Разработка шахты , или проходка шахты, — это проходка шахтного ствола сверху вниз, где изначально нет доступа к низу. [1] Неглубокие шахты , обычно закапываемые для проектов гражданского строительства , сильно отличаются по методу строительства от глубоких шахт, обычно погружаемых в горнодобывающих проектах.
Проходка ствола является одним из самых сложных методов разработки горных работ: ограниченное пространство, гравитация, грунтовые воды и специальные процедуры делают задачу весьма сложной. [2] Валы можно погружать обычными буровзрывными или механизированными способами.
Исторически проходка шахтных стволов была одной из самых опасных из всех горнодобывающих профессий и была прерогативой горнодобывающих подрядчиков, называемых проходчиками . [3] Сегодня подрядчики по проходке шахт сосредоточены в Канаде , Германии , Китае и Южной Африке .
Современная шахтопроходческая промышленность постепенно переходит в сторону большей механизации. Недавние инновации в виде полнозабойного растачивания валов [4] (по аналогии с вертикальным туннелепроходческим станком ) оказались многообещающими, 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, через которую они проходят. Например, в Северной и Южной Америке шахты меньшего размера имеют прямоугольную форму в плане и оснащены деревянными опорами. Большие шахты имеют круглую форму и облицованы бетоном . [6]
Шахтные стволы могут использоваться для различных целей, в том числе в качестве средства эвакуации в случае возникновения аварийной ситуации под землей и обеспечения перемещения:
Когда вершиной раскопок является поверхность земли, ее называют шахтой ; когда верхняя часть выемки находится под землей, ее называют подвалом или подвалом . Небольшие шахты можно выкапывать вверх изнутри существующей шахты, если есть доступ снизу, и в этом случае они называются подъемами .
Ствол может быть вертикальным или наклонным (от 80 до 90 градусов к горизонтали), хотя большинство современных шахтных стволов вертикальные. Если имеется доступ к нижней части предполагаемой шахты и позволяют условия грунта, то для выкапывания шахты снизу вверх можно использовать подъемное бурение ; такие валы называются стволами скважин .
После катастрофы на шахте Хартли , когда единственная шахта шахты была заблокирована, [7] в 1862 году Соединенное Королевство объявило одноствольные шахты незаконными, установив практику, согласно которой все подземные шахты должны иметь «второй путь выхода». Многие другие мировые горнодобывающие юрисдикции приняли это правило, и поэтому шахты часто встречаются парами (хотя существует множество альтернативных методов обеспечения второго пути выхода).
В настоящее время самым глубоким непрерывным одноподъемным стволом шахты в мире является главный ствол шахты South Deep Mine в Южной Африке, принадлежащей Gold Fields Limited , глубина которого составляет 2991 метр. [8] На затопление и оснащение двух вентиляционных шахт ушло десять лет.
Наиболее заметной особенностью традиционно построенного шахтного ствола является оголовок (или намоточная башня, тарельчатая головка или оголовок шахты), который стоит над стволом. В зависимости от типа используемого подъемника (или намоточного устройства) в верхней части опорной рамы будет располагаться либо двигатель подъемного механизма, либо шкивное колесо (при этом двигатель подъемного механизма будет установлен на земле). Головная рама также обычно содержит бункеры для хранения руды, транспортируемой на перерабатывающий комплекс.
На уровне земли под и вокруг опорной конструкции находится воротник шахты (также называемый опорой или настилом), который обеспечивает фундамент, необходимый для выдерживания веса опорной конструкции, а также обеспечивает работникам, материалам и услугам средства для входа и выхода из шахты. Ошейники обычно представляют собой массивные железобетонные конструкции, имеющие более одного уровня. Если шахта используется для вентиляции шахты , в воротник встроено пространство или кожух для обеспечения надлежащего потока воздуха в шахту и из нее.
Часть вала, уходящая в землю под воротником, называется стволом вала . [ нужна цитата ]
В местах, где ствол ствола встречается с горизонтальными выработками, имеется станция ствола (или вставка), которая позволяет людям, материалам и услугам входить в ствол и выходить из него. От станции в сторону рудного тела простираются тоннели (штреки, галереи или уровни) , иногда на многие километры. Самая нижняя станция шахты чаще всего является точкой, где порода покидает уровни шахты и переносится в шахту, в этом случае на одной стороне шахты в этом месте выкапывается погрузочный карман , чтобы можно было построить перегрузочные сооружения.
Под самой нижней станцией шахты шахта продолжается на некоторое расстояние, эта область называется дном шахты . Туннель, называемый пандусом, обычно соединяет нижнюю часть шахты с остальной частью шахты. Этот пандус часто содержит оборудование для обработки воды, называемое отстойником , поскольку вода естественным образом течет к самой нижней точке шахты.
Многие (хотя и не все) стволы облицованы после раскопок и установки временных грунтовых опор. Футеровка шахты выполняет несколько функций; это, прежде всего, средство безопасности, предотвращающее падение рыхлой или нестабильной породы в шахту, затем место для крепления комплектов шахт и, наконец, гладкая поверхность, позволяющая минимизировать сопротивление потоку воздуха для вентиляции.
Окончательный выбор крепи ствола зависит от геологии породы, через которую проходит ствол. Некоторые стволы имеют несколько секций облицовки по мере необходимости [9]. Там, где стволы погружены в очень прочную породу, может вообще не требоваться крепи или просто монтаж сварной сетки и анкеров . Материалом для обделки шахты является монолитный бетон, который заливается за опалубками шахты на высоте 6 м по мере продвижения (углубления) шахты.
Торкрет-бетон , фибробетон, кирпич , чугунные трубы и сегменты сборного железобетона – все они использовались в то или иное время. Кроме того, определенные обстоятельства потребовали использования таких материалов, как битум и даже мячи для сквоша. В крайних случаях, особенно при проходке через галит , могут потребоваться композитные вкладыши, состоящие из двух или более материалов. [10]
Обсадная колонна при погружении не доходит до дна шахты, а отстает на определенное расстояние. Это расстояние определяется методикой земляных работ и расчетной толщиной постоянной облицовки. Для обеспечения безопасности лиц, работающих на дне ствола, устанавливаются временные грунтовые опоры, обычно состоящие из сварной сетки и анкерных болтов . Установка временной наземной опоры (называемой болтами ) является одной из наиболее физически сложных частей цикла проходки ствола, поскольку болты необходимо устанавливать с помощью пневматических перфораторов.
По этой причине, а также для того, чтобы свести к минимуму количество людей на дне шахты, ряд проектов успешно перешли на торкретирование этой временной обделки. Исследования и разработки в этой области сосредоточены на роботизированном нанесении торкрет-бетона и коммерциализации тонких напыляемых полимерных футеровок.
Если шахта будет использоваться для подъема, ее часто разделяют на несколько отсеков с помощью комплектов шахт , которые могут быть изготовлены из дерева или стали . Вертикальные элементы в наборе валов называются направляющими , горизонтальные элементы — расстрелами . Для стальных направляющих вала основными двумя вариантами являются полые конструкционные профили и цилиндры. Цилиндрические профили имеют ряд преимуществ по сравнению с полыми конструкционными профилями, включая более простую установку, улучшенную коррозионную стойкость и повышенную жесткость. Шахтные транспортные средства движутся по направляющим аналогично тому, как стальные американские горки движутся по рельсам: обе машины имеют колеса, которые надежно удерживают их на месте.
В некоторых шахтах не используются направляющие балки, а вместо этого используется стальной трос (называемый направляющим канатом ), который удерживается в натяжении с помощью массивных грузов в нижней части шахты, называемых сырными грузами (из-за их сходства с тележкой или колесом сыра), поскольку их легче обслуживать и заменять.
Самый большой отсек обычно используется для шахтной клетки — транспортного средства, используемого для перемещения рабочих и припасов под поверхностью земли, которое подвешивается к подъемнику на стальном тросе. Он функционирует аналогично лифту . Клетки могут быть одно-, двух- или редко трехъярусными, всегда имеющими несколько резервных систем безопасности на случай неожиданного 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 есть отдельные шахты для клети и скипов. Третий отсек используется для запасного выхода; в нем может находиться вспомогательная клетка или система лестниц. В дополнительном отсеке размещаются шахтные коммуникации, такие как высоковольтные кабели и трубы для подачи воды, сжатого воздуха или дизельного топлива .
Вторая причина разделения шахты – вентиляция . Один или несколько отсеков, рассмотренных выше, могут использоваться для забора воздуха, тогда как другие могут использоваться для вытяжки. В этом случае между двумя отсеками устанавливается стальная или бетонная стена, называемая перемычкой, для разделения воздушного потока. На многих шахтах имеется один или несколько комплектных дополнительных отдельных вспомогательных стволов с отдельными головными устройствами и клетками.
Самая низкая точка опускающейся шахты известна как «дно шахты». Проекты стволов отличаются от некоторых других форм разработки шахт тем, что все работы, происходящие на забое ствола, становятся частью критического пути графика проекта. Инфраструктура, необходимая для проходки шахты, называется «проходческой установкой».
Обычно прогресс («скорость погружения») на этапе проходки (т.е. земляные работы, укрепление грунта и облицовка) проекта шахты следует кривой обучения , поскольку команда проекта снова и снова повторяет одну и ту же серию действий, в ходе которой называется «циклом погружения», в конечном итоге приближаясь к теоретической максимальной скорости для этого погружения, установленной с течением времени. Использование опытных шахтеров необходимо для того, чтобы максимально сократить время обучения и, следовательно, продолжительность проекта.
Ключом к успешному проекту проходки шахты являются:
Несмотря на то, что значительное внимание уделяется скорости прохождения цикла проходки шахтных проходчиков, проходка является лишь одним из ряда этапов традиционного строительства новой шахты, как показано ниже;
Как и в случае с глубиной и конструкцией шахт, в этой последовательности могут существовать значительные изменения в зависимости от местных условий. Например, шахты Канадского щита обычно не требуют глубокой и сложной муфты, поскольку коренная порода прочная и расположена близко к поверхности. Это сокращает время, необходимое для установки воротника вала.
Традиционно подрядчики по проходке строили временную опорную конструкцию для проходческой установки, которую затем демонтировали, чтобы освободить место для постоянной опорной конструкции. С ростом сложности и длительности проектов проходки стволов становится все более распространенным включать в этап проходки большую часть постоянной установки ствола. Это приводит к сокращению общей продолжительности проекта, например, если не нужно демонтировать эксплуатационный трубопровод, используемый для проходки шахты, чтобы освободить место для постоянного трубопровода.
Благодаря достижениям, достигнутым в технологии бурения подъемов, были использованы буровые станки для создания пилотного отверстия для проходки ствола, где доступ существует в нижней части нового ствола, в этом случае фаза проходки посвящена увеличению этого пилотного ствола до полного диаметра. (процесс, обычно называемый «слэшингом»). Этот метод может быть значительно быстрее, чем проходка всего забоя, поскольку шлам (пустая порода) в результате проходки падает в пилотную скважину и обрабатывается с использованием существующей инфраструктуры шахты за пределами критического пути.