Способ проходки и крепления вертикальных и наклонных выработок и щитовой комплекс для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК E21D1/08 E21D9/06 

Изобретение относится к области подземного строительства при сооружении вертикальных и наклонных выработок глубокого заложения до 1000 м и более в сложных геологических и гидрогеологических условиях посредством проходческого щитового оборудования без применения специальных методов.

Известен способ сооружения вертикальных и наклонных выработок, включающий бурение шпуров, заряжание их и взрывание породы, погрузку ее в подъемный сосуд и выдачу на поверхность. Возведение крепи при этом выполняют из бетонной смеси, свободно формуемой в опалубках, образуя монолитную бетонную крепь. (Каталог справочник. Оборудование для сооружения вертикальных шахтных стволов. Кузбассвузиздат, Кемерово, 2007 г., стр. 171, 172, рис. 88)

Известен также способ сооружения вертикальных и наклонных выработок, включающий бурение шпуров, заряжание их и взрывание породы, погрузку ее в подъемный сосуд и выдачу на поверхность. Комбинированную крепь последовательно возводят после взрывания породы и уборки ее из забоя на одно-два кольца, монтируют тюбинги, а пространство между собранной тюбинговой крепью и породой заполняют бетонной смесью, которая под действием свободно собственного веса равномерно распределяется в заопалубочном пространстве. (Каталог справочник. Оборудование для сооружения вертикальных шахтных стволов. Кузбассвузиздат, Кемерово, 2007 г., стр. 177, 178, рис. 90)

Недостатком описанных выше способов является низкое качество возведенной крепи из-за свободного ее формования, особенно в условиях низких температур на участках проходки замороженных пород.

Известен так же щитовой комплекс для проходки стволов в высоконапорных водоносных горизонтах, который включает корпус, ножевое кольцо и силовые домкраты, к корпусу щита перед вскрытием высоконапорного водоносного пласта монтируется устройство в виде рабочего призабойного органа, состоящего из конуса, направленного вершиной вниз, с выполненным сквозным каналом, внутри которого смонтирована накопительная емкость для воды, снабженная в нижней части напорными водоводами с установленными в них нагнетательными насосами, оборудованными на выпусках обратными клапанами. (Автороское свидетельство СССР №941591, кл. E21D 1/08, опубл. 1981)

Недостатком оборудования поданному техническому решению, касающемуся проходки шахтных стволов по напорным водоносным горизонтам, сложенным рыхлыми песчаными породами, является ограниченная область применения, когда в процессе проходки в песчаных водоносных горизонтах встречаются прослойки твердых пород, галечник, булыжины, которые нельзя разрушить струями воды от нагнетательных насосов, а также рыхлые грунты могут «засорять» аварийные выпуски и «фильтрующие механизмы».

Наиболее близким техническим решением по технической сути и достигаемому результату является способ сооружения вертикальных выработок и щитовой комплекс для его осуществления, включающий разработку и выборку грунта в призабойной зоне, подачу бетонной смеси в пространство, образованное внешней оболочкой щита и породой, прессование бетонной смеси, возведение крепи и перемещение проходческого щита, который включает корпус, породоразрушающий рабочий орган, механизм для выдачи породы, механизм для возведения крепи. (Патент РФ №2171378, кл. Ε21D 1/00, опубл. 2001 г.)

Недостатком вышеописанного способа является разрыв единого технологического процесса, что может создать условия ее деформирования и разрушения. К недостаткам также следует отнести сложность конструкции проходческого щита, что потребует отдельной настройки и обслуживания.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в улучшении технологии проходки и крепления шахтного ствола.

Технический результат от использования изобретения состоит в повышении надежности и долговечности крепи, а также безопасности производства работ с сокращением сроков строительства стволов и снижением материальных и трудовых затрат.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе проходки и крепления вертикальных и наклонных выработок, включающем разработку и выборку грунта в призабойной зоне, подачу бетонной смеси сверху вниз в пространство, образованное внешней оболочкой щита и опалубкой для формирования пресс-камеры, прессование бетонной смеси и возведение монолитной крепи, согласно изобретению разработку и выборку грунта в призабойной зоне производят роторным лучевым породоразрушающим рабочим органом, а возведение монолитной крепи осуществляют циклами, последовательно возводя участки из монолитно-прессованного бетона с количеством заходок, обеспечивающим последующий монтаж одного-двух колец из чугунных тюбингов или железобетонных блоков, при этом подачу бетонной смеси до полного заполнения пресс-камеры производят с регулированием интенсивности и равномерности посредством перекрытия бетоноводов по окончанию заполнения посредством управляемых затворов, которые равномерно располагают по окружности внутренней опалубки в конце рабочего хода пресс-кольца, а затем выполняют выпрессовывание бетонной смеси снизу вверх из пресс-камеры с распором на породу и с образованием очередной заходки монолитной крепи.

В щитовом комплексе для осуществления способа, включающем корпус, породоразрушающий рабочий орган, механизм для выдачи породы, механизм для возведения крепи и пресс-камеру, согласно изобретению в качестве породоразрушающего рабочего органа использован рабочий орган роторного типа, выполненный конусообразным и жестко связанный с центральным полым валом, который в свою очередь связан с зубчатым колесом и приводится во вращение гидроприводами, шестернями, которые входят в зацепление с зубчатым колесом, приводящим породоразрушающий орган с центральным валом во вращение, причем механизм для выдачи разрыхленной породы расположен внутри полого вала и выполнен в виде шнека, нижним концом который шарнирно опирается на конструкцию забурника породоразрушающего рабочего органа, а верхний связан с гидроприводом, расположенным на горизонтальной полке корпуса щита, при этом нижняя часть внутреннего корпуса щита выполнена также конусообразной и расположена под углом к центральному валу, имеющему в нижней части окна для приема разрыхленной породы с попаданием ее в шнек, а на внутренней поверхности конусной части корпуса щита установлены рифленые пластины из абразивоизносостойкой и высокопрочной стали, причем шнек в верхней части связан с бункером для приема породы, а на верхнем ярусе корпуса щита в его центральной части установлен тюбингоукладчик, имеющий поворотную платформу, установленную на столе с роликами и гидроприводом, жестко связанным с центральной стойкой, причем на поворотной платформе установлена телескопическая рукоять с захватом для чугунных тюбингов или железобетонных блоков, при этом пресс-камера, связана с гидроцилиндрами и оснащена пресс-кольцом, который имеет не менее трех управляемых затворов с бетоноводами, равномерно расположенных по окружности внутренней опалубки, а на внутренней поверхности пресс-камеры размещены по окружности между затворами бетоноводов воздушные клапаны для снятия противодавления воздуха при заполнении пресс-камеры бетонной смесью.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид щитового комплекса, размещенного в стволе, на фиг. 2 изображен роторный лучевой породоразрушающий рабочий орган.

В изобретении представлены способ проходки и крепления вертикальных и наклонных выработок и щитовой комплекс для его осуществления при сооружении вертикальных горных выработок глубокого заложения до 1000 и более метров в сложных геологических и гидрогеологических условиях из монолитно-прессованного бетона в комбинации с чугунными тюбингами или железобетонными блоками без применения специальных способов, в том числе без замораживания.

Способ заключается в том, что возведение комбинированной крепи осуществляют циклами с последовательным возведением участков из бетона с количеством заходок, обеспечивающим последующий монтаж одного-двух колец из чугунных тюбингов или железобетонных блоков. Формование монолитной бетонной крепи осуществляют прессованием пластичной бетонной смеси снизу вверх с распором бетонной смеси на породу. Для гарантированного заполнения пресс-амеры бетонной смесью с целью получения расчетной длины каждой заходки крепи из бетона производят регулирование интенсивности и равномерности подачи бетонной смеси в пресс-амеру, которая оснащена как минимум тремя управляемыми затворами, с бетоноводами, которые равномерно располагают по окружности на поверхности внутренней опалубки, а для снятия противодавления воздуха при заполнении пресс-камеры бетонной смесью между управляемыми затворами на уровне пресс-кольца в конце его рабочего хода монтируют воздушные клапаны.

Щитовой комплекс 1, осуществляющий вышеописанный способ, включает корпус щита 2, щитовые гидроцилиндры 3, роторный лучевой породоразрушающий рабочий орган 4, шнековый погрузочный механизм 5 для отбора и выдачи разрушенной породы из призабойной зоны 6 щитового комплекса, монолитной прессованной крепи 7 и тюбингоукладчика 8 для монтажа тюбинговых колец 9, или железобетонных блоков. Шаровой кран 10 подачи воды и воздуха в призабойное пространство и шлюзовой иллюминатор 11, которые установлены на опорной перегородке 12 корпуса щита 2, шибер 13 регулирования интенсивности отбора породы из призабойного пространства монтируются на трубчатой конструкции опоры 14, лучи 15 роторного лучевого породоразрушающего рабочего органа 4 монтируются на приводном валу-трубе 16 под углом не менее 60° к продольной оси щитового комплекса 1 и жестко соединяются между собой концентрически расположенными балками-вставками 17, а с наружной стороны оснащаются трехуровневыми по высоте породными резцами 18, внутренние поверхности 19 лучей и конусная поверхность силовой опоры перегородки 12 образуют кольцевую призабойную камеру 6 с большим размером по ширине в периферийной части, сужающуюся к центру продольной оси щита до размеров проходного для измельченной породы кольцевого зазора 20 и, в целом, конструкция представляет собой дробильный агрегат валунов, твердых пород, булыжин и т.д., попадающих в призабойную камеру через межлучевое пространство.

Далее разрушенная порода через породопропускные окна 21 в приводном валу-трубе 16 попадает в зону захвата породы шнеком и перегружается в бункер-накопитель 22. Для повышения долговечности работы дробильного узла внутренние поверхности лучей 19 роторного лучевого породоразрушающего рабочего органа 4 и конусная поверхность силовой опорной перегородки 12 оснащаются пластинами 23 из абразивно-износостойких и высокой прочности стали, вал-труба 16 шнека, оснащенная большой приводной шестерней 24, получающей вращение через малые сателитные шестерни 25 от приводов 26, опирающаяся на два подшипниковых узла 27 и 28, одновременно является валом, передающим крутящий момент на лучевой породоразрушающий рабочий орган 4 и вал-трубу 16. Пресс-камера 29, которая оснащена пресс-кольцом 30, для заполнения ее бетонной смесью оснащается как минимум тремя управляемыми затворами 31 с бетоноводами 32, равномерно расположенными по окружности на внутренней опалубке 33 пресс-камеры 29 в конце рабочего хода пресс-кольца 30. Пресс-камера 29 на уровне рабочей поверхности пресс-кольца 30 в конце ее рабочего хода по внутренней поверхности оснащается воздушными клапанами 34, расположенными по окружности между затворами бетоноводов 32, для снятия противодавления воздуха при заполнении пресс-камеры 29 бетонной смесью.

Щитовой комплекс работает следующим образом:

После монтажа щитового комплекса 1 в устье ствола цикл проходки начинается с заполнения пресс-камеры 29 бетонной смесью через бетоноводы 32 сверху вниз и перекрывают бетоноводы затворами 31. Роторным рабочим органом 4 разрабатывают (разрушают) и измельчают породу, которая по наклонной поверхности 19 попадает через окна 21 внутрь вала-трубы 16 и шнековым погрузочным органом 5 перегружается в бункер-накопитель 22, расположенный в верхней части щита и отправляется на поверхность известными способами - бадъевым, пневмотранспортом или гидротранспортом.

Одновременно с разработкой забоя и выгрузкой породы из забойной части щита щитовой комплекс 1 перемещается на забой и производится выпрессовывание бетонной смеси снизу вверх пресс-кольцом 30 из пресс-камеры 29 с формованием монолитно-прессованной крепи на заходку. После выполнения заходки щитовыми гидроцилиндрами 3 отводят пресс-кольцо 30 в крайнее нижнее положение, освобождая пресс-камеру 29 для заполнения бетонной смесью на очередную заходку. В это же время на верхней площадке щитового комплекса 1 тюбингоукладчиком 8 собирают очередное тюбинговое кольцо. Далее цикл проходки и возведения крепи повторяется.

Изобретение относится к области подземного строительства при сооружении вертикальных и наклонных выработок глубокого заложения. Технический результат от использования изобретения состоит в повышении надежности и долговечности крепи, а также безопасности производства работ с сокращением сроков строительства стволов с существенным снижением материальных и трудовых затрат. Это достигается тем, что в способе проходки и крепления вертикальных и наклонных выработок, включающем разработку и выборку грунта в призабойной зоне, установку подвижной опалубки, подачу бетонной смеси в пространство, образованное внешней оболочкой щита и опалубкой, прессование бетонной смеси и возведение крепи, согласно изобретению возведение крепи осуществляют циклами, последовательно возводя участки из монолитно-прессованного бетона с количеством заходок, обеспечивающих последующий монтаж одного-двух колец из чугунных тюбингов или железобетонных блоков, при этом подачу бетонной смеси до полного заполнения пресс-камеры производят с регулированием интенсивности и равномерности с перекрытием бетоноводов по окончанию заполнения посредством управляемых затворов, которые равномерно располагают по окружности внутренней опалубки в конце рабочего хода пресс-кольца, а затем выполняют выпрессовывание бетонной смеси снизу вверх из пресс-камеры с распором на породу и с образованием очередной заходки пресс-бетонной крепи. Для осуществления способа применяется щитовой комплекс, включающий корпус, породоразрушающий рабочий орган, механизм для выдачи породы, механизм для возведения крепи, согласно изобретению в качестве породоразрушающего рабочего органа использован рабочий орган роторного типа, который выполнен конусообразным и жестко связан с центральным полым валом, который связан с зубчатым колесом и приводится во вращение несколькими гидроприводами, шестернями, которые входят в зацепление с зубчатым колесом, приводящим породоразрушающий орган с центральным валом во вращение, причем механизм для выдачи разрыхленной породы расположен внутри полого вала и выполнен в виде шнека, нижним концом который шарнирно опирается на конструкцию забурника с породоразрушающего рабочего органа, а верхний связан с гидроприводом, расположенным на горизонтальной полке корпуса щита, а нижняя часть внутреннего корпуса щита выполнена также конусообразной и расположена под углом к центральному валу, имеющему в нижней части окна для приема разрыхленной породы с попаданием ее в шнек, а на внутренней поверхности конусной части корпуса щита установлены рифленые пластины из абразивоизносостойкой и высокопрочной стали для увеличения долговечности и производительности рабочих поверхностей при измельчении крупных кусков породы, причем шнек в верхней части связан с бункером для приема породы, а на верхнем ярусе корпуса щита в его центральной части установлен тюбингоукладчик, имеющий поворотную платформу, установленную на столе с роликами и гидроприводом, жестко связанным с центральной стойкой, причем на поворотной платформе установлена телескопическая рукоять с захватом для чугунных тюбингов или железобетонных блоков, при этом щитовой комплекс имеет пресс-камеру, связанную с гидроцилиндрами и оснащенную пресс-кольцом, как минимум тремя управляемыми затворами с бетоноводами, равномерно расположенными по окружности внутренней опалубки, а на внутренней поверхности пресс-камеры размещены воздушные клапаны, по окружности между затворами бетоноводов для снятия противодавления воздуха при заполнении пресс-камеры бетонной смесью. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ проходки и крепления вертикальных и наклонных выработок, включающий разработку и выборку грунта в призабойной зоне, возведение монолитной крепи путем подачи бетонной смеси сверху вниз в пространство, образованное внешней оболочкой щита и опалубкой для формирования пресс-камеры и прессование бетонной смеси, отличающийся тем, что разработку и выборку грунта в призабойной зоне производят роторным лучевым породоразрушающим рабочим органом, а возведение монолитной крепи осуществляют циклами, последовательно возводя участки из монолитно-прессованного бетона с количеством заходок, обеспечивающим последующий монтаж одного-двух колец из чугунных тюбингов или железобетонных блоков, при этом подачу бетонной смеси до полного заполнения пресс-камеры производят с регулированием интенсивности и равномерности посредством перекрытия бетоноводов по окончании заполнения посредством управляемых затворов, которые равномерно располагают по окружности внутренней опалубки в конце рабочего хода пресс-кольца, а затем выполняют выпрессовывание бетонной смеси снизу вверх из пресс-камеры с распором на породу и с образованием очередной заходки монолитной крепи.

2. Щитовой комплекс, включающий корпус, породоразрушающий рабочий орган, механизм для выдачи породы, механизм для возведения крепи и пресс-камеру, отличающийся тем, что в качестве породоразрушающего рабочего органа использован рабочий орган роторного типа, выполненный конусообразным и жестко связанный с центральным полым валом, который в свою очередь связан с зубчатым колесом и приводится во вращение гидроприводами, шестернями, которые входят в зацепление с зубчатым колесом, приводящим породоразрушающий орган с центральным валом во вращение, причем механизм для выдачи разрыхленной породы расположен внутри полого вала и выполнен в виде шнека, нижним концом который шарнирно опирается на конструкцию забурника породоразрушающего рабочего органа, а верхний связан с гидроприводом, расположенным на горизонтальной полке корпуса щита, при этом нижняя часть внутреннего корпуса щита выполнена также конусообразной и расположена под углом к центральному валу, имеющему в нижней части окна для приема разрыхленной породы с попаданием ее в шнек, а на внутренней поверхности конусной части корпуса щита установлены рифленые пластины из абразивоизносостойкой и высокопрочной стали для увеличения долговечности и производительности рабочих поверхностей при измельчении крупных кусков породы, причем шнек в верхней части связан с бункером для приема породы, а на верхнем ярусе корпуса щита в его центральной части установлен тюбингоукладчик, имеющий поворотную платформу, установленную на столе с роликами и гидроприводом, жестко связанным с центральной стойкой, причем на поворотной платформе установлена телескопическая рукоять с захватом для чугунных тюбингов или железобетонных блоков, при этом пресс-камера связана с гидроцилиндрами и оснащена пресс-кольцом, который имеет не менее трех управляемых затворов с бетоноводами, равномерно расположенных по окружности внутренней опалубки, а на внутренней поверхности пресс-камеры размещены по окружности между затворами бетоноводов воздушные клапаны для снятия противодавления воздуха при заполнении пресс-камеры бетонной смесью.