СПОСОБ ПРОХОДКИ ГОРНОГО ТОННЕЛЯ БЕЗ ВЫВОЗА ПОРОДЫ НА ДНЕВНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 2008 года по МПК E21D9/06 E21C37/18 

Изобретение относится к области строительства горных тоннелей, в частности к проходке их сплошным сечением без буровзрывного метода разработки забоя в крепких скальных породах.

Предшествующий уровень техники.

Основная тенденция в развитии техники тоннелестроения в конце 20 века заключалась в создании новых, более высокопроизводительных, образцов горно-проходческих машин и оборудования, предназначенных для выполнения технологических операций по проходке тоннеля горным способом с применением буровзрывного метода разработки забоя. Но при этом способе не удается существенно снизить сроки проходки в связи с тем, что неизбежны перерывы в работе, связанные с закладкой зарядов взрывчатки, проведением эвакуации техники и людей из зоны поражения, а также с удалением газов из забоя после взрывания зарядов. Например, при сооружении тоннеля гидроэлектростанции в Ингури (Грузия) длиной 15 километров и сечением 82 квадратных метра за месяц проходили от 107 до 131 метра. Такая скорость проходки тоннеля слишком мала для решения неотложных проблем, как, например, спасение плотины Саяно-Шушенской гидроэлектростанции, где в начале 21 века было выявлено разрушение водобойной плиты под воздействием масс воды, сбрасываемых из водохранилища в нижний бьеф в периоды больших паводков. В проекте сооружения дополнительных водоспусков, которые обеспечат пропуск воды из водохранилища в нижний бьеф, минуя место повреждения водобойной плиты, рассчитан семилетний срок работ. Это означает, что еще семь паводков будут пропускать через плотину с поврежденной водобойной плитой и никто не сможет гарантировать ее устойчивости, а в случае прорыва воды через плотину образуется такой водяной вал, который вызовет катастрофические разрушения в городе Абакан, расположенном ниже по течению реки Енисей, а также во многих других населенных пунктах на берегах Красноярского водохранилища вплоть до плотины Красноярской гидроэлектростанции. Разработчики проекта сооружения дополнительных водосбросов на Саяно-Шушенской гидроэлектростанции даже в такой экстремальной ситуации не сочли целесообразным использовать способ разрушения горных пород лазерным излучением, который изложен в описании к авторскому свидетельству SU 958654, 3 Е21С 37/16 от 15.09.80 г., опубликованному 15.09.82 г. в Бюллетене Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий №34. Авторы этого изобретения утверждают, что при нагреве лазерным излучением поверхности породы до температуры, при которой возможно протекание реакций между соединениями, входящими в состав породы, и соединениями галогенов в газообразном состоянии образуются летучие соединения элементов породы с соединениями галогенов. В том случае, если в состав породы входит большое количество соединений, порода может обрабатываться одновременно несколькими видами газообразных соединений галогенов различного химического состава. По поводу целесообразности ввода соединений галогенов в забой авторы другого изобретения, изложенного в описании к авторскому свидетельству SU 1645509, 5 Е21С 37/16, 37/18 от 04.05.88 г., которое опубликовано 30.04.91 г. в Бюллетене №16, прямо указывают на то обстоятельство, что большинство соединений галогенов ядовиты. Однако опасность образования в забое моносилана не помешала авторам последнего изобретения рекомендовать после нагрева породы лазерным излучением ввод водорода в реакционную зону, предварительно освобожденную от кислорода подачей инертного газа. Как следует из вышеизложенного, к началу 21 века еще не разработан надежный и безопасный способ проходки тоннелей в крепких горных породах, применение которого позволило бы обеспечить строительство подземных сооружений в заданные сроки.

Раскрытие изобретения.

Проходка горного тоннеля без вывоза породы на дневную поверхность основана на применении законов взаимодействия высокотемпературного углерода в виде аморфного графита и слоя породы, контактирующей с внешней поверхностью лобовой части проходческого комплекса. Нагрев лобовой части проходческого комплекса осуществляют путем подвода к ее внутренней поверхности тепловой энергии электрической дуги, зажигаемой между электродами в разрядных камерах, укрепленных на внутренней поверхности лобовой части проходческого комплекса, с целью создания условий для осуществления восстановительных химических реакций, в которых участвуют окислы химических элементов, слагающие горные породы, и углерод, подаваемый через сопла на лобовой части комплекса к нагретой породе. Принцип нагрева слоя вещества, которое контактирует с поверхностью металлических конструкций, получающих тепло от высокотемпературного теплоносителя, перемещаемого внутри этих конструкций, описан в изобретении RU 2217390, 7 С03В 5/04 от 11 января 2002 г. В результате химического взаимодействия углерода с окислами химических элементов, слагающими горные породы, например с диоксидом кремния, из которого в основном состоит гранит, на первом этапе образуется оксид углерода в газообразном состоянии и кремний в расплавленном состоянии, скапливающийся у нижней кромки лобовой части проходческого комплекса. В связи с тем, что плотность кремния в расплавленном состоянии составляет 2650 килограммов в 1 кубометре, а плотность диоксида кремния составляет 2200 килограммов в 1 кубометре, объем массы веществ, которые скапливаются у нижней кромки лобовой поверхности проходческого комплекса оказывается меньше объема пород, разрушенных перед лобовой частью проходческого комплекса. Например, при площади лобовой поверхности проходческого комплекса, равной 75 квадратных метров, масса 1 метра проходки в диоксиде кремния будет составлять 198750 килограммов. Для расчета стехиометрической смеси масс углерода и диоксида кремния, участвующих в восстановительной реакции, можно воспользоваться химической формулой: SiO₂+2C=Si+2CO.

Масса образовавшегося высокотемпературного оксида углерода составит 185500 килограммов, а масса расплавленного кремния составит 92750 килограммов. Образовавшийся высокотемпературный оксид углерода, являясь очень активным восстановителем, вступит в химическую реакцию с дополнительной порцией диоксида кремния, массу которого можно рассчитать на основании известной химической формулы:

SiO₂+2CO=2CO₂+Si

185500 килограммов оксида углерода, образовавшегося в процессе взаимодействия углерода с диоксидом кремния, вступают в химическую реакцию с массой диоксида кремния в 198750 килограммов, при этом образуется 291500 килограммов газообразного диоксида углерода, а у нижней кромки лобовой части проходческого комплекса скапливается 92750 килограммов расплавленного кремния. Таким образом, вводя в пространство между наружной поверхностью лобовой части проходческого комплекса и соприкасающейся с ней поверхностью породы в забое 79500 килограммов углерода, достигают разрушения скальной горной массы, объем которой составлял около 180 кубометров, а расплавленный кремний вместе с находящимися в его массе другими минералами, скапливающийся у нижней кромки лобовой части проходческого комплекса, займет вдвое меньший объем, то есть площадь поперечного сечения образующегося тоннеля будет равна половине площади поперечного сечения головной части проходческого комплекса. В процессе перемещения комплекса расплавленный кремний будет проникать под нижней кромкой лобовой части под среднюю часть корпуса комплекса, образуя ложе под всей остальной частью корпуса комплекса. Площадь поперечного сечения тоннеля, образующегося после перетекания расплавленного кремния под нижнюю кромку лобовой части проходческого комплекса, составит 37,5 квадратных метра, а остальные 37,5 квадратных метра площади поперечного сечения проходки будут заняты кремнием в расплавленном состоянии, то есть площадь поперечного сечения образовавшегося тоннеля составит 50 процентов площади поперечного сечения головной части проходческого комплекса. Расход углерода в виде аморфного графита составит 442 килограмма на каждый кубометр разрушенной скальной горной породы в забое. В случаях, когда лобовая часть проходческого комплекса соприкасается не с гранитом, а с другими горными породами, расчет потребности в углероде осуществляют на основании соответствующих химических формул. Например, при необходимости расчета потребности в углероде для разрушения кальцита сначала определяют массу диоксида углерода, образующуюся при термическом разложении кальцита при температуре около 1000 градусов по Цельсию. Известно, что масса диоксида углерода составляет 44 процента массы кальцита, подвергшегося термическому разложению, а на оксид кальция остается 56 процентов массы кальцита. При плотности кальцита 2930 килограммов в 1 кубометре его масса перед лобовой частью проходческого комплекса при глубине проходки в 1 метр составит 219750 килограммов, а масса образующегося диоксида углерода составит 96690 килограммов. На основании химической формулы, которая устанавливает соотношение масс углерода и диоксида углерода в процессе восстановления 96690 килограммов диоксида углерода до оксида углерода, определяют, что потребность в углероде составит 26370 килограммов, при этом образуется 123060 килограммов оксида углерода, который при высокой температуре проявляет восстановительные свойства, вступая в химическую реакцию с оксидом кальция массой 123060 килограммов, скопившимся у нижней кромки лобовой части проходческого комплекса в процессе термического разложения 219750 килограммов кальцита. В связи с тем, что при восстановлении 123060 килограммов оксида кальция расход оксида углерода составляет всего 61530 килограммов, то есть половину его массы, которая получена при химическом взаимодействии 26370 килограммов углерода с 96690 килограммами диоксида углерода, вторая половина массы оксида углерода восстанавливает дополнительно 123060 килограмма оксида кальция, образующегося в процессе термического разложения 219750 килограммов кальцита без ввода аморфного графита в забой. При этом образуется газообразный диоксид углерода массой 96690 килограммов и кальций в расплавленном состоянии массой 87900 килограммов. Таким образом, при расходе 26370 килограммов углерода в виде аморфного графита разрушается 439500 килограммов кальцита, который занимал в забое объем в 150 кубометров, а объем кальция массой 175800 килограммов, скапливающегося у нижней кромки лобовой части проходческого комплекса, составляет 114 кубометров. С учетом ранее рассчитанного соотношения площади поперечного сечения тоннеля и площади поперечного сечения расплава, который можно накапливать под днищем средней части проходческого комплекса, составляющего 50 и 50 процентов площади поперечного сечения проходки, устанавливают, что проходческий комплекс необходимо было бы продвинуть вперед на 3 метра, то есть на 1 метр дальше, чем фактическая глубина проходки в кальците. Для того чтобы образующийся тоннель имел такую же площадь поперечного сечения при проходке кальцита, которую получали при проходке гранита, осуществляют перемещение проходческого комплекса многократно до упора в массу кальцита, не успевшегося разложиться, и нагревают его до температуры 1000 градусов по Цельсию без ввода в забой углерода для того, чтобы перед лобовой частью проходческого комплекса скапливался не чистый кальций, а смесь расплавленного кальция, имеющего плотность 1540 килограммов в 1 кубометре, и оксида кальция, имеющего плотность 3400 килограммов в 1 кубометре. Например, в случае, когда при проходке каждого метра забоя из полученных в процессе термического разложения кальцита 123060 килограммов оксида кальция будет восстановлена только одна десятая часть его, то масса образовавшегося расплавленного кальция составит 7460 килограммов, а общий объем смеси не восстановленного оксида кальция с расплавленным кальцием составит около 37 кубометров, что обеспечивает сохранение заданного сечения тоннеля. Расход углерода на продвижение проходческого комплекса в кальците на 1 метр составит всего 720 килограммов или 10 килограммов на 1 кубометр кальцита.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Способ проходки горного тоннеля без вывоза породы на дневную поверхность даст наибольший эффект при организации строительных работ от входного портала, имеющего более низкую отметку над уровнем Мирового океана в сравнении с отметкой выходного портала, так как при перемещении проходческого комплекса на подъем создаются условия для запирания оксида углерода в забое между лобовой частью проходческого комплекса и стенкой разрушаемой породы, потому что плотность оксида углерода меньше плотности воздуха, а также и диоксида углерода. В этом варианте проходки горного тоннеля весь оксид углерода, образовавшийся в забое после ввода туда углерода в виде графита, расходуется в процессе взаимодействия его с окислами химических элементов, из которых в основном состоит масса горных пород, в результате чего существенно ускоряется строительство тоннеля. Наличие спуска в сторону входного портала тоннеля создает благоприятные условия для вывода на дневную поверхность воды после использования ее в качестве охладителя стенок тоннеля и оборудования. Используемую для подачи электрического тока к электродам в разрядных камерах массу графита перемещают по прочным трубам, имеющим на внутренней поверхности слой диэлектрика, который предназначен для предотвращения утечки электрического тока из массы графита в металлические стенки трубопровода. При этом трубопровод для перемещения массы графита к электродам постоянно имеет угол подъема к горизонтальной плоскости, в результате чего создаются условия для надежного контакта между частицами графита, что уменьшает потери электроэнергии на преодоление сопротивления электрической цепи между источником энергоснабжения и проходческим комплексом. При перемещении проходческого комплекса по готовой части тоннеля с подъемом в сторону забоя создаются благоприятные условия для перетекания расплава под нижней кромкой лобовой части проходческого комплекса в ложе под средней частью проходческого комплекса.

Промышленная применимость изобретения.

Описанный способ проходки горного тоннеля без вывоза породы на дневную поверхность будет широко использоваться при сооружении гидроэлектростанций в горах, а также при строительстве транспортных тоннелей в прочных породах потому, что конструкция проходческого комплекса не требует участия людей на протяжении всего времени работы его в тоннеле, так как все управление проходческим комплексом состоит в регулировании мощностью электрического тока, подаваемого по массе графита в трубах с электроизоляцией стенок от источника питания за пределами тоннеля к электродам в разрядных камерах проходческого комплекса. Перемещение проходческого комплекса вглубь забоя будет осуществляться также без участия людей за счет автоматизации работы механизмов, постоянно прижимающих корпус проходческого комплекса к массиву породы в забое. Управление самоходными агрегатами, которые обеспечивают перемещение проходческого комплекса вдоль тоннеля, осуществляют регулированием мощности электрического тока, который подают от источника энергоснабжения за пределами тоннеля к этим агрегатам. Подача электрического тока к самоходным агрегатам может осуществляться по изолированным проводникам, размещенным внутри труб, по которым подают воду, предназначенную для охлаждения стенок тоннеля и оборудования, работающего в нем, а также для создания водной завесы по всей площади поперечного сечения тоннеля в том месте, где находится оголовок трубопровода, выводящего газы из тоннеля к устройствам для их утилизации.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU 958654 3, Е21С 37/16 от 15.09.80 г., опубликовано 15.09.82 г. в Бюллетене Государственного Комитета СССР по делам изобретений и открытий №34.

2. Авторское свидетельство SU 1645509, 5 Е21С 37/16, от 04.05.88 г., опубликовано 30.04.91 г. в Бюллетене №16.

3. Патент RU 2217390, 7 С03В 5/04, 11.01.2002 г. опубликован 27.11.2003 г. в Бюллетене №33.

Изобретение относится к области строительства тоннелей и может быть применено при устройстве водоспусков на гидроэлектростанциях, а также в процессе сооружения автомобильных и железных дорог в горных условиях. Сущность: в забое создают условия для протекания химических реакций взаимодействия окислов химических элементов, из которых в основном состоят скалистые породы, с графитом с целью расплавить породу. Для этого нагревают породу в забое до высоких температур за счет передачи через металл лобовой стенки проходческого комплекса тепловой энергии электрической дуги, зажигаемой между электродами внутри разрядных камер, размещенных на внутренней поверхности лобовой стенки проходческого комплекса. Подают электрический ток к электродам по массе графита, которую перемещают по трубам с электроизоляцией. После проталкивания сквозь электроды графит вводят в забой через сопла на лобовой стенке проходческого комплекса. Возможность регулирования мощности электрического тока, питающего электрическую дугу в разрядных камерах, а также массы графита, вводимого в забой, обеспечивает выбор необходимых режимов проходки.

Способ проходки горного тоннеля без вывоза породы на дневную поверхность, включающий применение систем охлаждения стенок тоннеля и всего проходческого оборудования, систем удаления газов из тоннеля, а также агрегатов для передвижения жаростойкого корпуса проходческого комплекса вдоль строящегося тоннеля, отличающийся тем, что в забое создают условия для химического взаимодействия окислов химических элементов, из которых в основном состоит масса горных пород, с углеродом в виде графита за счет нагрева их внешней поверхностью лобовой части проходческого комплекса путем передачи через металлическую стенку лобовой части комплекса тепловой энергии, образующейся при горении электрической дуги между электродами из тугоплавкого металла, внутри которых перемещают по направлению к лобовой части комплекса графит, выполняющий функцию проводника электрического тока от источника энергоснабжения комплекса к электродам, размещенным в разрядных камерах на внутренней поверхности стенки лобовой части комплекса, а после прохождения сквозь полые электроды нагретый в разрядной камере графит вводят в забой сквозь сопла в стенке лобовой части проходческого комплекса для осуществления химических реакций взаимодействия окислов элементов с углеродом или оксидом углерода, в результате чего у нижней кромки лобовой части комплекса скапливается расплав, состоящий из металлов с включениями непрореагировавших минералов и занимающий вдвое меньший объем в сравнении с объемом породы, разрушенной в забое перед лобовой частью проходческого комплекса, а газообразный диоксид углерода и другие газы улавливают по мере образования их, выводят по трубам из тоннеля и утилизируют.