Основные проектно-конструкторские решения и область применения «Поточной» технологии сооружения вертикальных стволов

© И.Н. Вершинина, 2002

УЛК 622.258

И.Н. Вершинина

ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ РЕШЕНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ «ПОТОЧНОЙ» ТЕХНОЛОГИИ СООРУЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Одним из наиболее сложных, продолжительных и трудоемких процессов в комплексе работ по строительству шахты является проходка вертикальных стволов. В горнодобывающей промышленности в последние 25-30 лет длительное время отсутствует прогресс в этой области, несмотря на отдельные бесспорные научно-технические и проектные достижения.

Одной из основных причин сложившихся отрицательных тенденций в строительстве вертикальных стволов в горнодобывающей промышленности является исключительное применение совмещенной технологической схемы проходки и последовательной схемы армирования, независимо от горно-геологических условий, технических решений проекта и стратегии строительства предприятия, а также морально устаревшее оборудование, созданное более 3040 лет назад. Вследствие этого наблюдается застой в динамике развития технико-экономических показателей сооружения вертикальных стволов.

Анализируя структуру затрат времени, стоимости и трудоемкости строительства стволов Восточного Донбасса, можно сделать вывод, что усовершенствование только отдельных комплексов работ не может улучшить технико-экономические результаты строительства ствола.

Комплекс исследований, выполненных в данной статье, посвящен разработке наиболее эффективной параллельной технологической схемы проходки стволов с одновременным армированием.

Основным параметром технологии, влияющим на ее эффек-

тивность, является коэффициент интенсивности Кин - отношение полезного времени в цикле к сумме полезного времени и времени простоев, связанных с технологией ведения работ. При одинаковой технической оснащенности, показателях буровзрывных работ и прочих равных условиях, но при различной (т.е. при различных значениях основного параметра КиН) технологии интенсивность процесса и результаты проходки неодинаковы. Достигнуты высокие и рекордные скорости проходки и производительность труда там, где основной параметр технологии более 0,74-0,9.

При параллельной технологической схеме (по сравнению с совмещенной) удельные затраты времени ниже на 30-50 %, технические скорости выше в 1,5-2 раза, а производительность труда - в 1,3-1,4 раза. Это обусловлено тем, что вследствие совмещения основных технологических процессов доля полезного времени цикла увеличилась до 0,740,88, затраты времени на технологические потери снизились до 26-12 %.

При параллельной технологической схеме за период с 1953 по 1970 г. достигались весьма высокие и рекордные скорости проходки (390, 401 м/мес.) и производительность труда на выход одного проходчика готового ствола в свету (5-8,5 м3), а затраты времени на 1 м проходки снизились до 1 ч 40 мин. Несмотря на достигнутые показатели проходки при параллельной технологии, она в дальнейшем не получила распространения на практике.

Причинами этого является несовершенная конструкция при-

менявшихся щитовых комплексов (КС-1м/6,2; ДШП-1; ДШП-2) и их щитовых оболочек; жесткая металлическая конструкция щитов длиной 10 м и более, большая металлоемкость, увеличение количества и металлоемкости вспомогательного оборудования, требование благоприятных гор-но-геологичес-ких условий: устойчивых боковых пород, их пологого залегания, притоков воды не более 5-8 м3/ч; сложность и повышенная опасность ведения работ.

В силу затратного характера экономики работы над совершенствованием параллельной технологической схемы в бывшем СССР не велись, и подавляющее применение получила наиболее простая совмещенная технология независимо от горно-геологических и технических условий проходки и поставленной цели.

По аналогичной причине не нашла дальнейшего развития успешно применявшаяся в 19581961 гг. технология армирования стволов одновременно с проходкой, позволявшая исключить затраты времени на переоснащение стволов к армированию и совместить основные операции по монтажу армировки с технологическим циклом проходки ствола, несмотря на новые конструктивные, планировочные и технологические решения (без-расстрельные и малорасстрельные схемы, крепление расстрелов анкерами к стенкам ствола, эффективные монтажные шаблоны и др.).

Радикальное повышение технико-экономической эффективности строительства вертикальных стволов при современном уровне развития техники и технологии может быть достигнуто за счет модернизации параллельной технологической схемы проходки стволов с одновременным армированием, используя современные научно-технические достижения в этой области и создание на их основе "поточной" технологии строительства стволов с максимальной интенсивностью производственных

процессов и совмещением их во времени.

«Поточная» технология строи-

тельства стволов состоит из взаимоувязанных в проходческом цикле процессов по выемке породы, возведению постоянной крепи, армированию и может быть охарактеризована следующими квалификационными признаками:

• буровзрывной способ разрушения породы;

• параллельная технологическая схема проходки с отставанием постоянной крепи на некоторое расстояние от забоя, позволяющее совместить во времени производственные процессы по выемке породы, креплению ствола и армированию;

• временная крепь на участке между забоем и постоянной крепью, возводимая вслед за его подвиганием;

• параллельная технологическая схема монтажа жесткой армировки, включая расстрелы и проводники, сверху вниз вслед за постоянным креплением.

Временная крепь.

Отставание постоянной крепи от забоя ствола определяется безопасной высотой подъема натяжного полка во время ведения буровзрывных работ, габаритами собственно натяжного полка и минимально допустимым расстоянием между ним и полком для возведения постоянной крепи и армирования и составляет 30-40 м.

Выбор типа и расчет параметров временной крепи следует производить дифференцированно в зависимости от геологических условий проходки, организации и методов производства работ.

Для поддержания обнаженных стенок ствола на незакрепленном участке от низа монолитной бетонной крепи до поверхности забоя ствола в качестве временной крепи предпочтение следует отдать на-брызгбетонной крепи и анкерной крепи по критерию трудоемкости в сочетании с набрызгбетоном или металлической сеткой в случае необходимости упрочнения пород.

Концепция крепления.

Высота незакрепленного участка ствола и реактивный отпор крепи, незначительно влияют на условия возникновения и закономерности развития области

неупругих деформаций в прикон-турном массиве. Определяющим фактором является отношение уровня начального напряженного состояния породного массива уИ к прочности вмещающих горных пород ^с на соответствующей глубине ствола. Неравномерность нагруженности контура ствола, возникающая при наличии реактивного отпора крепи и породы забоя практически не сказывается на условии возникновения и закономерностях развития вглубь массива области неупругих деформаций. Учет влияния высоты незакрепленного участка ствола может дать крайне незначительную поправку при расчете размеров области неупругих деформаций, эта поправка укладывается в погрешность расчета.

Для совмещенной схемы проходки на величину переборов пород существенное влияние оказывает толщина крепи в зависимости от которой площадь ствола, а следовательно объем выемки породы, увеличивается на 726 %. Для параллельной и последовательной схем толщина крепи не влияет на объем переборов, так как крепь возводится на удалении от забоя и не мешает обу-ривать забой. Величина перебо-

ров пород при применении последовательной или параллельной технологической схем составляет 2,4-3,6 % от площади ствола в свету.

Уменьшение величины переборов пород позволяет снизить объем расхода бетона. Для совмещенной схемы объем перерасхода бетона достигает 59-67 % (в зависимости от толщины крепи и диаметра ствола), а при параллельной (последовательной) - 9-20 % (в зависимости от диаметра ствола).

Применение параллельной или последовательной технологической схемы по сравнению с совмещенной улучшает качество крепи, снижает действующие на нее нагрузки на 12-15 %, позволяет уменьшить переборы породы и тем самым сократить объем выемки породы и расход бетона.

Армирование.

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяют последовательную технологическую схему армирования после окончания проходки ствола на всю глубину и переоснащения и решения вопросов вентиляции и водоотлива. Последовательная технологическая схема характеризуется прерывностью и последовательностью

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКТИВНЫМ И ТЕХНИЧЕСКИМ РЕШЕНИЯМ

Наименование показателя Технические и технологические требования

Глубина стволов, м 500-1200

Диаметр в свету, м 6; 7; 8; 9

Назначение скиповые, клетевые, вентиляционные и др.

Способ проходки буровзрывной

Категория устойчивости пород І-ІІІ

Способ водоподавления тампонаж с поверхности

Технологическая схема проходки ствола параллельная с одновременным армированием

Тип временной крепи анкера в сочетании с металлической сеткой; набрызг-бетон

Тип постоянной крепи монолитная бетонная крепь

Технология спуска бетонной смеси специальными большегрузными контейнерами

Подвижность бетонной смеси 9-10 см

Класс бетона по прочности В 15-30

Отставание постоянной крепи от забоя определяется безопасностью ведения буровзрывных работ и устойчивостью вмещающих пород

Тип армировки жесткая, безрасстрельная

Технологическая схема армирования параллельная сверху-вниз одновременно с проходкой

выполнения работ и, как следствие, крайне низким коэффициентом интенсивности.

Более эффективные параллельные технологические схемы армирования не находят применения из-за несоответствия их типовым конструкциям армировки, отличающимся большой сложностью и нетехнологичностью.

Применению прогрессивной технологии армирования вертикальных стволов одновременно с проходкой препятствуют типовые конструкции жесткой армировки, расстрелы которой загромождают сечение ствола и не позволяют разместить в нем современные проходческие бадьи большой емкости.

Кардинальное повышение эффективности технологии армирования вертикальных стволов

может быть достигнуто только путем совершенствования конструкции армировки во взаимосвязи с технологией проходки и армирования стволов.

Наиболее эффективным направлением совершенствования конструкций жесткой армировки в настоящее время является без-расстрельная армировка с креплением конструктивных элементов анкерами к стенкам ствола, позволяющая вести работы с минимальными затратами по параллельной технологической схеме сверху вниз одновременно с проходкой ствола.

Применение безрасстрель-ной армировки по сравнению с традиционной расстрельной снижает металлоемкость на

11.5-37,7 %, трудоемкость на

21.5-53,9, стоимость изготов-

ления и монтажа конструкций на 22,3-58,6 % в зависимости от схемы, позволяют разместить проходческое оборудование при ведении работ параллельно с проходкой.

Армирование стволов одновременно с их проходкой может быть успешно осуществлено лишь при применении безрасстрельных конструкций армировки и параллельной технологической схеме проходки ствола.

Основные технические требования к конструктивным и технологическим решениям параллельной технологической схемы проходки ствола с одновременным армированием сформулированы в таблице.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Вершинина И.Н. — Южно-российский государственный технический университет, г. Шахты.

© И.И. Мартыненко, И.А. Мартыненко, М.В. Васьковиова, И.А. Капралова, 2002

УЛК 622.258

И.И. Мартыненко, И.А. Мартыненко,

М.В. Васьковиова, И.А. Капралова

НОВЫЕ СПОСОБЫ КРЕПЛЕНИЯ ВЫЕМОЧНЫХ ВЫРАБОТОК, ОСНОВАННЫХ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТРАЛИЦИОННО ПРИМЕНЯЕМЫХ СЕРИЙНЫХ КРЕПЕЙ

ЖЖ традиционно применяемым 1^^ на шахтах Юго-Восточного И ^Донбасса серийно изготовляемым крепям выемочных выработок относятся: металлическая податливая арочная трехзвенная крепь типа КМП-А3 - при сводчатой форме поперечного сечения выработок; металлическая анкерная распорно-замковая крепь типа ЭС-1 (с 1994 г. вместо этого типа АШ-1), устанавливаемая вблизи

проходческого забоя, и возводимая впереди первой лавы дополнительно к анкерной металлическая податливая трапециевидная крепь типа КПС или ТПМК, а также деревянная или смешанная (деревянные ножки, металлический верхняк) рамные крепи - при трапециевидной (прямоугольной) форме поперечного сечения вы-работок.На основании выполненных исследований [1, 2] установ-

лено, что проблемы поддержания выемочных выработок шахт региона часто обусловлены несовершенством применяемых способов крепления: арочного - ввиду оставления незаполненными пустот над верхняками; анкерного -из-за низкого предварительного натяжения штанг и медленного нарастания их сопротивления извлекающей нагрузке. Так как заполнение закрепленных пустот в своде вручную породой или деревом недостаточно эффективно, то представляют интерес работы по апробации способов арочного крепления с заполнением закреп-ного пространства твердеющим материалом (ЗЗПТМ). Применение анкерной крепи при проведении выработок со сводчатой формой поперечного сечения позволяет производить ЗЗПТМ любым способом на произвольном расстоянии от проходческого забоя, что дает возможность минимизировать отрицательное влияние работ по заполнению на скорость прове-