Шахтное и подземное строительство. Ч.I Оснащение вертикальных стволов

Министерство образования Российской Федерации Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

П.С. Сыркин, И.А. Мартыненко, А.Ю. Прокопов

ШАХТНОЕ И ПОДЗЕМНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО Часть I Оснащение вертикальных стволов

Новочеркасск 2000

ББК УДК 622.258 Рецензенты: доктор техн. наук, проф. Н.С. Булычев (ТулГУ) доктор техн. наук, проф. М.Н. Шуплик (МГГУ)

Авторы: Сыркин П.С. (гл. 1-14); Мартыненко И.А. (гл. 1-3); Прокопов А.Ю. (гл. 12,13); Шахтное и подземное строительство. Ч.I Оснащение вертикальных стволов.: Учеб. пособие/Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. 300 с. ISBN Содержит общие сведения о проектировании и строительстве вертикальных стволов шахт, описание и характеристики основного и вспомогательного оборудования, применяемого при проходке и креплении стволов. Включает алгоритмы и примеры инженерных расчетов тепло- и электроснабжения, параметров вентиляции и пневматических сетей на период проходки вертикальных стволов. Предназначено для студентов специальности 0904 "Шахтное и подземное строительство".

С

Без объявл. ISBN

УДК 622.258

© Шахтинский институт ЮРГТУ, 2000 © Коллектив авторов, 2000

ПРЕДИСЛОВИЕ Современная шахта это – высокомеханизированное и автоматизированное горнодобывающее предприятие со сложным горным хозяйством, требующим постоянно поддержания и воспроизводства. В объеме горнопроходческих работ всего комплекса горных выработок строительство стволов занимает особое значение как для вскрытия месторождения в целом и рабочего горизонта в частности, так и в технологическом процессе добычи полезного ископаемого. Вертикальные стволы шахт являются уникальными инженерными сооружениями по масштабу и сложности решаемых технических задач в период строительства и эксплуатации. При строительстве и реконструкции горных предприятий выполняются значительные объемы строительно-монтажных работ на поверхности шахты и сооружению капитальных горных выработок. В этом комплексе работ наиболее сложными и трудоемкими являются работы по сооружению вертикальных стволов, на долю которых приходится 20-25% стоимости и 30-50% общей продолжительности строительства. С ростом добычи и срока службы, горные предприятия вовлекают в эксплуатацию запасы на все большей глубине. В настоящее время глубина отработки запасов в Кузбассе перешагнула 700 м, а в Российском Донбассе 1200 м. И естественно, что горно-геологические условия все более усложняются, а степень сложности этих условий в основном определяется газообильностью, наличием горных ударов, внезапных выбросов, устойчивостью пород при обнажении, температурой вмещающих пород и водообильностью. Наиболее сложные условия для сооружения стволов имеют место при проходке в обводненных, слабоустойчивых породах. Соответствующие условия требуют специальных способов проходки или осуществления технических мер по водоподавлению и упрочнению вмещающих пород вокруг выработки. Сооружение стволов в сложных условиях требует самой высокой квалификации специалистов-шахтостроителей. Особое внимание при проектировании организации строительства угольных шахт и других горнорудных предприятий должно уделяться выбору и конструктивным решениям по применению проходческого оборудования, размещаемому в стволе и на поверхности. После утверждения проектных решений, соответствующей схемы проходки и вида оборудования для проходки ствола ведутся работы по строительству линий электропередач, связи, прокладки трубопроводов, работы по водоподавлению, а также монтаж горнопроходческого оборудования вокруг ствола, над стволом и в стволе. В процессе комплекс этих работ называется оснащением стволов. Оснащение стволов составной частью входит в подготовительный период строительства и является одним из самых ответственных и важных этапов, в значительной степени определяющей успех строительства предприятия в целом. 3

Поэтому особое место в данном пособии отведено технологии оснащения вертикальных стволов на угольных шахтах. Обоснование вариантов оснащения для конкретных условий, схем проходки для планируемых темпов, организация высокопроизводительной и безопасной работы являются главными задачами горного инженера-шахтостроителя. Для более четкого понимания последовательности ведения производственного процесса строительства горного предприятия в целом и вертикальных стволов как объектов всей стройки в учебном пособии приводятся основные проектные документы, по которым начинается и ведется строительство, а также основные сведения о проектировании. Для того чтобы начать строительство, необходимо иметь четкое представление о будущем горном предприятии, о наилучших способах организации строительно-монтажных и проходческих работ, о связи всех процессов, обеспечения материальных, энергетических, кадровых ресурсов во времени и пространстве. Эта задача решается в процессе проектирования. Проектированием и строительством вертикальных стволов занимаются горные инженеры-строители. Государственным образовательным стандартом предусматривается изучение специальной дисциплины "Шахтное и подземное строительство", одним из разделов которой является "Технология строительства вертикальных стволов". В помощь студентам специальности 090400 "Шахтное и подземное строительство" издается настоящее учебное пособие. В нем последовательно изложены основные технологические процессы строительства вертикальных стволов, машины и оборудование на поверхности и в стволе, здания и сооружения, необходимые при сооружении технологической и протяженной частей стволов, приствольных камер и армирования, виды и материалы крепей, технология их возведения и организация работ при проходке ствола. Изучение студентами данной дисциплины базируется на знании основ математических и естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин. Усвоив дисциплину, студенты должны уметь составлять проект производства работ на строительство вертикального ствола, который бы отвечал горно-геологическим и производственно-техническим условиям, обеспечивая высокие технико-экономические показатели и безопасные условия труда.

4

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ 1.1.Назначение стволов и их классификация Вертикальные горные выработки, имеющие выход на поверхность, называют шахтными стволами (далее стволами). Вертикальные горные выработки, не имеющие выхода на поверхность, называют слепыми стволами. В зависимости от своего назначения стволы подразделяются на эксплуатационные, строительные и разведочные. Эксплуатационные стволы предназначены для обслуживания в период эксплуатации всего шахтного поля или его части: крыла, блока, горизонта. В зависимости от положения относительно шахтного поля их подразделяют на центральные, фланговые и блоковые, а от основного функционального назначения – на главные и вспомогательные. Главные стволы служат для выдачи полезного ископаемого. В рудной промышленности и называют рудоподъемными. Вспомогательные стволы предназначены для спуска-подъема людей (людские); материалов и оборудования (грузо-людские); выдачи породы (породные); вентиляции (воздухоподающие и вентиляционные); спуска закладки (закладочные); спуска леса (лесоспускные); водопонижения (дренажные); прокладки трубопроводов и кабелей различного назначения (трубокабельные), обеспечения запасного выхода и др. Часто стволы выполняют несколько функций одновременно. В этом случае из называют по главной из них. Строительные стволы используют для ускорения строительства подземного комплекса горных выработок шахты (рудника). В дальнейшем они могут быть переоборудованы для выполнения одной из указанных выше функций. К таким стволам относят и углубочные стволы, служащие для углубки эксплуатационных стволов в процессе разработки шахтного поля. Разведочные стволы используют для разведки или доразведки шахтного поля перед строительством шахты (рудника) или в период ее эксплуатации. Если в дальнейшем предусматривают использование разведочных стволов для целей эксплуатации, то их называют разведочно-эксплуатационными. Стволы могут иметь круглую (рис.1.1,а), прямоугольную (рис.1.1,б), криволикую (рис.1.1,в), эллиптическую (рис.1.1,г) и прямоугольную с выпуклыми короткими сторонами (рис.1.1,д) формы. Рациональность использования поперечного сечения ствола для размещения подъемных сосудов, лестничного отделения, труб и кабелей характеризуется отношением всей площади сечения ствола к полезной. Для указанных форм сечения стволов это соотношение составляет: прямоугольная – 1, криволикая – 1,22, эллиптическая – 1,27, круглая – 1,3. Несмотря на то, что прямоугольная форма позволяет наиболее рационально использовать площадь сечения ствола, она имеет ограниченное при5

менение, так как обладает рядом существенных недостатков: низкой несущей способности крепи; большой трудоемкости высечки углов, особенно в крепких породах; сложности обеспечения водонепроницаемости и др. Стволы эллиптической и прямоугольной с выпуклыми короткими сторонами форм применяют только при их реконструкции с заменой деревянной или металлической крепи на монолитную или железобетонную, когда необходимо сократить объем выемки породы. Шахтные стволы круглой формы поперечного сечения более удобны для организации и механизации проходческих работ, обеспечивают наибольшую устойчивость вмещающего породного массива, лучше противостоят давлению горных пород и хорошо герметизируются. В связи с этим они получили наибольшее распространение в практике шахтного строительства, несмотря на то, что круглая площадь поперечного сечения используется наиболее нерационально по сравнению с другими формами.

Рис. 1.1. Формы поперечного сечения стволов

Размеры поперечного сечения ствола определяют графическим методом с учетом площадей, занимаемых подъемными сосудами, лестничными отделением, трубами, армировкой, с соблюдением зазоров между ними, расстрелами и крепью ствола. Графически найденную площадь поперечного сечения ствола проверяют по условиям проветривания шахты. При этом скорость движения воздушной струи не должна превышать норм, установленных Правилами безопасности. 6

Диаметры поперечного сечения ствола в отечественной горнодобывающей промышленности принимают равными от 4 до 8 м и кратными 0,5 м. В угольной промышленности установлен унифицированный ряд сечений стволов с диаметрами 6, 7 и 8 м. В случае необходимости проходят стволы с диаметром поперечного сечения в свету 8,5 м и более. В горно-химической промышленности в основном проходят стволы диаметром в свету 6,0-7,5 м. При строительстве транспортных и гидротехнических сооружений предусматривают стволы с диаметром в свету 5-6 м. На гидроэлектростанциях шинные и подъемные стволы проектируют диаметром 4,5-5,5 м, уравнительные – 10-15 м. В промышленном строительстве проходят стволы диаметром 20-40 м, но небольшой глубины. Глубина стволов зависит от глубины разработки полезного ископаемого и схем вскрытия шахтного поля. Стволы по глубине классифицируют на неглубокие – до 300 м, средней глубины 300-700 м и глубокие – более 700 м. Из общего числа сооружавшихся стволов в б. СССР в 1990 году неглубокие составляли 19%, средней глубины – 44%, глубокие - 37%. Средняя глубина проходимых стволов в угольной промышленности составила 648 м, в горнорудной – 596 м, горно-химической – 396 м. Угольные шахты Подмосковного бассейна имеют стволы глубиной 80100 м, Кузнецкого и Львовско-Волынского бассейнов – 300-500 м, Донецкого и Карагандинского – 500-1400 м. В горнорудной промышленности глубина стволов изменяется от 200 до 1600 м. Стойленский и Михайловский горно-обогатительные комбинаты имеют глубину ствола 190-245 м, Соколово-Сарбайский и Гайский горнообогатительные комбинаты, а также Запорожский железорудный комбинат №1 имеют стволы глубиной 310-425 м, горно-обогатительные комбинаты Криворожского бассейна – до 800 м. В Норильском горно-металлургическом комбинате на руднике "Октябрьский" построено 10 стволов глубиной 800-1200 м, на руднике "Таймырский" – 6 стволов глубиной 1430-1585 м. В горно-химической промышленности глубина стволов составляет 300700 м. Глубина стволов при строительстве транспортных и гидротехнических тоннелей колеблется в пределах 150-600 м, тоннелей метрополитена – 30-50 м, коллекторных тоннелей – 10-40 м. В практике шахтного строительства максимальная глубина проходки стволов ограничивается возможностями используемых подъемных установок. В случае, когда проходческие подъемные установки не обеспечивают проходку ствола на проектную глубину, применяют мощные постоянные подъемные установки или двухступенчатые схемы подъема со строительством промежуточных подъемных установок. 7

В современной практике проектирования шахт (рудников) число и место заложения стволов определяют путем оптимизации проектных решений объекта в целом, включая: мощность предприятия; способ и схему вскрытия шахтного поля и его частей; системы разработки пластов; порядок отработки шахтного поля, пластов, панелей, блоков; способ и схемы проветривания шахтного поля и его частей; схемы и средства основного и вспомогательного транспорта; схемы и средства дегазации, кондиционирования, водоотлива, закладочных работ; схемы и типы подъема по стволам; расстояние между горизонтами; размеры шахтного поля, блока; число горизонтов и блоков в шахтном поле и в одновременной работе и др. Определенные в оптимальном варианте места заложения стволов уточняют с учетом следующих основных факторов: возможности отчуждения земельного участка для строительства; наличие требуемых размеров санитарно-защитной зоны; горно-геологических и гидрогеологических условий проходки; защиты стволов от влияния горных работ с минимальной консервацией запасов полезного ископаемого в охранных целиках. 1.2. Способы проходки стволов Все применяемые способы проходки стволов можно разделить на обычный, специальные и проходку бурением. При проектировании способ проходки выбирают на основании анализа горно-геологических и гидрогеологических условий шахтного поля в месте заложения ствола и технико-экономического сравнения альтернативных вариантов. Обычный способ проходки стволов применяют в породах I-III категорий устойчивости (по классификации СНиП. Нормы проектирования подземных горных выработок). Отличительной особенностью этого способа является ведение проходческих работ без предварительного водоподавления или упрочнения вмещающих пород. Этим способом проходят стволы, в основном, с помощью буровзрывных работ и в отдельных случаях – проходческими комбайнами в породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова f