Шахтное и подземное строительство технология строительства горных выработок
Шахтное и подземное строительство. Том 1
Изложены основные понятия и определения, приведены характеристика и классификация подземных объектов и условий строительства, а также различных способов воздействия на породный массив. Рассмотрены методология проектирования, технико-экономическое обоснование строительства, проектирование технологии и организации горно-строительных работ.
Описаны буровзрывной и комбайновый способы разрушения пород, приведены технологические схемы строительства протяженных и камерных выработок. Особое внимание уделено технологии строительства вертикальных, горизонтальных и наклонных выработок в обычных и сложных гидрогеологических, геомехаиических и газодинамических условиях.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Горное дело» и по специальности «Шахтное и подземное строительство» направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело».
После выхода первого издания учебника прошло более двух лет, и уже можно подвести некоторые итоги. Высшие учебные заведения, осуществляющие подготовку инженеров в области подземного строительства, проектные организации и отдельные специалисты проявили к книге настолько большой интерес, что весь ее тираж разошелся в течение одного месяца. Таким образом, сегодня она уже стала библиографической редкостью. В известной степени это объясняется общим недостатком учебной и научно-технической литературы по горному делу, в том числе и в области подземного строительства. Со времени последнего издания фундаментальных трудов проф. Н.М.Покровского техника и технология горно-строительных работ, особенно в подземном строительстве, вышли на современный, более высокий научно-технический уровень. Однако есть и другие причины. Некоторые области инженерно-технической деятельности горняка-строителя получили новые приоритеты, например, экологическая безопасность шахтного и подземного строительства, микрощитовое строительство, строительство подземных газонефтехранилищ и т.п. Следует также отметить, что последние пять лет характеризуются резким возрастанием статуса горных наук и, в частности, формированием науки «Строительная геотехнология», которая в 1997 г. включена в новую классификацию горных наук. Естественно, что указанные позитивные изменения рано или поздно должны были найти свое логическое отражение в учебной литературе, и в этом смысле появление нового учебника оказалось своевременным.
Вместе с тем отзывы ученых-горняков и видных специалистов производства говорят о том, что главной причиной повышенного интереса к учебнику все-таки являются его содержание и методическая направленность.
При написании учебника авторы использовали многолетний опыт преподавания указанной дисциплины на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт» Московского государственного горного университета и в других российских высших учебных заведениях горного профиля. Основываясь на современной концепции высшего образования, авторы сформулировали и попытались реализовать ряд требований, которым, по их мнению, должен удовлетворять любой учебник.
Первое из них состоит в необходимости учета особенностей реализации каждой конкретной дисциплины в учебном процессе. Выполнение этого требования обеспечивается, во-первых, достижением соответствия содержательной части учебника возможностям ее усвоения на уровне знаний, уже приобретенных студентом на данном образовательном этапе. И, во-вторых, согласованием перечня рассматриваемых вопросов, их объема и глубины изучения с требованиями, установленными новым Государственным образовательным стандартом.
Второе требование предполагает, что учебник формирует у студента систему базовых знаний, поэтому в нем должны излагаться в основном фундаментальные вопросы, имеющие наиболее общий характер для всей сферы инженерной деятельности специалиста данного профиля. Студент должен также приобретать необходимые знания, изучая научную литературу, производственный опыт, лично участвовать в решении технических задач, связанных со строительством горных выработок и подземных сооружений.
Третье требование заключается в обеспечении взаимосвязанности излагаемого материала, рассмотрении горно-строительных процессов с единых позиций, основанных на общем научном подходе, а не на частных особенностях отраслевого характера. Такой подход в сочетании с требованием фундаментальности знаний позволит будущему специалисту успешно адаптироваться в быстроизменяющейся конъюнктуре рынка труда и при необходимости в кратчайшие сроки дополнять свою базовую специальность новыми знаниями для получения различных специализаций и профилизаций. Выполнение этого требования, по мнению рецензентов и откликам специалистов, придало учебнику известную оригинальность и новизну.
И, наконец, четвертое требование сводится к убедительности в аргументации основных положений, особенно в части практических рекомендаций. После изучения очередных разделов дисциплины у студента не должно быть сомнений в правильности усвоения материала, а должно появиться стремление к поиску новых более эффективных путей решения той или иной технической задачи.
Во второе издание учебника с учетом мнения специалистов и рецензентов внесены некоторые добавления и исправления. Они, хотя и не носят принципиального характера, но, по мнению авторского коллектива, пойдут на пользу изданию. Сокращен текст некоторых разделов первого тома за счет удаления излишней детализации второстепенных вопросов. Разделы учебника дополнены контрольными вопросами. Расширен список рекомендуемой литературы, что поможет студентам различных ступеней образования (бакалаврам, инженерам и магистрам) ориентироваться в огромном потоке технической информации. Усилен раздел, связанный с особенностями мер безопасности при ведении работ в выработках большого поперечного сечения. Второй том дополнен главой, посвященной использованию геофизических методов контроля за горно-геологической ситуацией по трассе строительства тоннелей. Использование подобных методов позволяет в значительной степени снизить риск при строительстве.
В целом, как представляется авторскому коллективу, работа над вторым изданием учебника позволила улучшить его содержание, но вместе с тем авторы с благодарностью примут все конструктивные замечания и предложения читателей.
Дальнейшее совершенствование учебника видится в создании его электронной версии. Озвученное, анимированное, динамическое представление сложных горно-строительных процессов в трехмерном пространстве облегчит студенту понимание наиболее трудных для усвоения разделов дисциплины. Однако на сегодняшний день эта задача остается весьма сложной в методическом, техническом и финансовом отношениях. Думается, что решить ее смогут ученые, педагоги и специалисты — выпускники горных вузов третьего тысячелетия.
Шахтное и подземное строительство технология строительства горных выработок
ЧАСТЬ 1 ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ШАХТНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
ГЛАВА 1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Горная выработка — полость в толще горных пород, образованная в результате ведения горных работ и служащая для разработки месторождений полезных ископаемых, а также для других горнотехнических целей.
В зависимости от угла, составляемого продольной осью выработки с горизонтом, различают выработки вертикальные, наклонные и горизонтальные.
Ствол, по которому с помощью вентилятора свежий воздух нагнетают в подземные выработки шахты или отработанный удаляют из них, называют вентиляционным. Вентиляционным стволом может быть как главный, так и вспомогательный.
Шурф — вертикальная (реже наклонная) неглубокая горная выработка обычно прямоугольного сечения, проведенная с поверхности.
На действующих шахтах шурфы используют для вентиляции и спуска материалов на верхние горизонты шахтного поля.
Квершлаг — горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проведенная по вмещающим породам вкрест простирания месторождения и используемая для транспортирования, вентиляции, передвижения людей, водоотлива, прокладки электрических кабелей и линий связи. В зависимости от назначения или наименования вскрываемой части шахтного поля различают квершлаги откаточные, вентиляционные, этажные, участковые и др.
Штрек —горизонтальная горная выработка, проведенная по простиранию наклонно залегающего месторождения с углом наклона не более 0-3° или в любом направлении при горизонтальном его залегании. Штрек, проведенный по полезному ископаемому, называется пластовым, а по породе — полевым. В зависимости от назначения штреки называют откаточными, вентиляционными, главными, этажными, промежуточными.
Гезенк — вертикальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и предназначенная для спуска полезного ископаемого под действием собственной массы или в специальных сосудах механическим способом.
Орт — горизонтальная (с углом наклона не более 0—3°) выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и проведенная вкрест простирания месторождения (при крутом и наклонном падении). Орты проводят при разработке мощных пластов или рудных залежей. Они соединяют пластовые (рудные) штреки, проведенные у кровли висячего и почвы лежачего бока пласта или рудной залежи.
Просек — горная выработка, проводимая обычно в толще полезного ископаемого по простиранию пласта или залежи и предназначенная для проветривания, передвижения людей и транспортирования грузов. Просеки проводят параллельно штрекам; они служат для оконтуривания целиков.
Бремсберг — горная выработка, проведенная, как правило, по направлению восстания пласта или залежи полезного ископаемого и предназначенная для спуска полезного ископаемого на откаточный горизонт этажа или шахты. В зависимости от назначения различают бремсберги капитальные, панельные и участковые. Бремсберг может быть пластовым или полевым.
Уклон —наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для подъема полезного ископаемого. Уклон отличается от бремсберга направлением движения полезного ископаемого.
Скат — наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для спуска различных грузов под действием собственного веса.
Ходок — горизонтальная или наклонная выработка, оборудованная лестницами или трапами и предназначенная преимущественно для передвижения людей. Ходок обычно проводят параллельно бремсбергу или уклону. Люди могут ходить только по ходкам. Ходками соединяют камеры с откаточными или вентиляционными выработками шахты.
Печь — горная выработка, проводимая по полезному ископаемому, по восстанию пласта или залежи и предназначенная для проветривания, передвижения людей и транспортирования грузов. Печь, проведенная с целью образования очистной выработки, называется разрезной.
Камера — горная выработка, имеющая при сравнительно больших поперечных размерах небольшую длину и предназначенная для размещения оборудования, материалов и инвентаря или для санитарных и других целей. В зависимости от назначения камеры бывают насосные, подземной электроподстанции, подземного бункера и т.д.
Лава — очистная выработка большой протяженности (от нескольких десятков до нескольких сотен метров), один бок которой образован массивом полезного ископаемого (забоем лавы), а другой — стенкой закладочного материала или обрушенной породой выработанного пространства.
Околоствольный двор — совокупность выработок, служащих для соединения шахтного ствола (стволов) со всеми остальными выработками шахты и для размещения некоторых общешахтных производственных служб (водоотлива, электроподстанции, электровозного гаража, склада противопожарного инвентаря и т.д.).
Подземное сооружение —объект промышленного, культурного, оборонного и коммунального назначения, создаваемый в массиве горных пород под дневной поверхностью.
Тоннель — горизонтальное или наклонное подземное искусственное сооружение, предназначенное для транспорта, пропуска воды, размещения коммуникаций и других целей. Длина тоннеля обычно значительно превышает его поперечные размеры.
По назначению тоннели бывают нескольких видов.
Гидротехнические тоннели предназначены для перемещения больших объемов воды. К ним относят тоннели гидроэлектростанций, подводящие воду к турбинам и отводящие ее после использования; тоннели водоснабжения, подающие воду для населенных пунктов (иногда на расстояние в десятки километров); тоннели, используемые для улучшения земель (ирригационные и мелиоративные).
Транспортные тоннели предназначены для пропуска автомобильного и железнодорожного транспорта, поездов метрополитена и скоростного трамвая, специальных видов транспорта. Существуют также совмещенные тоннели для нескольких видов транспортных средств и пешеходов, судоходные тоннели и др.
Коммунальные тоннели предназначены для прокладки различных инженерных коммуникаций: электрических кабелей, кабелей связи, теплосетей, водостока, водо- и газопроводов, канализации.
Горно-промышленные тоннели обслуживают предприятия, добывающие полезные ископаемые.
К тоннелям специального назначения относят подземные автостоянки и гаражи тоннельного типа, тоннели для научных исследований (например, ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний), тоннели оборонного характера.
Камерная выработка —горная выработка, имеющая при сравнительно больших поперечных размерах небольшую длину.
По назначению камерные выработки бывают: хозяйственные (аграрные предприятия, хранилища, склады, гаражи, автостоянки); объектов гидроэнергетики (машинные залы, насосные станции); социального назначения (библиотеки, спортзалы, кинозалы, бассейны, больницы, музеи, научные центры); экологического назначения (хранилища-могильники для радиоактивных отходов и вредных веществ, опасные производства); оборонного назначения.
Проведением горной выработки называют комплекс работ, включающий выемку, погрузку и транспортирование горной массы, возведение крепи, наращивание транспортных устройств и коммуникаций, обеспечивающих определенную скорость продвижения забоя.
Строительством горной выработки называют комплекс работ, выполнение которых обеспечивает ее готовность к сдаче в эксплуатацию согласно техническому проекту. В состав комплекса входят подготовительные работы, проведение самой выработки и заключительные работы для сдачи ее в эксплуатацию.
Обычные условия проведения горной выработки — условия, при которых вмещающие породы допускают обнажение забоя выработки до возведения крепи без специальных методов или устройств для его поддержания и обеспечения безопасных условий труда проходчиков.
Сложные условия проведения горной выработки — условия, при которых горно-строительные работы следует сопровождать соответствующей подготовкой окружающего массива или организационно-техническими мероприятиями, позволяющими устранить или снизить отрицательные воздействия среды на показатели проходческих работ и устойчивое состояние выработки.
Проходческим циклом называют совокупность основных и вспомогательных процессов, при однократном выполнении которых за определенное время забой выработки подвигают на установленную величину.
Время выполнения одного цикла работ называют продолжительностью цикла. Скорость проведения выработки зависит от числа циклов, выполненных за месяц при одинаковом подвигании забоя за один цикл.
Проведение горных выработок обычно осуществляют по заранее разработанному графику цикличности, обеспечивающему высокую скорость проведения при комплексной механизации работ и увеличение производительности труда.
На графике цикличности изображают последовательность и длительность всех процессов цикла.