Тема 4. Маркшейдерские работы при сооружении вертикальных стволов

Назначение, особенности строительства и эксплуатации вертикальных стволов. Допуски на точность возведения стволов. Проектная документация. Маркшейдерское обоснование для проходки, крепления и армирования ствола. Маркшейдерские работы при оснащении стволов проходческим оборудованием (установка проходческих (временных) подъёмных машин и лебёдок, проходческой рамы, проходческого копра со шкивами, подвеска проходческих отвесов, сборка опалубки в стволе). Контроль за проходкой и креплением ствола. Составление и ведение журнала проходки. Факторы, влияющие на точность проходки и возведения крепления при разных способах проходки. Исполнительная документация. Маркшейдерские работы при армировании ствола. Допуски, точность, меры безопасности. Профилирование стенок ствола, расстрелов, проводников при помощи шахтных отвесов. Автоматизация маркшейдерских измерений в стволе, проектиры направлений, звуколокационные приборы для профилирования стенок, автоматические станции для профилирования проводников и т.п. Маркшейдерские работы при сооружении стволов специальными способами (бурение, замораживание, цементация, кессонный, опускная крепь). Маркшейдерские работы при углубке вертикальных стволов разными способами. Восстановление центра и осей ствола. Маркшейдерские работы при углубке ствола сверху вниз и снизу вверх. Особенности маркшейдерских работ при проходке стволов с одновременным армированием. Наблюдения за деформациями крепления ствола, армировки и надшахтных зданий.

Методические указания

Вертикальный шахтный ствол является одной из главнейших вскрывающих и транспортных выработок. Горно-геологические условия в зависимости от физико-механических, гидрогеологических и других свойств пересекаемых пород стволом шахты можно условно разделить на три основные группы: сухие или слабообводнённые горные породы, рыхлые неустойчивые водоносные породы, устойчивые трещиноватые весьма водообильные породы.

В зависимости от горно-геологических условий проектом принимают обычный или специальный способ сооружения ствола. Специальные способы обеспечивают повышение устойчивости и водонепроницаемости горных пород на период сооружения ствола.

В качестве специальных способов применяют, как правило, искусственное замораживание горных пород, бурение стволов буровыми установками, предварительный тампонаж горных пород и кессонный (под сжатым воздухом). Методика маркшейдерских работ при соответствующих способах сооружения стволов отличается некоторыми особенностями, которые необходимо усвоить.

При сооружении вертикального шахтного ствола работы выполняются на основе следующей проектной документации: 1) стройгенплана промплощадки, 2) координат центра ствола и дирекционного угла главной оси ствола, 3) высотных отметок устья ствола и сопряжений, 4) рабочих чертежей устья ствола и основной части ствола с указанием опорных венцов на разных горизонтах, 5) расположения проходческого оборудования и элементов армировки, 6) геологического разреза по стволу с указанием гидрогеологии.

При подготовке к проходке ствола в соответствии со стройгенпланом организуется промплощадка: возводится проходческий копёр, здания временных подъёмных машин и лебёдок; производится установка проходческой нулевой рамы и разгрузочного станка, монтаж подъёмных машин, лебёдок и шкивов; в стволе монтируют металлическую подвесную опалубку, проходческий металлический полок; на нулевой раме подвешивают проходческие отвесы (центральный и боковые). Необходимо знать, как осуществляется маркшейдерское обеспечение этих видов работ. До начала проходки должны быть составлены исполнительные геометрические схемы всех подъёмных установок с вычисленными углами девиации канатов. Необходимо отметить, что установка и монтаж проходческого оборудования производится только с осевых пунктов ствола. Необходимо знать требования к точности установки в проектное положение нулевой рамы, разгрузочного станка, проходческого копра (подшкивной площадки) и шкивов, временных подъёмных машин и проходческих лебёдок.

При сооружении ствола обычным способом сначала осуществляется проходка и крепление устья. Работы начинают с установки и проверки рамы-шаблона с временным центральным отвесом, от которого проверяют вертикальность стенок устья ствола, его сечение и правильность возведения временной и постоянной крепи. Необходимо обратить особое внимание на правильное положение рамы-шаблона и центрального отвеса относительно осей ствола, закреплённых осевыми пунктами.

В практике проходки шахтных стволов применяют три основные технологические схемы: последовательную, параллельную и совмещённую. Характер маркшейдерских работ при сооружении стволов определяется технологической схемой, но содержание во всех случаях остаётся неизменным.

Независимо от технологической схемы сооружения ствола контроль за проходкой осуществляется с помощью центрального проходческого отвеса, закреплённого в центре ствола на основной проходческой раме, или боковых проходческих отвесов, закреплённых на осевых пунктах основной проходческой рамы. Особое внимание необходимо обращать на отсутствие касания отвесов.

Необходимо усвоить особенности маркшейдерских работ при различных технологических схемах проходки ствола. Для обеспечения необходимых требований к геометрическим параметрам крепления необходимо с самого начала (с контрольной сборки на поверхности) периодически контролировать размеры и форму передвижной опалубки, а также правильность установки её перед приёмкой бетонной смеси. Важно усвоить содержание всех работ по контролю проходки крепления ствола. Результаты съёмок переносят в «Журнал проходки ствола». Результаты текущего контроля с замечаниями маркшейдера заносятся в «Книгу маркшейдерских указаний».

При возведении крепи ствола из тюбингов особое внимание необходимо уделить точности установки основных (опорных) венцов. При этом тюбинговое кольцо должно быть ориентировано относительно осей ствола в соответствии с чертежом привязки тюбингового кольца к расстрелам армировки.

При проходке ствола способом замораживания пород для образования ледопородного ограждения вокруг контура будущего ствола через толщу водоносных пород бурят вертикальные скважины, в которые опускают замораживающие колонки. Замораживание может быть: 1) на всю глубину, 2) ступенчатое замораживание и 3) местное замораживание пород. Важным условием в обеспечении надёжного ледопородного ограждения является вертикальность пробуренных скважин, которые редко сохраняют во время бурения заданное им направление. Необходимо изучить способы задания направления скважинам, методы проверки геометрических элементов буровой установки перед её монтажом, а также способы и инструментальные средства (инклинометры и т.п.) съёмки для определения положения оси скважины в пространстве. По результатам съёмки скважин нужно уметь строить погоризонтные планы с отображеним проектных и ожидаемых контуров ледопородного ограждения.

Наиболее прогрессивным способом проходки стволов считается бурение. До начала бурения ствола, как правило, сооружают его устье диаметром на 25-30 см больше диаметра конечного расширителя. Маркшейдерские задачи при бурении ствола можно разбить на две основные группы: 1) задачи, решаемые при выполнении основных подготовительных работ и 2) задачи, выполняемые в процессе бурения и крепления ствола шахты. Необходимо чётко представлять комплекс весьма ответственных маркшейдерских работ, связанный с монтажом буровой установки. При бурении ствола используются различные виды съёмки (геометрические, оптические, инклинометрические и звуколокационные), суть которых и условия применения необходимо знать. Необходимо также усвоить специфику маркшейдерских работ при возведении крепи в пробуренном стволе.

В шахтном строительстве цементацию пород применяют как способ сооружения шахтных стволов в водоносных породах (предварительная цементация) и как способ устранения притока воды в пройденный ствол (последующая цементация). Цементация может производиться как с поверхности земли, так и из забоя ствола. При этом выполняются следующие маркшейдерские работы: разбивка устьев цементационных скважин; контроль за направлением бурения скважин; составление исполнительной графической документации; контроль за геометрическими размерами тампонажной подушки при её укладке. Необходимо знать, как выполняются эти работы и какие приборы и инструменты могут при этом применяться.

Для размещения постоянного эксплуатационного оборудования (подъёмных сосудов, труб водоотлива, кабелей и т.д.) в стволе устанавливают постоянную армировку, состоящую из расстрелов, проводников, лестничного отделения). Основными элементами армировки являются проводники и несущие их расстрелы. Армировка может быть жёсткой (металлическая, деревянная и смешанная) и канатной (проводниками являются натянутые канаты). Необходимо изучить различные проектные схемы расположения армировки в стволах и соответствующие им схемы расположения армировочных отвесов. До начала армирования ствола маркшейдер составляет проект организации и производства маркшейдерских работ, в котором, в частности, представлена схема расположения армировочных отвесов. От рационального решения этой задачи зависит в дальнейшем эффективность и точность монтажных работ. При наличии всей необходимой проектной документации производятся разбивочные работы и контроль за положением оборудования при оснащении армирования, вынесение и закрепление точек схода отвесов, контрольные измерения при монтаже армировки. Необходимо изучить состав и содержание всего комплекса маркшейдерских работ, которые выполняются: 1) в подготовительный период (подготовка ствола к армированию), 2) при установке контрольных ярусов армировки (базисные яруса армировки, от которых производится установка остальных ярусов), 3) контрольные измерения при установке расстрелов и навеске проводников. Окончательный контроль за правильностью монтажа армировки выполняют после завершения монтажных работ и навески постоянных или временных подъёмных сосудов. Для этого производят профилирование проводников относительно осей ствола и составляют профильные линии в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом также замеряют величину колеи. Профилирование производят от вертикально закреплённых проволок (тросов) или автоматически (например, с помощью станции СИ4). Маркшейдеру необходимо в совершенстве знать операции, связанные с профилированием стенок ствола, проводников и расстрелов, а также допустимые погрешности измерений и допуски на отклонения контролируемых элементов (стенки ствола, расстрелы, проводники) от проектного положения. Большинство допусков представлено в инструкции [4]. Необходимо также изучить особенности маркшейдерских работ при установке канатной армировки. Здесь главная задача - обеспечить правильное положение осей канатных проводников относительно осей ствола на горизонте подвеса (на копре) и на горизонте фиксации (нижняя часть ствола), а также – обеспечить установку вспомогательных проводников в сопряжениях ствола с горизонтами, с дозаторными камерами и т.п.

При разработке полезных ископаемых на горнодобывающих предприятиях часто приходится осуществлять работы по углубке действующего вертикального ствола шахты для обеспечения ввода в действие новых рабочих горизонтов. Особенностью углубки ствола являются горнопроходческие работы в условиях эксплуатации подъёма в стволе, обеспечивающего нормальный эксплуатационный режим шахты в целом. В зависимости от направления проведения основных горнопроходческих работ углубку ствола производят сверху вниз, снизу вверх или одновременно сверху вниз и снизу вверх. Необходимо изучить маркшейдерские работы при различных схемах и условиях углубки стволов. Обратить внимание на особую ответственность этих работ из-за необходимости смыкания забоев (участков) ствола с высокой точностью. Перенесение центра и осей ствола в углубочную камеру производится, как минимум, дважды.

Необходимо уметь определять объёмы выполненных работ по проходке, креплению и армированию ствола.

Все работы в вертикальных стволах представляют повышенную опасность, поэтому необходимо обратить особое внимание на изучение техники безопасности при производстве маркшейдерских работ как в стволе, так и в копре.

Рекомендуемая литература: [1, с.52-75; 2, с.481-521, 523-524; 3; 4, п.322-336, 340-371; 6, с.30-44, 54-74, 87-218; 7, с.140-144, 156-166, 198-217].

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение вертикальных стволов шахт? В чём заключаются особенности их строительства и эксплуатации?

2. Приведите состав проектной документации при сооружении вертикального ствола.

3. Какие существуют способы проходки стволов в зависимости от горно-геологических условий?

4. В чём заключается проверка проектной документации?

5. Какие три основные технологические схемы существуют в практике проходки стволов? В чём состоят их особенности?

6. Что служит маркшейдерским обоснованием для проходки, крепления и армирования ствола?

7. Перечислите маркшейдерские работы при оснащении ствола проходческим оборудованием.

8. Какие требования предъявляются к установке проходческих лебёдок (допустимые отклонения: оси рамы от оси подъёма, от проектной высоты, оси лебёдки от разбивочной оси, превышения одного конца вала относительно другого)?

9. Приведите допуски на установку в проектное положение нулевой проходческой рамы и разгрузочного станка.

10. Чему равны допустимые углы девиации на подъёмных установках с проходческими лебёдками?

11. Чему равно допустимое смещение относительно проектного положения в горизонтальной плоскости подшкивной площадки проходческого копра?

12. Приведите требования к размещению центрального и боковых проходческих отвесов.

13. Каким образом задают опорное направление для проходки и крепления ствола?

14. Какие геометрические элементы контролирует маркшейдер при проходке и креплении ствола: 1) монолитным бетоном; 2) металлическими тюбингами? Какие допуски должны при этом соблюдаться?

15. Запишите формулу, по которой определяется допустимая величина общего отклонения фактической оси ствола от проектной?

16. Какова величина допустимых отклонений от вертикали пролёта проводника между смежными ярусами расстрелов?

17. На каком минимальном расстоянии от стенок ствола должны располагаться боковые проходческие отвесы?

18. Как часто маркшейдер должен проверять положение передвижной опалубки, породных и закреплённых стенок ствола? Как и с какой точностью выполняются эти замеры?

19. Какие работы выполняет маркшейдер при переоснащении ствола для армирования?

20. Какова допустимая величина отклонения осей подъёмных канатов временных подъёмных сосудов от проектного положения?

21. Опишите состав проекта организации маркшейдерских работ при монтаже армировки.

22. Какими проектными чертежами руководствуется маркшейдер при выполнении работ, обеспечивающих монтаж армировки?

23. Какое оборудование применяется при армировании для фиксирования в стволе разбивочных вертикальных осей?

24. В каких местах относительно армировки располагают армировочные отвесы? На каком максимальном расстоянии от элементов армировки могут располагаться отвесы?

25. Какие допускаются отклонения армировочных отвесов от проектного положения на контрольном ярусе по направлениям осей ствола и по расстояниям между ними?

26. Каким должен быть минимальный запас прочности проволоки (троса) отвеса на разрыв?

27. Какие виды шаблонов используются при монтаже армировки? Какова требуемая точность их изготовления?

28. Дайте определения яруса и шага армировки.

29. Что включает маркшейдерский контроль армирования? Чему равна допустимая величина расхождений расстояний от отвесов до расстрелов (проводников) на горизонте установки и на контрольном ярусе? Какова величина допустимого отклонения расстояний между ярусами расстрелов от проектного? Какое отклонение от горизонтального положения допускается для расстрелов?

30. Какой интервал допускается между горизонтами установки ограничителей колебаний отвесов? Как определяются положения точек схода ограничителей?

31. Как часто выполняется маркшейдерский контроль армирования? Что при этом проверяется?

32. Каким образом закрепляются армировочные отвесы при армировании по восходящей схеме (снизу вверх)?

33. Какими способами может быть выполнена профильная съёмка проводников? Какие величины и с какой точностью при этом измеряют?

34. Напишите формулу, по которой определяется допустимое расхождение расстояний между закреплёнными проволоками, измеренных на поверхности (контрольный ярус) и в шахте.

35. Какие маркшейдерские работы выполняются при монтаже канатной армировки?

36. Что называют горизонтом подвеса и горизонтом фиксации канатных проводников?

37. Какое допускается отклонение от вертикали оси системы канатных проводников?

38. Перечислите маркшейдерские работы при проходке ствола способом искусственного замораживания пород.

39. С какой точностью производится разбивка устьев замораживающих скважин?

40. Как и какими приборами проверяется вертикальность кондукторов скважин? Какова величина допустимого отклонения кондуктора от вертикального положения?

41. Какие геометрические параметры положения буровой установки проверяются перед её монтажом?

42. Какими приборами и с какой точностью производят съёмку замораживающих скважин?

43. На основе чего и каким образом составляют погоризонтные планы ледопородного ограждения?

44. Что входит в состав маркшейдерских работ при проходке ствола бурением?

45. В чём заключается проверка соотношения геометрических элементов буровой установки при проходке ствола бурением?

46. Как и с помощью каких приборов определяется крен буровой вышки?

47. Каким образом производится контроль вертикальности оси ствола?

48. Как и с помощью каких приборов производится съёмка породных стенок ствола?

49. В чём сущность геометрического способа определения положения оси ствола?

50. В чём заключается инклинометрический способ определения положения оси ствола?

51. Какую информацию можно получить с помощью звуколокационной съёмки ствола?

52. Какие работы выполняет маркшейдер при углубке ствола сверху вниз под породным целиком? Какие допускаются расхождения между двумя определениями центра ствола и направления оси ствола в углубляемой части?

53. Какие работы выполняет маркшейдер при углубке ствола сверху вниз под предохранительным полком? Какие допускаются расхождения между двумя определениями центра ствола и направления оси ствола в углубляемой части?

54. Какие работы выполняет маркшейдер при углубке ствола через вспомогательные выработки (с выдачей породы на углубочный горизонт)? Какие допускаются расхождения между двумя определениями центра сечения ствола на действующем горизонте и в углубляемой части?

55. Как контролируется проходка ствола снизу вверх?

56. Что представляет собой «Журнал проходки ствола» и какая информация в нём отражается?

57. Как производятся месячные замеры выполненных горно-капитальных работ? Какие виды работ подлежат маркшейдерскому учёту?

58. Перечислите основные меры безопасности при производстве маркшейдерских работ при сооружении вертикальных шахтных стволов.