CC BY
43
© C.B. Борщевский, А.Ю. Прокопов, 2008
УДК 622.258
С.В. Борщевский, А.Ю. Прокопов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СООРУЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Семинар № 18
Практика строительства и реконструкции шахт и подземных сооружений показывает, что основные параметры строительного
производства в первом периоде зависят от размеров стволов и характера мероприятий, направленных на повышение скорости выполнения работ.
Правомерность такого положения обусловлена тем, что независимо от назначения стволов, но при одинаковой глубине, диаметре и других объемов работ в стволе должны приниматься одинаковые скорости для обеспечения сооружения объекта в установленные сроки. Поэтому и содержание мероприятий должно изменяться соответственно объему работ по сооружению ствола. Так как содержание целевой функции меняется в зависимости от характера мероприятий, направленных на повышение скоростей строительства ствола, возникает необходимость оптимизации параметров технологических моделей для различных размеров стволов, чтобы принятые мероприятия обеспечили выполнение работ в установленные плановые сроки при наименьших затратах [1].
Технологические модели сооружения стволов - это комплекс научно обоснованных технологических, технических и организационных решений по всему критическому пути эта-
пов работ, рассчитанных для определенного объема работ и обеспечения ввода объекта в эксплуатацию в установленный срок при наименьших затратах.
Проведенные исследования [2, 3] и данные табл. 1 показывают, что для обеспечения оптимальных значений при последовательной технологии необходимо в 2 раза увеличить скорости на всех этапах работ. Такие мероприятия весьма сложно осуществить при этом уровне коэффициента технологии и последовательном ведении работ.
Все это вызывает необходимость разработки новых технологических моделей, обеспечивающих оптимальные значения времени ((2, (3, (4, (5). Поэтому каждая технологическая модель должна обладать своими особенностями, отличаться объемами работ, оснащением поверхности и забоя ствола, энерговооруженностью, технологией на каждом этапе, продолжительностью работ в этапе, общими затратами времени и стоимостью сооружения ствола. Исходя из продолжительности по оснащению, проходке ствола, армированию и времени выполнения других работ первого периода строительства, можно определить размеры ствола, сооружение которого целесообразно осуществлять по одной из технологических моделей.
Таким образом, задача сводится к разработке технологических моделей сооружения стволов, обеспечивающих ввод в эксплуатацию объекта в плановый срок с соблюдением расчетных оптимальных значений скоростей (продолжительности) сооружения объекта при наименьших затратах. Для этого по материалам технической части проекта составляется перечень объемов, которые должны быть выполнены для окончания сооружения ствола как готового объекта. Расчеты должны вестись по объектам главного направления строительства.
Из данных таблиц-номограмм и полученных методом динамического программирования оптимальных значений Тс при минимальных затратах (табл. 1) можно выделить четыре-пять объемов работ, для которых должны быть разработаны технологические модели.
В работе рассмотрены четыре технологические модели для стволов глубиной до 300 м, от 301 до 600 м, от 601 до 900 м и от 900 до 1200 м. При таком делении стволов для каждой модели можно принять особое оснащение поверхности и забоя. Шаг между моделями, равный 500 м, наиболее приемлем, что подтверждается практикой оснащения стволов при подборе к проектировании.
Модель № I характеризуется тем, что время оснащения ствола является равным или большим продолжительности проходки (^ > t2). Это возможно, если глубина ствола находится в пределах от 100 до 300 и, а диаметр
- от 4,5 до 8,5 м. В этом случае сооружение ствола должно осуществляться с передвижных комплексов (передвижных копров-укосин и подъемных машин) на всю глубину с одновременным проведением выработок, сопрягающихся со стволами, и арми-
рованием. Принимается совмещенная технологическая схема проходки ствола. При сооружении ствола применяется облегченный полок, бурение шпуров глубиной до 2,2-2,5 м осуществляется пневматическими бурильными молотками. Для погрузки породы используются грейферные пневматические грузчики с ручным вождением или погрузочные машины ковшового типа, подобные "Эймко-630”. Ствол крепится монолитным бетоном в комплексе с металлической опалубкой. Бадьи движутся по постоянным направляющим. Временные металлические трубопроводы крепятся к расстрелам армировки. Средняя техническая скорость проходки ствола с одновременным армированием принимается равной 30-35 м/мес.
Модель № 2 характеризуется условиями ^ «t2. Размеры ствола для этой модели: глубина 301-600 м, диаметр в свету 4,5-8 м. Сооружение стволов должно вестись на всю глубину с передвижных подъемных комплексов и постоянных копров. Проходка ствола осуществляется по совмещенной технологической схеме с одновременным проведением выработок, сопрягающихся со стволами, и раздельным ведением работ по армированию. Оснащение забоя для выемки породы и крепления ствола аналогично модели № I. Подъемный передвижной комплекс должен обеспечивать выдачу породы из забоя ствола различного поперечного сечения. Средняя техническая скорость проходки ствола 50-60 м/мес. Выбор подъемной машины для обеспечения расчетных технических скоростей можно осуществлять по рекомендациям [4].
Модель №3 характеризуется тем, что продолжительность проходи ствола больше продолжительности
оснащения (t2 > ^). Параметры модели:
глубина ствола 601-900 м, диаметр 4,5...8,5 м. Сооружение ствола ведется вначале с помощью передвижных комплексов и с использованием постоянных копров. После окончания работ по монтажу подъемной машины цилиндрического типа (постоянной или временной) осуществляется переход на этот подъем и проходческий забойный комплекс. Проходка ствол ведется по совмещенной технологической схеме с одновременным выполнением работ по проведению выработок, сопрягающихся со стволом, и раздельным производством работ по армированию. Технологическая схема армирования должна быть преимущественно параллельной по направлению снизу вверх. Для проходки используются различные стволовые проходческие комплексы. Бурение шпуров глубиной 4 м и более ведется БУКС-1м. Постоянная крепь - монолитная бетонная в сочетании с металлической опалубкой.
Модель №4 характеризуется тем, что продолжительность проходи ствола намного больше времени ведения работ по оснащению (t2 ^ ^). Такая технологическая модель предназначена для сооружения вертикальных стволов глубиной 901-1200 м и диаметром 5,5. 8,5 м. Сооружение стволов начинается с передвижных комплексов и с использованием постоянных копров, а после окончания строительных и монтажных работ с подъемных машин цилиндрического типа (постоянных или временных подъемов) осуществляется переход на эти подъемы и проходческие комплексы. Проходка ствола осуществляется по параллельной технологической схеме с одновременным прове-
дением выработок, сопрягающихся со стволами, а также с раздельным ведением работ по армированию. Технологическая схема армирования должна быть параллельной снизу вверх.
Для определения глубины ствола, проходка которого должна вестись с передвижного оборудования) можно пользоваться формулами:
к = V ^ -Д^), м, (1)
Н1 = Н - к = Н - -Д^), (2)
где Н - полная глубина ствола, м; Н1
- глубина ствола, проходка которого должна вестись с постоянного оборудования, м; к - расчетная глубина ствола для проходки с помощью передвижных комплексов, м; t1 - время оснащения ствола, определяемое по формулам табл. 2 (можно пользоваться проектными данными), мес.; Д^ -затрата временя на организационнотехнические мероприятия, подготовительные работы и размещение передвижного комплекса (принимаем равными от 4 до 8 месяцев).
Для определения степени влияния размеров ствола на продолжительность оснащения при последовательной технологической схеме и выявления закономерностей в соответствии с направлениями [5] табл. 2 приведены корреляционные уравнения степенной формы зависимости.
Пользуясь формулой (2), а также расчетной продолжительностью оснащения ствола t1 по данным табл. 3 и [6], получим возможную глубину ствола, проходку которого можно осуществить передвижными комплексами, если принять совмещенную технологическую схему сооружения стволов. Проходческие передвижные комплексы должны обеспечивать средние технические скорости проходки от 30 до 50 м/мес.
290
Таблица 1
Размеры ствола, м Значения фактической* и оптимальной" Средняя тех-
продолжительности выполнения работ, мес. ническая
глубина диаметр в свету оснащение ti проходка t2 проведение сопрягающихся выработок 1з армирование 14 переобо- рудование ^5 Tc скорость сооружения ствола, м/мес.
300 6,5 13,8х 16,1 3,5 2,9 4,9 41,2 6,8
600 6,5 15,3х 23,3 4 4 7,4 55,8 11,7
10,2і“ 8,11 1,73 2,12 1,84 24 25
900 6,5 14,3х 23,4 6,9 4,6 7,6 55,8 17,9
10,57х1 11,65 2,18 2,93 2,67 30 30
1200 6,5 19,6х 26 6,8 6,9 9,3 68,6 20
12,4х1 16,84 3,16 4,26 3,34 40 30
1500 6,5 12,67хх 19,17 3,5 5 5,34 46 33
Таблица 2
Значения продолжительности оснащения стволов
Глубина ствола Н, м Пределы изменения объема 3 ствола вчерне, м , min с W с max Уравнение регрессии Корреляционное отношение R Количество случаев n Коэффициент эластичности Э
До 400 5000 <W< 30000 г1 = 1,03 • Ж °’27 0,4 90 0,27
401... 800 6000 <W< 40000 ^ = 1,26 • Ж °’24 0,4 60 0,24
Более 800 16000 <W< 76000 ^ = 1,14 •Ж05 0,4 43 0,5
Таблица 3
Продолжительность оснащения стволов
Глубина ствола, м По фактическим данным По корреляционным уравнениям
Средний диаметр ствола в свету (вчерне) Продолжительность оснащения, мес. Средний диаметр ствола в свету (вчерне) Продолжи- цельность оснащения, мес.
300 5,6(6,2) 13,8 6,0 (6,6) 12,6
600 6,1 (6,7) 15,3 6,0 (6,6) 14,2
900 6,5(7,2) 16,1 6,5(7,2) 16,3
1200 6,2 (6,8) 19,6 6,5(7,2) 18,5
В табл. 4 для различных моделей приведены расчетные величины глубины стволов, проходка которых должна вестись с помощью передвижных комплексов.
Если проанализировать усредненные фактические данные продолжительности оснащения клетевых и скиповых стволов, над которыми сооружаются башенные копры и многоканатные подъемные машины, глубина ствола, планируемая для проходки с передвижных комплексов, будет еще большей.
В табл. 5 приведены расчетные данные глубины стволов, проходка которых может быть осуществлена с помощью передвижных подъемных комплексов до окончания сооружения башенного копра и монтажа многоканатной подъемной машины.
Для стволов, оснащаемых к скоростной проходке с использованием временных подъемных машин и сборно-разборных копров, расчетные данные приведены в табл. 6. К рассмотрению принят диаметр ствола 6,5 м в свету как наиболее часто применяемый в практике скоростных проходок. Полученные данные (табл. 4-6) позволяют построить технологическую карту, устанавливающую последовательность выполнения работ первого периода строительства для принятых технологических моделей.
Из технологической карты следует, что этапы работ протекают в той же последовательности, совмещаясь при этом. Совмещение времени достигается за счет совмещения этапов работ и совмещения рабочих процессов. Пользуясь данными, отражавшими физический смысл технологической последовательности совмещенной схемы, можно ввести поправочные коэффициенты в многофакторные математические модели для последовательной технологии и пользоваться этими корреляционными уравнениями для совмещенной технологии.
Выводы
Из анализа полученных данных и сравнения многофакторных математических моделей для различных технологических схем сооружения вертикальных стволов следует:
1. При существующих скоростях сооружения башенных копров и продолжительности монтажа многоканатных подъемных машин использование их для сооружения вертикальных стволов нецелесообразно.
2. Последовательная технологическая схема при достигнутом уровне средних технических скоростей (с учетом роста) в ближайшие 10-15 лет не может обеспечить сокращения общего времени первого периода строительства в 1,5-2 раза.
292
Таблица 4
Расчетные данные для стволов, при проходке с помощью передвижных подъемных комплексов
Полная глубина ствола, м Диаметр ствола в свету (вчерне), м Поперечное сечение ствола вчерне, м Объем ствола вчерне, м Средняя продолжительность оснащения, мес. Значение величины И, м Значение величины к;, м/мес. Глубина ствола, планируемая для проходки передвижными комплексами, м
300 5(5.6) 25 7500 11,3 о со 1 ч^-1 N 30 219
6,5(7,2) 41 12300 12,9 И = ^г - 4) • 30 30 267
8(9,0) 64 19200 14,3 И = ^г - 4) • 30 30 309
600 5(5,6) 25 15000 13,1 0 1 ч.^-1 = И 50 405
6,5(7,2) 41 24600 14,1 И II - '^1 5 О 50 455
8(9,0) 64 38400 16,2 И II - '^1 5 О 50 560
900 5(5,6) 25 22500 13,6 0 5 Ю 1 Ч^"" = И 50 575
6,5(7,2) 41 36900 16,3 И = 1_^ - 5 о 50 515
8(9,0) 64 57600 18,6 И = ^г - 6)- 50 50 650
1200 5(5,6) 25 30000 14.2 И = ^г - 7)• 50 50 360
6,5(7,2) 41 49200 18,5 И = - ) 5 О 50 575
8(9,0) 64 76800 22,1 И = 1 ) 5 О 50 700
293
Таблица 5
Расчетные данные для стволов, при проходке с помощью передвижных подъемных комплексов и многоканатной подъемной машины
Показатели Значения величин для клетевого ствола Значения величин для скипового ствола
Фактическая продолжительность оснащения ствола ^ , мес. 24 30
Средняя техническая скорость, принятая для передвижных комплексов У , м/мес. До 60 до 60
Время, затрачиваемое на организационно-технические и подготовительные мероприятия, но совмещаемые с проходкой ствола Л^ , мес. 8 8
Возможная глубина для проходки ствола передвижными комплексами до окончания работ по сооружение башенных копров и многоканатных подъемов, м 960 1260
Таблица 6
Расчетные данные для стволов, при проходке с использованием временных подъемных машин и сборно-разборных копров
Диаметр ствола в свету (вчерне), м 6,5 (7,2)
Глубина ствола, м 300 600 900 1200
Фактическая продолжительность оснащения ^ , мес. 11,9 13,1 15,3 17,5
Коэффициент увеличения времени оснащения для ско- 1,2 1,25 1,3 1,3
ростей проходки ствола, к
Расчетная продолжительность 14,4 16,4 20 22,4
оснащения ствола 1 р = 1 ^ • к , м
У , м/мес. 30 50 50 50
с. е м Л 4 5 6 7
Формула Ъ = ('р - л)-у;
Возможная глубина ствола для прохода с помощью пере- 308 570 700 770
движных комплексов,
3. Применение скоростных методов для стволов глубиной 8001000 м вследствие значительных затрат времени и средств на оснащение малоэффективно.
1. Левіт В.В., Борщевський С.В. К вопросу оценки и выбора технологических схем сооружения вертикальных стволов //Гірничодобувна промисловість України і Польщі: Актуальні проблеми і перспективи: Матеріали Українсько-Польського форуму гірників - 2004 (Ялта, Крим, 13-19 вересня 2004). - Дніпропетровськ: НГУ, 2о04. -С.157-165.
2. Борщевский С. В. Исследование влияния продолжительности сооружения вертикальных стволов на общие сроки строительства шахт Донбасса // Вісник Криворізького технічного університету. Збірник праць. Вип.11. - 2005. - С.9-13.
3. Борщевский С.В. Оптимизация скорости выполнения этапов сооружения вертикальных стволов в условиях повышенных водопритоков.// Науковий вісник національного гірничого університету. - №1. - 2006. С.46-53.
4. Необходимо уделить внимание разработке и широкому использованию параллельной технологической схемы проходки стволов.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Коломоец A.A., Сапронов В.Т. Передвижные подъемные установки в шахтном строительстве. //"Шахтное строительство", М. - 1972. - № 6.
5. Борщевский С.В., Кокунько И.Н.
Пути совершенствования технологии строительства вертикальных стволов шахт буровзрывным способом// Современные проблемы шахтного и подземного строительства: Материалы международного научно-
практического симпозиума.- Донецк: Норд-Пресс, 2006 - Вып.7. - с.139-149
6. Борщевский С.В., Гапеев С.Н. , Янкин A.E. Оценочные критерии выбора технологии сооружения вертикальных стволов шахт// Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий: материалы региональной научно-практической школы-семинара. - Донецк: Норд-Пресс, 2006. -С. 186-195. ЕЕЕ
— Коротко об авторах
Борщевский С.В. - кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедры строительства шахт и подземных сооружений Донецкого национального технического университета, докторант, член-кор. Академии строительства Украины, докторант кафедры строительства шахт и подземных сооружений Донецкого национального технического университета
Прокопов А.Ю. - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Шах-тинского института Южно-Российского государственного технического университета по образовательной и научной деятельности, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Б.А. Картозия.
