Оборудования, используемые при проходке наклонных стволов

Выбор комплекта оборудования для проведения наклонной подземной горной выработки зависит от горнотехнических условий, объёмов работ и объективных возможностей предприятия по приобретению требующихся машин и механизмов [4].

Расположение наклонного ствола по месторождению позволяет отказаться от проходки квершлагов, сократить время на подготовку. При этом снижается стоимость проходки ствола вследствие попутной добычи руды. Область применения такого заложения ствола ограничивается необходимостью оставления охранного целика. Наклонные стволы чаще применяются при вскрытии месторождений небольшой мощности и неглубокого залегания. Наклонный ствол в породах лежачего бока, параллельный к контакту месторождения или к линии сдвижения пород лежачего бока, закладывается в том случае, если угол контакта или сдвижения меньше угла напластования. При этом уменьшается или полностью исключается длина вскрывающих квершлагов по сравнению со вскрытием вертикальным стволом.

Сложность и большая стоимость проходки наклонного ствола, увеличение затрат времени на спуско-подъемные операции, трудность поддержания в процессе эксплуатации снижают эффективность этого способа вскрытия.

Вскрытие штольней применяют при отработке месторождений в гористой местности. Каждый горизонт вскрывают или отдельной штольней, или кроме штольни проходят слепые стволы и капитальные рудоспуски для отработки нескольких горизонтов. По капитальным рудоспускам перепускают руду на капитальную штольню. Штольню можно располагать со стороны лежачего или висячего бока, параллельно или диагонально относительно месторождения [3].

Устье штольни необходимо располагать в местах, не подверженных завалам, осыпям или снежным лавинам, затоплению паводками или ливневыми водами. Размеры площадок перед устьем штольни должны обеспечить удобное размещение поверхностных сооружений и подъездных путей.

При вскрытии месторождений штольней достигается более низкая стоимость проведения и поддержания главной вскрывающей выработки, транспортирования руды, отсутствуют перегрузочные сооружения (дозаторная, бункера, камеры опрокидывания), уменьшаются затраты на водоотлив, не требуются и подъемные машины.

Основными технологическими процессами являются разрушение и отбойка породы или полезного ископаемого от массива в забое, погрузка и транспортировка породы (полезного ископаемого) и возведение постоянной крепи. Они выполняются непосредственно в забое или вблизи него [5].

Основные средства повышения производительности горнопроходческих работ — оснащение организации высокоэффективной техникой и обеспечение условий для её нормальной эксплуатации.

Практика показывает, что для проходки геологоразведочных выработок, относительно небольшого сечения, целесообразно применять лёгкое, мобильное горнопроходческое оборудование.

Проходческий комбайн — горная машина, предназначенная для разрушения массива горных пород, погрузки горной массы в транспортные средства (вагонетки, конвейер, перегружатель и др.). Применяется при проходке горных горизонтальных и наклонных выработок, стволов, строительстве тоннелей. Различают проходческие комбайны избирательного и сплошного разрушения [4].

Проходческие комбайны избирательного разрушения — машина со стреловидным исполнительным органом с фрезерной коронкой, снабжённой, как правило, резцовым режущим инструментом, обеспечивающим разработку забоя любой формы поперечного сечения (рисунок 1.2). Такой комбайн может выполнять раздельную выемку и транспортировку полезных ископаемых и вмещающих его пород. Современные проходческие комбайны избирательного разрушения характеризуются возможностью использования сменных фрезерных коронок в различных горно-геологических условиях, навесного оборудования для выполнения вспомогательных операций (подъёма верхних элементов крепи, анкерования кровли и боков выработки и т. д.), приспособлений для обеспечения устойчивости комбайна в наклонных выработках, средств автоматизации режима работы (лазерный контроль за направлением движения, программное управление и т. д.) и элементов диагностики.

Рисунок 1.2 — Проходческий комбайн Проходческие комбайны избирательного разрушения подразделяют на машины: лёгкого типа (с массой до 20−25 т, мощностью двигателя исполнительного органа до 60−80 кВт), обеспечивающие разрушение горных пород с пределом прочности на одноосное сжатие cж до 70−80 МПа при сечении выработок до 20−25 м2; среднего типа (35−50 т, 100−160 кВт) для разрушения горных пород с cж до 100−110 МПа при сечениях до 35 м²; тяжёлого типа (до 100−110 т, до 300−400 кВт) для горных пород с cж до 140−150 МПа при сечениях до 40−45 м2. Все типы комбайнов оборудуются, как правило, гусеничным ходом. Средняя скорость проведения выработок такими комбайнами 140−160 м/месяц, максимальная — до 1500 м/месяц, производительность проходческого комбайна втрое выше, чем при буровзрывной проходке. Проходческие комбайны избирательного разрушения тяжёлого типа используются в горной промышленности и тоннелестроении.

Проходческие комбайны сплошного разрушения отличает наличие исполнительного органа роторного типа с буровой коронкой, снабжённой, как правило, шарошечным инструментом и специальными ковшами, одновременно разрушающей весь забой и обеспечивающей захват и погрузку горной массы. Диаметр буровой коронки проходческого комбайна от 4 до 10 м (наиболее распространённый — 5−6 м); комбайны могут быть оборудованы дополнительными фрезами для придания выработкам арочной формы. Проходческие комбайны сплошного разрушения проводят выработку в основном тоннельного (также шахтного) типа в крепких горных породах с cж до 180 МПа. Масса машин при диаметре 5−6 м — до 200 т, мощность двигателей исполнительного органа 500−700 кВт.

Рисунок 1.3 — Современные проходческие комбайны сплошного разрушения.

Современные проходческие комбайны сплошного разрушения (рисунок 1.3) характеризуются наличием средств автоматического управления и элементов диагностики. Ведутся работы по снижению массы комбайнов и их энерговооружённости путём совершенствования конструкций распорно-шагающих устройств и исполнительного органа [4].

Проходка стволов комбайнами имеет ряд преимуществ не только перед буровзрывным, но и перед роторным бурением, которое пока еще не позволяет бурить стволы большого диаметра на заданную глубину и обеспечивать при этом жесткие требования к их вертикальности. При комбайновом способе проходки осуществляется непрерывный технологический процесс благодаря совмещению во времени основных трудоемких операций: разрушения породы в забое, погрузки породы и крепления ствола. Комбайны превышают в 2 — 3 раза средние темпы проходки стволов по сравнению с обычными проходческими комплексами. При механическом разрушении пород не происходит нарушения породных стенок ствола взрывом, что позволяет уменьшить толщину постоянной крепи. Было сооружено пять стволов, при этом установлены мировые рекорды производительности труда проходчиков. Шарошечный инструмент комбайна СК-1у оказался работоспособным при проходке пород с коэффициентом крепости 15. Комбайн СК-1у был хорошо управляемым дистанционно с поверхности, что очень важно в период проходки по взрывоопасным пластам. Бригада, обслуживающая комбайн, состоит из трех человек (машиниста и двух помощников), которые выполняют в основном функции операторов. Основные трудозатраты возникают при выполнении проходческого цикла с креплением наклонного ствола, наращиванием става вентиляционных труб заменой режущего инструмента. Устройство стволопроходческого комбайна СК-1у, созданного на базе комбайна ПД-2. Исполнительный породоразрушающий орган планетарного типа состоит из двух дисков, на которых укреплено 20 резцов или шарошек. При напорном усилии на забой 900 кН обеспечивается рабочий ход исполнительного органа 1,3 м при диаметре ствола в проходке 7,7 м (в свету 7 м). Установленная мощность электродвигателей составляет 475 кВт, в том числе главного привода 400 кВт. Комбайн имеет массу 196 т. По сравнению с комбайном ПД-2 напорное усилие на забой увеличено на 300 кН. При оснащении комбайна вместо резцов штыревыми шарошками можно разрушать породы. Комбайн подвешивается в стволе через гидроусилительную систему и состоит из трехэтажного каркаса, на котором монтируются шарошечный или резцовый исполнительный орган с приводом. Для выдачи породы из забоя служит пневмоэлеватор, который подает пульпу в бункер. Скипо-клетевой установкой вместимостью 3 м. куб. пульпа выдается на поверхность и в специально переоборудованных автосамосвалах транспортируется в отвал. Комбайн распирают в стволе устройством (в виде трех лыж) в бетонную крепь ствола. Наращивание трубопроводов в стволе осуществляется с помощью телескопного механизма. Параллельно с выемкой породы возводят монолитную бетонную крепь с помощью металлической опалубки 4 высотой 3,9 м со спиральным поддоном, створки которой отрываются от бетона с помощью гидравлической системы. Для управления всеми механизмами и пневмо-гидросистемами имеется централизованный пульт, расположенный рядом с редуктором главного привода. Комбайн может управляться также дистанционно с поверхности и работать без присутствия людей в забое. При бурении ствола машинист находится на пульте комбайна и осуществляет следующие операции: включает и выключает двигатели исполнительного органа и привода насоса масло смазки, цилиндров распора и принудительной подачи; подает сигналы для работы скипового подъема и для управления четырьмя лебедками подвески комбайна. Также управляет загрузкой скипов и цилиндрами распора комбайна; регулирует усилие подачи. Конструкция комбайна предусматривала возможность перехода на буровзрывной способ проходки. Удельный расход энергии на разрушение 1 м. куб. породы в целике составлял 4 — 25 кВт/ч при изменении коэффициента крепости пород от 3 до 10. Продолжительность проходки наклонного ствола была сокращена за счет осуществления безлюдной проходки по выбросоопасным пластам не менее чем на 5 — 6 мес.

Буровзрывные работы — совокупность производственных процессов по отделению скальных горных пород от массива с помощью взрыва. Термин буровзрывные работы возник с целью подчёркивания неразрывности, взаимосвязи и взаимозависимости процессов бурения, заряжания взрывчатых веществ и непосредственно взрыва. При проведении буровзрывных работ производится планирование буровых работ (виды скважин, их диаметр, расстояние между скважинами, глубина и т. д.), подготовка к взрыву (заряжание взрывчатых веществ, забойка скважин, монтирование взрывной сети и т. д.), инициирование и произведение взрыва [6].

С помощью буровзрывных работ разрушают горные породы в пределах проектного сечения ствола вчерне на заданную глубину заходки методом шпуровых зарядов. Буровзрывные работы проводят с соблюдением Правил безопасности шахт, Правил технической эксплуатации, Единых правил безопасности при взрывных работах. Для производства работ начальник участка (проходки) составляет по установленной форме паспорт, который проверяют опытным путем и доводят до необходимых требований, а затем утверждают главным инженером строительного управления. Для проходки ствола на всю глубину утверждают два-три паспорта буровзрывных работ — для пород средней крепости, крепких и очень крепких. Паспорт буровзрывных работ состоит из схемы расположения шпуров в трех проекциях с указанием их нумерации и расстояния между ними; схемы конструкции заряда; таблицы к схеме, которая содержит данные о длинах и углах наклона шпуров, массе заряда в каждом шпуре и очерёдности их взрывания; таблицы технико-экономических показателей с указанием сечения выработки, крепости породы; наименования и числа бурильных машин, типы и расхода взрывчатых веществ и другие. Разработку паспорта буровзрывных работ производят в следующей последовательности.

Обосновывают и выбирают тип взрывчатых веществ, средств инициирования и способ инициирования, принимают или рассчитывают удельный расход взрывчатых веществ, определяют число шпуров, выбирают тип вруба, длину шпуров в комплекте, определяют общий расход взрывчатых веществ, массу зарядов в каждом шпуре, фактический расход взрывчатых веществ и суммарную длину шпуров и другие. Рассчитывают интервалы замедления и взрывную сеть. Рассчитывают технико-экономические показатели буровзрывных работ. Составляют схему проветривания забоя и мероприятия безопасного ведения буровзрывных работ.

К паспорту прилагается акт его практической проверки с зарисовкой положения забоя после каждой серии взрывов и указанием расстояний от обнаженной плоскости до шпуров следующей очереди взрывания.

Акт проверки подписывают взрывник, начальник участка, начальник вентиляции и инженер по технике безопасности. После оформления паспорта по одному экземпляру он находится у начальника вентиляции, начальника участка, на складе взрывчатых веществ и у горного мастера (этот экземпляр передают по смене). С паспортом под расписку знакомят проходчиков, представителей технического и вентиляционного надзора горного участка, взрывников, заведующего складом взрывчатых материалов и их раздатчиков.

На схеме проветривания указывают место установки вентилятора, подающего свежий воздух в забой; направление движения воздуха; количество воздуха, проходящего мимо вентилятора и поступающего в забой; подачу вентилятора; места выставления постов, места замера газа и укрытия для взрывника [5].

В мероприятия безопасного ведения буровзрывных работ указывают способы защиты бурильщиков от поражений механизмами и кусками падающей породы и угля; профилактику заболевания силикозом; состояния забоя, когда разрешается заряжание шпуров; места, куда убирают механизмы, инструменты и материалы; местонахождение людей, не связанных с взрывными работами; лиц, учитывающих в заряжании и взрывании шпуров; способы проверки состояния забоя (наличие метана, осланцевание); результаты осмотра забоя после взрывных работ. Следует ориентироваться на глубину шпуров, Глубина врубовых шпуров должна быть на 10−20% больше глубины остальных. Глубина шпуров приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Глубина шпуров.

Выбор взрывчатых материалов производят согласно Единым правилам безопасности при взрывных работах, перечню рекомендуемых взрывчатых материалов и журнальным постановлениям госгортехнадзоров с учетом пылегазового режима шахты, крепости и водообильности пород. В стволах, не опасных по пыли и газу, в крепких породах применяют скальный аммонит № 1, скальный аммонал № 3 и детонит М. Применение этих взрывчатых веществ повышает коэффициент использования шпуров и степень дробления горной массы, но эти взрывчатые вещества имеют высокую стоимость. В породах средней крепости применяют аммонит 6ЖВ. В стволах, опасных по газу или пыли, нашли применение углениты Э-6, 12 ЦБ, аммониты АП-5ЖВ, ПЖВ-20 и Т-19.

При электрическом способе взрывания допускаются к применению электродетонаторы мгновенного, короткозамедленного и замедленного действия диаметром 7,2−7,7 мм и длиной 72 мм [6]. Электродетонаторы мгновенного действия применяют для взрывания врубовых шпуров, короткозамедленного действия — при взрывании отбойных и переферийных шпуров. Электродетонаторы короткозамедленного действия приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 — Электродетонаторы короткозамедленного действия.

Коэффициент заполнения шпуров (отношение длины заряда к длине шпура) при взрывных работах в шахтах, не опасных по газу или пыли, в породах с f=2−9 и диаметре патронов взрывчатых веществ 32; 36, а также 45 мм, равен соответственно 0,6−0,7 и 0,35−0,45, а в породах с f=10−20 и тех же диаметрах патронов взрывчатых веществ соответственно 0,7−0,75 и 0,45−0,5. Масса заряда каждого врубового шпура Q должна быть на 20−25% больше средней массы заряда на шпур. Число патронов взрывчатых веществ в заряде (шпуре) определяется делением массы заряда на массу одного патрона [7].

Это наиболее широко распространенный способ проходки горноразведочных выработок. Он пригоден для любых видов горных работ. Применение его наиболее целесообразно лишь в крепких скальных породах и отчасти в многолетнемерзлых породах. В настоящее время этим способом проходят около 98% подземных горизонтальных выработок и около 15% шурфов. При буровзрывном способе проходки горные породы разрушаются силой взрыва зарядов взрывчатого вещества, размещаемых в искусственных углублениях во взрываемом породном массиве. При этом выполняется два вида работ: создание искусственных углублений в массиве горных пород, то есть бурение, а затем взрывные работы. Отсюда и происходит название способа — буровзрывной. Углубления, в которых размещают заряды взрывчатые вещества называются шпурами. Они имеют круглое сечение диаметром от 30 до 60 мм и могут быть глубиной до 5 м. Углубления большего диаметра или большей длины называют скважинами. При буровзрывном способе проходки работа взрыва состоит не только в отрыве от забоя выработки определенного объема породы, но и в равномерном дроблении ее на куски, наиболее пригодные для погрузки и транспортировки. При этом взрыв необходимо рассчитать так, чтобы целенаправленно и сосредоточенно отбросить раздробленную породу от забоя к месту погрузки. Кроме того, необходимо обеспечить заданные размеры и форму поперечного сечения выработки. Эти задачи нелегкие, особенно если принять во внимание, что теория разрушения горных пород взрывом еще недостаточно разработана и некоторые параметры буровзрывных работ приходится определять опытным путем. Эффективность данного способа проходки во многом зависит от знаний, опыта и мастерства проходчиков и в первую очередь бурильщика и взрывника, что еще раз говорит об особом значении этих профессий.