измерений или оперативно выявляет тенденции изменений деформаций δ породных стенок.
В соответствии с технологическим регламентом начинают монтаж бетонной, тюбинговой, комбинированной или какой-либо другой крепи 2.
В породах, обладающих одинаковыми физико-механическими свойствами система управления никоим образом не «вмешивается» в процесс обработки забоя 9 исполнительным органом 6. Однако, как только свойства породы станут меняться, система управления выдает иной уровень Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8. Если этот уровень не выходит за уровень расположения монтажной рамы 3 продолжают осуществлять монтаж крепи 2. Если выходит вверх за уровень расположения монтажной рамы 3, то монтаж крепи 2 осуществляют с использованием дополнительных приспособлений, например, подвесного полка.
В зависимости от прочности (крепости) обрабатываемой породы формируется управляющий сигнал на исполнительный орган 6 - для более твердых и устойчивых пород обрабатываемый диаметр ствола уменьшают, для менее твердых и устойчивых - увеличивают. Соответственно изменяют толщину крепи 2 при сохранении заданного диаметра шахты ствола «в свету».
Эффект от использования изобретений будет тем больше, чем больше глубина шахтного ствола, а это многие сотни и даже тысячи метров.
Пример 2 - продолжение строительства шахтного ствола по новой технологии.
При проходке некоего шахтного ствола выявлена нестабильность породных стенок, требующая проведения дополнительных работ по исследованию стабильности пород и их укреплению. В результате существенно увеличились издержки на возведение крепи и снизилась скорость проходки.
i
Принимается решение о технологическом совмещении процесса оперативного измерения текущих перемещений (деформаций δ) породных стенок и, соответственно, выявления уровня Н условной стабилизации их остаточной деформации Δ, при котором выявленные нагрузки на крепь не будут превышать текущую несущую способность породных стенок 8. При невозможности оснастить существующий комбайн соответствующей системой управления для реализации заявленного способа, принимают решение о его демонтаже и доставке стволопроходческого комбайна, оснащенного функцией оперативного отслеживания уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок.
У груди забоя 9 готовят технологический отход (стартовую камеру) и в ней монтируют стволопроходческий комбайн, выполненный согласно изобретению.
После монтажа оборудования и проверки его работоспособности на холостом ходу начинают процесс обработки забоя 9 согласно Примеру 1.
В результате уменьшается объем извлекаемой породы, снижается объем бетона, идущего на монтаж крепи и увеличивается скорость проходки ствола при повышении его эксплуатационной надежности.
Пример 3 - проходка предварительно замороженного ствола.
Существующий опыт проходки предварительно замороженных шахтных стволов выявил проблему периодического повреждения трубок охлаждения и связанные с этим большие издержки на их восстановление или, если это допустимо, локализацию повреждений.
Как было описано выше, наличие, равно, как и отсутствие заморозки ствола для стволопроходческого комбайна, реализующего заявленный способ сооружения (проходки) не искажает картину объективного мониторинга уровня Н условной стабилизации остаточной деформации Δ породных стенок 8 для возведения крепи 2, при котором нагрузка на возводимую крепь 2 не будет превышать ее текущую несущую способность. Эффектом использования заявленных изобретений является уменьшение объема извлекаемой породы и, как следствие, возможность уменьшения диаметра обработки ствола «в свету» и увеличение расстояния от фрезы 10 до трубок охлаждения, что снижает вероятность их повреждения. Практика показывает, что, например, для ствола диаметром 8 м «в свету» диаметр «в проходке» можно уменьшить на 0,5 м, что обеспечивает «запас» на обработку до трубок охлаждения в среднем 0,25 м. Это, практически, гарантирует безаварийный проход ствола на всю глубину шахты.
Кроме того, повреждение трубок охлаждения может произойти в случае непринятия или несвоевременного принятия решений по нейтрализации деформаций породных стенок 8 ствола, так как их конвергенция способна привести к существенному искривлению трубок охлаждения, при котором будет нарушена их целостность и работоспособность. В такой ситуации крайне полезным оказывается контроль величины деформаций δ породных стенок 8. Так при достижении величины деформации δ породных стенок 8 значения, например, 80% от допустимой деформации трубок охлаждения, следует предпринять меры по устранению указанных деформаций, например, применить анкерование и/или первичное крепление, например, набрызг-бетон.
Проходка ствола осуществляется аналогично Примерам 1 и 2.
В результате использования изобретений повысилась надежность и безопасность работ по возведению шахтных стволов в широком диапазоне горно-геологических условий - от легкодеформируемых до весьма устойчивых пород, в том числе в рамках одного геологического горизонта, - и специфических технологических особенностей проведения горнопроходческих работ, таких, например, как наличие или отсутствие предварительной заморозки ствола, наличие первичной крепи и/или анкерования и др. Повысилась эксплуатационная надежность шахтного ствола и производительность проходки при снижении ресурсоемкости горных работ.