Строительство шахтных вертикальных стволов
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ШАХТ
Проникающая через крепь вода вымывает цемент из свежеуложенного бетона, что сопровождается снижением его прочности и водонепроницаемости. Анализ изменения притока воды при строительстве стволов показывает, что в большинстве случаев на небольших глубинах в зоне гидравлической активности приток составляет до 30 м3/ч, ниже с глубиной он уменьшается. Например, на глубине 400—500 м приток составляет 10-15 м3Д, а на глубине более 800 м — 0,5-2 м3/ч.
Согласно СНиП III-11-70, строительство стволов в неустойчивых породах независимо от ожидаемого притока воды надлежит вести с применением специальных способов (тампонаж, предварительное замораживание и др.). В устойчивых породах при притоках воды не более 8 м3/ч стволы проходят обычным способом, в отдельных случаях при соответствующем технико-экономическом обосновании допускается проходить стволы обычным способом при притоках воды до 20 — 25 м3/ч.
При строительстве стволов существуют три основных способа борьбы с водой: непосредственный водоотлив, т.е. откачка воды из забоя ствола с помощью водоотливных средств; водоулавливание, т.е. улавливание воды до поступления ее в забой с последующей откачкой на поверхность; предварительное искусственное закрытие трещин и водотоков путем заполнения их цементным, глинистым раствором, битумом или посредством предварительного замораживания пород вокруг ствола.
Непосредственный водоотлив осуществляют при помощи бадей или насосов.
Бадейный водоотлив. При использовании этого способа поступающую в забой воду переносными пневматическими насосами Н-1м, «Байкал» перекачивают в бадью, заполняя пустоты между кусками породы, и поднимают на поверхность. Во время бурения и заряжания шпуров, при возведении постоянной крепи воду из забоя выдают в бадьях без породы.
При оснащении ствола двумя подъемными установками производительность водоотлива бадьями будет равна сумме производительностей водоотлива каждой установки. Производительность водоотлива бадьями при хорошей организации подъема может достигать 20—25 м3/ч.
Для откачки воды из ствола применяют подвесные вертикальные и горизонтальные стационарные насосы. Водоотлив насосами можно осуществлять по трем основным схемам: одноступенчатой, двухступенчатой и многоступенчатой. При одноступенчатой схеме воду из забоя подвесным насосом по ставу труб откачивают непосредственно на поверхность земли. Насос подвешивают в стволе на двух канатах через блок в раме насоса. К подвесным канатам хомутами крепят став водоотливных труб. Наращивание става при опускании насоса в забой и демонтаж нескольких звеньев става перед взрывными работами осуществляют в устье ствола на нулевой раме. При откачке воды насос располагают на расстоянии 4-5 м от забоя. Всасывающее устройство (храпок) насоса опускают в приямок в забое, в котором собирается вода. Перед взрыванием шпуров насос поднимают на безопасную высоту (20-25 м).
Откачку воды по одноступенчатой схеме можно осуществлять только при условии, что глубина ствола не превышает высоту напора, которую может создать подвесной насос (практически это до 300-350 м).
При двухступенчатой схеме водоотлива воду из забоя перекачивают на высоту до 40 м переносными забойными насосами по шлангам в бак (обычно в бадью), откуда с помощью подвесного вертикального насоса откачивают на поверхность. Перекачнои бак вместимостью 2,5—3 м3 устанавливают на подвесном полке или натяжной раме или подвешивают вместе с вертикальным насосом на подвесных канатах. Схема двухступенчатого водоотлива имеет следующие преимущества по сравнению с одноступенчатой схемой: перекачнои насос с баком подвешены на безопасном расстоянии от забоя (до 40 м), вследствие чего устраняется необходимость его подъема перед взрыванием шпуров; легкие забойные насосы не загромождают рабочее пространство в забое и надежны в работе; перекачнои подвесной насос откачивает воду из бака с предварительным ее осветлением; включение и выключение перекачного насоса осуществляется автоматически в зависимости от уровня воды в баке. Область применения двухступенчатой схемы ограничивается напором перекачного насоса. Эту схему обычно используют в стволах глубиной до 300-350 м с насосами ППН-50-12м; НП-2.
В перекачных станциях устанавливают два насоса — рабочий и резервный.
Для автоматизации водоотлива на перекачных станциях устанавливают пусковую аппаратуру АВ-5; АВ-7, обеспечивающую поочередный пуск и остановку насосов в зависимости от уровня воды в водосборнике.
Водоулавливание. При строительстве стволов одновременно с водоотливом при помощи бадей или насосов необходимо применять водоулавливание, т.е. улавливание фильтрующейся воды через крепь ствола до поступления ее в забой.
В стволах с бетонной крепью фильтрация воды через нее зависит от ряда факторов, в том числе от качества бетона, качества укладки бетонной смеси за опалубку, наличия «холодных» швов и др. Приток фильтрующейся воды через крепь ствола иногда достигает 10 м3/ч и более. Эта вода падает вниз в виде капель и осложняет производство работ в забое. Интенсивность капежа достигает наибольшей величины у стен ствола, уменьшаясь к центру. По данным ВНИИОМШСа, примерно 65-80% воды, фильтрующейся через крепь, распределяется в виде капежа на расстоянии до 30 см от стен, 15% — на расстоянии 1,2 м и только около 5% воды стекает в центральной части ствола. Такое распределение стока воды по стволу позволяет эффективно улавливать ббльшую часть ее у стенок ствола.
Водоулавливание осуществляют при помощи водоулавливаю-щих колец, в которых собирается ббльшая часть просачивающейся через крепь воды. Из водоулавливающего кольца воду по трубам или шлангу перепускают в расположенную ниже перекачную станцию.
Водоулавливающее кольцо представляет собой металлический желоб ( 6.26, а) шириной 20-30 см, высотой 20—25 см, который по периметру крепят штырями к бетонной стенке ствола. Второй вариант конструкции водоулавливающего кольца показан на 6.26, б. В этом случае в крепи ствола прорубается штроба, в которую укладывают желоб из швеллера № 20-30 с приваренным к нему козырьком из листовой стали. Зазор между желобом и крепью уплотняют гидроизоляционным материалом. Для стока воды водоулавливающее кольцо устанавливают с уклоном 0,02-0,03 в сторону водоспускного отверстия, к которому приваривают сточную трубу.
Улавливание воды можно осуществлять также при помощи дренирования ее через фильтры устраиваемые в стенках ствола на уровне водоносных горизонтов. Для этого сквозь крепь бурят шпуры, в которые устанавливают водоспускные или забивные фильтры. Водозаборная часть фильтра перфорирована отверстиями. Диаметр отверстий зависит от крупности зерен породы и дебита водоносного горизонта, обычно его принимают равным двум-трем диаметрам зерен породы (песка). В мелкотрещииоватых рыхлых породах используют гравийные фильтры. Поступающую через фильтры воду по резиновым шлангам или металлическим трубам перепускают в водоулавливающие кольца или непосредственно в расположенные ниже перекачные станции.
Материал взят из книги: Шахтное и подземное строительство
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника 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
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ ГОРНЫХ НАУК
БЛ. Картозия, Б.И. Федунец, М.Н. Шуплик, Ю.Н. Малышев,
В.И. Смирнов, В.Г. Лернер, Ю.П. Рахманинов, А.В. Корчак,
Рецензент —проф., д-р техн. наук Л.Г. Грабчак (зав. кафедрой «Горное дело и проведение горно-разведочных выработок» МГГА)
Способы проходки вертикальных шахтных стволов.
План
Общее понятие о вертикальных шахтных стволах.
2. Способы проходки вертикальных шахтных стволов
3. Технология проходки вертикальных шахтных стволов.
4. Техника безопасности при проходке вертикальных шахтных стволов.
Список использованной литературы. 1. Общее понятие о вертикальных шахтных стволах.
Места расположения стволов обязательно увязывают с принятой системой вентиляции тоннелей для рационального их использования в качестве постоянных сооружений. При строительстве горных тоннелей стремятся использовать площадки с удобным подъемом, при строительстве метрополитенов выбирают места, наиболее свободные от городской застройки.
Материалом для обделки стволов шахт круглого поперечного сечения в зависимости от горно-геологических условий может быть монолитный бетон, сборный железобетон и в тяжелых горно-геологических условиях – чугунные тюбинги. При прямоугольном сечении в качестве материала используют дерево, иногда сборный железобетон.
Рис. 1.1 – Конструкция шахтного ствола
При проходке ствола в слабых грунтах (рис. 1.2, а) применяется конструкция устья с воротником (1) в виде железобетонной плиты. Цилиндрическая часть (2) устья при сборной обделке бетонируется вместе с первым кольцом тюбингов (3). В более крепких грунтах (рис. 6.2, б) устраивается устье из нескольких тюбинговых колец (6) обделки ствола, прикрепленных болтами к верхнему кольцу (4), которое опирается на бетонную подушку (5).
Рис. 1.2 – Конструкции устьев ствола: а – с воротником; б – из тюбинговых колец; в – из монолитного бетона
При монолитной обделке (рис. 1.2, в) сооружается опорный венец (башмак) (8) в виде уступа, выше которого располагается устье (7).
В зависимости от расположения относительно ствола шахты различают односторонний и двусторонний околоствольные дворы (рис. 1.3). Односторонний околоствольный двор представляет собой выработку диаметром 5–6 м (она может быть сводчатой формы), располагаемую с одной стороны шахтного ствола. Двусторонний околоствольный двор сооружается с обеих сторон ствола шахты. Длина одностороннего околоствольного двора составляет 18–20 м, а при двустороннем дворе с противоположной стороны добавляется еще 12–15 м.
Рис. 1.3 – Схемы околоствольных дворов: а – односторонний (тупиковый) околоствольный двор; б – двусторонний околоствольный двор; 1 – клетевой подъем; 2 – шахтный ствол; 3 – лесоспуск; 4 – ходок в насосную камеру, 5 – путевые съезды; 6 – рельсовые пути; 7 – подходная штольня; 8 – обходная штольня
Двусторонний околоствольный двор сооружают при больших грузопотоках, что соответствует проходке четырех-пяти тоннельных забоев диаметром до 6 м. Такие дворы устраивают у стволов шахт, обслуживающих сооружение станций метрополитенов.
До проходки ствола производится уточнение геологических и гидрогеологических условий сооружения ствола шахты, физико-механических свойств грунта, определение возможной величины притока воды. Для этой цели бурят три добавочные разведочные скважины по вершинам равностороннего треугольника, описанного вокруг сечения проектируемого ствола.
Место заложения шахтного ствола и способ его проходки выбирают с учетом инженерно-геологических условий по трассе тоннеля, рельефа местности, наличия и расположения наземных и подземных сооружений. В подготовительный период строительства маркшейдерская служба производит разбивку и вынесение оси ствола.
В случае сооружения ствола в затопляемый паводковыми водами зоне создают незатопляемую площадку, на которой предусматривается размещение всех необходимых устройств и обеспечение транспортной и телефонной связи. При невозможности устройства такой площадки устье шахты поднимают на 1 м выше максимального горизонта паводковых вод.
До начала сооружения ствола в зависимости от принятого способа проходки надо выполнить следующие работы: сделать устье ствола (воротник), соорудить участок ствола для монтажа проходческого оборудования (подвесного полка, устройств для монтажа обделки и погрузки грунта) и смонтировать это оборудование.
Сооружение устья (воротника) и верхнего участка ствола следует осуществлять в открытом котловане. Котлован разрабатывают с помощью грейфера и пневматических инструментов. Возведение сборной или монолитной обделки на всю высоту устья необходимо производить с использованием подвижного кранового оборудования.
Способы проходки вертикальных шахтных стволов.
В зависимости от устойчивости и водообильности грунтового массива различают обычные и специальные способы сооружения стволов.
Обычные способы проходки стволов глубиной до 50 м применяют в устойчивых грунтах: глинистых, гравиино-галечниковых, щебенистых и песчаных, расположенных выше уровня капиллярного поднятия воды, а также в крепких скальных грунтах при ожидаемом притоке воды в забое до 50 м 3 /ч.
Проходку стволов обычными способами глубиной более 50 м в устойчивых грунтах следует производить при притоках воды в забой до 8 м 3 /ч. При соответствующем технико-экономическом обосновании можно производить проходку стволов обычным способом при притоках воды в забой до 20 м 3 /ч с последующим подавлением и доведением притока до 8 м 3 /ч. Обычные способы являются основными и наиболее распространенными.
Специальные способы сооружения стволов шахт применяют в рыхлых, неустойчивых или плывунных грунтах, а также при пересечении крепких, трещиноватых водоносных грунтов. Выбор способа проходки стволов шахт специальным способом следует осуществлять на основании сопоставления технико-экономических показателей с учетом данных согласно СНиПа.
При обычных способах проходки различают проходку в крепких грунтах с применением буровзрывных работ и проходку в мягких грунтах, где разработку ведут с применением отбойных молотков или пневмоломов.
При последовательной схеме в каждом звене сначала производят выемку грунта, а затем возводят обделку. По окончании производят аналогичные работы в нижнем звене и т. д. Такая схема сооружения стволов шахт может быть рекомендована для стволов глубиной до 100 м, а также в неустойчивых и водоносных грунтах с применением специальных способов.
При параллельной схеме работы ведут в двух звеньях, в нижнем производят выемку грунта в направлении сверху вниз и при необходимости устанавливают временную крепь, в верхнем смежном звене с подвесного полка снизу вверх возводят обделку. Эту схему применяют при диаметре стволов более 4,5 м и глубине ствола более 250 м. Однако, в связи со сложностью работ, применение такой схемы ограничено.
При совмещенной схеме возведение сборной обделки входит в проходческий цикл. По этой схеме очередное кольцо обделки монтируют одновременно с уборкой грунта из забоя. Простота организации работ позволяет достигнуть высоких скоростей проходки. Совмещенная схема получила небольшое распространение и может быть рекомендована для сооружения стволов любых размеров поперечного сечения и глубины.
Сущность параллельно-щитовой схемы заключается в том, что обделка ствола возводится одновременно с выемкой грунта сверху вниз. Вместо временной крепи применяют щит из листовой стали толщиной 10–20 мм, высотой от 5 до 18 м, который по мере выемки грунта опускают. Обделку возводят сверху вниз с подвесного трехэтажного полка. Эта схема сооружения стволов может быть рекомендована только при достаточно устойчивых грунтах. Основным недостатком этой схемы является большая масса проходческого оборудования (150–180 т) и значительный срок его монтажа (5–6 месяцев и больше).