СПОСОБ ПРОХОДКИ ТОННЕЛЯ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
METHOD OF TUNNELLING IN ROCKS

Изобретение относится к горной промышленности и касается технологий образования тоннелей и выработок значительного сечения для использования их в качестве: транспортных, вентиляционных, для прокладки различных коммуникаций.
В технологии проходки тоннелей известны отдельные и комплексные процессы, включающие основные операции: разработку и разрушение пород на забое, дробление породы, удаление из зоны забоя проходимой выработки; с использованием для этого различных механических проходческих щитов и устройств [Дмитриев А.П. Термическое и комбинированное разрушение горных пород, М., Недра, 1978; Кутузов Б. Н. Разрушение пород взрывом, М., Недра, 1980; SU 822604, E29D 9/00; SU 828761; RU 2207973, 2002; SU 1480391; Величкин Б.А. Строительство тоннелей метрополитенов, М, СИ, 1971; SU 924389, E21D 11/10, 1977; RU 2148699, Е21В 25/00, 1998.]. Последнее из указанных решений является наиболее близким по технологической сущности и достигаемому положительному результату.
Существенными и очевидными недостатками указанного способа проходки выработок являются: значительные трудовые и высокие энергетические затраты на осуществление операций разрушения пород на забое совместно с незначительной производительностью и низкой эффективностью работ.
Технической задачей и технологическим положительным результатом заявляемого способа является более эффективное комплексное воздействие на забой с увеличением производительности, снижением трудо- и энергозатрат на отдельные операции и весь процесс разрушения пород на забое, их удаления и образования ствола проходимого тоннеля.
Указанная задача и технический результат достигаются в способе за счет того, что способ проходки тоннеля в горных породах характеризуется тем, что разрушение пород ведут текучим рабочим агентом, образуя линейные выработки по нормальному контуру тоннеля, также проходят отдельные горизонтальные или наклонные скважины с забойного торца тоннеля, между этими скважинами образуют криволинейные и прямые выработки в различных направлениях площади забоя, импульсным силовым воздействием из полостей пройденных скважин и выработок разрушают монолит забойной части проходимого тоннеля, части, осколки и шлам разрушенной породы отделяют от забоя силовым воздействием текучей рабочей среды и удаляют из ствола проходимого тоннеля.
Способ, также характеризующийся тем, что выработки по контуру тоннеля образуют криволинейными переменного радиуса кривизны и сечения.
Способ, также характеризующийся тем, что в качестве рабочего агента для разрушения пород используют сжатую газовую и парогазовую среду.
Способ, оригинально характеризующийся тем, что в качестве рабочего агента используют перегретые жидкие и газообразные фазы энергоматериалов.
Способ, также характеризующийся тем, что в качестве источников рабочего агента для разрушения породы используют эластичные удлиненные трубчатые элементы, оснащенные перегреваемой рабочей средой.
Способ, также характеризующийся тем, что для выработки рабочего агента, подаваемого на забой, используют мультимодульные реактивные аппараты.
3
3
Способ проходки тоннеля осуществляют следующим образом. С помощью указанных известных технических средств, преимущественно конструкции А.И.Плугина, ведут разработку и разрушение пород на забое, причем выполняют эти технологические операции оригинальными приемами. Первоначально ведут проходку отдельных горизонтальных или слабонаклонных (под углом около 10-15° к горизонту) скважин диаметром 120-150 мм по оси и на расстоянии 2-3-х диаметров скважин одна от другой по системе «ромашка» с помощью мультимодульных реактивных аппаратов; по образующим тоннельного сечения выполняют прямые и криволинейные выработки переменного сечения с кривизной дуги - от радиуса тоннеля до 0.1 этого радиуса; причем все указанные скважины и выработки проходят в местах наименьших напряжений сжатий горного массива в различных направлениях поперечного сечения тоннеля. Это условие выполняют для предупреждения возможных самопроизвольных трещинообразований в этом массиве, которые могли бы привести к неконтролируемым спонтанным разрушениям образованного «скелета» в этом массиве породы. Приборной диагностикой с помощью УЗК-излучателей и приемных детекторов, расположенных в пройденных скважинах и выработках, определяют прочностные данные свода тоннеля и перемычек между выработками и скважинами. По полученным характеристикам прочности перемычек выбирают тип эластичных зарядов по необходимой разрушающей способности, которые формируют в удлиненных трубчатых элементах, оснащенных перегреваемой рабочей средой, в частности используют воду, перекись водорода и термитные мгновенно перегреваемые стержни для мгновенного - взрывного перегрева водной эмульсии, расширение которой в пределах 0.5*10-0.9*10 раз позволяет создать взрывную парогазовую волну для разрушения монолита забойной части и перемычек между скважинами и между самими прямыми и криволинейными выработками. При этом сначала разрушают перемычки в верхней сводообразующей части проходимого тоннеля на расстоянии от свода около 1/3 диаметра (высоты) тоннеля. Затем разрушают перемычки боковых сторон тоннеля одновременно с двух его сторон; далее последовательно разрушают центральные перемычки и у основания тоннеля; образованные разрушением осколки, части массива, шлам отделяют от забоя силовым воздействием текущей рабочей среды и удаляют по пластинчатому транспортеру из зоны забоя и из ствола проходимого тоннеля. В качестве такой рабочей среды используют указанную перегреваемую смесь, заключенную в эластичные удлиненные трубчатые элементы, которые размещают в забойной части в образовавшихся пустотах после разрушения перемычек, как это отражено выше, с помощью перегретых жидких и газообразных фаз, вырабатываемых из энергоматериалов (вода, перекись водорода, термитные стержни с токоподающими элементами: 30÷50 В и 350÷500 А).
TH
2
2
Для экспериментальной проверки эффективности данного способа был выбран участок тоннеля в гранитном массиве. При диаметре тоннеля D=5.0 м были пройдены скважины dckв=120-135 мм длиной l=2100 мм по оси тоннеля и по системе «ромашка» вокруг этой лидерной скважины на расстоянии 320-340 мм (между стенками, образующими перемычки этой толщины); затем с учетом площади поперечного сечения Fтн тоннеля были пройдены прямые выработки по боковым сторонам с шириной щели 92-100 мм, также были пройдены последними криволинейные выработки у свода тоннеля с радиусом кривизны, равным Rтн, 0.5 Rтн, 0.3 Rтн и 0.1 Rтн шириной щелей 92-110 мм. Разрушение перемычек проводилось с учетом прочности перемычек на сжатие, статические нагрузки на изгиб и скол, начиная от области свода проходимого тоннеля, с помощью импульсно-взрывного давления перегретой газовой и парогазовой среды, формируемой под давлением Р=500-700 кгс/см с температурой t=300-400°С в полостях эластичных (упруго-податливых) элементов. После разрушения перемычек с боков, по центру и у подошвы тоннеля все части породы, осколки и шлам отделяют от забоя с помощью аналогичного взрывного давления перегретой среды, выбирая Р=50-200 кгс/см при t=200-250°С; далее разрушенную породу откатывают из ствола проходимой выработки и повторяют технологический цикл проходки по технологическим операциям, изложенным выше.