Способы проходки подземных горных выработок

2.5. Способы проходки подземных горных выработок

Способом проходки называется комплекс технологических про­цессов, выполняемых в заданной последовательности и формирующих горную выработку в соответствии с ее функциональным назначением и продолжительностью эксплуатации.

Способы проходки подземных горных выработок делятся на две группы:

1 - основные способы;

2 - специальные способы.

Специальные способы применяются для строительства подзем­ных выработок в сложных горно-геологических условиях, например, в весьма неустойчивых или обводненных горных породах, при пересечении выработками разломов и крупных тектонических нару­шений.

2.5.1. Вертикальные выработки

2.5.1.1. Вертикальные стволы

Шахтный вертикальный ствол состоит из устьевой, протяженной (с рассечками, камерами) и зумпфовой частей (рис. 2.5).

Устье ствола сооружается в подготовительный период (рис. 2.6). После устройства устья и технологического отхода высотой не более 50 м, предназначенного для размещения забойного горнопроходческо­го оборудования, приступают к монтажу проходческого оборудования и проходке протяженной части ствола.

В практике сооружения вертикальных стволов используются три основных способа проходки: последовательный, параллельный, со­вмещенный.

Сущность основных способов проходки поясняется рис. 2.7.

Недостаток последовательного способа - невысокая скорость проходки. Недостаток параллельного способа - сложность примене­ния в неустойчивых породах. В настоящее время большинство стволов проходятся по совмещенному методу, однако этот способ требует вы­полнения специальных мероприятий по обеспечению качества моно­литной бетонной крепи (из-за малого времени для набора «разопалубочной прочности»). Схема расположения проходческого оборудова­ния в стволе при совмещенном способе проходки показана на рис. 2.8.

Проходка устья и технологического отхода производятся после­довательным или совмещенным способом.

При проходке протяженной части ствола в местах его сопряже­ния с проектируемыми горизонтальными выработками устраиваются «рассечки», или в крепи оставляются «окна». После завершения про­ходки на заданную глубину, включая зумпфовой участок, производит­ся армирование ствола - установка расстрелов, проводников, устрой­ство лестничных отделений, прокладка трубопроводов и кабелей.

Стволы, используемые для строительства и эксплуатации тонне­лей и метрополитенов, отличаются укороченной протяженной частью и закрепляются, как правило, металлическими тюбингами. Типичная конструкция ствола приведена на рис. 2.9. Проходка подобного объек­та обычно выполняется по технологическим схемам, применяемым для проходки устьев шахтных стволов.

В обводненных и неустойчивых массивах горных пород при со­оружении стволов применяются специальные способы:

- замораживание;

- кессонный (проходка под сжатым воздухом с давлением до 0,3 МПа);

- тампонаж вмещающих пород (цементация, полимеризация, силикатизация, битумизация);

- водопонижение;

- бурение (роторное, турбинное, колонковое);

- проходка с забивной или шпунтовой крепью;

- способ «опускного колодца».

2.5.1.2. Способы углубки стволов

Многие месторождения полезных ископаемых вскрываются по­этапно. Первый этап завершается в период освоения месторождения: на этой стадии вскрывается верхняя часть залежей. Оставшаяся часть вскрывается позднее (второй и последующие этапы) одновременно с активной эксплуатацией ранее вскрытых участков. Такой порядок вскрытия позволяет существенно сократить сроки ввода производст­венных мощностей предприятия и ускорить окупаемость капитальных вложений.

Удлинение ствола с рабочего или строящегося горизонта в целях вскрытия нижних горизонтов месторождения называется углубкой.

Основная особенность углубки заключается в отделении углуб­ляемого участка ствола от эксплуатируемого верхнего участка ствола (в целях обеспечения безопасности проходческих работ) предохрани­тельным целиком или предохранительным полком.

Углубка может производиться сверху вниз, снизу вверх и одно­временно с нескольких горизонтов сверху вниз и снизу вверх (рис. 2.10).

2.5.2. Горизонтальные выработки

В практике горно-строительных работ горнодобывающих пред­приятий в качестве основных способов проходки горизонтальных вы­работок в однородных породах (забой вскрывает один вид породы) используются «способ сплошного забоя» и «способ уступно­го забоя» (рис. 2.11). Последний состоит в разделении забоя на гори­зонтальные или вертикальные уступы с дальнейшей последовательной их разработкой.

Способ сплошного забоя применяется в выработках с малыми, средними и большими сечениями, если устойчивость груди забоя не вызывает сомнений. Универсальным мероприятием, обеспечивающим возможность проходки в любых породах по фактору устойчивости об­нажений, является применение современных роторных проходческих комплексов (ТПМ).

В неоднородных породах, когда забой выработай пересекает один или более видов пород и полезное ископаемое, применяются «способ узкого забоя» и «способ широкого забоя» (рис. 2.12).

В практике тоннелестроения способы проходки горизонтальных горных выработок и камер принято подразделять на горный и щито­вой.

При горном способе отбойку породы производят по частям (рис. 2.13) с временным их креплением, после чего под защитой временной крепи возводят обделку.

В настоящее время горный способ имеет ограниченное приме­нение, в основном, для проходки коротких выработок или камер, где применение высокопроизводительных способов проходки экономиче­ски нецелесообразно или где по геологическим условиям невозможно раскрыть выработку на полное сечение без временного крепления.

Горный способ включает три основные модификации: сплошно­го забоя, опорного свода (рис. 2.14, 2.15), и опорного ядра (рис. 2.16).

Способ опорного ядра применяется в сухих породах, не способ­ных выдерживать давление свода обделки. Способы опорного свода используются в относительно устойчивых породах: одноштольневой способ в сухих, двухштольневый в обводненных. Недостаток способа опорного свода - необходимость подводки стен обделки под свод, весьма чувствительный к неравномерным осадкам и деформациям от бокового горного давления. Одним из мероприятий, позволяющих ис­ключить возможные аварийные ситуации, является очередность воз­ведения стен обделки (рис. 2.17).

На рис. 2.18, 2.19, 2.20, 2.21 приведены перспективные модифи­кации горного способа: способ уступного забоя, способы с примене­нием буровзрывных работ, с временной крепью из решетчатых арок и набрызг-бетона, способы с опережающей горной крепью.

Область применения горного способа может быть расширена в результате внедрения НАТМ - нового австрийского способа, сущ­ность которого может быть сведена к четырем принципам:

1 - максимальные сохранность и использование естественной несущей способности вмещающего массива;

2 - применение облегченных крепей (анкерной, набрызг-бетонной) с возможностью усиления обделки при необходимости;

3 - действенный мониторинг вмещающего массива и обделки в заданном режиме с прогнозом ситуации;

4 - высокий организационный уровень производства работ.

Щитовой способ используется при строительстве протяженных подземных сооружений в мягких, слабоусточивых и полускальных грунтах, когда горный способ оказывается неэкономичным. Способ назван «щитовым» по имени основного агрегата проходческого щита, включающего передвижную металлическую защитную крепь, собст­венно щит, оборудование для разработки и обеспечения устойчивости лба забоя, уборки пород и сооружения обделки (рис. 2.22).

Щиты выпускаются в различных модификациях: немеханизиро­ванные, механизированные, механизированные и автоматизированные для сооружения тоннелей различных форм и размеров. Преимущест­венное использование имеют щиты с круговым очертанием: диаметр щита может составлять от 2,5 до 14 м и более, длина щитового ком­плекса - более 50 ÷ 60 м. Механизированные щиты могут оснащаться забойными рабочими органами экскаваторного, фрезерного и ротор­ного действия. Как правило, рабочий орган щита приспособлен для работы в породах с определенными физико-механическими характе­ристиками и степенью обводненности, т. е. в узком диапазоне инже­нерно-геологических и гидрогеологических условий, что приводит к большому числу модификаций щитов.

На основе механизированных щитов с роторным рабочим орга­ном создан новый тип горнопроходческого оборудования - тоннель­ные роторные комплексы (ТРК) или тоннельные проходческие машины (ТПМ), рис. 2.23. Применение таких комплексов обеспечива­ет сооружение тоннелей с темпами более 500 ÷ 600 м в месяц в раз­личных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, в т.ч. в обводненных и неустойчивых породах (ТРК с механическим, грунтовым и гидравлическим пригрузом забоя).

В обводненных и весьма неустойчивых породах применяются следующие специальные способы: замораживание, кессонный, тампо­наж; водопонижение; проходка с забивной или шпунтовой крепью.

2.5.3. Особенности проходки наклонных выработок

Горные выработки с углами наклона более пяти градусов отно­сятся к наклонным. Сооружение наклонных выработок производится в основном аналогично технологии проходки горизонтальных вырабо­ток, вместе с тем существует ряд особенностей, обусловленных на­клонным положением выработок в пространстве.

Для наклонных шахтных выработок, возводимых в направле­нии сверху «низ, необходимо:

- крепить устья наклонных стволов и выработок, выходящих на поверхность, огнестойкой крепью;

- оборудовать устье противопожарными дверями, если по ство­лу подается воздух;

- применять предохранительные устройства, исключающие ска­тывание или падение горнопроходческого оборудования в забой;

- предусматривать меры по предотвращению смещения рельсо­вых путей;

- устанавливать две предохранительные системы (барьеры, пол­ки) одну вверху у входа в выработку, вторую - не выше 20 м от забоя;

- защищающие забой от падения подъемных сосудов (скипов или ваго­неток), скатывания кусков породы или каких-либо предметов. Кроме того, груженые сосуды следует оборудовать ловителями, например, вилками;

- обеспечить эффективную откачку подземных вод из забоя. Одним из таких решений при больших притоках является организация проходки по способу «шагающего водоотлива» (попеременной про­ходки с незначительным опережением забоя одного ствола и интен­сивной откачкой воды из забоя параллельного ствола);

-  предусматривать улавливание воды по всей протяженности наклонной выработки;

- организовать безопасное передвижение людей при рельсовом транспорте в параллельных выработках или в ходовых отделениях.

Для наклонных шахтных выработок, проходимых снизу-вверх, осложнения возникают вследствие трудности проветривания забоя и транспортировки материалов в забой. Поэтому для повышения эффективности вентиляции следует «сбивать» проходимую выработку вентиляционной скважиной с вышележащим горизонтом или прово­дить параллельную наклонную выработку с горизонтальными сбойка­ми,

Особенности строительства эскалаторных тоннелей обу­словлены их конструктивным исполнением и природными условиями:

- относительно малой протяженностью выработки;

- диаметром тоннеля, составляющим от 8,5 до 10 м вчерне;

- наклоном тоннеля к горизонту, равным 30 градусов;

- применением обделки из чугунных тюбингов;

- размещением в породах, свойства которых на относительно коротком участке изменяются в весьма широком диапазоне: от сла­бых, неустойчивых и обводненных до крепких и устойчивых.

Как правило, состав работ по строительству эскалаторного тон­неля включает:

- предварительное укрепление вмещающих пород:

- сооружение котлована для размещения временных полуколец и колец обделки (рис. 2.24);

- устройство монтажной камеры, монтаж тюбингоукладчика. разгрузочной платформы, скипового подъема;

- устройство оголовков и сопряжений с вестибюлем и станцией;

- проходка тоннеля с креплением лба забоя и стен тоннеля;

- отделочные работы и монтаж оборудования.

2.5.4. Способы проходки восстающих

Восстающими называются горные выработки, сбивающие два смежных горизонта или верхний горизонт с поверхностью. Восстаю­щие применяются для перепуска горной массы, вентиляции, доставки материалов, подготовки блоков к очистной выемке, прокладки инже­нерных коммуникаций, как запасной выход и для других целей.

Место примыкания восстающего к горизонту несколько смеща­ется относительно горизонтальных выработок на горизонтах по усло­виям безопасности. В зависимости от назначения восстающие оборудуются одним, двумя или тремя отделениями, тип крепи выбирается с учетом свойств вмещающих пород. Способы проходки восстающих подразделяются:

- на традиционный снизу-вверх с применением БВР;

- с применением передвижного щита ПЩБ Будряновича;

- с клетью, подвешиваемой через скважину к подъемной маши­не, установленной на верхнем горизонте;

- с использованием проходческих комплексов КПВ, переме­щаемых в процессе проходческого цикла из горизонтальной выработ­ки в проходимый восстающий по монорельсу (рис. 2.25);

- бурением (снизу вверх и сверху вниз на полное сечение, снизу вверх узким ходом и сверху вниз широким ходом с использованием буровых расширителей) комбайнами типа KB (рис. 2.26);

- способ взрывания скважин на высоту восстающего или посек­ционно с предварительным устройством компенсационных полостей.

2.5.5. Способы бестраншейной прокладки коллекторов и коммуникаций

Прогрессивными способами строительства горных выработок в условиях тесной городской застройки являются способы бестраншей­ной прокладки коллекторов и коммуникаций, диаметром от несколь­ких сантиметров до двух и более метров.

Способы бестраншейной прокладки коллекторов и коммуника­ций подразделяются:

- на микротоннелирование роторными проходческими маши­нами (рис. 2.27);

- горизонтальное бурение из котлованов (рис. 2.28) и направ­ленное управляемое бурение с поверхности (рис. 2.29);

- пневматическую забивку труб или сплошной прокол (про­бой), рис. 2.30;

- продавливание (рис. 2.31).

2.5.6. Способы сооружения подуличных переходов в условиях интенсивного уличного движения

Современные способы сооружения лодуличных переходов следует рассматривать как одну из мер сокращения сроков строитель­ства и минимизации помех уличному движению в период производст­ва горно-строительных работ. Наряду с применением современных высоких технологий, следует:

- исключать строительство сходов-выходов под окружающими зданиями и сооружениями;

- использовать бестраншейные методы перекладки существую­щих инженерных коммуникаций;

- практиковать устройство проходных и полупроходньгх кол­лекторов в составе подземного комплекса;

- реализовывать поэтапный принцип строительства с перена­правлением существующих транспортных потоков и сооружением временных эстакад;

- предусматривать выполнение основного объема работ спосо­бами строительства: под защитными экранами (рис. 2.32);

- продавливания обделок (рис. 2.33); продавливания обделок под за­щитным экраном (рис. 2.34); под мостовыми перекрытиями или бал­ками (рис. 2.35).

---

[1] ОБК - опережающая бетонная крепь