Специальные способы строительства вертикальных выработок

Характеристики месторождений со сложными гидрогеологическими условиями. Проблемы, возникающие при проведении горных выработок в этих условиях.

Под сложными условиями следует понимать такие условия, в которых строительство горных выработок и обеспечение их нормального эксплуатационного состояния обычными способами по техническим, экономическим или санитарно-гигиеническим причинам оказывается менее целесообразным, чем с применением специальных способов, либо практически невозможным.

При проведении горных выработок в подобных условиях приходится бороться с притоками подземных вод, а также с явлениями, вызываемыми их присутствием в породах.

Значительный приток подземной воды в проходимую выработку создает определенные трудности при производстве работ. При этом трудности возрастают с увеличением притока.

Наличие подземных вод в песках приводит к значительному снижению их устойчивости, которое растет с увеличением скорости движения воды.

В глинистых породах действие воды проявляется в изменениях их структуры, вязкости, тексотропии и некоторых других физико-механических свойств. В таких породах появляются явления разбухания, размокания, отслаивания, текучести и др. Глина, насыщенная водой, теряет связи между отдельными частицами, приобретает большую подвижность и способна вытекать в выработку.

Наибольшие трудности при проведении горных выработок вызывает плывун. Это неустойчивые текучие тонкозернистые породы от мелкого песка до ила. Плывун способен проникать через мельчайшие не плотности в крепи и заполнять пройденные выработки.

Мелкий песок с частицами диаметром 0,2 — 0,01 мм и меньше при наличии примесей илистых и глинистых частиц диаметром 0,1 — 0,001 мм.

Некоторые водонепроницаемые породы (песчаные глины, суглинки, илы и др.), соприкасаясь с водой, в естественном залегании, подвергаются размоканию и становятся водоносными только в слоях, непосредственно контактирующих с водоносными пластами.

При проходке горных выработок в подобных породах с применением водоотлива породы интенсивно размываются водой и из водонепроницаемых становятся водоносными, а затем и плывучими.

Таким образом, при проведении горных выработок в рыхлых водоносных породах. наряду с мерами по уменьшению притока воды, приходится применять специальные меры, обеспечивающие удержание стенок выработок до возведения постоянной крепи, а также исключающие прорывы плывучих пород в пройденные выработки.

Виды подземных вод и их свойства.

Вода, заключенная в горных породах, может быть: гравитационная (подвешенная, капилярная, свободная), связанная (гигроскопическая, пленочная).

Подвешенная вода не связана с основным водоносным горизонтам и попадает в верхние слои породы в результате атмосферных осадков. Капиллярные воды образуются в результате подъема по капиллярам воды основного водоносного горизонта. Подъем капиллярной воды основного водоносного горизонта в песках до 3 м, в глинах — до 1,5 м. Диаметр капилляров 10^-5 см.

Максимальной гигроскопической влажностью породы называют то количество воды, которое удерживается породой в воздухе, насыщенном водяными парами.

Пленочная вода — это слой воды, удерживаемый на частицах породы силами молекулярного притяжения, возникающего между частицами породы и молекулами воды. Пленочная вода движется независимо от силы тяжести с одинаковой скоростью во всех направлениях от зон с более плотной пленкой в зоны с менее плотной пленкой.

Силы молекулярного притяжения пленки воды достигает 10⁵ Н/ см². Плотность пленочной воды равна 1,28 — 2,45 г/ см³.При замерзании пленочная вода не выделяет скрытой теплоты и не увеличивается в объеме. Замерзает она при температуре около — 80° С.

Специальные способы проходки, их классификация.

Специальные способы в зависимости от решаемых задач можно разделить на 3 группы.

• 1. Специальные способы, обеспечивающие удержание стенок выработки от обрушения и оплывания, но не исключающие приток воды в проходимую выработку. К этой группе относятся все виды забивных крепей, опускные крепи.
• 2. Специальные способы, обеспечивающие проходку выработок в осушенных породах, либо в породах с небольшим притоком воды. К ним относятся кессон, водопонижение, тампонаж.
• 3. Специальные способы, обеспечивающие устойчивость стенок сооружаемых выработок и ликвидацию поступления воды в выработку. К ним относятся замораживание горных пород, химическое закрепление, бурение стволов.
• 17. Строительство вертикальных выработок с применением ограждающих крепей

Забивная крепь является простейшим специальным способом проходки горных выработок и применяется в случаях пересечения рыхлых водоносных пород небольшой мощности, залегающих неглубоко от поверхности земли. Забивные крепи могут применяться при залегании непосредственно под водоносным пластом мягкой водонепроницаемой породы (водоупора) и отсутствии в водоносной породе включений валунов или крупной гальки. В зависимости от материала, применяемого для забивной крепи, различают деревянную и металлическую забивные крепи.

Деревянная прямая вертикальная забивная крепь. Конструкция крепи. Технология производства работ. Оценка способа.

Деревянная забивная крепь бывает прямая (вертикальная) и косая. Проходка стволов с применением прямой (вертикальной) деревянной забивной крепи осуществляется следующим образом. В сухих породах, покрывающих водоносный пласт, выработка проходится обычным способом. Не доходя 0,5−0,7 м до кровли водоносного пласта, забой ствола выравнивают и на нем укладывают внутреннюю и наружную направляющие рамы. В зависимости от формы поперечного сечения ствола и вида постоянной крепи эти направляющие рамы выполняются в виде металлических колец из швеллеров № 18- № 20 (при круглых стволах) или деревянных венцов (при прямоугольных стволах с деревянной крепью). В пройденной части ствола между постоянной крепью и наружными направляющими кольцами укладывают несколько брусьев толщиной 60−80 мм.

Направляющие кольца (внешние и внутренние) устанавливают по отвесам и уровню, обеспечивая вертикальность ствола и наличие зазора между ними, равного толщине шпунта. Наружный диаметр внутреннего направляющего кольца равен диаметру ствола в проходке.

Внутренний диаметр наружного направляющего кольца равен диаметру ствола в проходке плюс две толщины шпунта.

В зазор между наружным и внутренним направляющими кольцами забивают вертикально, заостренные внизу доски — шпунты. Забивка шпунтов ведется поочередно один к одному на глубину 0,7 — 1 м.

В качестве шпунта применяют сухие сосновые или дубовые доски толщиной 50 — 100 мм, шириной 150−200 мм. Длина шпунта определяется мощностью пересекаемого водоносного горизонта и принимается в пределах 2 — 6 м. Шпунтины в местах примыкания друг к другу выполняют в виде пазов и выступов различной конфигурации (елочка, шип и др.). Шпунт забивают кувалдами, пневмомолотами, пневмобетоноломами.

После забивки шпунта по всему периметру на 0,7 — 1 м из забоя ствола вынимают породу. Во избежание прорыва водоносных пород, а также выжимания концов шпунта в ствол, необходимо следить, чтобы нижние концы шпунта находились в породе не менее 0,2- 0,3 м. По мере проходки ствола через каждый 1- 1,2 м устанавливаются и тщательно расклиниваются направляющие кольца.

Верхняя часть ствола, пройденная по сухим породам, должна иметь диаметр в свету на 0,5 м больше диаметра ствола в проходке.

Забивка каждого нового яруса шпунтов (посада) уменьшает диаметр ствола в свету на 0,5 м.

Деревянная косая забивная крепь. Конструкция крепи. Технология производства работ. Оценка способа.

При применении косой забивной крепи сечение выработки остается постоянным и не зависит от числа ярусов шпунтов (посадов). Обычно косую забивную крепь применяют при проходке стволов прямоугольного сечения с деревянной крепью. Шпунты длиной 1,2 — 1,6 м толщиной 50 — 75 мм и шириной 150 -200 мм забивают под углом 70° - 75°. Забивку шпунта начинают в плотной породе, не доходя на один ярус посада до водоносного грунта. При забивке шпунта длиной 1,5 м под углом 70° - 75° концы шпунта в углах образуют просвет приблизительно равный 0,5 м. Чтобы избежать этого, с каждой стороны угла забивают специальные трапециевидные шпунты с широким основанием внизу, а затем забивают обычные прямоугольные шпунты.

Установку наружного (вспомогательного) и внутреннего (коренного) направляющих венцов проводят по уровню и отвесам.

Размеры внутреннего направляющего венца такие же, как и венца постоянной крепи ствола. Размеры наружного направляющего венца принимаются с учетом возможности забивки шпунта.

Технология выемки породы, а также забивки шпунта аналогична применяемой при вертикальной забивной крепи. Промежуточные венцы устанавливаются через 0,5 м. Во избежание выдавливания шпунтин концы их всегда должны находиться в породе не менее 0,2 м.

Деревянная забивная крепь обладает низкой устойчивостью. При ее применении часто имеют место выпуски породы, а, следовательно, образование пустот за крепью, оседание и перекос крепи. Работы по забивке шпунтин трудоемки. Скорость проходки низкая и составляет приблизительно 5 м/мес.

Деревянную забивную крепь рекомендуется применять при проходке вспомогательных вертикальных выработок в рыхлых водоносных породах небольшой мощности (до 6 м), неглубоком залегании (до 15 — 20 м), а также при проходке опережающих водосборных колодцев.

Металлическая забивная крепь. Виды металлических шпунтов. Их оценка. Технология забивки шпунтов. Определение размеров форшахты.

Металлическая забивная крепь имеет ряд преимуществ перед деревянной, что обусловило более широкое ее применение.

Металлически шпунты обладают высокой прочностью, что обеспечивает надежность ограждения и позволяет применять мощные средства забивки. Соединения в замках между шпунтинами более плотное, это позволяет избежать выноса мелких частиц породы. В настоящее время металлические шпунты выпускаются длиной до 22 м. Таким образом, одним рядом шпунтового ограждения можно пересекать водоносные породы мощностью до 18 м. Высокая прочность металлического шпунта, применение мощных средств забивки их, более низкое сопротивление пород при внедрении таких свай позволяет полностью перекрывать всю толщу водоносных пород до начала выемки породы.

Выбранный тип шпунта должен обеспечивать прочность ограждения и при этом быть наиболее экономичным для конкретных условий. Прочность шпунта характеризуется моментом сопротивления (W), а жесткость сваи — моментом инерции (I). Показателем экономичности шпунта является отношение момента сопротивления шпунта к его массе (G) — W/ G. Чем больше это отношение, тем лучше используется металл. Применяемые шпунты можно подразделить на следующие типы: плоские, трубчатые, корытчатые ячейковые и комбинированные. Каждый из этих типов в свою очередь подразделяется в зависимости от профиля поперечного сечения и конструкции замков.

Плоские шпунты имеют сравнительно малый момент сопротивления при большей массе. У них отношение W/ G находится в пределах 1 — 5.

Трубчатые шпунты просты в изготовлении. При их забивке легко использовать гидроразмыв. Отношение W/ G в трубчатых шпунтах небольшое и равно 1,5 — 2.

Шпунты корытчатой формы более сложны в изготовлении, но они имеют высокий момент сопротивления (до 900 см³). Отношение W/ G равно 3 — 14.

Забивку шпунтового ограждения можно производить отдельными небольшими заходками (1 м) после установки последовательно всех свай в контуре, либо последовательно забивать каждую сваю сразу на полную глубину.

Первый способ обеспечивает плотное ограждение на всей глубине погружения. Вместе с тем при этом способе погружения в замках возникают большие напряжения, сильно затрудняющие забивку шпунтов. В отдельных случаях имеют место разрывы замков. Для снижения трения в замках их заполняют битумом.

При втором способе шпунт забивается значительно легче. Однако при этом способе возможно отклонение каждой забиваемой сваи от проектного направления. Эти отклонения накапливаются, и обычной сваей замкнуть контур ограждения невозможно. Для того, чтобы контур замкнуть, приходится забивать специальную сваю, изготавливаемую на основании замеров положения свай, либо забивать в образовавшемся просвете внахлестку новый ряд свай.

Во избежание прорыва водоносных пород из-под нижних концов ограждения шпунт должен полностью пересекать водоносный пласт и внедряться в водоупор на 1,5 — 2 м. К выемки породы приступают после забивки всех свай. Породу вынимают участками приблизительно равными 1 м и устанавливают временную крепь.

Забивка металлического шпунта может производиться пневматическими и паровыми молотами, вибромолотами и вибропогружателями. Наиболее прогрессивным способом забивки является вибропогружение.

В горном строительстве нашли широкое применение вибропогружатели типа ВПП-2.

При определении диаметра ствола по осям шпунтин на участке, огражденным металлическим шпунтом, следует учитывать конструкцию замка шпунта, а при определении диаметра форшахты — габариты вибропогружателей.

(17.1).

где D_шп — диаметр ствола по осям шпунта, м;

D_св — диаметр ствола в свету, м;

Е — толщина постоянной крепи, м;

b — толщина шпунта в замке, м;

0,01Н — величина возможного отклонения шпунтин от вертикали во внутрь ствола, принимается до 1% от глубины погружения шпунта, м.

Диаметр ствола в проходке.

(17.2).

где с — размер выступающей наружу части вибропогружателя, м;

а — зазор между выступающей частью вибропогружателя и крепью форшахты, обеспечивающий удобство и безопасность работы (принимается равным 0,7 м).