УСТРОЙСТВО ДЛЯ СООРУЖЕНИЯ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ Российский патент 1999 года по МПК E21D1/08 

Изобретение относится к области тоннеле- и метростроения, и непосредственно к устройствам для сооружения вертикальных (шахтных) стволов.

Известно устройство для сооружения шахтного ствола, возводимого буровзрывным способом, содержащее одногрейферную погрузочную машину, бурильную установку, подвесной проходческий полок с оборудованием для опуска бетонной смеси (приемный бункер с лебедкой для его опрокидывания, бетонопровод с приемной воронкой и тупиковым гасителем скорости, телескопическое устройство и гибкий бетонопровод, бадью, направляющую рамку, направляющий раструб) и оборудование на поверхности (разгрузочная ляда, привода для ее открывания, пульт управления и др.), забойный насос, спасательную лестницу, вентиляционный трубопровод сжатого воздуха и другое оборудование (1).

Известен аналогичный комплекс для сооружения шахтного ствола, включающий подвесной двухэтажный полок, одногрейферную погрузочную машину с передвижной распорной кареткой, перемещающейся внутри щита, створчатую металлическую опалубку, подвешенную на отдельных канатах, опорное кольцо, подвешенное на цепях и талях к опалубке, большегрузные самоопрокидывающиеся бадьи. Передвижная распорная каретка с погрузочной машиной подвешена независимо от проходческого полка. Бурение шпуров производится ручными перфораторами (типа ПР) (2).

Недостатками известных устройств для сооружения шахтных стволов являются:
- ограниченная область применения, в основном в монолитных и устойчивых породах;
- недостаточная эффективность устройства;
- зависимость скорости проходки от глубины шпуров, которая зависит от технических возможностей бурильного и погрузочного оборудования, характера пересекаемых пород и квалификации проходчиков;
- необходимость в улучшении санитарно-гигиенических условий и безопасности труда проходчиков;
- необходимость в более полной механизации большинства производственных процессов и повышении производительности труда проходчиков.

Известен комплекс для реализации комбайнового способа проходки с механическим разрушением породы резцовым или шарошечным породоразрушающим инструментом (3).

Стволопроходческий буровой комбайновый комплекс включает комбайн, опалубку, проходческие подъемные сосуды, копер, разгрузочный станок, лебедки, подъемную установку и другое оборудование. Комбайн смонтирован на металлическом цельносварном полке, состоящем из двух секций.

Недостатками известного бурового комбайнового комплекса является:
- ограниченная область применения;
- целесообразность применения комплекса для проходки стволов глубиной менее 500 м;
- сложность устройства, недостаточная его надежность;
- необходимость в сменом, суточном и месячном техническом обслуживании комбайна;
- невозможность использования комплекса в неустойчивых породах.

Известен комплекс для проходки шахтных стволов с опускной крепью в неустойчивых водоносных породах (4).

Этот комплекс включает ножевое кольцо, уплотняющее устройство для удержания тиксотропного раствора и оборудование для разработки и выдачи породы на поверхность, задавливания крепи, приготовления и подачи тиксотропного раствора, монтажа опускной крепи. Для разработки породы применяются четырехчелюстные канатные грейферы. Оборудование для задавливания крепи включает гидравлические домкраты, маслостанцию и опорную конструкцию.

Создаваемая домкратами нагрузка на опускную крепь позволяет задавливать ее и внедрять ножевую часть в породу, а также регулировать нагрузку на крепь.

Опорные конструкции, к которым подвешиваются гидравлические домкраты, закрепляются в железобетонной форшахте, заглубленной в породе на 5 - 6 м.

Опускная крепь монтируется на поверхности со специального кольцевого подвесного полка.

Недостатками известного комплекса задавливанием являются:
- ограниченная область применения;
- возможность применения в основном для проходки стволов небольшой глубины, а также устоев стволов;
- недостаточная эффективность способа.

Известен щитовой комплекс для сооружения шахтных стволов (5). Щитовой комплекс для сооружения шахтных стволов включает корпус, внутри которого расположены силовые домкраты, шарнирно соединенные с пресс-кольцом, скользящую опалубку, соединенную посредством домкратов с нижним полком, жестко связанным с корпусом щита, и верхний полок.

Щитовой комплекс снабжен упорными домкратами и шаровыми опорами, связывающими скользящую опалубку с верхним полком, причем упорные домкраты установлены шарнирно по периметру корпуса щита и обращены опорными пятами в сторону забоя.

Недостатками являются:
- Как указано на с. 4 описания по а.с. 597845, при пересечении водоносных горизонтов сборка тюбинговой или железобетонной крепи посредством этого комплекса возможна только после демонтажа скользящей опалубки и прессующего кольца.

Очевидно, что устройство с монолитно-прессованной обделкой не может быть использовано для сооружения вертикальных стволов в неустойчивых водонасыщенных грунтах (и это признано в описании по а.с. 597845), а сборка тюбинговой или железобетонной крепи невозможна без предварительного демонтажа скользящей опалубки и прессующего кольца, т.е. в таких условиях противопоставленный комплекс оказывается неработоспособным и не обеспечивает достижение цели изобретения - эффективное сооружение шахтных стволов в породах с различными физико-механическими свойствами;
- применение монолитно-прессованной обделки затруднительно в слабых неустойчивых грунтах, преобладающих, например, в 40-метровой зоне от поверхности, при строительстве шахтных стволов Ленинградского метрополитена; такие грунты надо сначала скреплять замораживая их или химическими методами;
- устройство непригодно для разработки замороженного грунта;
- разрабатывающий орган не имеет жесткой фиксации, при разработке породы будет большая вибрация, что не позволит обеспечить точный контур выработки;
- не обеспечивается технике безопасности при работе проходчиков;
- сложность устройства;
- связи со скользящей опалубкой значительно осложняют маневренность и управляемость щита;
- если использовать комплекс со сборкой железобетонной обделкой (или тюбингами), необходимо иметь устройство для монтажа обделки, а в предложенном устройстве это затруднительно.

Известно устройство для сооружения шахтных стволов (6), включающее двухъярусный проходческий полок, на каждом из которых имеются стопора и жесткие направляющие, механизм перемещения комплекса посредством гидроцилиндров, связывающих верхний и нижний ярус, кольцевой опорный кондуктор с верхним и перфорированным нижним монорельсами и распорными винтовыми устройствами, две подвижные каретки, которые перемещаются по круговому верхнему и перфорированному нижнему монорельсам.

На одной из них установлен механизм разработки грунта и механизм укладки тюбингов, а на другой установлен механизм погрузки грунта.

Недостатками известного устройства являются ограниченное пространство для размещения этих механизмов, как показывает практика, они мешают друг другу, что увеличивает срок сооружения ствола, отрицательно сказывается на качестве строительных работ.

Предложенное устройство для сооружения шахтных стволов позволяет устранить недостатки, присущие аналогичным известным устройствам.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для сооружения шахтных стволов, включающем двухъярусный проходческий полок, снабженный стопорами и жесткими направляющими, механизм перемещения устройства, кольцевой опорный кондуктор с монорельсами, один из которых перфорирован распорными винтовыми устройствами и подвижной кареткой с механизмом перемещения, механизм разработки грунта, механизм погрузки грунта и механизм укладки тюбингов, подвижная каретка снабжена по краям несущими роликами, взаимодействующими с верхним и перфорированным нижним монорельсами кондуктора, а в нижней части несущими роликами, взаимодействующими с нижним монорельсом кондуктора, на каретке установлены механизм разработки грунта и механизм погрузки грунта, причем механизм разработки грунта смонтирован на нижнем конце вертикального вала, шарнирно закрепленного в центральной части подвижной каретки с возможностью перемещения вместе с кареткой по кольцевому опорному кондуктору и разработки всей площади забоя шахтного ствола, и выполнен со сменными породоразрабатывающими органами - фрезерным для разработки незакрепленного грунта и гидромолотом для разработки замороженного грунта, ниже двухъярусного полка смонтирован третий кольцевой монорельс, на котором установлен с возможностью перемещения по нему механизм укладки тюбингов, выполненный в виде гибкого кондуктора, взаимодействующего с тельфером, стыкуемыми тюбингами и обводными подвижными роликами, установленными на перфорированном монорельсе с возможностью огибания гибким кондуктором кольцевого опорного кондуктора и совмещения болтовых отверстий стыкуемых тюбингов.

Заявленное устройство является новым, т.к. оно неизвестно из уровня техники. Заявленное устройство имеет изобретательский уровень, т.к. оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Заявленное устройство является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано при строительстве шахтных стволов.

На фиг. 1 представлен вертикальный разрез устройства для сооружения шахтных стволов, установленного в стволе.

На фиг. 2 горизонтальный разрез этого устройства, установленного в шахтном стволе.

Устройство для сооружения шахтных стволов содержит проходческий полок с верхним 1 и нижним 2 ярусами, на каждом из которых имеются стопора 3, опирающиеся на обделку ствола 4, жесткие направляющие 5, механизм перемещения комплекса 6, состоящий их трех гидроцилиндров, связывающих верхний 1 и нижний 2 ярус, кольцевой опорный кондуктор 7, собранный из стальных сварных сегментов с верхним 8 и перфорированным нижним 9 монорельсами и распорными винтовыми устройствами 10, подвижную каретку 11, на которой установлен механизм разработки грунта 12, представляющий собой стреловой орган со сменными разрабатывающими органами - фрезерным для разработки незакрепленного грунта и гидромолотом для разработки замороженного грунта, и механизм погрузки грунта 13, выполненный в виде экскаваторного органа.

Подвижная каретка 11 снабжена по краям несущими роликами 14, взаимодействующими с верхним 8 и перфорированным нижним 9 монорельсами и механизмом перемещения 15, представляет собой установленный на корпусе каретки 11 гидроцилиндр, на конце штока которого установлена каретка с захватным устройством 16 в виде гидроцилиндра, шток которого фиксируется в отверстия перфорированного монорельса 9. Механизм разработки грунта 12 смонтирован на нижнем конце вертикального вала, шарнирно закрепленного в центральной части подвижной каретки 11 с возможностью перемещения вместе с кареткой 11 по кольцевому опорному кондуктору 7 и разработки всей площади забоя шахтного ствола. Ниже двухъярусного полка смонтирован третий кольцевой монорельс 17, на котором установлен с возможностью перемещения по нему механизм укладки тюбингов 18, выполненный в виде гибкого кондуктора 19, присоединенного одним концом к тельферу 20, а другим с тюбингами собираемой обделки 4 и с помощью обводных подвижных роликов 21, установленных на перфорированном монорельсе 9, огибающем кольцевой опорный кондуктор 7.

Устройство для сооружения шахтного ствола располагается внутри обделки 4 шахтного ствола, своими стопорами 3 оно опирается на ребро тюбингов 4 и работает следующим образом. Порода под очередное устанавливаемое кольцо обделки разрабатывается с помощью механизма разработки грунта 12. Механизм 12 перемещается относительно каретки в вертикальной и горизонтальной плоскости и вместе с кареткой 11 по окружности кольцевого опорного кондуктора 7. Таким образом механизированно разрабатывается вся площадь забоя, а при жесткой фиксации фрезерного рабочего органа и прокаливания каретки по кругу получается точный геометрический контур разрабатываемого грунта. Механизм разработки грунта 12 выполнен со сменными породоразрабатывающими органами - фрезерным - для разработки незакрепленного грунта и гидромолотом - для разработки замороженного грунта. Погрузка грунта производится с помощью механизма погрузки грунта 13, представляющего собой экскаваторный орган, установленный на подвижной каретке 11.

Укладка тюбингов собираемого кольца обделки 4 производится с помощью механизма для укладки тюбингов 18. Концы гибкого кондуктора 19 пропускают через болтовые отверстия тюбингов собранного кольца обделки 4 и захватывают за болтовые отверстия вновь устанавливаемого тюбинга. При включении тельфера 20 тюбинг подтягивается и устанавливается точно на предназначенное ему место и скрепляется болтами с предыдущим кольцом 4.

Для перемещения шахтопроходческого комплекса вдоль оси ствола на шаг, равный глубине одного кольца обделки 4, убираются стопора 3 нижнего яруса 2 и нижний ярус 2 с помощью механизма перемещения 6 передвигается на один шаг, затем выдвигаются его стопора 3 и фиксируются за борт тюбингов обделки ствола 4. После этого убираются стопора 3 верхнего яруса 1 и верхний ярус 1, жестко связанный направляющими 5 с кольцевым опорным кондуктором 7, перемещается с помощью механизма перемещения 6 на один шаг вслед за нижним ярусом 2, после чего выдвигаются стопора 3 верхнего яруса 1. Для придания устойчивости кольцевому опорному кондуктору 7 он с помощью винтовых распорных устройств 10 распирается в тюбинги обделки ствола 4.

Заявленный механизированный комплекс для сооружения вертикальных стволов обладает по сравнению с известными устройствами следующими новыми свойствами:
- обеспечивает механизированную разработку грунта, его выемку и транспортировку на всей площади забоя;
- обеспечивает получение точного контура выработки механизированным способом;
- обеспечивает полное исключение ручного труда при сооружении вертикального ствола;
- значительно повышает безопасность труда проходчиков; санитарно-гигиенические условия их труда;
- труд проходчиков превращается в работу операторов по управлению соответствующими механизмами для сооружения вертикального ствола;
- обеспечивает повышение скорости проходки по сравнению с известными комплексами в аналогичных ленинградских горно-геологических условиях (грунты прочностью до 3 по табл. проф. Протодьяконова) в 1,3 раза;
- обеспечивает возможность одновременной работы в ограниченном объеме механизмов разработки породы, погрузки грунта и укладки тюбингов;
- обеспечивает значительное снижение сроков строительства, трудозатрат и стоимости строительства.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Справочник механика-шахтостроителя /Под ред. Д.И.Малиованова - М.: Недра, 1986, с. 232 - 237.

2. Там же, с. 237 - 254.

3. Там же, с. 237 - 247.

4. Там же, с. 306 - 307.

5. Авторское свидетельство СССР N 597845, E 21 D 1/03, 15.03.78.

6. Авторское свидетельство СССР N 1752964, E 21 D 1/08, 07.08.92.

Устройство для сооружения шахтных стволов предназначено преимущественно для использования в области тоннеле- и метростроения при проходке вертикальных стволов. Устройство включает двухъярусный проходческий полок, снабженный стопорами, жесткими направляющими и механизмом перемещения. Кроме того устройство содержит кольцевой опорный кондуктор с монорельсами, распорными винтовыми устройствами и подвижной кареткой с механизмом перемещения, механизм разработки грунта, механизм погрузки грунта и механизм укладки тюбингов. Подвижная каретка снабжена по краям несущими роликами, взаимодействующими с верхним и перфорированным нижним монорельсами кондуктора. На каретке установлены механизм разработки грунта и механизм погрузки грунта. Механизм разработки грунта смонтирован на нижнем конце вертикального вала, шарнирно закрепленного в центральной части подвижной каретки с возможностью перемещения вместе с кареткой по кольцевому опорному кондуктору и разработки всей площади забоя шахтного ствола. Ниже двухъярусного полка смонтирован третий кольцевой монорельс, на котором установлен с возможностью перемещения по нему механизм укладки тюбингов, выполненный в виде гибкого кондуктора, взаимодействующего с тельфером. Устройство позволяет повысить качество строительных работ и снизить сроки их проведения. 2 ил.

Устройство для сооружения шахтных стволов, включающее двухъярусный проходческий полок, снабженный стопорами и жесткими направляющими, механизм перемещения устройства, кольцевой опорный кондуктор с монорельсами, один из которых перфорированный, распорными винтовыми устройствами и подвижной кареткой с механизмом перемещения, механизм разработки грунта, механизм погрузки грунта и механизм укладки тюбингов, отличающееся тем, что подвижная каретка снабжена по краям несущими роликами, взаимодействующими с верхним и перфорированным нижним монорельсами кондуктора, а в нижней части - несущими роликами, взаимодействующими с нижним монорельсом кондуктора, на каретке установлены механизм разработки грунта и механизм погрузки грунта, причем механизм разработки грунта смонтирован на нижнем конце вертикального вала, шарнирно закрепленного в центральной части подвижной каретки с возможностью перемещения вместе с кареткой по кольцевому опорному кондуктору и разработки всей площади забоя шахтного ствола и выполнен со сменными породоразрабатывающими органами - фрезерным для разработки незакрепленного грунта и гидромолотом для разработки замороженного грунта, ниже двухъярусного полка смонтирован третий кольцевой монорельс, на котором установлен с возможностью перемещения по нему механизм укладки тюбингов, выполненный в виде гибкого кондуктора, взаимодействующего с тельфером, стыкуемыми тюбингами и обводными подвижными роликами, установленными на перфорированном монорельсе с возможностью огибания гибким кондуктором кольцевого опорного кондуктора и совмещения болтовых отверстий стыкуемых тюбингов.