Добыча полезных ископаемых или проходка шахтных стволов — это процесс разработки шахтного ствола сверху вниз, когда изначально нет доступа к его дну. [1] Неглубокие шахтные стволы , обычно прокладываемые для проектов гражданского строительства , по способу выполнения значительно отличаются от глубоких шахтных стволов, обычно прокладываемых для проектов горнодобывающей промышленности .
Проходка стволов является одним из самых сложных методов разработки месторождений: ограниченное пространство, гравитация, грунтовые воды и специальные процедуры делают задачу весьма трудной. [2] Стволы могут быть проложены с помощью обычных буровзрывных работ или механизированных средств.
Исторически сложилось так, что проходка шахтных стволов была одной из самых опасных профессий в горнодобывающей промышленности и была прерогативой подрядчиков по горной добыче, называемых проходчиками . [3] Сегодня подрядчики по проходке стволов сосредоточены в Канаде , Германии , Китае и Южной Африке .
Современная индустрия проходки шахтных стволов постепенно переходит к большей механизации. Недавние инновации в виде полнозабойного бурения шахтных стволов [4] (похожего на вертикальную туннельную буровую машину ) показали многообещающие результаты, но использование этого метода по состоянию на 2019 год не получило широкого распространения. [5]
Шахтные стволы представляют собой вертикальные или почти вертикальные туннели , которые «прокладываются» для доступа к подземному рудному телу во время разработки подземного рудника.
Форма (в плане ), размеры и глубина шахтных стволов сильно различаются в зависимости от конкретных потребностей шахты, частью которой они являются, и геологии, в которой они проложены. Например, в Северной и Южной Америке меньшие стволы проектируются прямоугольными в плане с деревянными опорами. Более крупные стволы имеют круглую форму в плане и облицованы бетоном . [6]
Шахтные стволы могут использоваться для различных целей, в том числе в качестве средства эвакуации в случае возникновения чрезвычайной ситуации под землей, а также для перемещения:
Когда верх выемки находится на поверхности земли, ее называют шахтой ; когда верх выемки находится под землей, ее называют винзой или подшахтой . Небольшие шахты могут быть вырыты снизу вверх из существующей шахты, если есть доступ на дно, в этом случае их называют восстаниями .
Ствол может быть вертикальным или наклонным (от 80 до 90 градусов к горизонтали), хотя большинство современных шахтных стволов вертикальные. Если есть доступ к нижней части предполагаемого ствола и позволяют условия грунта, то можно использовать восстающее бурение для выемки ствола снизу вверх; такие стволы называются стволами-скважинами .
После катастрофы на шахте Хартли , где единственный ствол шахты оказался заблокированным, [7] Соединенное Королевство в 1862 году сделало одиночные стволы шахт незаконными, установив практику, согласно которой все подземные шахты должны иметь «второй выход». Многие другие мировые горнодобывающие юрисдикции приняли это правило, и поэтому стволы часто встречаются парами (хотя существует несколько альтернативных методов обеспечения второго выхода).
В настоящее время самым глубоким непрерывным одноподъёмным шахтным стволом в мире является главный ствол шахты South Deep Mine в Южной Африке, принадлежащий Gold Fields Limited , глубина которого составляет 2991 метр. [8] Вместе с двумя вентиляционными стволами на его проходку и оборудование ушло десять лет.
Наиболее заметной особенностью традиционно построенного шахтного ствола является копровая башня (или подъемная башня, тарельчатая головка или шахтная головка), которая стоит над стволом. В зависимости от типа используемого подъемника (или лебедки) в верхней части копровой башни будет размещен либо подъемный двигатель, либо шкивное колесо (при этом подъемный двигатель будет установлен на земле). Копровая башня также обычно будет содержать бункеры для хранения руды, транспортируемой на перерабатывающий завод.
На уровне земли под и вокруг копра находится воротник ствола (также называемый банкой или палубой), который обеспечивает основание, необходимое для поддержки веса копра, и обеспечивает рабочим, материалам и службам возможность входа и выхода из ствола. Ворота обычно представляют собой массивные железобетонные конструкции с более чем одним уровнем. Если ствол используется для вентиляции шахты , в воротник встраивается пространство или кожух для обеспечения надлежащего потока воздуха в шахту и из нее.
Часть шахты, которая продолжается под воротником в землю, называется стволом шахты . [ необходима ссылка ]
В местах, где ствол шахты встречается с горизонтальными выработками, есть станция шахты (или врезка), которая позволяет людям, материалам и службам входить и выходить из шахты. От станции туннели (штреки, галереи или уровни) тянутся к рудному телу , иногда на многие километры. Самая нижняя станция шахты чаще всего является точкой, где порода покидает уровни шахты и перемещается в шахту, в этом случае на одной стороне шахты в этом месте выкапывается загрузочный карман , чтобы можно было построить перегрузочные сооружения.
Ниже самой нижней станции шахты шахта продолжается на некоторое расстояние; эта область называется дном шахты . Туннель, называемый пандусом, обычно соединяет дно шахты с остальной частью шахты. Этот пандус часто содержит водоочистное сооружение шахты, называемое отстойником , поскольку вода естественным образом стекает в самую нижнюю точку шахты.
Многие (хотя и не все) шахты облицовываются после выемки грунта и установки временной опоры. Облицовка шахты выполняет несколько функций; в первую очередь это элемент безопасности, предотвращающий падение в шахту рыхлой или нестабильной породы, затем место для крепления комплектов шахт, и, наконец, гладкая поверхность для минимизации сопротивления потоку воздуха для вентиляции.
Окончательный выбор крепи шахты зависит от геологии породы, через которую проходит шахта, некоторые шахты имеют несколько секций крепи по мере необходимости [9] Там, где шахты утоплены в очень прочной породе, может вообще не потребоваться крепи или достаточно установить сварную сетку и анкерные болты . Материалом для крепи шахты является монолитный бетон, который заливается за опалубкой шахты слоями по 6 м по мере продвижения шахты (становится глубже).
В разное время использовались торкретбетон , фибробетон, кирпич , чугунные трубы и сборные бетонные сегменты. Кроме того, использование таких материалов, как битум и даже мячи для сквоша, требовалось в особых обстоятельствах. В экстремальных случаях, особенно при прохождении через галит , могут потребоваться композитные облицовки, состоящие из двух или более материалов. [10]
В процессе проходки крепь ствола не достигает дна ствола, а отстает на фиксированное расстояние. Это расстояние определяется методикой выемки грунта и расчетной толщиной постоянной крепи. Для обеспечения безопасности людей, работающих на дне ствола, устанавливается временная наземная крепь, обычно состоящая из сварной сетки и анкерных болтов . Установка временной наземной крепи (называемой анкерным креплением ) является одной из наиболее физически сложных частей цикла проходки ствола, поскольку анкеры должны устанавливаться с помощью пневматических перфораторов.
По этой причине, а также для минимизации количества людей на дне шахты, ряд проектов успешно перешли на торкретирование для этой временной облицовки. Исследования и разработки в этой области сосредоточены на роботизированном нанесении торкретирования и коммерциализации тонких распыляемых полимерных облицовок.
Если шахта должна использоваться для подъема, ее часто разделяют на несколько отсеков с помощью наборов шахт , которые могут быть изготовлены из древесины или стали . Вертикальные элементы в наборе шахт называются направляющими , горизонтальные элементы называются расстрелами . Для стальных направляющих шахт основными двумя вариантами являются полые структурные секции и цилиндрические секции. Цилиндрические секции предлагают ряд преимуществ по сравнению с полыми структурными секциями, включая более простую установку, улучшенную коррозионную стойкость и повышенную жесткость. Шахтные транспортные средства движутся по направляющим аналогично тому, как стальные американские горки движутся по своим рельсам, и оба имеют колеса, которые надежно удерживают их на месте.
В некоторых шахтах направляющие балки не используются, а вместо них используется стальной трос (называемый направляющим тросом ), натянутый массивными грузами в нижней части шахты, называемыми сырными грузами (из-за их сходства с тележкой или головкой сыра), поскольку их легче обслуживать и заменять.
Самый большой отсек обычно используется для шахтной клети , средства передвижения, используемого для перемещения рабочих и материалов под поверхностью, которое подвешено к подъемнику на стальном тросе. Он функционирует аналогично лифту . Клетки могут быть одно-, двух- или, реже, трехэтажными, всегда имеющими несколько резервных систем безопасности на случай непредвиденного отказа.
Второй отсек используется для одного или нескольких скипов , используемых для подъема руды на поверхность. На небольших горнодобывающих предприятиях используется скип, установленный под клетью, а не отдельное устройство, в то время как на некоторых крупных шахтах имеются отдельные шахтные стволы для клети и скипов. Третий отсек используется для аварийного выхода; в нем может размещаться вспомогательная клеть или система лестниц. В дополнительном отсеке размещаются шахтные службы, такие как высоковольтные кабели и трубы для передачи воды, сжатого воздуха или дизельного топлива .
Вторая причина разделения шахты — вентиляция . Один или несколько отсеков, рассмотренных выше, могут использоваться для забора воздуха, в то время как другие могут использоваться для вытяжки. В этом случае между двумя отсеками устанавливается стальная или бетонная стена, называемая перемычкой, для разделения потока воздуха. На многих шахтах есть один или несколько дополнительных дополнительных отдельных вспомогательных стволов с отдельным головным убором и клетями.
Самая низкая точка в проходческом стволе известна как «дно ствола». Проекты стволов отличаются от некоторых других форм разработки шахт тем, что все действия, которые происходят на дне ствола, становятся частью критического пути для графика проекта. Инфраструктура, необходимая для проходки ствола, называется «установкой для проходки».
Типично, что прогресс («скорость проходки») на этапе проходки (то есть выемка грунта, поддержка грунта и облицовка) проекта шахты следует кривой обучения , поскольку проектная группа повторяет одну и ту же серию действий снова и снова в том, что называется «циклом проходки», в конечном итоге приближаясь к теоретической максимальной скорости для данной установки проходки с течением времени. Привлечение опытных проходчиков шахт необходимо для сокращения продолжительности этой кривой обучения и, следовательно, продолжительности проекта в максимально возможной степени.
Ключевыми факторами успешного проекта по проходке шахтного ствола являются:
Хотя значительное внимание уделяется темпам выполнения цикла проходки шахтерами, проходка является лишь одним из ряда этапов традиционного строительства нового ствола, а именно:
Как и в случае с глубиной и конструкцией шахт, в этой последовательности могут существовать значительные вариации в зависимости от местных условий. Например, шахты в Канадском щите обычно не нуждаются в глубоком и сложном воротнике шахты, поскольку коренная порода и прочная, и близка к поверхности. Это сокращает время, необходимое для установки воротника шахты.
Традиционно подрядчики по проходке строили временный копер для установки проходки, который затем демонтировали, чтобы освободить место для постоянного копера. С ростом сложности и продолжительности проектов по проходке стволов со временем стало более распространенным включать большую часть постоянной установки ствола в фазу проходки. Это приводит к сокращению общей продолжительности проекта, например, если обслуживающий трубопровод, используемый для проходки ствола, не нужно демонтировать, чтобы освободить место для постоянного трубопровода.
Благодаря достижениям в технологии бурения восстающих выработок, буры восстающих выработок стали использоваться для создания пилотной скважины для проходки ствола, где доступ имеется на дне нового ствола, в этом случае фаза проходки посвящена расширению этой пилотной скважины до полного диаметра (процесс, обычно называемый «прорезкой»). Эта методология может быть значительно быстрее, чем проходка полным забоем, поскольку порода (пустая порода) от проходки падает в пилотную скважину и обрабатывается с использованием существующей инфраструктуры шахты вне критического пути.