CC BY
15
© С.А. Масленников, A.A. Галенко, Д.И. Шинкарь, И.В. Михалко, Е.С. Беляков, 2013
УДК 622.272:622.283.4
С.А. Масленников, A.A. Галенко, Д.И. Шинкарь, И.В. Михалко, Е.С. Беляков
ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ КРЕПИ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ*
Рассмотрен вопрос разработки технологии строительства вертикальных стволов с комбинированной сталебетонной крепью с регулируемым режимом работы. Приведены результаты сравнительных расчетов скорости строительства по различным технологиям.
Ключевые слова: сталебетонная крепь, вертикальный ствол, горное давление, гидростатическое давление.
В настоящее время при строительстве вертикальных стволов в РФ наиболее широкое применение нашла совмещенная технология ведения работ. Простота организации, безопасность труда, относительно невысокая стоимость оснащения, меньшая загроможденность сечения ствола оборудованием, высокая, до 200 м/мес. и выше, скорость строительства, возможность механизации наиболее трудоемких процессов являются основными причинами, по которым в настоящее время до 90 % стволов проходят по данной технологии с креплением ствола монолитным бетоном. Увеличение доли стволов строящихся в сложных горно- и гидрогеологических условиях, при отрицательных температурах горных пород и воздушной среды в стволе, увеличенной нагрузки при неравномерном оттаивании приствольного массива привело к использованию в последних крупнейших
шахтостроительных проектах комбинированной чугунно-бетонной крепи. Несмотря на высокую трудоемкость наращивания колонны тюбингов и укладки за них бетона работы продолжают планировать и вести по совмещенной технологии, что существенно снижает скорость строительства, которая в большинстве случаев не превышает 25—30 м/мес. [1].
Исходя из этого, ниже рассмотрены два варианта технологии крепления вертикального ствола с использованием крепи с управляемым режимом работы. По первому из них все работы по креплению ведутся в забое ствола, т.е. по совмещенной технологии, по второй параллельно с основными проходческими процессами.
Крепление ствола крепью с управляемым режимом работы по совмещенной технологии
В отличие от проходки ствола по совмещенной технологии с креплени-
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Министерства образования и науки Российской Федерации: Государственный контракт № 14.740.11.0427 «Снижение риска и уменьшения последствий техногенных катастроф путем создания экологически безопасных технологий разработки техногенных месторождений с добычей из них полезных компонентов методами механохимической активации».
ем монолитным бетоном из перечня необходимого забойного оборудования исключается подвесная опалубка, что существенно снижает стоимость оснащения ствола к проходке.
Особые требования предъявляются к погрузочной машине. Серийно выпускаемые российской промышленностью одно- и двухгрей-ферные погрузочные машины не позволяют комплексно механизировать процесс заводки в проектное положение секций крепи, ведение сварочных работ, подачу бетона на высоте 4-5 метров, сократить объем погрузки породы во второй фазе. Все эти функции может выполнять гидравлический погрузчик с управляемым манипулятором, на который, в случае необходимости, навешивается ковш или грейфер для погрузки породы, отбойный молоток для механизации работ во второй фазе погрузки, люлька для ведения сварочных работ и бетонирования. В РФ как в настоящем, так и в прошлом опыт проектирования и применения машин подобной конструкции ограничен. Так, например, в литературе отмечена разработка комплекса шагающего оборудования (ВНИИ-ОМШС), включающего гидравлический погрузчик с управляемой стрелой. За рубежом широкий опыт применения подобных машин имелся в Канаде. С помощью пневмопогруз-чика конструкции Крейдермана были пройдены стволы на шахтах «Лейтч Гоулд Майн», «Джапан Елру Найф», «Фау Шафт» [2] и т.д. В настоящее время в Германии гидравлические грузчики с управляемой стрелой достаточно широко использует фирма Туээоп БсЬасЫЬаи. Во всех случаях подобные машины положительно за-
рекомендовали себя, обеспечивали высокую долю механизации труда, повышали скорость строительства.
Таким образом, применение подобных погрузчиков апробировано, а сами установки могут либо закупаться за рубежом, либо изготавливаться индивидуально под заказ на российских предприятиях.
Далее рассмотрим порядок производства работ в стволе при совмещенной технологии.
После погрузки породы и зачистки забоя проходчики с помощью пневматических установок типа БУКС или СМБУ бурят комплект шпуров, заряжают их взрывчатым веществом, монтируют сеть, поднимаются на поверхность и производят взрывание. Далее, после проветривания, осмотра забоя, спуска проходческого оборудования приступают к погрузке породы первой фазы. После того как расстояние от породы до нижнего края возведенной предыдущей заходки крепи достигнет 2-х метров приступают к спуску отдельных секций кольца крепи (см. рис. 1).
Исходя из требования минимизации трудозатрат габариты секции принимают максимально допустимыми (они ограничены размерами бадь-евого проема в проходческом полке). По забою секции перемещаются с помощью манипулятора или тросов погрузочной машины. При возможности оставления породных стенок незакрепленными на высоту до 2-х метров необходимо применение опорного поддона. Эта необходимость вызвана тем, что после укладки смеси за обечайку требуется 8-10 часов для набора бетоном прочности, исключающей вытекание раствора и обес-
Рис. 1. Работы в забое ствола при возведении крепи по совмещенной технологии
печивающей продолжение работ по погрузке породы.
Далее, через оставленные в верхней части кольца стальной обечайки проемы, с подвешенной к манипулятору погрузочной машины люльки, укладывают слой бетонной смеси высотой 0,8-1 м. После схватывания бетона продолжают погрузку породы, осуществляют разборку забоя, бурят шпуры, параллельно укладывают оставшуюся часть бетона и заваривают проемы, оставленные для укладки бетона. Далее весь цикл работ повторяется.
Совмещенная технология возведения крепи с управляемым режимом работы имеет важное преимущество — возможность изменять тип применяемой крепи без необходимости переоборудования забоя. Ее можно рекомендовать при строительстве стволов, в которых основной является чугунно-
бетонная, либо монолитная бетонная крепи, а сталебетонная возводится только на участках пересечения высоконапорных водоносных горизонтов.
Крепление ствола крепью с управляемым режимом работы по параллельной технологии
Параллельная технология достаточно широко применялась в России при проходке вертикальных стволов до 60-х годов XX в., при использовании тюбинговых, блочных, кирпичных и др. штучных крепей, т.е. тогда, когда возведение постоянной крепи требовало значительных затрат времени. Крепь с регулируемым режимом работы также характеризуется высокой трудоемкостью и длительностью возведения. Заводка в проектное положение сегментов стальной обечайки, их временное закрепление, сварочные работы, укладка и уплот-
Наименование процессов Единица измерения Сбьём работ Когшесггво рабочих Продолжительности процесса 1 смена II смена III смена IV смена V смена VI смена
8 Ю 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 Ю 12 14 16 18
1 Бурение илуров 10 м 44.8 5 5.21
2 Взрьвнье рабопы 5 166
3 Уборка породы 1 фазы м куб. 218 5 17.28
4 Уборка породы 2 фазы м куб. 14.5 5 5.62
5 Бурение илуров под анкеры ил. м. 71 5 3.11 > I I
6 Навеска сеггки м. кв. 94.2 5 191 I I
7 Нараицвание венггиляционного нрубопровода м 4 2 0.62 I
8 Нараиувание проггивопожарного прубогровода м 4 3 0.62
9 Нараиувание нрубопровода ок. воздуха м 4 3 0.6
Ю Нараиувание бетзнопровода м 4 2 0.6
Работы вьпопняеыье со вспомогаггвгъного попка
1 Мигвж сегменгтв спальной крепи секц 6 6 29.17 I
2 Укладка бегтна м. куб. 6 6 3.83
Рис. 2. График организации работ при возведении сталебетонной крепи по параллельной технологии
нение бетона, все это достаточно трудоемкие и длительные процессы, поэтому для повышения скоростей проходки в качестве основной следует рассматривать параллельную технологию. Условия, при которых породные стенки ствола могут оставляться незакрепленными на высоту 40-60 м являются для районов интенсивного развития горной промышленности РФ исключительными. Исходя из этого, основным недостатком параллельной технологии является необходимость наличия достаточно прочной и надежной временной крепи. На основе анализа имеющегося опыта применения облегченных крепей [3] в качестве временной при притоках воды в забой ствола до 6 м3/час. можно применять набрызгбетонную крепь, при притоках свыше 6 м3/час. анкерную. В наиболее сложных условиях в забое ствола с помощью передвижной металлической секционной опалубки целесообразно возводить монолитную бетонную крепь, которая будет являться составной частью постоянной крепи.
В отличие от последовательной технологии ствол оборудуется двумя полками: проходческим и вспомогательным. Проходческий полок служит для размещения на нем проходческого оборудования, подвески бурильной и погрузочной машин. Вспомогательный полок предназначен для ведения работ по возведению постоянной крепи. Он располагается на высоте 12-15 метров над проходческим полком.
Порядок производства работ в стволе при параллельной технологии (см рис. 2 и 3) следующий.
После погрузки породы и зачистки забоя проходчики бурят комплект шпуров, заряжают их, монтируют взрывную сеть, поднимают проходче-
ское оборудование и полки, производят взрывание. Далее, после проветривания, осмотра забоя, спуска проходческого оборудования приступают к погрузке породы первой фазы. После погрузки породы на 1,5-2 м. приступают к возведению временной крепи. При установке анкеров с помощью ручных перфораторов бурят шпуры в породных стенках ствола, устанавливают анкеры, навешивают металлическую сетку. При креплении набрызгбетоном в 1-2 слоя наносят смесь на породные стенки и приступают к дальнейшей погрузке породы. При необходимости делают в погрузке еще одну остановку для возведения временной крепи.
Далее осуществляют разборку забоя и весь цикл работ повторяется.
Во время погрузки породы и бурения, когда в забое задействовано 2-4 проходчика, со вспомогательного полка осуществляют наращивание секций стальной обечайки. Важным преимуществом параллельной технологии является возможность использовать стальные сегменты значительных размеров. Для этого вспомогательный полок располагают ниже планируемого края очередной заход-ки по креплению и распирают домкраты нижнего этажа в породные стенки/временную крепь ствола (см. рис. 3). Очередную секцию крепи с помощью канатов подъемных машин спускают на верхний этаж полка, перецепляют на расположенную там грузовую таль и далее опускают в зазор между полком и постоянной крепью предыдущей заходки в шаблон. Там уже секцию центрируют, выравнивают по отвесу, закрепляют и приступают к сварочным работам. В это время осуществляют спуск и установку в проектное положение следующей
Рис. 4. Сравнение трудозатрат при креплении стволов чугунно-бетонной, сталебетонной и трехслойной сталебетонной крепью
Рис. 5. Снижение затрат труда за счет уменьшения сечения ствола при переходе от крепления стволов чугунно-бетонной на сталебетонную крепь
секции. После наращивания става на 10-15 м. устанавливают опорный поддон, выполняют пикотаж, полок поднимают до уровня отверстий, оставленных для ведения бетонирования, и осуществляют укладку смеси. Выполненный расчет показал, что использование параллельной техноло-
гии по сравнению с совмещенной позволяет на треть увеличить скорость строительства (с 60 м/мес. до 80 м/мес.), интенсифицировать проходческие процессы за счет разнесения работ на две площадки и возможности увеличивать количество рабочих без потери эффективности их труда.
На рис. 4 в виде графика представлены результаты сравнения трудозатрат при возведении чу-гунно-бетонной, сталебетонной, сталебетонной трехслойной крепей в зависимости от диаметра строящегося ствола.
Как видно из рис. 4 наиболее трудозатратным является возведение трехслойной сталебетонной крепи, за счет необходимости вести работы по установке секций крепи в проектное положение и сварке дважды, для внешней и внутренней стальных оболочек.
При переходе от чу-гунно-бетонной крепи к сталебетонной, даже при той же толщине слоя бетона, диаметр ствола вчерне сокращается. Это связано с тем, что тюбинг имеет внутренние ребра, и при толщине стенки 30 мм общее увеличение радиуса ствола достигает 230 мм. Уменьшение площади ствола в проходке ведет к снижению объемов бурения шпуров, погрузки и выдачи на поверхность породы, объемов
крепления. Расчетное снижение трудоемкости работ, приведенных к погонному метру готового ствола показаны на рис. 5.
Крепление стволов комбинированной сталебетонной крепью с регулируемым режимом работы является трудоемким процессом и приводит к
увеличению сроков строительства. Данный недостаток может быть частично устранен переходом от совмещенной к параллельной технологии крепления. Как показали выполненные расчеты, такое решение позволяет на треть увеличить скорость проходки и довести ее до требований нормативов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Масленников С.А. Состояние и перспективы строительства вертикальных стволов в Российской Федерации // Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч тр. / Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 174 - 191
2. Малевич Н.А. Комплексы оборудования для проходки и бурения вертикальных стволов. Госгортехиздат, 1960. 251 с.
3. Кравченко Г. И. Облегченные крепи вертикальных выработок. - М.: Недра, 1974. -208 с. ЕЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Масленников Станислав Александрович — кандидат технических наук, доцент, MaslennikovSA@mail.ru,
Галенко Андрей Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, Шинкарь Денис Игоревич — аспирант, Михалко Иван Васильевич — студент, Беляков Евгений Станиславович — студент,
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
РАЗРАБОТКА ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ВСКРЫТИЯ, ПОДГОТОВКИ И ОБРАБОТКИ ЗАПАСОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ ЗАЛЕГАЮЩИХ В ВИДЕ БРАХИСИНКЛИНАЛЕЙ
(№ 933/01-13 от 26.10.12, 14 с.)
Мельник Владимир Васильевич — доктор технических наук, заведующий кафедрой, Хуцишвили Гурам Алексеевич — аспирант, Лунев Сергей Александрович — аспирант,
Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru
HE DEVELOPMENT OF THE VARIANTS OF TECHNOLOGICAL SCHEMES OF OPENING, THE PREPARATION AND HANDLING OF COAL LAYERS LYING IN THE FORM OF BRACHISINCLINALES
Melnik Vladimir Vasilievich, Khutsishvili Alexander Alekseevich, Lunev Sergey Alexandrovich
