CC BY
72
УДК 622.272
С.В. Черданцев, Н.Ф. Косарев, С.Н. Рогозин КРЕПЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ОБЖАТОЙ ВИНТОВОЙ КРЕПЬЮ
Обстановка, сложившаяся в последние годы на угольных шахтах Кузбасса в связи с их повышенной газоносностью указывает на острую необходимость проведения дополнительных вентиляционных выработок, в основном вертикальных.
Для их строительства в настоящее время, как
и почти полное их совмещение во времени, повышается безопасность и производительность труда проходчиков .
Совершенствование техники и технологии способа бурения стволов развивается в трех направлениях [1]: 1) бурение с поверхности с запол-
Рис. 1. Схема бурения и крепления вертикального ствола а) монтаж бурильной установки, бурение передовой скважины и ее последующее расширение; б) сооружение форшахты, монтаж бурильной машины, бурение ствола до проектных размеров и крепление ствола секциями винтовой крепи сверху вниз ; 1 - бурильная установка ОИ-25в фирмы «Вирт»;
2 - передовая скважина; 3 - головка-расширитель; 4 - бесштанговая бурильная машина ББ-УІІ-650/850 фирмы «Вирт»; 5 - проходческий полок; 6 - затяжка; 7 - секция винтовой крепи; 8 - нулевая рама ■ 9 - бадья БПСМ-0 75; 10 - проходческий копеп
в отечественной, так и зарубежной практике широкое развитие получил способ бурения с применением различных бурильных установок и стволопроходческих комбайнов [1, 2]. При таком способе обеспечивается комплексная механизация всех технологических процессов проходки ствола
нением проходимого ствола буровой жидкостью с последующим креплением; 2) бурение и расшире-
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 05-08-33470).
ние передовой скважины с последующим расширением ствола до проектных размеров в направлении снизу вверх; 3) создание бесштанговых буровых машин (комбайнов) с выдачей породы по скважине на нижележащий горизонт или на поверхность с одновременным возведением крепи.
Применение реактивно-турбинных установок и стволопроходческих комбайнов позволило значительно повысить технико-экономические показатели строительства стволов. Однако это направление имеет и ряд существенных недостатков: низкий КПД выдачи буровой мелочи; большой расход металла на крепление ствола; последовательность операций крепления ствола и тампонажа закрепного пространства.
Специализированными фирмами ФРГ «Дай-льман-Ханиэль», «Тиссен шахтбау» и «Вирт-машинен» разработана новая технология бесштан-гового бурения стволов с предварительно пройденной опережающей скважиной [1]. Обязательное условие применения этой технологии - наличие на подготовляемом горизонте под центром ствола подземной выработки и возможности приема и транспортирования буровой мелочи, поступающей в процессе бурения.
Последовательность работ проходки ствола способом бурения с передовой скважиной с помощью бурильной установки вИ-250 фирмы «Вирт» показана на рис. 1.
На первом этапе (рис. 1, а) по оси будущего ствола с поверхности бурится скважина диаметром 216 - 311 мм с промывкой и пылеподавлени-ем водой. Вертикальность бурения соблюдается благодаря специальной направляющей буровой штанге, размещенной за головкой бура.
После сбойки направляющей скважины с подземной выработкой буровая головка демонтируется и заменяется головкой-расширителем, после чего скважина расширяется снизу вверх до диаметра 2,4 м.
На втором этапе (рис. 1, б) проходится и бетонируется форшахта глубиной 10 - 12 м, монтируется стволопроходческая машина 4 и осуществляется бурение ствола на проектное сечение.
К сожалению, для крепления вертикальных выработок, сооружаемых в слабых неустойчивых породах нет эффективных типов крепей.
Например, монолитная бетонная и сборная железобетонная крепи используются лишь для крепления вертикальных стволов диаметром более 5 м.
Металлическая кольцевая крепь неустойчива в вертикальных выработках в продольном направлении и поэтому также неприменима.
Анкерная крепь предназначена для крепления горизонтальных и слабонаклонных выработок.
В этих условиях нам представляется эффективным использовать винтовую крепь, представ-
ляющую собой качественно новый тип крепи, геометрические параметры которой показаны на рис.
2.
В отличие от традиционных типов крепей, винтовая крепь способна взаимодействовать с массивом горных пород в режиме предварительного обжатия [3].
Этот режим не реализуем у традиционных типов крепей. Его сущность заключается в том, что предварительно обжатая винтовая крепь создает отпор на окружающий массив, предотвращая расслоение кровли выработки и, тем самым, повышая ее устойчивость.
Рис. 2. Геометрические параметры винтовой крепи
В результате предварительного обжатия винтовой крепи между породными стенками выработки и крепью возникают силы д и д2 (рис. 2) [3].
Сила д2, действуя вдоль главной нормали осевой линии крепи, создает реактивный отпор на окружающий массив. Сила д1, направленная вдоль осевой линии крепи, в свою очередь, имеет две составляющие д1(1 и д1(2), определяемые по формулам [3]
(1) ( 2 )
= д\соъа\, у = д^та^,
где а1 - угол подъема осевой линии обжатой винтовой крепи, представляющий собой сумму угла подъема а недеформированной осевой линии крепи и угла поворота относительно главной норма-ли$2.
Отметим, что составляющая д1(1 действует в плоскости поперечного сечения выработки, а составляющая д/2 направлена вдоль оси выработки (рис. 1) и препятствует тангенциальной составляющей внешней нагрузки сдвинуть винтовую крепь вдоль выработки и опрокинуть ее.
Рис. 3. Конструкция винтовой крепи
Таким образом, в отличие от традиционных типов рамных крепей, устойчивое состояние винтовой крепи в вертикальных выработках является ее внутренним качеством, зависящим от величины обжатия крепи, угла подъема ее осевой линии и коэффициента трения крепи о породный массив. Поэтому в процессе крепления выработок предва-
рительно обжатой винтовой крепью отпадает необходимость ее прикрепления к боковым породам, что является несомненным преимуществом винтовой крепи по сравнению с традиционными рамными крепями.
Винтовая крепь [4] состоит из трех звеньев 1 -3 одинаковой длины (рис. 3, а). Боковые звенья 1,
Рис. 4. Схема бурения и крепления восстающей выработки а) монтаж бурового комбайна КВ, бурение передовой скважины и ее расширение до проектного сечения; б) монтаж копра, подъемного оборудования и крепление ствола секциями винтовой крепи снизу вверх;1 - буровой станок комбайна КВ; 2 - рабочий инструмент комбайна; 3 - шламоулавливающее устройство; 4 - копер; 5 - лебедка; 6 - нулевая рама; 7 - проходческий полок; 8 - винтовая крепь; 9 - затяжка; 10 - анкер; 11 - опорное кольцо
3 жестко соединяются со средним звеном 2 болтами (рис. 3, б), для чего звено 2 имеет пазы с отверстиями, а боковые звенья снабжены выступами с отверстиями. Жестко соединенные в узлах А (рис. 3, б) звенья не допускают взаимных перемещений и поворотов относительно друг друга и образуют одну секцию винтовой крепи 4 (рис. 3, б).
Установка винтовой крепи осуществляется параллельно бурению ствола сверху вниз (рис. 1, б) с применением двухэтажного подвесного проходческого полка 5, оборудованного маслостан-цией и двумя тельферными установками.
Звенья винтовой крепи подаются через ляды проходческого полка на нижний его этаж, где с помощью тельферных установок собираются в секции. Каждую секцию устанавливают в выработке соответственно ранее установленным секциям и затем между секцией и стенками выработки вводят клинья 5 (рис. 2, в).
Обжатие каждой секции производится с помощью пяти металлических клиньев: (рис. 2, в). Пространство между стенками выработки и секциями крепится затяжками 6 (рис. 2, в), которые устанавливаются с верхнего этажа полка.
Во время сборки и предварительного обжатия секций проходческий полок распирается верхними гидродомкратами в затяжки, а нижними гидродомкратами - в породные стенки ствола.
По мере монтажа секций и установки затяжек металлические клинья убираются. Проходческий полок перемещается вниз и процесс повторяется.
Спуск-подъем рабочих и подача звеньев винтовой крепи к месту сборки производятся с помощью малогабаритной проходческой бадьи БПСМ-
0,75 (рис. 1, б).
Установленный ряд секций образует в выработке сплошную несущую конструкцию, но при этом каждая секция взаимодействует с массивом независимо от соседних (рис. 1, б).
Обратим внимание, что описанная технология применима также к сооружению слепых стволов и восстающих выработок (рис. 4).
В последние годы она получила широкое распространение в отечественной горнорудной промышленности, где в качестве бурильных установок используются комбайн типа КВ конструкции ВНИИПИрудмаша.
Комбайн КВ (рис. 4, а) состоят из бурового станка 1, рабочего инструмента, включающего долото, став штанг и разбуриватель, и шламоулавливающего устройства. Комбайн, как правило, устанавливается на верхнем рабочем горизонте (рис. 4, а), хотя его конструкция допускает расположение и на нижнем подготовляемом горизонте. При установке комбайна на рабочем горизонте на первом этапе бурится сверху вниз передовая скважина диаметром 270 мм. На втором этапе после выхода бурового инструмента на нижележащий горизонт к нему крепится разбуриватель и восстающая выработка разбуривается до полного сечения снизу вверх на всю длину.
Затем на верхнем горизонте устанавливаются нулевая рама, копер и подъемная лебедка, а на нижнем горизонте - опорное кольцо. Установку винтовой крепи можно осуществлять как снизу вверх (рис. 4, б), так и сверху вниз. В остальном процесс установки винтовой крепи такой же как в стволе.
В заключение отметим, что в слабых неустойчивых породах винтовая крепь может использоваться в качестве временной крепи, а в устойчивых породах - в качестве постоянной крепи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баронский И.В., Першин В.В., Баранов Л.В. Строительство и углубка вертикальных стволов. - М.: Недра. - 1995. - 249 с.
2. Насонов И.Д., Ресин В.И., Шуплик М.Н., Федюкин В.А. Технология строительства подземных сооружений. Строительство вертикальных выработок. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1998. - 294 с.
3. Черданцев С.В., Черданцев Н.В. О влиянии предварительно обжатой пружины на зону нарушения сплошности вокруг цилиндрической полости. // ПМТФ. - 2005. - № 3. - С. 141 - 148.
4.. Черданцев С.В. Крепь для горных выработок // Патент на полезную модель № 57827; опубл. 27.10.2006, Бюлл. № 30. - 1 с.: ил.
□ Авторы статьи:
Черданцев Сергей Васильевич
- канд.техн. наук, доц. каф. строительства подземных сооружений и шахт
Косарев Николай Федорович
- канд.техн. наук , проф. каф. строительства подземных сооружений и
шахт
Рогозин Сергей Николаевич
- канд. техн. наук, доц. каф. технической механики и упаковочных технологий Кемеровского технологического института пищевой промышленности
