CC BY
52
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 3/4 (8/9)
25.00.22 Геотехнология (подземная, открытая и строительная)
УДК 622.22: 624.1
В.Н. Макишин, М.В. Куделина, Е.А. Хрулев, Ю.А. Хрулев
Макишин Валерий Николаевич - д.т.н., доцент, заведующий кафедрой горного дела и комплексного освоения георесурсов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: interrex@mail.ru
Куделина Мария Васильевна - аспирант кафедры горного дела и комплексного освоения георесурсов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток) Хрулев Евгений Александрович - аспирант кафедры горного дела и комплексного освоения георесурсов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток) Хрулев Юрий Александрович - аспирант кафедры горного дела и комплексного освоения георесурсов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток)
ОСОБЕННОСТИ ОСВОЕНИЯ ПОДЗМНОГО ПРОСТРАНСТВА ГОРОДОВ В УСЛОВИЯХ ГОРИСТОЙ МЕСТНОСТИ
Рассмотрены основные горно-геологические, технологические условия и факторы, определяющие целесообразность специализированного подземного строительства в условиях гористой местности. Впервые приведен ряд авторских типовых технологических схем строительства подземных сооружений.
Ключевые слова: подземные сооружения, проветривание, схемы строительства.
Features of urban underground space development in mountainous terrain. Valeriy N. Makishin, Department of Mining and integrated development georesources, Mariya V. Kudelina, Department of Mining and integrated development georesources, Evgeniy A. Hrulev, Department of Mining and integrated development georesources, Yuryi A. HRULEV, Department of Mining and integrated development georesources (Far-Eastern Federal University, Vladivostok).
In article are considered main is mining-geological, technological conditions and factors, defining practicability specialized underground construction in condition of mountainous terrain. The main technological schemes construction underground buildings are brought.
Key words: underground buildings, ventilation, schemes construction.
К настоящему времени тенденция роста городов в высоту (увеличение этажности зданий и сооружений) по ряду причин (особенности строительства зданий и сооружений, специфика конкретной местности) практически исчерпана. Мировой опыт использования подземного пространства показывает, что в этих условиях рационально размещать не только технологические и энергетические коммуникации, но и создавать промышленные цеха, ремонтные центры, магазины, объекты культурного назначения, спортивные и другие залы, нефте-и водохранилища, бункеры хранения сыпучих материалов, склады, убежища гражданской обороны и т.п. Опыт показывает, что стоимость подземных сооружений составляет в основном 30-40% (редко - больше) от затрат на аналогичные здания на земной поверхности. В то же время и эксплуатационные затраты на обслуживание этих сооружений существенно ниже, что является важным фактором в условиях постоянно меняющихся цен. Плата за пользование недрами в целях, не связанных с разработкой месторождений полезных ископаемых, во много раз меньше стоимости трат пользования землей [6, 9].
Очевидна целесообразность использования подземного пространства в качестве аккумуляторов тепловой энергии, хранилищ воды, холодильников. При этом основными достоинствами являются отсутствие циркуляции воздуха, постоянство поддерживаемой температуры, высокая теплоемкость охлаждаемых пород, позволяющая в течение длительного времени сохранять заданную температуру даже при выходе из строя технологического оборудования.
Цель нашей работы - разработка типовых технологических схем подземных сооружений на основе обобщения мирового опыта подземного строительства (прежде всего авторские разработки).
Подземное строительство становится приоритетным направлением развития экономики. В некоторых странах это национальное достояние, составляющее до 4-5% производимого национального продукта. Основными странами, ведущими специализированное подземное строительство, являются Финляндия, Швеция, Норвегия, США, Дания [8, 13, 14].
Мировой опыт строительства подземных сооружений свидетельствует о следующем.
1. Значительная часть известных подземных сооружений создается в условиях горной или холмистой (гористой) местности.
2. Основными выработками, обеспечивающими доступ к подземным камерам, являются штольни. Их протяженность составляет от нескольких десятков до сотен метров.
3. В зависимости от превышений рельефа местности, крутизны горных склонов и назначения подземного сооружения целесообразно создавать многоярусные (многоэтажные) и многофункциональные комплексы.
Строительство подземных сооружений является сложной инженерной задачей, для решения которой необходимо учитывать:
1. Назначение подземного объекта.
2. Уровень социально-экономического развития и величину населения в районе предполагаемого строительства.
3. Рыночную стоимость земельного участка, отводимого под строительство порталов и коммуникаций подземного объекта.
4. Плотность застройки территории и несущую способность грунтов в районе подземного строительства.
5. При строительстве опасных промышленных и хозяйственных объектов - их удаленность от населенных пунктов, существующих транспортных коммуникаций.
6. Климатические условия: максимальные и минимальные температуры воздуха, влажность, количество осадков по сезонам, розу ветров и их силу, частоту и интенсивность туманов, гололедные явления.
7. Высоту горной местности над уровнем моря.
8. Характер рельефа местности в районе предполагаемого подземного строительства.
9. Критический уровень паводковых вод при расположении порталов подземных объектов в понижениях рельефа.
10. Наличие приемлемых естественных площадок для размещения на них промплощадок, погрузочно-разгрузочных комплексов, дорог и энергетических и технологических коммуникаций.
Цель использования подземного пространства оказывает доминирующее влияние на общий объем подземного сооружения, размещение камерных выработок во вмещающем массиве, число, протяженность и площади сечений транспортных, вентиляционных и прочих вспомогательных выработок, выбор транспортных схем и средств, величину грузооборотов по поверхности и транспортным выработкам.
Основные природные и горно-технологические факторы, учитываемые при подземном строительстве в условиях
гористой местности
К подземным сооружениям при их проектировании предъявляются требования, которые в значительной мере ограничивают выбор мест их расположения в породных массивах. Основным требованием к камерным выработкам являются минимальные эксплуатационные затраты на их поддержание при максимально длительных сроках эксплуатации (200-500 лет). Оптимальным считается крепление камер комбинированной анкерной крепью с армированным набрызг-бетоном. В связи с этим породный массив в месте предполагаемого строительства должен быть однородным, с минимальной трещиноватостью и
низкой обводненностью [8]. Кроме того, протяженность вспомогательных транспортных и вентиляционных выработок для обслуживания подземных объектов должна быть минимальной.
Строительство подземных сооружений в городских условиях связано со значительными трудностями. Выбор места расположения технологических камер и иных выработок подземного объекта существенно зависит от требований ко вмещающему массиву, а обеспечение доступа к нему определяется не только рельефом местности, но и плотностью застройки в месте строительства, близостью существующих транспортных коммуникаций, социально-экономической ценностью выбранной территории. Очевидно, что наилучшая экономическая эффективность социально-культурного подземного объекта (спорткомплекса, музея, кинотеатра и другого) будет определяться величиной его полезной площади, полнотой его загрузки и близостью к деловым, административным или культурным центрам.
Для складского подземного объекта или холодильника существенное значение имеет глубина заложения - на границе зон влияния поверхностных температур и недр земли.
Значительная мощность предохранительных целиков над промышленными объектами определяется условиями обеспечения безопасности (подземные атомные электростанции, хранилища радиоактивных отходов, вредные производства) или необходимостью защиты производства от внешних условий - шума, вибраций, перепада температур, влажности воздуха и другого (производство прецизионных приборов, научно-исследовательские лаборатории, медтех-ника).
Характер рельефа местности оказывает существенное влияние на протяженность транспортных выработок. По условиям обеспечения в подземном сооружении постоянного микроклимата, защиты от внешних вибраций и другого во всем мире принята минимальная мощность предохранительной толщи горных пород над подземными камерами 40-60 м [9, 13].
191
На протяженность транспортных выработок в условиях горной местности оказывают влияние требуемая мощность породного массива над подземным объектом и высота подземных камер. Например, проектом подземной атомной электростанции с двумя реакторами «РУТА» (институт ВНИПИЭТ) размер целика над технологическими камерами определен равным 40 м [5], а мощность породного массива над подземным заводом в г. Миттельверк в Германии равна 129 м [8]. Строительство подземного склада в г. Кисловодске предусмотрено осуществить на глубине 16 м под производственным помещением [4].
При формировании грузопотоков подземных сооружений, создаваемых в условиях горной местности, необходимо учитывать тип, грузоподъемность и габариты применяемых транспортных средств, что, в свою очередь, определяет конструктивные параметры выработок: их сечение, углы наклона, протяженность, наличие крутых поворотов.
Авторы работы [13] отмечают, что в подземных выработках целесообразно использование стандартного поверхностного транспорта, но при этом необходимо проходить выработки на сопряжениях сечением не менее 6x2,7 м для автомобилей грузоподъемностью до 5 т и 8x2,8 м - до 12 т.
Минимальный радиус поворота грузовых автомобилей определяется их жесткой базой и составляет в большинстве случаев для небольших (грузоподъемностью 0,75-5 т) автомобилей 5-7 м, для крупнотоннажных - не менее 13 м. Углы преодолеваемых уклонов всеми видами автотранспорта не превышают 810°. Ширина современных грузовых автомобилей обычно составляет 2,5 м. Высота, в зависимости от назначения автомобиля, может достигать 2,9-3,5 м, длина - от 3,75-5,0 м до 5,1-7,8 м [13]. Использование же для перевозок грузов миниавтотранспортом требует строительства на поверхности дополнительных погрузочно-разгрузочных пунктов и ведет к снижению пропускной способности выработок. Следует также учитывать необходимое для проветривания протяженных горных выработок и технологических камер подземного сооружения
количество воздуха с учетом допустимой скорости его движения по вентиляционным выработкам (6,0 м/с для подземных сооружений) [7, 10-12].
Анализ опыта подземного строительства различного назначения, построенных в условиях горной местности, показал, что объем транспортных выработок составляет от 8,3 до 37,0 % от общего объема подземных сооружений (в среднем 23,5 %), что существенно сказывается на экономической эффективности эксплуатации подземного комплекса в целом.
При определении назначения подземных объектов глубина их заложения определяется внешними климатическими условиями.
Глубина промерзания почвы в зимнее время оказывает существенное влияние на глубину заложения подземного объекта, а следовательно, на протяженность транспортных и вентиляционных выработок.
Температурный режим верхней части земной коры закономерно изменяется по глубине. Авторами работы [3] выявлены три основные зоны температурных режимов горных пород. В зоне I установлены резкие перепады температуры по сезонам. Глубина этой зоны составляет 12-15 м. Внутри нее выделяют подзону суточных колебаний температуры мощностью от 0,5 до 2 м. В зоне II прекращается воздействие внешней теплоты на температуру горных пород. В этой зоне (поясе) температура равна среднегодовой на земной поверхности. Глубина этой зоны в зависимости от климатических условий изменяется от 2 до 40 м. Ниже этой зоны температура пород зависит от внутренней теплоты Земли.
При строительстве подземных сооружений следует учитывать глубину распространения каждой из зон, так как нарушение требований строительства может привести к созданию аварийных ситуаций. На одном из подземных сооружений в Восточной Сибири глубокое промерзание горных пород стало причиной образования морозобойных трещин глубиной 1-1,5 м и шириной до 16 см, что привело к разрушению подземных коммуникаций [3].
Как было сказано выше, для большинства подземных объектов требуется обеспечение постоянного температурного режима при минимальном расходе энергии. Поэтому подземный холодильник необходимо закладывать на границе зон среднегодовых и постоянных температур горных пород. Это позволит избежать лишних затрат на охлаждение вмещающих пород.
Условия производства высокоточных приборов требуют изоляции цехов от внешних вибраций. Установлено, что при заложении подземных цехов на глубине более 50-60 м вибрации от движения поверхностного транспорта практически не ощущаются. В практике строительства подземных заводов за рубежом мощность защитного слоя породы над подземным объектом принимается не менее 60 м [9, 13].
Следует также учитывать сейсмичность породных массивов, обусловленную происходящими современными горообразовательными процессами, что может стать ограничивающим фактором при выборе места строительства отдельных промышленных производств и хозяйственных объектов. Могут иметь место динамические проявления в подземных выработках.
Процессы выветривания крутых горных склонов способствуют образованию участков, опасных по сходам камнепадов. Накопление воды в породных осыпях в складках рельефа в период сезонных осадков способствует образованию селевых потоков. Высокий уровень паводковых вод может привести к подтапливанию транспортных коммуникаций на поверхности, затоплению горных выработок. Эти факторы необходимо учитывать при выборе мест расположения порталов и подъездных площадок, что в свою очередь влияет на протяженность транспортных, вентиляционных и вспомогательных выработок подземных сооружений. Подобные особенности рельефа местности имеют многие города, Владивосток не является исключением.
Основные технологические схемы строительства подземных сооружений
Опыт подземного строительства показывает, что все подземные сооружения, создаваемые в условиях горной местности по типу транспортных выработок можно разделить на сооружения тоннельного и штольневого способов вскрытия.
Основными транспортными выработками в условиях горной местности являются штольни и наклонные стволы (съезды). Для обеспечения подземных камер свежим воздухом проходят вентиляционные восстающие выработки или скважины большого сечения. Вентиляционные выработки проходят с учетом понижений рельефа горной местности наклонными или вертикальными с целью уменьшения их протяженности и снижения аэродинамического сопротивления вентиляционной сети. Эти выработки могут быть использованы в качестве запасных выходов на земную поверхность.
Приведенные ниже типовые схемы строительства подземных сооружений являются обобщением мирового и отечественного опыта подземного строительства. Все схемы по условию размещения в подземном пространстве камерных выработок могут быть разделены на три группы:
• с расположением транспортных выработок и технологических камер в одной плоскости (горизонтальная планировка);
• с расположением транспортных выработок в различных высотных отметках при строительстве камер большого поперечного сечения (объемная планировка);
• с пространственным расположением камер относительно наклонных транспортных выработок (пространственная планировка).
Рис. 1. Типовая схема однокамерного подземного сооружения в условиях горной местности при его размещении: а - на уровне долины; б - выше уровня долины; в - ниже уровня долины; 1 - вентиляционный восстающий (запасной выход); 2 - камера; 3 - транспортно-вентиляционная штольня; 4 - транспортно-вентиляционный наклонный ствол (съезд)
Как было сказано выше, транспортные горизонтальные выработки -штольни значительной протяженности проходят при строительстве подземных сооружений. Это обусловлено необходимостью создания значительного по мощности предохранительного целика для защиты от внешних температур, вибраций от проезжающего транспорта (например, при строительстве подземных заводов по производству высокоточных приборов), при отсутствии в районе строительства грунтов с необходимой несущей способностью, высокой плотности застройки. Подземные сооружения строят в устойчивых горных породах, не требующих усиленного крепления. Поэтому при наличии участков ослабленных трещиноватых пород в горном массиве вблизи земной поверхности их перепроходят капитальными горными выработками (см. рис. 1, а).
При строительстве подземных сооружений наклонные выработки (автотранспортные съезды) при сложном рельефе местности и устойчивых вмещающих породах проходят в нагорную часть массива (рис. 1 б). Это позволяет
уменьшить длину наклонных и вертикальных вентиляционных восстающих
196
(скважин большого диаметра), снизить аэродинамическое сопротивление вентиляционной сети подземного сооружения. В результате снижаются капитальные затраты на строительство подземного сооружения, уменьшаются эксплуатационные затраты на поддержание выработок и их проветривание.
Наклонные автотранспортные выработки с заглублением ниже уровня долины в условиях горной местности проходят при недостаточных превышениях рельефа местности над подземным сооружением и необходимости создания над ним значительной по мощности защитной толщи пород (см. рис. 1 в). Такие выработки проходятся при строительстве подземных автостоянок в городах, при плотной застройке территории в районе подземного строительства [2, 4, 810, 13, 14]. Недостатком этой схемы является необходимость организации водоотлива.
Примеры строительства подобных подземных сооружений приведены на рисунках 2 и 3 [4, 13].
Рис. 2. Подземный холодильник в Норвегии [13]: 1 -зал-хранилище; 2 - шлюзовые выработки; 3 - транспортная штольня; 4 - вспомогательное здание
А-А
I II
Рис. 3. Совмещенная схема расположения поверхностных объектов и подземного холодильника в г. Кисловодске [4]: I - столовая; II - овощехранилище; III -спальный корпус; IV - строительная площадка; 1 - горизонтальная транспортная галерея; 2, 3 - лифтовые восстающие; 4 - наклонная транспортная галерея; 5 - портал; 6 - вентиляционный восстающий; 7, 8, 11, 12, 14-18 - продуктовые склады; 9 - машинное отделение; 10 - ходок в машинное помещение; 13 - камера водоотлива
Выбор места расположения камерных выработок относительно уровня долины выбирается с учетом рельефа местности, геомеханических свойств вмещающего массива, назначения подземного сооружения, принятых объемно-планировочных решений, величин грузопотоков.
При необходимости размещения в едином подземном пространстве нескольких подземных объектов различного назначения сооружают несколько камер. Их располагают вкрест простирания основной вскрывающей выработки. Для проветривания камер проходят обособленные вентиляционные выработки или создают единую вентиляционную систему всего подземного сооружения (рис. 4).
Рис. 4. Типовая схема многокамерного подземного сооружения в условиях горной местности при размещении технологических камер вкрест простирания основной транспортно-вентиляционной выработки: 1 - вентиляционный восстающий; 2 - камера; 3 - транспортно-вентиляционная штольня
С целью создания независимых грузопотоков по подземным транспортным выработкам и для обеспечения лучших условий проветривания проходят несколько транспортных выработок (штолен, наклонных стволов) для обслуживания одной или нескольких подземных камер. При благоприятном рельефе горной местности в качестве транспортно-вентиляционных выработок проходят тоннели. Подземные камеры проходят по простиранию и вкрест простирания относительно транспортно-вентиляционных выработок (см. рис. 5, 6).
Подобные схемы подземного строительства используются для размещения в выработках промышленных (заводские цеха, атомные электростанции), хозяйственных (склады промышленных товаров, холодильники, резервуары) и социальных (архивы, кинотеатры, спортзалы, санатории) объектов в нашей стране и за рубежом [5, 8, 13, 14].
Рис. 5. Типовая схема многокамерного подземного сооружения в условиях горной местности при размещении технологических камер вкрест простирания при использовании в качестве транспортно-вентиляционных выработок штольни и тоннеля: 1 - вентиляционный восстающий; 2 - камера; 3 - транспортно-вентиляционная штольня; 4 - транспортно-вентиляционный тоннель
Рис. 6. Типовая схема многокамерного подземного сооружения в условиях горной местности при размещении технологических камер по простиранию основных транспортно-вентиляционных штолен: 1 - вентиляционный восстающий; 2 - камера; 3 - транспортно-вентиляционные штольни; 4 - вспомогательная вентиляционная выработка
Схемы с объемной планировкой подземного пространства целесообразно применять при значительных объемах производства, высокой степени автоматизации внутренних погрузочно-разгрузочных работ (рис. 7). В этих условиях проходятся две транспортно-вентиляционные выработки (штольни, автотранспортные и конвейерные наклонные выработки) и камеры большого поперечного сечения. Такие камеры могут быть разделены в своем сечении на этажи-ярусы высотой 2,5-3,0 м. Транспортно-вентиляционные выработки проходятся на различных высотных отметках (верхней и нижней частях камеры) - см. схему подземного склада в Финляндии (рис. 8) [14].
Рис. 7. Типовая схема многоуровневого однокамерного подземного сооружения в условиях горной местности при размещении транспортно-вентиляционных штолен на различных высотных отметках: 1 - транспортная выработка для выдачи грузов и исходящей вентиляционной струи; 2 -камера большого сечения; 3 - штольня для перевозки с поверхности в подземные камеры грузов и подачи свежего воздуха
Рис. 8. Схема подземного склада товаров в г. Хельсинки (Финляндия): а - общий вид; б - техническое оснащение хранилища
Пространственные схемы подземного строительства предполагают размещение подземных камер в нескольких высотных отметках (рис. 9). В этом случае основными транспортно-вентиляционными выработками являются наклонные стволы и спиральные съезды для автотранспорта, проходимые непосредственно с земной поверхности или с горизонта транспортных штолен, как в нагорную часть массива, так и с заглублением ниже уровня долины. Для проветривания подземного пространства проходят вентиляционные восстающие и скважины большого сечения, которые оборудуются как запасные выходы. Проветривание камер может осуществляться обособленно. При необходимости создают единые транспортно-вентиляционные системы для всего подземного комплекса. Технологические камеры располагают на отметках транспортных выработок (рис. 9, а) или на разных уровнях по всей протяженности наклонных и горизонтальных транспортных выработок (рис. 9 б).
Выбор варианта расположения камер определяется с учетом условий формирования подземного объекта и его назначением. Ориентация камер в пространстве может быть любой и определяется физико-механическими свойствами вмещающего массива. Месторасположение и размеры камер выбираются так же с учетом существующих горно-геологических условий. Пространственная схема применена для подземного культурно-хозяйственного комплекса в г. Драммен в Норвегии (рис. 10) [1]. Используется она также при подземном строительстве и в других странах.
Рис. 9. Типовая схема многоуровневого подземного сооружения в условиях горной местности при размещении транспортно-вентиляционных штолен на различных высотных отметках: а - при этажном расположении технологических камер; б - при пространственном расположении технологических камер; 1 - вентиляционный восстающий; 2 - камера; 3 - наклонный съезд; 4, 5 - транс-портно-вентиляционная штольня
Рис. 10. Схема расположения спирального и вертикального подъемников в горе Брагерн (г. Драммен, Норвегия): 1 - спиральный автотранспортный тоннель; 2 - вертикальный ствол, оборудованный лифтами; 3 - ресторан; 4 - стадион; 5 - театрально-концертный зал; 6 - молодежный клуб; 7 - склады; 8 - водный бассейн
Проблемы проветривания подземных сооружений
Проветривание подземного пространства является одним из основных технологических процессов, обеспечивающих безопасные условия эксплуатации подземных сооружений.
При строительстве подземных сооружений промышленного и социально-культурного назначения организация принудительного проветривания является обязательной.
При использовании подземного пространства в качестве холодильников, хранилищ различных видов отходов, складов строительных материалов и нефтепродуктов проветривание технологических камер в большинстве случаев не производится. Считается, что в этом случае достаточно циркуляции воздуха, создаваемой транспортным, доставочным и технологическим оборудованием
при выполнении технологических операций [13]. Однако при значительной протяженности транспортных выработок необходима организация их обособленного проветривания.
При использовании подземного сооружения в промышленных или социально-культурных целях принудительное проветривание является обязательным [7, 10, 12]. Следует отметить, что в условиях плотной застройки достаточно сложно выбрать место выходов вентиляционных выработок на поверхность и их маскировку под окружающий ландшафт.
Применительно к типовой схеме подземного сооружения, приведенной на рис. 1 , целесообразно размещение подземного объекта в одиночной штольне большого сечения без проведения вентиляционного восстающего. Необходимость этого может возникнуть вследствие плотной застройки на земной поверхности. В этих условиях для обеспечения проветривания подземного сооружения штольню следует разделить по всей протяженности на два отсека. Один из отсеков служит для принудительной подачи свежего воздуха, передвижения людей, другой является транспортным. По нему перемещаются транспортные средства, выдается использованный воздух. Главным условием нормального проветривания такого подземного сооружения является герметичность вентиляционных перемычек.
Для некоторых видов подземных сооружений для проветривания считается, что достаточно воздуха, движение которого в выработках возбуждается при ведении в них технологических операций.
При возможности создания большой по площади промплощадки возможно строительство подземного объекта в пройденных параллельно штольнях большого сечения, расположенных на расстоянии 30-50 м друг от друга (рис. 4-6). Штольни между собой соединяются технологическими сбойками - камерами. В этих условиях одна выработка является воздухоподающей, другая -воздуховыдающей. Воздухоподающая выработка используется для перемещения людей, а выработка с исходящей струей - для движения по ней транспорт-
205
ных средств. Возможна организация раздельных грузопотоков по транспортным выработкам: по одной штольне грузы доставляются в камеры, по другой -выдаются для отправки потребителю. Распределение свежего воздуха внутри подземного пространства осуществляется с помощью вентиляционных устройств (дверей, перемычек, шлюзов и другого).
Объем подземных сооружений, как правило, остается неизменным в течение всего периода времени их эксплуатации или до момента их реконструкции. Значительный резерв вентиляционных установок по производительности и напору не требуется. Поэтому при расчете режимов подачи свежего воздуха принимается главный вентилятор и разрабатывается схема регулирования подачи свежего воздуха, обеспечивающие оптимальные условия проветривания на весь период эксплуатации подземного сооружения.
При строительстве подземных холодильных установок является рациональным разделение вентиляционной схемы сооружения на обособленные блоки. Большое значение при проектировании проветривания имеют протяженность и сечения транспортных выработок - штолен, применяемые виды и типоразмеры поверхностного и подземного транспорта. Интенсивное проветривание холодильных и морозильных камер не производится, так как это приводит к большим потерям хладоносителя. В то же время необходимо осуществлять проветривание транспортных выработок, особенно при использовании для перевозки грузов автомобилей.
Вентиляционные схемы подземных сооружений должны обеспечивать:
• максимальное использование поступающего в подземное пространство свежего воздуха;
• возможность проветривания транспортных и камерных выработок обособленными вентиляционными струями при допустимых величинах скорости движения воздуха по выработкам и аэродинамического сопротивления вентиляционной сети;
• разжижение газов от двигателей внутреннего сгорания и продуктов жизнедеятельности подземного объекта до допустимых величин ПДК;
• возможность подогрева, кондиционирования и, при необходимости, очистки поступающего свежего воздуха для проветривания технологических камер от пыли и отработанного - от продуктов жизнедеятельности подземного объекта;
• необходимую устойчивость вентиляционных струй в нормальном и реверсивном режимах, а также при сезонных и среднесуточных колебаниях температуры воздуха на земной поверхности;
• контроль состояния атмосферы подземного сооружения и оперативное управление режимами проветривания;
• максимально благоприятные санитарно-гигиенические условия работы обслуживающего персонала в транспортных и технологических камерных выработках;
• максимальное снижение внешних и внутренних утечек свежего воздуха при минимальном числе вентиляционных сооружений;
• безопасные условия ведения горноспасательных работ. При этом все запасные выходы, оборудованные в вертикальных и наклонных выработках, вне зависимости от их длины, должны оборудоваться лестничными отделениями. При глубине заложения подземного объекта более 40 м наличие механизированных подъемов является обязательным [10];
• возможность изоляции отдельных технологических камер при возникновении в них аварийных ситуаций от остального подземного пространства.
В зависимости от своего назначения подземные сооружения имеют значительные объемы. Многие их них составляют сотни тысяч кубических метров.
Так, объем подземных камер подземного склада товаров в г. Хельсинки
-5
составляет 12,2 тыс. м (рис. 8), подземного хранилища низко- и среднерадиоак-тивных отходов в Швеции - 90 тыс. м3, подземного склада медикаментов в
штате Миссури в США - 18,5 тыс. м , подземного комплекса г. Драммен в Норвегии - 130 тыс. м3 [1, с. 93, 94, 190-196; 13, 14].
Для обеспечения нормальных условий труда согласно требованиям Правил техники безопасности необходимо обеспечивать четырехкратный обмен воздуха в подземном сооружении в течение часа [10].
Несложно подсчитать, что для проветривания подземной камеры объе-
3 3
мом 50 тыс. м необходимо подать 50000x4=200000 м свежего воздуха в час, что соответствует производительности вентиляционной установки
"5
200000/3600=55,6 м/с и сопоставимо с потребностями небольшого по производительности (до 100 тыс. т руды в год) горнодобывающего предприятия. Размещение главной вентиляторной установки так же является одним из важнейших вопросов обеспечения функциональности подземного сооружения.
Естественная тяга является природным фактором, оказывающим существенное влияние на условия проветривания подземного сооружения.
Величина естественной тяги и ее доля в полном статическом напоре главной вентиляционной установки во многом определяются разницей высотных отметок устьев воздухоподающих и воздуховыдающих выработок в условиях горной местности и различной плотностью воздуха на этих отметках.
Вторым фактором, обусловливающим возникновение естественной тяги, является перепад температур на устьях воздухоподающих и воздуховыдающей выработок.
В условиях летнего времени температура подаваемого в подземное пространство свежего воздуха может оказаться существенно выше температуры воздуха, выдаваемого из рудника, подземного сооружения. В этих условиях составляющая естественной тяги, образующаяся за счет перепада температур, может принимать отрицательные значения (менять свое направление движения на противоположное). Исследованиями, производимыми сотрудниками горного института ДВГТУ на рудниках Приморского края, установлено, что величина
естественной тяги может составлять от -7,2 % (летом) до +13 % (зимой) от ве-
208
личины подаваемого свежего воздуха. В случае противодействия естественной тяги вентилятору главного проветривания его работа может стать неустойчивой. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании проветривания и выборе главного вентилятора и принимать резерв по производительности и напору для преодоления и компенсации отрицательной работы естественной тяги в летний период.
* * *
Рассмотренные особенности являются характерными для формирования подземной инфраструктуры городов в условиях гористой местности и требуют индивидуального подхода в каждом конкретном случае. При этом следует признать, что освоение подземного пространства становится приоритетным - за ним большое будущее.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», ГК №02.740.11.0315, № П1402.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронюк А.С. Рациональные схемы вскрытия мощных месторождений наклонными рудоподъемными выработками. М.: Наука, 1972. 202 с.
2. Голубев Г.Е. Использование подземного пространства в крупных городах. М.: ЦНТИП градостроительства, 1973. 50 с.
3. Зингиров Р.С., Быкова В.С., Полтев М.П. Инженерная геология в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. 176 с.
4. Каменецкий Б.П., Воловик В.П. Проектирование и строительство подземных складских помещений // Горный журн. 1992. № 5. С. 32-33.
5. Котенко Е.А. Создание подземных атомных станций. М.: ЦНИИатоминформ, 1996.
98 с.
6. Мельников Н.Н., Конухин В.П., Наумов В.А. Подземные атомные станции. Апатиты: Изд-во Кольского науч. центра АН СССР, 1991. 136 с.
7. Мостепанов Ю.Б., Веденин А.Н. Вентиляция при строительстве подземных сооружений. Л.: Стройиздат, 1988. 134 с.
8. Петренко Е.В. Освоение подземного пространства. М.: Недра, 1988. 150 с.
9. Покровский Н.М. Комплексы подземных горных выработок и сооружений. М.: Недра, 1987. 248 с.
10. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений ПБ 03-428-02 (утв. Госгортехнадзором РФ 2.11.2001 г. № 49).
11. СНиП 32-04-97 Тоннели железнодорожные и автодорожные / Госстрой РФ, 29.07.1997 г., № 18-41.
12. Фомичев В.И. Вентиляция тоннелей и подземных сооружений. Л.: Стройиздат, 1991. 200 с.
13. Швецов П.Ф., Зильберборд А.Ф., Папернов М.М. Подземное пространство и его освоение. М.: Наука, 1992. 196 с.
14. Mining Engineering of Finland. L., 1990. 190 p.
