Использование карьерных комбайнов фирмы Wirtgen при безвзрывной разработке скальных пород в строительстве

Панкевич Ю.Б., к.т.н., консультант Wirtgen International GmbH & Co.,
Шимм Б. дипломированный инженер Wirtgen GmbH & Co.

Выполнение широкомасштабных строительных работ, таких как сооружение котлованов, выемок и планировка поверхности под комплекс промышленных зданий и сооружений, прокладка и расширение трасс под транспортные коммуникации, а также строительство ирригационных систем, зачастую связано с необходимостью разработки массивов скальных горных пород. При этом используемая в настоящее время традиционная технология горных работ предусматривает применение буровзрывных работ.

Наряду с определенными преимуществами, буровзрывные работы имеют целый ряд недостатков, к которым в первую очередь следует отнести высокую сейсмическую опасность, повышенное пыле- и газовыделение, значительный разлет кусков горных пород и т.д. Одновременно при разработке массивов в приповерхностной зоне, где породы в основном представлены выветрелыми разностями, качество взрывания низкое. Образуемые откосы выемок и котлованов из-за сейсмического воздействия взрывных работ, как правило, обладают пониженной устойчивостью, приводящей к завышению объемов строительных работ. При этом образуемые поверхности площадок имеют сложный микрорельеф и повышенную трещиноватость, что обусловливает высокую трудоемкость планировочных работ.

Применение в этих условиях безвзрывных способов разработки массивов горных пород с помощью комбайнов Surface Miner фирмы Wirtgen позволяет эффективно выполнять требуемые работы.

Интересными представляются результаты, достигнутые в США, Японии, Ливии с помощью комбайнов Surface Miner при выполнении строительных работ в массивах скальных и полускальных пород.

В США, недалеко от города Сан Антонио, было необходимо в холмистой местности выполнить работы по удалению скальных пород в количестве около 30 тыс. м3, представленных крепким известняком (до 120 МПа), что позволило бы пройти трассу автодороги с безопасными уклонами. Причем часть материала должна была быть использована в качестве засыпки (рис. 1). Учитывая, что трасса проходила через застроенную территорию, использование буровзрывных работ было невозможно. Для разработки пород был применен комбайн модели 3500 SM. Требуемые объемы были выполнены в течение пяти недель.

В Словении при расширении автомагистрали между городом Любляна и курортным городом Копер на берегу Адриатического моря также была использована безвзрывная технология.

На ряде участков автодорога проходила через резко пересеченную холмистую местность и была заужена, что ограничивало интенсивность движения. Массив, который пересекала трасса, сложен крупноблочными абразивными известняками, характеризующимися прочностью на сжатие до 120 МПа, причем отдельные слои достигали 200 МПа. Традиционно при разработке таких пород применяется буровзрывное рыхление.

Однако необходимость расширения действующей автодороги без остановки движения потребовала применения новых безопасных технологий горных работ. В этих условиях использование комбайна 2600 SM решило все проблемы. С помощью комбайна откосы высотой 10-15 метров на протяжении 1-1,2 км были перемещены на 4-7 м. (рис. 2). Удаляемый известняк был использован для отсыпки дамбы. Производительность комбайна в зависимости от условий составляла 40-80 м3/ч.

В Японии комбайном 3500 SM выполнялись аналогичные работы. Территория Японии очень холмиста, причем большинство этих холмов сложено крепкими скальными породами. В условиях значительной застроенности территории большой проблемой является выполнение строительных работ, осуществление которых без применения буровзрывных работ или специальных методов разрушения массивов горных пород технически невозможно. Вместе с тем, отрицательное воздействие на окружающую среду таких сопутствующих буровзрывному рыхлению факторов, как шум, сейсмическое воздействие, разлет осколков горных пород, пыль и т.п. значительно ограничивает применение этого способа в условиях Японии.

Первые работы по прокладке трассы автодороги выполнялись в районе Кобэ. Комбайн 3500 SM разрабатывал участок пород, характеризующихся прочностью 100-200 МПа. В этих условиях производительность комбайна изменялась в пределах 100-250 м3/ч. По результатам этих работ строительная компания OKUMURA GUMI DOBOKU приобрела еще один комбайн.

Дальнейшие работы были продолжены там же, где в пределах законсервированного карьера была намечена трасса под водовод и пройдена соответствующая траншея глубиной 3-4 м и общей длиной около 1,4 км. Ширина траншеи по верху должна была составить 8,6-9 м и по дну — 2,6 м.

Разрабатываемые породы состояли в основном из песчаника с прочностью на сжатие примерно от 60 до 130 МПа. Участки с менее крепкими породами частично были представлены сланцами. Учитывая, что при ведении работ с буровзрывным рыхлением результатом являлись неточный профиль траншеи и обладающие низкой устойчивостью откосы, было принято решение об использовании в этих условиях двух карьерных комбайнов моделей 2600 SM и 3500 SM, так как это оборудование позволяет вырезать в массиве крепких пород выработки заданного профиля. В зависимости от типоразмера комбайна и прочностных свойств пород, разработка массива на требуемую глубину осуществлялась до достижения полного профиля выемки слоями величиной от 5 до 25 см.

В этих условиях производительность комбайна 2600 SM достигала 70 м3/ч.

Производительность комбайна 3500 SM на крепких породах с массивной структурой составляла около 140 м3/ч, на сланцеватых, мягких породах — более 300 м3/ч. Разрабатываемые породы отсыпались конвейером комбайна непосредственно на поверхность с размещением по обе стороны на борта траншеи.

Примерно в аналогичных условиях строительная компания OKUMURA GUMI DOBOKU с помощью комбайнов выполнила работы по сооружению котлованов и выемок под здания и сооружения крупной теплоэлектростанции (рис. 3).

В Ливии для улучшения водоснабжения города Бенгхази необходимо было построить водоводы длиной около 50 км. В некоторых районах в пределах города и в пригороде трасса проходила по трудноразрабатываемым породам, которые, кроме того, были перекрыты слоем крепкой сцементированной плиты.

Карбонатные породы типа известняка характеризовались прочностью на сжатие от 10 МПа до 40 МПа, а также повышенной вязкостью.

Из-за опасности повреждений близкостоящих зданий взрывные работы проводить было нельзя, поэтому было решено использовать на этом участке общей длиной 6,7 км карьерные комбайны фирмы Wirtgen.

Основной задачей являлась проходка траншеи глубиной в среднем 4,5 м с шириной по низу 3,4 м и по верху около 8 м при откосах 2:1.

Выполнявшая строительные работы фирма для этих целей приобрела комбайн модели 2100 SM фирмы Wirtgen. Производительность комбайна составляла от 40 до 90 м3/ч.

Работы были начаты в конце марта 1993 года, а первый участок длиной 665 м был готов уже к 5 мая 1993 г., т.е. за 34 рабочих дня. За указанный период было удалено 18800 м3 горных пород.

При глубине около 4,2-4,3 м ширина траншеи по верху составила 5,4-5,6 м взамен запроектированной 8 м. Откосы были выполнены более крутыми, чем это первоначально планировалось, что позволило достигнуть значительного сокращения количества удаляемого материала (рис. 4).

Отфрезерованный материал первоначально отсыпался конвейером на борта траншеи, а с глубиной, когда стало не хватать параметров конвейера — грузился непосредственно в автосамосвалы и вывозился в отвал. Он использовался в дальнейшем для засыпки траншей после укладки трубопровода. Благодаря мелкому и равномерному гранулометрическому составу, получаемому в процессе фрезерования, этот материал использовался непосредственно для указанных выше целей без последующего дробления и сортировки.

В обоих случаях в полной мере были использованы преимущества карьерных комбайнов фирмы Wirtgen — были пройдены траншеи со стабильными откосами и дном точно заданного профиля, при этом дополнительно был получен материал, пригодный непосредственно для дальнейшего использования.

На рис. 5 приводится схема проходки траншеи комбайном Wirtgen Surface Miner.

Наибольшие объемы работ карьерными комбайнами в настоящее время выполняются в Ливии, где в соответствии с государственной программой осуществляется грандиозный проект по ирригации.

Территория Ливии на 97% представлена пустыней. Дневные температуры достигают 50°С, а ночные опускаются до нуля. В этих условиях вода обеспечивает жизнь и ценится дороже золота.

Геологическими изысканиями на глубине от 200 до 600 метров выявлен огромный природный резервуар воды объемом свыше 15 биллионов кубических метров.

В соответствии с инженерным проектом Ливийским правительством было решено создать искусственный оазис в пустыне недалеко от Бенгхази (Аль Кадра), для чего было необходимо построить соответствующую ирригационную систему, основной составляющей которой должен был стать огромный резервуар воды объемом 24 млн.м3.

Первоначально для строительства этого резервуара предусматривалось применение буровзрывных работ, но связанные с этим общеизвестные трудности весьма затрудняли реализацию проекта. Положительное решение пришло с использованием для целей строительства карьерных комбайнов фирмы Wirtgen. Было необходимо вырезать в массиве бассейн круглой формы с диаметром 1360 метров. Различные слои извлекаемых при этом пород складировались отдельно с целью последующего их использования или в качестве фильтра, дренажного материала или как заполнитель в бетон.

Вместе с тем, вопреки популярному мнению, что пустыня — это песок, только 1/7 представлена песком, а остальное — каменистый материал типа известняка. Поверхность осложнена перемежающимися впадинами и буграми, что затрудняло первоначальные работы.

Работы были начаты четырьмя карьерными комбайнами Wirtgen Surface Miner (рис. 6) и одним в дорожном исполнении. Первые проходы по поверхности осуществлялись комбайном модели 4200 SM, который готовил выровненный забой-площадку для работы других комбайнов. Было решено, что фрезеруемый материал отсыпается в штабели, откуда впоследствии с помощью колесного погрузчика и автосамосвалов вывозится из выемки и используется для отсыпки дамбы.

Комбайн 4200 SM весом 185 тонн, мощностью двигателя 1600 л.с. и глубиной фрезерования до 600 мм (рис. 7) идеально подходил для выполнения намеченных работ. Другие машины представлены моделями 3000 SM, 2600 SM и 2100 SM.

К настоящему времени закончено строительство резервуара для воды диаметром 1160 м и глубиной 8 м и соединительных траншей под водоводы общей длиной 6,6 км. За период с октября 1994 года по октябрь 1997 года с помощью комбайнов фирмы Wirtgen GmbH было удалено свыше 8 млн.м3 грунта. За этот период комбайнами было наработано 93660 машино-часов. В течение 1995-1996 гг. комбайны работали по трехсменному режиму при шестидневной рабочей неделе. В год каждая машина нарабатывала в среднем около 6000 мото-часов при коэффициенте технической готовности 78-83%.

Во второй половине 1998 года парк машин пополнился моделью 3700 SM. Эта машина будет использоваться в другом проекте также на сооружении водного резервуара.

В настоящее время строительная компания FADIL применяет комбайн на разработке весьма крепких известняков, используемых в качестве заполнителей. Размеры рабочего участка составляют 400х60 м. Глубина фрезерования — 0,28 м.

Рабочая скорость комбайна, в зависимости от условий, изменяется в пределах от 3,5 до 9 м/мин. При этом производительность составляет 206-529 м3/час. Получаемый материал отсыпается в штабели, откуда по мере надобности отгружается колесным погрузчиком.

В Австралии при сооружении отстоечного бассейна в песчаниках глубиной до 10 м была использована следующая технология. До глубины 9,6 м песчаники были отработаны по традиционной технологии с применением буровзрывного рыхления и экскаваторной погрузки. Последние 400 мм отрабатывались дорожной фрезой Wirtgen 2100 DC, с помощью которой была создана идеальная поверхность под бетонирование дна бассейна с точностью до 10 мм. За восемь недель, при режиме работы пять рабочих дней в неделю и одной 8-ми часовой смене в сутки, было удалено 12 тыс.т песчаника при средней производительности около 38 т/ч. Средний расход резцов составил около 80 шт. в день или 0,267 шт. на тонну.

Анализ мирового опыта и условий использования карьерных комбайнов Wirtgen Surface Miner в строительных проектах свидетельствует о значительных преимуществах их применения по сравнению с традиционными методами.

Исключение вредного влияния взрывных волн на массив и способность безвзрывной разработки массива позволяют создавать выемки точного профиля с устойчивыми откосами, что приводит к сокращению объемов строительства. Одновременно образуемая площадка имеет идеальную точно спрофилированную поверхность без трещин, что снижает расход бетона при строительстве. Кроме этого обеспечивается безопасность ведения работ и сокращается отрицательное воздействие на окружающую среду.

Журнал "Горная Промышленность" №1 1999