Неделя Горняка - 2025
Международный научный симпозиум
Проектными решениями принято установить водонепроницаемую крепь из чугунных тюбингов до отметки –320 м и остальную часть крепи выполнить в виде бетона и железобетона.
На рисунке 1 показана принципиальная схема ствола с проектными параметрами крепи шахтных стволов и укрупненными геологическими данными.
Для дальнейшего развития шахты сразу после окончания проходки стволов планируется выполнить проходку первоочередных выработок околоствольного двора, включая приствольный загрузочный комплекс и шахтный бункер высотой около 40 м и диаметром в свету 8 м. Общий объем данных работ примерно 90 000 м3 породы, что составит около 10 км общей протяж¸нности выработок (схема данных первоочередных выработок представлена на рис. 2). При этом ширина выработок изменяется в основном от 3 до 4,5 м при высоте от 3 до 4 м, за исключением отдельных специальных камер и бункера. Геологические условия характеризуются наличием пород каменной и калийной соли с прослоями глины разной мощности – от нескольких миллиметров до двух метров, а к выработкам околоствольного двора предъявляются требования по обеспечению их устойчивости на полный срок службы рудника. С учетом данных условий проходка выработок околоствольного двора проводится под калийным пластом в породах каменной соли.
Для обеспечения начала проходки стволов проходческим комплексом SBR в условиях Нежинского проекта необходимо было выполнить:
Проходку шахтных стволов в условиях Нежинского участка решено выполнять способом замораживания до глубины 160 м с температурой –35°С, что позволяет заморозить основной водоносный горизонт. Таким образом, на каждом стволе были пробурены 40 замораживающих и 4 контрольно-термические скважины, после чего осуществлен ввод в эксплуатацию замораживающей станции общей установленной мощностью около 4 МВт. Основные технические характеристики и параметры заморозки приведены на рис. 3.
Проходка двух технологических отходов началась после полного смыкания ледопородного ограждения. Глубина каждого технологического отхода составила 52 м, проходка осуществлялась с применением экскаваторов и подъ¸ма породы с помощью крана и породных бадей с рамкой и направляющими, крепление отхода выполнялось железобетонной крепью одновременно с проходкой сверху вниз заходками по 1,5 м. Для крепления был использован морозостойкий бетон марки С25/30 толщиной 550 мм. После этого на дне технологического отхода была возведена бетонная подушка для последующего монтажа SBR, постоянный шахтный копер и осуществлено его оснащение для последующего монтажа проходческого комплекса в техотход.
Параллельно с проходкой технологических отходов начались работы по возведению зданий поверхности, к основным из которых относится здание проходческих подъемных машин и лебедок. Основные характеристики данных механизмов приведены в табл. 2.
Также для проведения проходческих работ выполнено полное оснащение площадки всей необходимой основной и вспомогательной инфраструктурой, включая проходческие вентиляторы, энергоснабжение площадки и SBR, БРУ, складские и административные помещения. Общий вид площадки приведен на рис. 6.
Завершающим этапом подготовительного периода стал монтаж двух установок SBR и завешивание их на канаты проходческих лебедок, после чего SBR был принят в эксплуатацию и с отметки –50 м начались работы по проходке, созданная ранее бетонная подушка пройдена самим проходческим комплексом.
Проходка стволов выполнялась до глубины –326 м с использованием SBR и креплением стенок стволов передовой временной бетонной крепью. Толщина передовой бетонной крепи марки С25/30 составляла 450 мм. Далее на отметке –326 м был возвед¸н опорный венец и в последовательности снизу вверх возведена тюбинговая колонна с заполнением затюбингового пространства бетоном толщиной 350 мм. Всего было смонтировано 215 тюнинговых колец на каждом стволе. После окончания работ по возведению тюбингов была продолжена проходка стволов комплексами SBR до сопряжения шахтных стволов. Толщина бетонной крепи на данном участке составляла от 600 до 750 мм с маркой бетона С40/50. Порядок выполнения работ по креплению и проходке представлен на рис. 8.
Принцип проходки стволов механизированным способом с помощью комплекса SBR заключается в механизации процесса разрушения породы и параллельном креплении бетоном стенки шахтных стволов. В случае с комплексом SBR разрушение пород осуществляется с помощью режущего органа, находящегося на рукояти внизу машины. Режущий орган выполнен в виде телескопической стрелы с горизонтальным барабаном с возможностью поворота вокруг своей вертикальной оси на 360°. Мощность гидропривода режущего органа составляет 600 кВт. Режущий барабан диаметром 1,2 м и шириной 1,5 м оснащается резцами с круглым хвостовиком (рис. 9)
Резание породы начинается всегда по центру и продолжается от центра к контурам сечения ствола. При этом образуется сферическая форма забоя со стенками, профиль которых может регулироваться настройками машины. Глубина резания в один проход режущего органа 0,2 м. Для выемки заходки глубиной на 1,2 м данная операция повторяется в обычном случае шесть раз. Диаметр резания (вчерне) может варьироваться в пределах рабочего радиуса комбайна, что позволяет выполнить выемку породы на участках большего диаметра, например, на участках заложения фундаментов крепи, опорных венцов или на участках сопряжений. Так, на рис. 10 показаны основные проходческие операции, выполняемые в ходе работ по проходке ствола, которые состоят из следующих операций:
При резании породы предусматривается система пневматического всаса, которая поднимает породу по центральному трубопроводу на высоту около 30 м с последующей перегрузкой породы через циклон в бадью. Всасываемый воздух отводится сверху из циклона на пылеуловитель. Со стороны выдачи чистого воздуха для создания вакуума установлены три ротационно-поршневых компрессора с мощностью привода – 315 кВт каждый. При этом исходящий воздух охлаждается дополнительными установками с целью исключения влияния высоких температур на ледопородное ограждение. Всас системы пневмопогрузки выполнен по всей ширине режущего барабана в виде всасывающего породного ящика непосредственно за барабаном.
Укрупненно устройство SBR представлено на рис. 11.
В результате конструирования проходческого комплекса в соответствии с необходимыми граничными условиями были достигнуты следующие технические характеристики:
Следует отметить, что в ходе выполнения работ также возникали определенные сложности, связанные с особенностями геологического строения и устройством SBR, при этом все сложности оперативно были решены, что в целом не повлияло на ход работ и их безопасность. Описание данных сложностей и их решение приводятся в табл. 3.
Согласно проектной документации принята типовая технология гидроизоляции шахтных стволов, опробованная на Старобинском месторождении калийных солей. Основная гидроизоляция стволов достигается за счет расчеканки свинцовых пластин на фланцах тюбингов и проведения тампонажа закрепного пространства, включая возведение двух тампонажных завес, предотвращающих переток вод по закрепному пространству. При этом известным фактом является то, что тюбинговая крепь не является эффективной водонепроницаемой крепью, особенно в условиях сезонных изменений температур в ходе эксплуатации шахтных стволов, а на территории Германии, например, данный вид крепи еще в 1970-х годах был заменен на водонепроницаемые композитные сталебетонные крепи. С целью дополнительной изоляции вдобавок к свинцовым пластинам был применен специальный герметик, нанесение которого позволило выполнить надежную гидроизоляцию в первую очередь самых трудноизолируемых Т-образных стыков тюбингов, а также значительно улучшить гидроизоляцию по всей плоскости тюбинговых фланцев. На рис. 13 представлена укрупненно схема работ по гидроизоляции ствола.
Проходка и крепление сопряжений и дозаторных камер выполнены также без применения буровзрывных работ. Для разделки сопряжений применен комбайн избирательного действия, что позволило точным образом разделать контур выработки и обеспечить ее долгосрочную устойчивость из-за исключения дополнительной трещиноватости пород, потенциально возникающей при отбойке буровзрывным способом. Крепление сопряжений и дозаторных камер выполнено железобетонной крепью толщиной от 500 до 750 мм. В качестве опалубки при возведении крепи сопряжений использованы индивидуально изготовленные профили арочной крепи, а для дозаторных камер секционная-щитовая опалубка для одновременного бетонирования ствола и самих камер по направлению снизу вверх.
Скиповой и клетевой стволы оснащаются традиционной системой шахтных подъемов с применением скипов и клетей, при этом принимается система армировки с жесткими проводниками. Клетевой ствол оснащается консольной системой, а скиповой –расстрельной (рис. 15).
Монтаж металлоконструкций выполняется по схеме снизу вверх с помощью специальных многоярусных полков высотой около 40 м, что позволяет избежать необходимости дополнительного переоснащения копра и ускорить процесс армировки (схема армировочного полка представлена на рис. 17).
В октябре 2017 г. начался монтаж замораживающей станции и активное замораживание началось в феврале 2018 г. В апреле 2018 г. параллельно с работами по оснащению поверхностного комплекса была начата проходка технологических отходов. В это время в Германии заканчивались работы по производству комплексов SBR. После окончания проходки техотходов, монтажа копров и монтажа SBR, в декабре 2018 г. началась проходка клетевого ствола, а через месяц проходка скипового. По состоянию на ноябрь 2020 г. проходка и крепление клетевого ствола полностью закончены, включая крепление сопряжений железобетоном на расстояние 8 и 13 м от края ствола. При этом на скиповом стволе завершены работы по проходке и креплению основной части ствола, включая сопряжение и дозаторные камеры, вед¸тся завершающий этап проходки и крепления зумпфа ствола. Ход работ и укрупненный график представлены на рис. 18 и 19.
После завершения всех проходческих работ будет выполнено армирование шахтных стволов и их переоснащение на работу с подъемными машинами постоянного периода. После чего необходимо осуществить спуск проходческого оборудования для подземных горных работ и выполнить проходку выработок околоствольного двора и общешахтного бункера. Завершение всего объема работ планируется в третьем квартале 2022 г.
Следует отметить, что средняя скорость проходки стволов составила около 3 м/сут, при этом максимальные темпы составили до 7,5 м/сут. В апреле 2020 г. был поставлен рекорд проходки и крепления ствола с темпами 144 м/мес. Более детальная информация по темпам проходки в апреле 2020 г. и посуточной производительности комплексов представлена на рис. 20.
Безопасность ведения работ является приоритетом при принятии любых инженерных решений организации горных работ. Технология механизированной проходки позволяет эксплуатировать проходческий механизм без людей в забое – машина управляется дистанционно из помещения оператора. Соответственно, риск для сотрудников, связанный с обрушениями и другими подобными ситуациями, случающимися во время работы, снижается до минимума. Отсутствие горновзрывных работ, которые всегда сопряжены с определенной степенью риска, также улучшает безопасность работ в целом.
При проходке стволов на Нежинском участке в Республике Беларусь при применении стволопроходческих комплексов SBR достигнута производительность, которая является существенным технологическим прогрессом. Большая часть решений являются инновационными, так как проходка стволов с применением данного оборудования представляет собой высокотехнологичный процесс. При этом ведется дальнейшее совершенствование способов ведения работ с применением новых технологий и конструкций материалов крепления стволов и выработок. В особенности для соляных и калийных рудников необходимо переходить на технологию возведения абсолютно водонепроницаемых крепей, что в том числе позволит сократить сроки строительства и снизить стоимость эксплуатационных расходов.
Технологии проходки, а также крепления стволов и подземных горных выработок требуют постоянного улучшения и поиска новых эффективных решений. Ведь тех запасов, которые залегали, что называется, в комфортных условиях, становится все меньше, также во многих случаях приходится переходить с открытого способа разработки на подземный. И у недропользователей возникают более сложные задачи, появляется необходимость проходки шахт на больших глубинах, в сложных геологических условиях. Еще больше осложняет задачу тот факт, что с учетом рыночной конъюнктуры это необходимо делать ускоренными темпами. Принимая эти вызовы, инженеры и ученые занимаются новыми разработками, чтобы решать задачи недропользования как можно более эффективно. Поэтому сейчас, например, разрабатывается принципиально новая технология механизированной проходки стволов, которая будет называться машиной нового поколения механизированной проходки на полное сечение ствола. С е¸ помощью можно будет реализовать механизированную проходку высокими темпами, в том числе и по породам высокой прочности.
Проходка шахтных стволов – один из самых долго строящихся и дорогостоящих этапов строительства, который лежит на критическом пути ввода в эксплуатацию того или иного комбината. Соответственно, быстрые темпы проходки шахтных стволов при нужной подготовке на поверхности – строительстве надземного обогатительного или инфраструктурного комплекса – позволяют выходить на рынок окончательной продукции намного быстрее. А более ранний ввод в эксплуатацию предприятия, соответственно, позволяет экономить колоссальные суммы за счет снижения стоимости заемных средств и уменьшения стоимости общестроительных работ, ускорения сроков окупаемости инвестиций и более раннего выхода на рынок готовой продукции.
Международный научный симпозиум
Инвестиции в горное дело Африки