ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОХОДКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Вертикальные выработки в подземном строительстве используют главным образом в качестве строительных или эксплуатационных подходов, а также в составе сооружений подземных ГЭС в качестве водоводов и уравнительных резервуаров. Выбор схемы проходки вертикальной выработки следует осуществлять с учетом основных технологических и гидрогеологических факторов. При этом необходимо учитывать: глубину и площадь поперечного сечения ствола, величину притока воды в выработку при проходке, физико-механические свойства пересекаемых пород и степень технического оснащения.

Глубину стволов определяют уровнем расположения подземного сооружения, к которому необходимо обеспечить подходы. При строительстве транспортных тоннелей в горной местности глубина стволов в зависимости от рельефа может достигать 500 м и более. Значительно меньшую глубину (не более 100 м) имеют стволы метрополитенов и городских коллекторов.

Форму и размеры поперечного сечения стволов следует выбирать по типовым сечениям горных выработок с учетом горно-геологических условий, типа и числа подъемных сосудов, размещаемых в стволе, размеров лестничного и трубно-кабельного отделений и количества проходящего воздуха. При выборе размеров поперечного сечения стволов исходят из допустимой (не более 12 м/с) скорости движения воздуха. Диаметр ствола круглого сечения, используемого в качестве строительного подхода, должен быть достаточен для размещения двухклетевого подъема (не менее 5 м).

При мелком заложении тоннеля метрополитена или городского коллектора для вентиляционных стволов принимают прямоугольное сечение с размером сторон не менее 2 м. Для вентиляционных стволов, которые не оборудованы вентиляторными установками, а имеют лишь клапаны для выключения их из работы, проектируют сечение, исходя из скорости движения в них воздуха 3—4 м/с.

При строительстве уравнительных резервуаров в виде стволов их глубина достигает 100 м и более при диаметре внутреннего сечения 3—5 м, иногда до 30 м.

Обычный способ проходки стволов глубиной до 50 м в соответствии со СНиП Ш-44—77 принимают при строительстве в устойчивых породах, допускающих обнажение без установки крепи вслед за выемкой: глинистых, гравийно-галечниковых, щебенистых и песчаных, расположенных выше уровня капиллярного поднятия воды, а также в устойчивых скальных породах с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова/ 1,5 при ожидаемом притоке воды в забое до 50 м3/ч.

Проходку стволов глубиной более 50 м следует проектировать в соответствии с требованиями СНиП III-11—77. Для получения исходных данных, необходимых при разработке ППР на проходку ствола, в точке его заложения должна быть пробурена контрольная геологическая скважина с отбором кернов для составления геологического заключения.

Проходку вертикальных (и наклонных) стволов глубиной свыше 50 м в устойчивых горных породах при ожидаемых притоках воды в забой не более 8 м/ч, как правило, предусматривают обычным способом. При соответствующем технико-экономическом обосновании можно проектировать проходку стволов обычным способом при притоке воды в забой не более 20 м3/ч, но при этом должно быть предусмотрено его последующее подавление и доведение до нормативной величины 8 м3/ч.

Выбор технологической схемы проходки вертикального ствола (совмещенной, параллельной, последовательной, с одновременным армированием) следует осуществлять по утвержденным типовым технологическим схемам проходки вертикальных стволов с соответствующим технико-экономическим обоснованием.

При проектировании проходки ствола обычным способом предусматривают использование наземного оборудования (копров, подъемных машин, складов материалов, отвалов породы, технологических комплексов обмена вагонеток у ствола, компрессорных, вентиляторных, калориферных, водоотливных установок, энергоблоков, инженерных коммуникаций и др.), предназначенного для последующего проведения основных горных выработок. Предварительно необходимо провести технико-экономическое обоснование целесообразности использования этих объектов при проходке ствола.

Для разрушения породы в забое при коэффициенте крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова до 1,5 принимают пневматический инструмент, а свыше 1,5 — буровзрывные работы. Погрузку породы следует предусматривать грейферными или ковшовыми погрузочными машинами.

Тип подъемных сосудов, тип и число подъемных машин определяют из условия требуемой производительности средств подъема для первого и второго основных периодов строительства. Производительность средств транспортирования породы в отвал в каждый период производства горнопроходческих работ должна соответствовать расчетной производительности подъемных установок. Выдачу породы по наклонным стволам следует проектировать в скипах, а при наличии передовой фурнели (в соответствии со схемой XIII, б на  3.6) спуск породы предусматривают по лотку, расположенному в ней.

Временную крепь при проходке стволов с монолитной обделкой следует проектировать: в неустойчивых нескальных породах из металлических колец, устанавливаемых на расстоянии не более 1 м друг от друга с затяжкой досками; в скальных породах — анкерную в сочетании с металлической сеткой или набрызгбетонную. При отсутствии в зоне возможных деформаций горных пород наземных зданий и сооружений проходку ствола можно проектировать звеньями высотой не более 40 м.

Проектом производства работ должны быть предусмотрены обоснованные инженерным расчетом схемы и средства проветривания вертикальной выработки или наклонного ствола. Вентиляционные трубы до подвесного проходческого полка должны быть жесткими, а от подвесного полка до забоя — гибкими. В стволах, проходимых с одновременным армированием, предусматривают крепление вентиляционных труб к расстрелам; в стволах, проходимых с последующим армированием, вентиляционные трубы крепят на подвесках, заделанных в крепь. Проектировать подвеску вентиляционных труб к проходческим лебедкам допустимо только при соответствующем техническом обосновании.

В системе городских коллекторов проходку вертикальных стволов (колодцев) в неустойчивых обводненных породах глубиной до 20-25 м наиболее целесообразно проектировать с использованием экскаваторов типа SC-150K фирмы «Поклайн» по следующей технологической схеме ( 3.9). Предварительно по контуру ствола пятиугольной формы на всю его глубину бурят скважины диаметром 0,2—0,25 м, в которые вставляют обсадные трубы 5. При наличии обводненных пород вокруг ствола предусматривают закладку водопонижающих скважин.

Затем монтируют основную (нулевую) проходческую раму из двутавровых балок. Выемку породы осуществляют грейферным органом / экскаватора 2 и грузят ее в автосамосвалы. По мере выемки породы устанавливают рамы 4 крепи из двутавровых балок, затягивают стенки досками 3 и оборудуют лестничное отделение 6,

Продолжительность строительства по такой схеме ствола глубиной 10 м при двухсменной работе составляет всего 11 суток, а производительность труда достигает 6,9 м3/чел.-смену. Проходка аналогичного по конструкции ствола, при которой для выемки породы используют ручные инструменты, а подъем породы осуществляют в бадьях краном типа СПК-2000, занимает 22 суток (также при двухсменной работе), а производительность труда составляет всего 2,1 м3/чел.-смену.

В практике гидротехнического и специального подземного строительства, как правило, вертикальные выработки закладывают в крепких скальных породах с малым притоком воды. Для выемки породы чаще всего применяют буровзрывные работы. Проходку стволов в таких условиях можно осуществлять сверху вниз и снизу вверх (см. схемы XI и XII на  3.6). Проходка по схеме XI характеризуется относительной сложностью технологических процессов, в состав которых входят выемка породы, подъем ее по стволу, возведение временной крепи и постоянной обделки, армирование. Проходку по схеме XII применяют лишь при малых сечениях ствола.

Более проста фазовая проходка в соответствии со схемой XIII. В первую очередь буровзрывным способом проходят фурнель размером 2 х 3 м. Возможны три способа проходки фурнели: обычный сверху вниз, снизу вверх с применением проходческого полка и при помощи глубоких взрывных скважин. После проходки фурнели разрабатывают оставшуюся часть сечения выработки до проектного контура заходками по 1,5—2,5 м. Забою придают уклон к центру с таким расчетом, чтобы взорванная порода попадала в фурнель.

Высокие скорости проходки, достигающие 143,4 м/мес, обеспечивает применение фазовой проходки с использованием предварительно пробурепной скважины для спуска породы из забоя ствола ( 3.10, а). Скважина 9 имеет диаметр 0,5-1 м; для спуска людей, инструмента и материалов используют передвижную подъемную установку 2 типа ППУ-1600. Для предотвращения закупорки скважины породой предусмотрен затвор 8, подвешенный на канате к лебедке типа ЛПЭ-5/500. Выпуск предварительно взорванной породы регулируют подъемом затвора.

Схему расположения подъемных машин и проходческих лебедок на земной поверхности при строительстве стволов принято называть ситуационным планом расположения проходческого оборудования на поверхности. Его проектируют после выбора проходческого оборудования, располагаемого в стволе, и проходческих лебедок на поверхности.

К ситуационному плану расположения проходческого оборудования предъявляют следующие основные требования:

•          временное оборудование (подъемные машины, проходческие ле

бедки и др.) нельзя располагать на местах, предусмотренных генеральным

планом поверхности подземного сооружения для размещения постоянных

зданий, сооружений и инженерных коммуникаций;

•          со стороны разгрузочного лотка породы лебедку следует устанавливать на расстоянии не менее 10 м от ноги копра, со стороны разгрузки автосамосвалов в приемную воронку бетонопровода это расстояние должно быть не менее 20 м;

•          лебедки большой грузоподъемности (свыше 18 т) необходимо располагать подальше от ствола, так как их размещают в зданиях, а впереди них (ближе к стволу) ставят открытые лебедки;

•          расположение подъемных машин и лебедок следует проверять по длине струны и углу отклонения (девиации) каната;

•          при установке лебедки под углом к оси копра надо следить, чтобы канат не попал на его угол;

•          расстояние между фундаментами открытых проходческих лебедок должно составлять не менее 1,5 м,

Ситуационный план расположения проходческого оборудования на поверхности применительно к фазовой схеме проходки, использующей предварительно пробуренную скважину для спуска породы из забоя ствола, приведен на  ЗЛО, б.

Проект проходки ствола обычным способом на стадии ППР выполняют в следующем порядке. Выбирают рациональную для заданных условий технологическую схему проходки и комплекс проходческого оборудования забоя. Проектируют технологию работ по процессам, рассчитывают комплексную норму выработки, подбирают состав проходческой бригады, определяют продолжительность проходческого цикла и строят график организации работ в забое. Рассчитывают техническую скорость проходки ствола, уточняют возможную производительность труда проходчиков и определяют полную стоимость 1 м ствола. Проектируют оснащение поверхности ствола, рассчитывают подъем, транспортирование породы на поверхности, вентиляцию, водоотлив, снабжение сжатым воздухом, освещение, сигнализацию и связь. Разрабатывают мероприятия по безопасному ведению работ.

Нормативная скорость проходки вертикальных стволов с помощью буровзрывных работ — 55 м/мес.

При проектировании стволов в породах с коэффициентом крепости /> 7, а также при проходке стволов специальными способами нормативиую скорость проходки допустимо уменьшать на 25%. При проектировании проходки стволов без возведения обделки нормативную скорость необходимо увеличивать на 30%.

Проектирование проходки ствола заканчивают составлением объектной сметы и подсчетом технико-экономических показателей: скорости проходки, производительности труда, полной стоимости проходки 1 м ствола. К проекту прилагают чертежи продольного разреза по стволу и поперечного сечения ствола с размещением проходческого оборудования, поперечного сечения ствола на период его эксплуатации, а также паспорт буровзрывных работ с расположением шпуров в двух проекциях.

После выбора схемы строительства ствола и детальной разработки технологии его проходки составляют проект проходки технологического отхода — участка ствола, необходимого для размещения комплекса стволового проходческого оборудования и подъема его на взрывобезопасную высоту. Технологический отход совпадает с устьевым, но чаще бывает значительно глубже. Глубину отхода принимают в зависимости от схемы проходки ствола и применяемого оборудования: при совмещенной схеме и комплексах КС-2у и 2КС-2у — не более 30 м, а при параллельно-щитовой схеме с соответствующим проходческим оборудованием — не более 50 м.

В задачу проектирования строительства технологического отхода входят выбор и разработка схемы проходки этой части ствола с соответствующим оснащением поверхности и забоя. Определяют объемы работ и рассчитывают состав бригады. Подбирают оборудование для оснащения поверхности и составляют ситуационный план его размещения с учетом расположения оборудования для проходки самого ствола. Строят линейный или сетевой график проходки технологического отхода с учетом подготовительных работ, оснащения и технологических перерывов (например, монтаж нулевой рамы и др.). Затем составляют объектную смету на строительство технологического отхода и определяют технико-экономические показатели. К проекту технологического отхода прилагают чертежи ситуационного плана размещения оборудования, схемы проходки с продольным и, поперечным размерами, графики организации работ.

В состав ППР по армированию вертикальных стволов должны входить: установка расстрелов; навеска проводников; устройство и обшивка лестничных отделений; монтаж трубопроводов; монтаж несущих конструкций (кронштейнов или скоб для закрепления кабелей и трубопроводов, компенсаторов, посадочных балок, рам под подъемные сосуды и др.). Здесь же помещают схему проведения работ по испытанию смонтированной системы армировки под нагрузкой.

Техническую скорость армирования стволов следует принимать не менее нормативной. Нормативная скорость установки расстрелов и навески жестких проводников — 300; навески канатных проводников (в одну нитку) — 5000; прокладки трубопроводов (в одну нитку) -*— 2000 м/мес.

Вертикальные стволы на различной глубине сопрягают с каналами, горизонтальными выработками и камерами. Объемы сопряжений по сравнению с объемами стволов невелики, однако вследствие большой трудоемкости рассечка сопряжения занимает от 1 до 3 месяцев. Затраты труда на проходку 1 м:} сопряжения в 10—12 раз больше, чем на проходку 1 м:} ствола. Поэтому на проходку рассечек необходимо разрабатывать ППР. Технические скорости проходки околоствольных выработок следует принимать не ниже 400 м3/мес B свету.

В водонасыщенных неустойчивых породах, а также в скальных породах при ожидаемых притоках воды более 50 м3/ч Для проходки ствола следует применять специальные способы. Выбор специального способа проходки стволов следует вести на основании технико-экономического сравнения вариантов.

Прогрессивным способом проходки вертикальных стволов является бурение. Этот способ следует закладывать в проект при отсутствии в геологическом разрезе карстовых пустот, значительной трещиноватости и других геологических нарушений, вызывающих поглощение промывочного раствора. Для бурения стволов в устойчивых и неразмокающих породах в качестве промывочной жидкости следует предусматривать воду, а в устойчивых, водонасыщенных, трещиноватых и кавернозных породах — химически обработанные растворы с минимальной водоотдачей. При расчете количества глины для промывочного раствора следует учитывать образование естественного раствора, получаемого в результате разбуривания глинистых пород. При бурении стволов предусматривают первичный и контрольный тампонаж закрепного пространства.

Сводный ППР по строительству ствола включает всю графическую и текстовую документацию, относящуюся к порядку проектирования его проходки в обычных условиях, а также отдельные проекты, составленные на проходку участков ствола специальными способами. На основе сроков работ, определенных отдельными проектами и стадиями проектирования, составляют сводный график строительства ствола.