Шахтное и подземное строительство. Технология строительства горизонтальных и наклонных выработок

П.С. Сыркин, И.А. Мартыненко, М.С. Данилкин

ШАХТНОЕ И ПОДЗЕМНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО Технология строительства горизонтальных и наклонных выработок

Новочеркасск 2002 УДК 622.258

ББК 33.01 С95 Рецензенты: доктор техн. наук, проф. Н.С. Булычев (ТулГУ) доктор техн. наук, проф. М.Н. Шуплик (МГГУ)

Сыркин П.С., Мартыненко И.А., Данилкин М.С. С95 Шахтное и подземное строительство. Технология строительства горизонтальных и наклонных выработок: Учеб. пособие/ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2002. 430 с. ISBN Приведены основные сведения о проходке и креплении горизонтальных и наклонных горных выработок. Рассмотрены технология, механизация и организация сооружения подготовительных и капитальных горных выработок, тоннелей и камер. Предназначено для студентов специальности 0904 "Шахтное и подземное строительство". УДК 622.258 ISBN

© Шахтинский институт ЮРГТУ, 2002 © Сыркин П.С., Мартыненко И.А., Данилкин М.С., 2002

Учебное издание Петр Серафимович Сыркин Иван Андреевич Мартыненко Михаил Сергеевич Данилкин

ШАХТНОЕ И ПОДЗЕМНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО Технология строительства горизонтальных и наклонных выработок

Редакторы: Н.А. Юшко, А.А. Галикян Компьютерная верстка А.Ю. Прокопов ЛР № 020417 от 12.02.97 г. Подписано в печать 10.09.2002 г. Формат 60×84 Бумага офсетная. Печать оперативная. Печ. л. 24,9. Уч.-изд. л. 27,0. Тираж 125. Заказ

Южно-Российский государственный технический университет Редакционно-издательский отдел ЮРГТУ Типография ЮРГТУ Адрес университета и типографии: 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

1 . 16

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ........................................................................................................ 3 1. Общие сведения о строительстве выработок ........................................... 5 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.

Основные понятия и определения ......................................................................5 Способы и технологии проведения выработок .................................................8 Форма и размеры поперечного сечения выработок ..........................................9 Проходческий цикл и его элементы ...................................................................18

2. Буровзрывная технология строительства выработок ........................... 20 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7.

Общие сведения о взрывчатых веществах и средствах взрывания .................20 Расход взрывчатого вещества .............................................................................25 Конструкция заряда в шпуре...............................................................................27 Диаметр и число шпуров .....................................................................................29 Глубина шпуров....................................................................................................30 Расположение шпуров в забое ............................................................................34 Контурное взрывание...........................................................................................37

3. Бурение шпуров.............................................................................................. 41 3.1. Общие сведения....................................................................................................41 3.2. Бурение шпуров ручными электросверлами, перфораторами и колонковыми машинами......................................................................................42 3.3. Механизированное бурение шпуров с помощью бурильных установок........53 3.4. Безопасность жизнедеятельности при ведении буровзрывных работ ............61

Глава 4. Проветривание тупиковых выработок ......................................... 63 4.1. Способы и схемы проветривания .........................................................................63 4.2. Вентиляционное оборудование.............................................................................67 4.3. Проектирование вентиляции тупиковых выработок ..........................................68 4.4. Пример расчета по программе «Воздух-П».........................................................77

Глава 5. Погрузка породы ................................................................................ 81 5.1. Общие сведения......................................................................................................81 5.2. Погрузка породы ковшовыми погрузочными машинами ..................................82 5.3. Погрузка породы машинами непрерывного действия........................................89 5.4. Погрузка породы скреперными установками......................................................92 5.5. Выбор погрузочной машины и расчет производительности погрузки породы......................................................................................................94 5.6. Транспорт, средства обмена вагонеток ................................................................97

Глава 6. Крепление горизонтальных и наклонных выработок .............105 6.1. Общие сведения...................................................................................................105 6.2. Крепление выработок металлической крепью .................................................109 6.3. Крепление выработок монолитными бетонной и железобетонной крепями.................................................................................................................143 6.4. Крепление выработок сборной железобетонной крепью ................................167 6.5. Возведение набрызг-бетонной крепи ................................................................174 6.6. Возведение металлобетонной крепи..................................................................179 6.7. Возведение анкерной крепи ...............................................................................183 429

Глава 7. Вспомогательные работы при проведении выработок ........... 199 7.1. Общие сведения ...................................................................................................199 7.2. Возведение временной крепи при проведении выработок..............................199 7.3. Устройство водоотливных канавок ...................................................................202 7.4. Монорельсовые подвесные канатные дороги...................................................203 7.5. Прокладка труб и кабелей...................................................................................207 7.6. Освещение забоя выработки...............................................................................209 7.7 Маркшейдерское обслуживание .........................................................................215

Глава 8. Путевое хозяйство подземного рельсового транспорта........... 218 8.1. Общие сведения ...................................................................................................218 8.2. Радиусы и уклоны рельсовых путей ..................................................................219 8.3. Зазоры в откаточных выработках.......................................................................220 8.4. Строение рельсового пути ..................................................................................222 8.5. Рельсовые скрепления.........................................................................................223 8.6. Путевые шпалы и брусья ....................................................................................225 8.7. Устройство рельсовых путей..............................................................................230 8.8. Устройство стрелочных переводов....................................................................234 8.9. Временные рельсовые пути в призабойной зоне и механизмы для обмена вагонов.............................................................................................239

Глава 9. Строительство горизонтальных выработок в неоднородных породах................................................................ 247 9.1. Формы, размеры поперечного сечения и способы проведения выработок ...247 9.2. Проведение выработок узким забоем буровзрывным способом ....................250 9.3. Строительство подземных сооружений с применением комбайнов ..............255

Глава 10. Строительство выработок околоствольного двора ............... 271 10.1. Общие сведения .................................................................................................271 10.2. Проведение протяженных выработок околоствольного двора .....................272 10.3. Камеры главного водоотлива и технология их строительства......................279 10.4. Камера центральной подземной подстанции и технология ее проведения .....................................................................................................285 10.5. Комплекс выработок и камер склада взрывчатых материалов и технология их проведения .............................................................................286 10.6. Выработки и камеры депо электровозов и технология их проходки ...........289 10.7. Камеры вспомогательного назначения и технология их проведения ..........293 10.8. Технология сооружения наклонных ходков околоствольного двора...........296 10.9. Проведение камеры загрузочных устройств...................................................299 10.10. Конструкция сопряжений горных выработок...............................................301 10.11. Технология проходки и крепления сопряжений горных выработок ..........310

Глава 11. Сооружение тоннелей в крепких породах ............................... 314 11.1. Общие сведения .................................................................................................314 11.2. Схемы сооружения тоннелей ...........................................................................314 11.3. Параметры буровзрывных работ при сооружении тоннелей сплошным забоем и разработке верхнего уступа ..............................................................317 11.4. Параметры буровзрывных работ при разработке нижнего уступа забоя тоннеля .....................................................................................................319 11.5. Буровое оборудование ......................................................................................323 430

11.6. Организация работ по бурению и заряжанию шпуров и проветриванию забоя тоннеля .....................................................................................................325 11.7. Погрузка и транспортировка породы ..............................................................331 11.8. Подземные дороги .............................................................................................333 11.9. Временное крепление тоннелей .......................................................................333 11.10 Возведение обделки тоннелей.........................................................................336

Глава 12. Сооружение тоннелей в породах средней крепости и мягких............................................................................................ 341 12.1. Способы сооружения тоннелей........................................................................341 12.2. Сооружение тоннелей комбайнами .................................................................349 12.3. Строительство тоннелей с применением щитов ............................................353 12.4. Возведение обделки ..........................................................................................366

Глава 13. Строительство подземных сооружений открытым способом ...................................................................... 373 13.1. Общие сведения.................................................................................................373 13.2. Котлованный способ .........................................................................................373 13.3. Траншейный способ ..........................................................................................383 13.4. Передвижные крепи ..........................................................................................386

Глава 14. Организация работ и расчет технико-экономических показателей при проведении горных выработок.................... 390 14.1. схемы организации работ при строительстве горизонтальных и наклонных выработок ....................................................................................390 14.2. Состав проходческого цикла ............................................................................390 14.3. Определение трудоемкости работ, длительности цикла и состава звена ....391 14.4. Определение продолжительности процессов проходческого цикла............392 14.5. График организации работ ...............................................................................393 14.6. График выходов.................................................................................................393 14.7. Организация работ при строительстве комплекса выработок околоствольного двора.....................................................................................393 14.8. Организация работ при проведении горизонтальных и наклонных выработок буровзрывным способом ..............................................................403 14.9. Организация работ при проведении выработок проходческими комбайнами ......................................................................................................405

Заключение........................................................................................................410 Библиографический список рекомендуемой литературы .......................412 Приложение 1. Аэродинамические характеристики вентиляторов местного проветривания.................................................................................414 Приложение 2. Технологическая схема проведения грузовой ветви околоствольного двора ...................................................................................417 Приложение 3. Технологическая схема проведения порожняковой ветви околоствольного двора ........................................................................421 Приложение 4. Технология проведения выработки с применением бурильных установок БУР-2, погрузочных машин 1ППН-5, перегружателей ПСК-1 темпами 190 м/мес ................................................425

431

ПРЕДИСЛОВИЕ Проводимый в последние годы комплекс взаимосвязанных мероприятий направлен на преобразование производственных и организационных структур в горнорудной и угольной отраслях страны в целях повышения эффективности производства и решения сложных сопряженных с этими преобразованиями социально-экономических проблем, с одновременной адаптацией к рыночным отношениям при переходе к ней российской экономики в целом. Основными целями проводимых мероприятий и преобразований являются: – формирование конкурентоспособных предприятий, обеспечивающих самофинансирование в длительной перспективе: – обеспечение социальной защищенности работников и высвобождаемых трудящихся при ликвидации убыточных неперспективных предприятий. В качестве основных задач для повышения эффективности производства в угольной промышленности определен переход на схемы вскрытия и подготовки шахтных полей с максимально возможной концентрацией горных работ при полной ликвидации временных схем с минимальным использованием полной конвейеризации, обеспечивающих эффективную высокопроизводительную работу очистных забоев. Если в недалеком прошлом средняя нагрузка на очистной забой на шахтах Восточного Донбасса составляла 450-550 т угля в сутки, то в настоящее время она возросла до 1000 т. Но и тысячные нагрузки не могут позволить шахте быть самодостаточной, поэтому в ближайшее время средняя нагрузка перешагнет рубеж 1,5-2 тыс. т в сутки. Создание высокопроизводительного очистного оборудования позволит увеличить размеры выемочных полей до 3-4 км, а длину очистного забоя – до 300м. Ввод в действие новых или реконструируемых предприятий с приведенными выше высокими показателями предъявят к шахтному строительству соответствующие требования. Высокие нагрузки с подвиганием лавы 5-10 м в сутки требуют воспроизводства очистного фронта со скоростью на 10-15% большей, чем подвигание очистного забоя. Следовательно, проведение горизонтальных и наклонных горных выработок остается одной из главных задач по воспроизводству очистного фронта. Развитие и совершенствование шахтного и капитального строительства направлено на сокращение продолжительности и сроков ввода в действие горных предприятий, повышение технического уровня строительства, качества строительно-монтажных работ, производительности труда и снижение стоимости. Шахтное строительство представляет собой сложный комплекс строительно-монтажных работ, выполняемых в определенной последовательности, при этом на критическом пути строительства комплекса всегда стоят горные работы, объем и сложность которых увеличиваются с глубиной. 3

Исходя из того, что угольная отрасль в горнодобывающей промышленности по объему проведения выработок является наиболее значимой, то передовой опыт проведения горизонтальных и наклонных выработок, образцы машин и механизмов для их проведения и расчеты технологических параметров приведены в настоящем пособии по этой отрасли. Учебное пособие подготовлено авторами в соответствии с программой курса по специальности 090400 «Шахтное и подземное строительство» и имеет целью дать студентам знания по технике и организации работ при проведении горизонтальных и наклонных выработок, научить рассчитывать основные параметры проходческого цикла, а также привить навыки творческого подхода в оценке и применении передового опыта. По окончании курса студент сможет составить проект производства работ на проведение горизонтальной и наклонной выработки с учетом конкретных горно-геологических условий, основываясь на полученных знаниях. Совместно с авторами написаны гл. 5 канд. техн. наук В.М. Удовиченко, главы 6, 10 канд. техн наук А.Ю. Прокоповым, главы 10, 11 канд. техн. наук С.Г. Страданченко.

4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЫРАБОТОК 1.1. Основные понятия и определения Г о р н а я в ы р а б о т к а – 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. Ш т о л ь н я — горная выработка, проведенная к месторождению с поверхности горизонтально или с незначительным подъемом, имеющая непосредственный выход на поверхность, предназначенная для обслуживания подземных горных работ. Штольня, как и ствол шахты, может быть главной, вспомогательной, вентиляционной. К в е р ш л а г — горизонтальная горная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность, проведенная по вмещающим породам вкрест простирания пород 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. Ш т р е к — горизонтальная горная выработка, проведенная по простиранию наклонно залегающего пласта 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. Б р е м с б е р г — горная выработка, проведенная, как правило, по направлению восстания пласта или залежи полезного ископаемого и предназначенного 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. У к л о н – наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для подъема полезного ископаемого. Уклон отличается от бремсберга направлением движения полезного ископаемого. С к а т — наклонная выработка, не имеющая непосредственного выхода на поверхность и предназначенная для спуска различных грузов под действием собственного веса. Х о д о к — горизонтальная или наклонная выработка, оборудованная лестницами или трапами и предназначенная преимущественно для передвижения людей. Ходок обычно проводят параллельно бремсбергу или уклону. 5

Люди могут ходить только по ходкам. Ходками соединяют камеры с откаточными или вентиляционными выработками шахты. П е ч ь – 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. К а м е р а – 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. Г е з е н к – вертикальная выработка, не имеющая непосредственного выхода на земную поверхность и предназначенная для спуска полезного ископаемого под действием собственного веса или в специальных сосудах механическим способом. О р т – 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 борта пласта или рудной залежи. П р о с е к – 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. Ш а х т н ы й ствол – вертикальная или наклонная горная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ в пределах шахтного поля. Верхнюю часть ствола, примыкающую к поверхности и имеющую более прочную крепь, называют устьем ствола, а нижнюю часть, расположенную ниже последнего откаточного горизонта, – зумпфом. Шахтный ствол, служащий для подъема полезного ископаемого на поверхность, называют главным стволом шахты; ствол, служащий для спуска и подъема людей, спуска материалов и оборудования, подъема пустой породы, – вспомогательным стволом. 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. Ш у р ф — вертикальная неглубокая горная выработка, проведенная с поверхности. На действующих шахтах шурфы используют для вентиляции и спуска материалов на верхние горизонты шахтного поля. С л е п о й с т в о л – вертикальная горная выработка, не имеющая выхода на земную поверхность и предназначенная для обслуживания под6

земных работ (подъема полезного ископаемого, вентиляции, спуска и подъема людей, спуска материалов и оборудования, и других целей). Слепые стволы проходят при вскрытии части шахтного поля, расположенной ниже горизонта, вскрытого выработками, проведенными с поверхности. В о с с т а ю щ и й – вертикальная или наклонная горная выработка, проводимая по восстанию и служащая для проветривания, передвижения людей, спуска полезного ископаемого или породы, доставки материалов и оборудования, подачи энергии и воды, а также для разведочных целей. Л а в а – очистная горная выработка, в которой осуществляется процесс добычи угля. П о д з е м н о е с о о р у ж е н и е – объект промышленного, оборонного, коммунального и любого другого назначения, создаваемый в массиве горных пород. Т о н н е л ь – горизонтальное или наклонное подземное сооружение, предназначенное для транспорта, пропуска воды, размещения коммуникаций и других целей. 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. Транспортные тоннели предназначены для пропуска автомобильного и железнодорожного транспорта, поездов метрополитена и скоростного трамвая, специальных видов транспорта. Коммунальные тоннели предназначены для прокладки различных инженерных коммуникаций: электрических кабелей, кабелей связи, теплосетей, водостока, водо- и газопроводов, канализации. Горнопромышленные тоннели обслуживают предприятия, добывающие полезные ископаемые. Камерная выработка – горная выработка, имеющая при сравнительно больших поперечных размерах небольшую длину. П р о в е д е н и е м г о р н о й в ы р а б о т к и называют комплекс работ, включающий выемку, погрузку и транспортирование горной массы, возведение крепи, наращивание транспортных устройств и коммуникаций, обеспечивающих определенную скорость продвижения забоя. С т р о и т е л ь с т в о м г о р н о й в ы р а б о т к и 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. П р о х о д ч е с к и м ц и к л о м называют совокупность основных и вспомогательных процессов, при однократном выполнении которых за определенное время забой выработки подвигается на установленную величину. 7

Время выполнения одного цикла работ называют продолжительностью цикла. Скорость проходки 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 при комплексной механизации работ и увеличение производительности труда. На графике цикличности изображают последовательность и длительность всех процессов цикла. 1.2. Способы и технологии проведения выработок Способы проведения горных выработок зависят от горно- и гидрогеологических факторов, в том числе от устойчивости горных пород и их обводненности и подразделяются на обычные и специальные. 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. Выработки проводят по однородным и неоднородным породам. Примером выработок, проводимых по однородным породам, являются квершлаги, полевые штреки, штольни, т.е. выработки, забои которых представлены породами, не отличающимися физико-механическими свойствами. Неоднородный забой имеют выработки, проводимые по тонким или средней мощности пластам с подрывкой боковых пород – штреки, уклоны, бремсберги, ходки и т.д. В зависимости от устойчивости пород и размеров выработки принимают способы ее проведения. Выработки проходят преимущественно полным сечением (сплошным забоем), а при сечении более 20 м2 и породах ниже средней устойчивости – уступным забоем. В устойчивых породах при большой ширине выработки применяются горизонтальные уступы, при неустойчивой породе кровли или большой высоте выработки – вертикальные уступы. В угольной промышленности чаще применяется схема с нижним уступом, заключающаяся в том, что сначала проходится верхняя часть выработки, а после – ее нижняя часть. Под технологией проходки выработки подразумевается процесс отделения породы или полезного ископаемого от массива. Зависит этот процесс от многих факторов, основными из которых являются физико-механические свойства пород, размеры выработок, наличие соответствующих той или иной технологии механизмов. 8

Различают четыре вида технологий: буровзрывную, механическую, гидравлическую и комбинированную. В исключительных случаях при отсутствии необходимого для данных горно-геологических или пылегазовых условий соответствующих механизмов и взрывчатых веществ используется ручная технология разрушения горных пород с помощью отбойных молотков. Буровзрывная технология применяется в том случае, когда механическая или гидравлическая технически невозможны или экономически нецелесообразны. У этой технологии нет ограничений в устойчивых породах из-за их крепости, площади поперечного сечения, протяженности выработок. Механическая (комбайновая, с помощью проходческих щитов, буровых агрегатов и т.п.) может применяться из-за ряда ограничивающих факторов в строго определенных условиях. Например, комбайновая технология применяется для проведения наклонных выработок с углами наклона только до ±20º и по породам с коэффициентом крепости f