Проходка тоннельной выработки

Разработка породы при проходке тоннелей и ее перемещение к месту отвала является чрезвычайно трудоемкими процессами, требующими максимальной механизации. Выбор способа и средств механизированной разработки определяются свойствами горных пород (твердостью, вязкостью, упругостью, трещиноватостью и др.). Классификация делит породы в порядке возрастания крепости на одиннадцать категорий (таблица 9.1):

Таблица 9.1 – Способы разработки породы

Категория пород	Примерная величина коэффициента f крепости по Протодьяконову	Способ разработки
I II III IV   V VI VII VIII IX X XI	0,4…0,6 0,6…1,0 1,0…1,5 1,5…2,0   2…3 4…5 5…6 7…9 10…14 15…18 19…20	Ручной Ручными пневматическими инструментами Ручными пневматическими инструментами или взрыванием Взрывной » ­ ­ « » ­ ­ « » ­ ­ « » ­ ­ « » ­ ­ « » ­ ­ «

Ручная разработка с помощью лопат, кирок, кайл и ломов малопроизводительна и трудоемка (до 3 м³ в смену на человека) и применяется в редких случаях – там, где невозможно или опасно применение механизированного инструмента и машин:

- при работе в слабых и неустойчивых породах, требующих тщательного крепления, как правило, при небольших объемах работ;

- при подчистке и подборке в устойчивых породах.

Ручную разработку в неустойчивых породах выполняют последовательным снятием слоев в забое сверху вниз с перестановкой лобовой крепи (рисунок 9.18). В устойчивых породах - откалыванием породы от нависающего уступа забоя с обрушением ее на пол выработки. По условиям работ на одного проходчика отводят не менее одного метра ширины забоя.

С использованием средств малой механизации (пневматических лопат и отбойных молотков) разрабатывают породу I…III категории.

Рисунок 9.18 - Схема перестановки крепи забоя

Для обеспечения инструмента сжатым воздухом у порталов тоннеля устраивают компрессорные станции.

Применение отбойных молотков повышает выработку максимально до 6…9 м³ в смену. Широко в практике представлены пневматические отбойные молотки МО-8…МО-13 весом от 8 до 13 кг и тяжелый молоток ПЛ‑1М, весом 31,8 кг, расход воздуха 1,25…1,3 м³/мин.

Наиболее эффективно применение отбойных молотков в породах крепостью f =0,8…2. Средняя производительность молотка составляет 2,5…5 м³ в смену. Возможна разработка породы крепостью до f =4, но выработка при этом снижается до 1 м³ в смену. Рекомендуется спаренная работа молотков навстречу друг другу под углом 45 градусов к поверхности забоя. В выработках большого сечения можно ставить несколько пар проходчиков. Фронт работы должен быть не менее 1,4 м на пару молотков.

Молотки с пиками практически не пригодны для работы в пластичных глинистых породах, где предпочтительнее работать пневмомолопатками. Они дают выработку до 8 м³ в смену.

Взрывной способ применим в породах различной крепости, и обеспечивает высокие скорости проходки.

Для размещения зарядов при взрывном способе бурят шпуры диаметром до 100 мм. Все буровзрывные работы проводят в соответствии с «Едиными правилами безопасности при взрывных работах».

В забое в породе устраивают шпуры двух групп (рисунок 9.19):

- врубовые шпуры - для размещения больших зарядов ВВ с целью создания врубовой воронки;

- отбойные шпуры - для отвала и разрушения породы.

Количество шпуров на забой определяется в зависимости от свойств породы, площади забоя, свойства заряда. Вначале определяет массу ВВ, необходимую для разрушения породы в требуемом объеме, а затем - число шпуров, необходимое для размещения общего заряда. Глубина шпуров принимается с учетом устойчивости кровли выработки, а также степени механизации буровых и погрузочных работ. При механизированной погрузке породы и применении легких бурильных машин шпуры бурят на глубину 2,5…3,0 м. Врубовые шпуры делают более глубокими (примерно глубже на 0,5 м). В качестве взрывного вещества применяют аммониты (аммонит № 1, № 6, № 6ЖВ - повышенной водостойкости), аммонит может быть порошкообразным или в парафинированных патронах диаметром 30…32 мм весом 100, 150, 200 или 300 г.

В зарубежной практике в последнее время стали применять более эффективные взрывчатые вещества – гелеобразные (динамекс), эмульсионные (эмулиты), пластичные (гуриты).

Взрывание применяют электрическое с использованием электродетонаторов с интервалами замедления 25 и 50 мс (миллисекунд). Максимальная эффективность взрывания обеспечивается правильным подбором интервала замедления в соответствии с конкретными условиями забоя.

Для уменьшения разброса породы и предотвращения повреждения крепи целесообразно принимать интервал между взрывами врубовых и первой группы отбойных шпуров до 50 мс, чтобы порода успела сдвинуться из врубовой воронки, а интервал между взрывами группы отбойных шпуров – 10…25 мс.

1 - врубовые шпуры; 2 и 3 - отбойные шпуры; (2 - вспомогательные, 3 – контурные); l_к - глубина шпуров; a - угол вруба (60…70°)

Рисунок 9.19 - Схема размещения шпуров

Для бурения шпуров применяют бурильные машины ударно-поворотного, вращательного и вращательно-ударного действия.

Наиболее производительны машины вращательно-ударного действия, но они сложны и имеют большую массу.

Бурение шпуров производится перфораторами (пневматическими бурильными молотками) марки ПР-12; ПР-20; ПР-25; ПР-30 глубиной бурения от 2,5 до 5,5 м. Легкие перфораторы весом до 20 кг применимы в породах средней крепости. Тяжелые перфораторы применяют в крепких породах, при бурении большого числа шпуров тяжелые перфораторы устанавливают на пневматические поддержки.

При больших объемах бурения шпуров эффективно применение буровых установок (СБУ-2М; СБУ-2К; СБУ-3; СБУ-4) (рисунок 9.20).

Положительно зарекомендовала себя бурильная установка СБУ‑2К. Она оборудована двумя бурильными машинами, обеспечивает глубину бурения шпуров до 4 м, высота бурения горизонтального шпура – 8 м.

Бурильные машины снабжены манипуляторами, дающими возможность бурить горизонтальные, наклонные и вертикальные шпуры в кровле забоя. Манипуляторы к забою выдвигаются при помощи кареток. Гусеничная ходовая часть обеспечивает хорошую маневренность в стесненных условиях забоя. Защитная крыша обеспечивает безопасность работы.

С целью улавливания пыли при бурении применяют промывку шпуров водой под давлением 2…3 кгс/м².

Для установки в забое перфораторов и обеспечения их производительной работой применяют самоходные буровые рамы и подмости, пневматические поддержки и манипуляторы.

1- бурильная машина; 2- манипулятор; 3- рабочая площадка; 4- стрела; 5- тяга; 6- гидравлический домкрат; 7- гидравлический упор

Рисунок 9.20 - Самоходная буровая установка СБУ-4

Погрузка и транспортировка породы. После взрывания, проветривания, осмотра забоя и оборки профиля приступают к погрузке породы в транспортные средства. Эта операция в проходческом цикле является самой трудоемкой (до 40 % от общей трудоемкости проходки) и обычно полностью механизируется.

Породопогрузочные машины имеют сравнительно небольшие размеры и специально приспособлены для работы в стесненном пространстве подземной выработки. В тоннельном строительстве используют пневмоприводные и электроприводные машины.

При небольших объемах работ, например в штольнях, иногда применяют полумеханическую погрузку при помощи перегружателей, сконструированных на базе транспортеров (рисунок 9.21). Приемная воронка транспортеров расположена очень низко (35…40 см), поэтому производительность ручной погрузки на транспортер лопатами больше, чем ручная погрузка непосредственно в вагонетку высотой около 120 см.

При разработке выработки по частям породу из верхнего забоя можно направлять в вагонетки, стоящие на путях нижнего горизонта проходки, по лоткам самотеком. Для перемещения породы от забоя к лоткам или фурнелям в верхнем горизонте применяют скреперы (скребки).

Рисунок 9.21 - Перегружатель П-4

К числу пневмоприводных относится машина ПМЛ-5 (рисунок 9.22) которая перемещается и работает на узкоколейном рельсовом пути. Со стороны, противоположной ковшу-лопате 1, машина имеет устройство для сцепки с вагонеткой 3. Рабочий цикл машины, сцепленной с вагонеткой, состоит из наезда на отвал породы с внедрением в него ковша и опрокидывания ковша через корпус 2 в вагонетку.

а — ПМЛ-5; б — ППМ-4

Рисунок 9.22 - Схемы машин для погрузки породы

Для увеличения фронта погрузки корпус машины вместе с лопатой может поворачиваться относительно оси пути на 30 градусов в каждую сторону. Техническая производительность машины ПМЛ-5 равна 25 м³/ч. Эта погрузочная машина отличается простотой конструкции, несложностью управления и безотказностью в работе. Воздух, отработавший в ее двигателях, дополнительно освежает атмосферу выработки. Главными недостатками машины ПМЛ-5 являются значительная рабочая высота, обусловленная верхним положением ковша над корпусом во время погрузки, низкий к.п.д. и значительный шум, производимый ее двигателями при работе.

Электроприводная погрузочная машина ППМ-4 (рисунок 9.22, б) также перемещается и работает на узкоколейном рельсовом пути. Машина оборудована поднимающимся ковшом, с которого порода поступает на небольшой транспортер. Под выступающей за пределы машины хвостовой частью транспортера помещается вагонетка, соединенная с выдвижным сцепным устройством.

Техническая производительность погрузочной машины ППМ-4 равна 50 м³/ч. Ее ковш имеет возможность поворачиваться в каждую сторону на 50 градусов, чем обеспечивается широкий фронт погрузки. Машина имеет высокий коэффициент полезного действия, но требует более квалифицированного обслуживания, чем машина с пневмоприводом.

Возможный подъем транспортера машины ППМ-4 поворотом на угол, достигающий 25 градусов, позволяет одинаково успешно вести погрузку в вагонетки различной высоты и емкости. Кроме того, этот транспортер может поворачиваться и в горизонтальной плоскости на 7 градусов в каждую сторону, что позволяет вести погрузку не только в вагонетки, стоящие на пути вслед за машиной, но также и в вагонетки на соседнем пути.

В сочетании со вторым транспортером машина ППМ-4 может вести непрерывную погрузку. В этом случае разработанная порода с транспортера машины подается на другой транспортер, под который заходит без расцепки порожний состав. По мере заполнения вагонеток состав перемещается электровозом до тех пор, пока не будет полностью загружен. Для того чтобы работа машины не прекращалась также и во время смены составов, порода со второго транспортера сгружается в промежуточный бункер, поднятый над путями и играющий роль накопителя.

Черпание породы снизу требует большой затраты энергии. Загружение ковшей накатыванием машины с расстояния 1…1,5 м создает дополнительные ударные нагрузки механизмов.

Стремление избавиться от этих недостатков привело к созданию машины на гусеничном ходу с непрерывной погрузкой породы при помощи нагребающего рабочего органа. Представителем такой машины является ПНБ-3К (рисунок 9.23), предназначенная для погрузки дробленых скальных пород.

1- забирающая часть; 2- ведущие диски; 3- стрела транспортера; 4- гусеничная ходовая часть

Рисунок 9.23 - Породопогрузочная машина ПНБ-3К

ПНБ-3К имеет погрузочный скребковый транспортер, хвостовая часть которого может поворачиваться в плане в обе стороны на 45 градусов, подниматься и опускаться. Это дает возможность погрузки породы в любые транспортные средства без потерь времени на их установку под машину. Все механизмы и обе гусеницы имеют индивидуальный электропривод.

Машина ПНБ-3М является модификацией ПНБ-3К для мягких пород. Скребковый транспортер заменен пластинчатым питателем и пластинчатым транспортером. Вторая машина имеет меньшую надежность механизмов.

Производительность ПНБ-3К – до 180 м³/час (3,1 м³/мин). Обе машины могут работать в выработках шириной не менее 3,7 м и высотой до 2,5 м.

Для меньших размеров выработок можно применять машину ПНБ‑2К производительностью 2,5 м³/мин.

Для погрузки породы в выработках большого поперечного сечения, например в двухпутных железнодорожных и автодорожных тоннелях, находят применение гусеничные экскаваторы (ЭП-1, Э‑7515) (рисунок 9.24). С целью снижения рабочей высоты и увеличения производительности тоннельные экскаваторы оборудуются не прямой, а телескопической совковой лопатой, которая загружается разрушенной породой за одно черпание. Производительность погрузки экскаватором в тоннеле, достигает 100…200 м³/ч. Работа экскаватора хорошо сочетается с погрузкой в автосамосвалы.

1 - напорный механизм; 2 - стрела прямой лопаты; 3 - ковш с рукоятью;

4 - ходовая тележка; 5 - корпус.

Рисунок 9.24 - Тоннельный экскаватор Э-7515

Тоннельный транспорт необходим для перевозки разработанной породы от забоя за пределы тоннеля в отвал и для подвоза строительных материалов и оборудования с поверхности в подземную выработку. В строительстве тоннелей особенно важна бесперебойность в работе транспорта, так как в самой выработке нет места для хранения материалов, и любая задержка в перевозке грузов влечет за собой необходимость приостановки работ.

В выработках большого поперечного сечения успешно применяют автосамосвалы, оборудованные нейтрализаторами выхлопных газов. Наиболее целесообразно для этих целей использовать самосвал-думптор DR-50. Автомобиль очень маневренный, имеет емкость кузова 3,5 м3, грузоподъемность 6 т, оборудован нейтрализатором выхлопных газов. При строительстве тоннелей небольшой длины применение находят и обычные самосвалы, но при этом требуется увеличение интенсивности вентиляции выработок.

При комплексной механизации проходческих работ используют конвейерный транспорт, позволяющий отдалить место погрузки породы в вагонетки от забоя и организовать непрерывную погрузку.

Обычно в подземном строительстве используют рельсовый транспорт узкой колеи. Рельсовый путь в подземных выработках обычно устраивают двухпутным из рельсов типов Р24, Р33 и Р38. Ширина колеи — 600, 750 и 900 мм. Для наращивания пути у забоя используют вставки-времянки (рубки) из рельсов длиной от 1 до 4 м, которые по мере накопления заменяют целыми звеньями рельсов длиной 7 или 8 м. Вместо последовательного наращивания пути у забоя часто применяют выдвижные звенья различной конструкции.

Для перевозки грузов и оборудования используют вагонетки (рисунок 9.25) и платформы. Наибольшее распространение имеют вагонетки с глухим кузовом емкостью до 2,1 м³, требующие для разгрузки специальные опрокидыватели, и саморазгружающиеся вагонетки с опрокидным кузовом емкостью до 1,1 м³.

а – глухой; б – опрокидной.

Рисунок 9.25 - Схемы вагонеток

Для откатки составов обычно используют контактные (троллейные) электровозы, получающие электроэнергию от воздушной контактной сети, подвешенной на высоте не менее 2,2 м от уровня головки рельса. Реже используют аккумуляторные электровозы, питающиеся от аккумуляторов, расположенных на локомотиве. При небольших объемах перевозки грузов на прямых коротких участках с уклоном до 30°/_оо применяют канатную откатку тяговыми лебедками.

Вентиляция. Воздух в выработках загрязняется от двигателей внутреннего сгорания, даже снабженных нейтрализаторами выхлопных газов, а также от взрыва ВВ, применяемых для рыхления породы. Не исключено также выделение вредных газов из горных пород, а также от дыхания и потовыделения рабочих.

При взрыве 1 кг аммонитов выделяется 40 л СО. При взрыве взрывчатых веществ нормальной мощности эта величина возрастает в 2,5 раза.

При работе двигателей внутреннего сгорания выделяется следующее количество вредных примесей (таблица 9.2).

Таблица 9.2 – Объемы вредных примесей, выделяемые двигателями внутреннего сгорания

Условия работы двигателя	Объем вредных примесей, приведенных к СО, г/сек
Легковые автомобили типа «Волга»	ГАЗ-51	ЗИЛ-131
Работа двигателя на холостом ходу   При движении автомобиля по горизонтальному участку   При движении автомобиля на подъем в 6 %	0,3     0,41     0,84	0,41     0,76     1,72	0,61     1,3     3,68

Вентиляция должна обеспечить удаление загрязненного воздуха в таком объеме, чтобы весовая концентрация вредных газов (D_в) в мг/л в выработках была не более допустимой.

Объем подачи свежего воздуха В определяется по формуле:

где А – объем поступления вредных газов, приведенных к СО (окись углерода);

D ₀ – допустимая концентрация (объемная), для СО D ₀=0,0016; для окиси азота D ₀= 0,0001; метана D ₀£ 0,01 (при превышении этой концентрации образуется гремучая смесь и происходит взрыв);

D – приведенный объем вредных газов в подаваемом воздухе;

t – время вентиляции в мин, t =15 мин при взрывной проходке;

k – коэффициент надежности k =1,1…1,5 в зависимости от возможности застоя воздуха в выработках.

Перевод объемной концентрации (D ₀) в весовую (D _В) и обратно осуществляется через грамм-молекулу газа (М) по формуле:

2,24 D _В = D ₀ М,

где М - моль.

Через 30 мин после взрыва ВВ концентрации D ₀ по СО составляет около 0,008 – можно приступать к работе, но с проветриванием.

Сверх определенного расчетом объема вентиляции для дыхания людей в рабочие зоны дополнительно должно подаваться не менее 6 м³/мин на каждого работающего. Скорость движения воздуха в выработке должна быть не более 4…8 м/с, но не менее 0,15 м/с.

Вентиляция подземных выработок при проходке является важнейшим условием безопасной и производительной работы. Она должна обеспечить нормальный состав, температуру и влажность воздуха.

Наиболее простой является приточная вентиляция (рисунок 9.26, а). Для воздуховодов можно использовать мягкие трубы. Недостатком является то, что вредные газы расходятся по всему тоннелю, а в холодное время охлажденный воздух подается в забой.

Вытяжная вентиляция (рисунок 9.26, б) быстро удаляет взрывные газы из забоя. Для ограничения их распространения дополнительно может быть предусмотрен занавес в виде фанерной или брезентовой перемычки. Но при этом требуются для воздуховодов жесткие трубы, свежий воздух поступает к забою от портала. Проходя через выработку, он нагревается и загрязняется.

Более совершенной является реверсивная вентиляция, при которой сразу после взрыва производится вытяжка, и позже нагнетание чистого воздуха.

Такими же положительными качествами обладает и комбинированная вентиляция, при которой время вентиляции будет наименьшее.

а - нагнетательная (приточная); б - вытяжная; в - комбинированная; г - реверсивная; 1 - вентилятор; 2 - труба; 3 - фанерная или брезентовая перемычка

Рисунок 9.26 - Схемы вентиляции

Водоотвод и водоотлив. Подземные воды вызывают серьезные осложнения при проходке выработок, особенно при ведении работ через промежуточные шахты, а также в случае, когда продольный уклон выработки направлен в сторону забоя. В районах с суровым климатом в зимнее время, благодаря притоку подземных вод, возможно образование наледей, нарушающих габарит тоннеля. Поэтому как при строительстве, так и при эксплуатации тоннеля должны быть приняты все меры, препятствующие попаданию подземной воды в тоннель. А просочившиеся в тоннель воды должны быть своевременно выведены за пределы выработки.

Источниками образования подземных вод могут быть атмосферные осадки, водотоки и водоемы на поверхности, а также водоносные пласты горных пород, подземные источники и естественные подземные резервуары в виде заполненных водой карстовых пустот (древнее русло реки Невы на участке Лесная - Площадь Мужества). Подземным водам свойственна агрессивность даже в тех случаях, когда их источники находятся на поверхности. Проходя через трещины и поры в горных породах, вода обогащается примесями, вредно действующими на обделку. Особенно вредны для тоннельных конструкций растворимые в воде серная и соляная кислоты, а также их соли и соли аммония, квасцы, фенол и гуминовые кислоты.

В результате гидрогеологических исследований горного массива необходимо получить сведения о максимальном притоке воды в выработку, их температуре и составе.

Грунтовые воды или просочившиеся в тоннель поверхностные воды, как правило, отводятся самотеком по водоотводным лоткам проезжей части в сторону порталов.

При невозможности естественного стока воды из выработки необходимо обеспечить ее сброс в приямки, устраиваемые в самых низких местах выработки и своевременную откачку насосами. Насосы подают воду в трубопроводы или деревянные лотки.

При недостатке трубопроводов или при отсутствии насосов необходимой мощности откачку воды можно организовать с использованием существующих водоотводных лотков, имеющих обратный уклон. Для этого лоток перегораживается перемычками, через которые вода перекачивается насосами (рисунок 9.27).

1 – перемычки; 2 – насос; 3 – лоток; 4 – водосборник (приямок)

Рисунок 9.27 – Схема удаления воды по лоткам с обратным уклоном

Мощность насосов должна быть в 1,5…2 раза больше ожидаемого притока воды. Водосборные приямки, из которых вода откачивается насосом, должны иметь объем получасового притока воды. Это время необходимо для ремонта или замены вышедшего из строя насоса.

Если приток воды в выработку большой и напор воды со временем не снижается, то в процессе проходки или даже до нее, необходимо принимать меры по увеличению водонепроницаемости горных пород посредством их цементации, силикатизации или битумизации.

Освещение рабочей зоны и путей подвоза. Освещение в выработках обеспечивается электрическое. Для обеспечения нормальных условий работ освещенность рабочих мест должна быть не менее 30 лк. На путях подвоза освещенность достаточна 15 лк. Наружные стройплощадки освещаются по общим правилам. В нерабочих зонах тоннеля освещенность может быть снижена до 5 лк.

По возможности создается сетевое освещение. Напряжение в сети в рабочих зонах должно быть 12 В, а в остальных выработках 24 В. Понижающие трансформаторы располагают за пределами рабочей зоны.

Для освещения больших площадей целесообразно применение прожекторов заливающего света, по возможности с матовыми стеклами. Прожекторы рекомендуется устанавливать на высоте не менее 4 м. Переносные лампы должны иметь защитную сетку и надежную изоляцию. Вся осветительная и силовая сеть прокладывается кабелем с изоляцией повышенной надежности. Обязательно заземление всех электроприборов и корпусов электродвигателей.

Для освещения рабочих мест в малых выработках удобны аккумуляторные переносные или головные светильники, а также ацетиленовые фонари, применяемые в горной промышленности.

Дата добавления: 2014-12-29