книги из ГПНТБ / Мостков, В. М. Подземные сооружения большого сечения

Расширение возможности механизированной проходки выработок некругового очертания достигается применением комбайнов со стре­ ловидным исполнительным органом. Исполнительный орган такого комбайна (коническая резцовая головка) установлен на конце поворотной стрелы-рукоятки, имеющей телескопическое устройство, позволяющее удлинять ее в процессе работы. Перемещение стрелы

осуществляется гидроцилиндрами.

Подобные машины выполнены применительно к устойчивым поро­ дам средней крепости (300—400 кгс/см2) с отдельными включениями более крепких пород (до 700 кгс/см2). Эти прочности значительно ниже, чем при использовании туннелепроходческих машин, оснащен­ ных шарошками и обрабатывающими забой на полное сечение. Кроме того, одной из наиболее сложных проблем при применении комбййнов со стреловидным исполнительным органом является вентиляция забоя. Системы пылеподавления и пылеотсоса, применяемые в настоящее время, не полностью решают эту проблему и туннельный забой оказывается запыленным. Работы в этом напра­ влении интенсивно ведутся различными организациями и заводами-

изготовителями.

Вместе с тем комбайны со стреловидным органом, получившие значительное развитие в СССР (ПК-Зм, ПК-9р, 4ПП-2 и др.), ФРГ (фирма Демаг), Англии (фирма Доско) и в других странах, имеют определенные преимущества перед туннелепроходческими машинами, разрабатывающими забой на полное сечение. К таким преимущест­ вам относятся: универсальность формы поперечного сечения выра­ ботки; возможность избирательной разработки забоя и постоянного

доступа к нему; меньшая мощность двигателей.

Площадь поперечного сечения забоя при использовании подоб­ ных комбайнов ограничивается обычно размерами от 5 до 15 м2. В конце 60-х годов эти комбайны применяли в Италии при сооруже­ нии автодорожных туннелей большого сечения. Первоначально верх нюю часть туннеля разделяли на четыре участка и раскрытие ее вели по этапам. Вначале проходили боковые участки на длину 10 20 м, затем сводчатую часть, а в последнюю очередь уступ. Такой способ возможен лишь в устойчивых породах, иначе крепление кровли весьма осложнило бы работу. Достигнутая средняя произво­ дительность комбайна составила 12—15 м3/ч породы при чистой производительности около 35 м3/ч. По сравнению с буровзрывным способом в данном случае достигалось соблюдение требуемого кон­ тура, и отсутствие нарушения окружающего массива породы.

Примерно аналогичным образом разрабатывали туннель размером 9 X 6,6 м участка трассы метрополитена в Париже. Породы, пред­ ставляющие собой аллювиальные отложения, предварительно закре­ пляли путем инъекции силикагеля, создавая вокруг туннеля слон укрепленной породы толщиной от 4 м в стенах до 2 м в кровле. Разработку забоя осуществляли комбайном F6-A (Австрия) со стре­ ловидным органом. Вначале разрабатывали среднюю часть забоя на глубину 1,6 м. затем боковые части. Временную крепь выполняли

196

из металлических арок, а через каждые 30 м проходку останавли­ вали и возводили постоянную крепь из бетона.

На рис. 86 показана схема разработки крупного туннеля, пост­ роенного в 1969—1970 гг. с использованием комбайна ЕѴ—II (ФРГ). Вначале поочередно проходят боковые штольни 1 и 2 и бетонируют стены, затем разрабатывают верхнюю часть туннеля 3 и бетонируют свод. В последнюю очередь проходят опорное ядро туннеля 4 с при­ менением буровзрывных работ [81].

ЦНИИПодземмаш по заданию института Гидропроект запроекти­ ровал и в 1972 г. изготовил опытный образец туннелепроходческой машины ТК-1с для разработки туннелей шириной 5,3 м, предста­

ходного портала, а нижняя — размещена под порталом на собствен­ ном гусеничном ходу. Самоходный портал оборудован в верхней части козырьком для обеспечения безопасности работ. На платформе портала установлено оборудование и механизмы для монтажа ароч­ ной или анкерной крепи. По расчету средняя производительность машины ТК-1с составит 20—30 м3/ч породы.

Использование комбайнов со стреловидным исполнительным орга­ ном в выработках большого сечения осуществлено в 1971 г. фирмой Паурат в ФРГ [47]. На ходовой части экскаватора с гидравличе­ ским управлением массой до 100 т размещена стрела с одной или двумя рукоятками, оснащенными фрезерными головками мощностью по 55 кВт каждая (рис. 87). Принятое расположение головок по дан­ ным фирмы позволяет значительно повысить производительность разработки забоя благодаря образованию борозд по горизонталь­ ному направлению на определенном расстоянии друг от друга и последующего откалывания породы между бороздами. Порода гру­ зится ковшовым погрузчиком, который попеременно перемещается по обоим сторонам машины в выработке шириной около 12. Наи­ большая высота выработки, разрабатываемой машиной, составляет 10—11 м. Крепление забоя ведется с рабочей платформы, телеско­ пически выдвигающейся над опорной частью машины.

Специальные способы разработки камерных выработок. Камеры-

емкости, предназначенные для хранения воды, нефтяных топлив и жидких углеводородных газов, а также для других целей, при условии, что как во время строительства, так и при эксплуатации таких хранилищ в них не потребуется присутствие человека, могут сооружаться высокопроизводительными методами, применяемыми при разработке мощных залежей крепких руд [46] и специальными методами, описанными ниже.

Метод выщелачивания. Для сооружения хранилищ нефтепродук­ тов и сжиженных газов в месторождениях каменной соли применяют главным образом метод выщелачивания [17, 18]. Сущность этого метода состоит в бурении скважин диаметром 200—500 мм до

197

Рис. 86. Схема разработки туннеля с использованием комбайна:

1—4 — этапы разработки

соляного пласта, опускании в них колонн труб, подачи воды по этим трубам в пласт и выдачи рассола на поверхность по другим трубам. Для управления формообразования емкости в процессе выщелачи­ вания и обеспечения ее устойчивости в емкость через скважину вводят нерастворитель (нефтепродукт). Размыв соляного пласта и образование рассола (выщелачивание соли) происходят в про­ цессе циркуляции воды.

Размеры емкостей (сферической эллипсоидальной или овальной формы), создаваемых методами выщелачивания в отложениях камен­ ной соли, обычно составляют: диаметр до 50 м, высота до 80 м. Наи­ большая емкость хранилища, приходящаяся на одну скважину,

198

в соляном пласте равна 100 тыс. м3. Характерное многокамерное хранилище представляет собой ряд емкостей по 30—50 тыс. м3, между которыми оставлены целики соли.

тора года.

Сооружение подземных хранилищ можно производить различ­ ными системами и методами. Одной из наиболее распространенных является камерная система, предусматривающая на каждой сква­ жине создание самостоятельной камеры выщелачивания. Характер­ ная схема камеры, образуемой управляемым ступенчатым методом, показана на рис. 88. Система камерного выщелачивания предусмат­ ривает также образование емкостей спаренными камерами из не­ скольких скважин при применении преимущественно ступенчатого метода размыва. В соляных пластах малой мощности и значитель­ ного простирания может быть применен способ захваток (сплошная система выщелачивания). Сущность его заключается в создании скважин по горизонтальному направлению и образовании выщела­ чиванием емкостей туннельного типа, расположенных вдоль прости­ рания пласта.

Практикуемые методы основаны на постоянном заполнении емко­ стей, т. е. нефтепродукты закачивают в скважины одновременно с отбором такого же объема рассола. В последнее время применяют также струйный метод выщелачивания. Вначале бурят скважину, затем в нее опускают колонну водоподающих и рассолоподъемных труб. Водоподающие трубы имеют отверстия с насадками, подбирая которые можно создавать емкости диаметром до 20 м заданной формы. Такие емкости при их использовании можно опорожнить пол­ ностью с помощью насосов или выдавливая нефть сжатым воз­ духом.

Метод выщелачивания является одним из основных при создании крупных хранилищ, поскольку при объемах более 20 тыс. м3 стои­ мость его в 5—7 раз меньше, а срок строительства примерно в 1,5 раза ниже, чем при буровзрывном способе работ. В США, например, этим методом сооружено более 80% всех нефтехранилищ.

Метод внутренних взрывов. При этом методе подземная полость создается под действием внутреннего взрыва (без образования на поверхности видимых деформаций породы) в пластичных глини­ стых породах влажностью 10—20%. Объем такой емкости обычно не превышает 300 м3, диаметр — 7 м. Вокруг полости образуется зона из пород, упрочненных взрывом [17]. Сущность метода состоит в бурении скважины (шурфа), обсадке ее, цементации затрубного пространства, последовательном взрывании прострелочных заря­ дов. Затем в образовавшейся камере взрывают основной заряд большой величины, создающий сферическую емкость (рис. 89). При­ меняется также метод, при котором для создания полости

199

9— цементация обсадной колон­

осуществляют камуфлетный взрыв заряда, расположенного на дне шурфа, без использования прострелочных зарядов.

Для возможности образования подземной полости минимальная мощность толщи глинистых пород не должна быть менее трех диа­ метров этой полости.

Создание подземных емкостей с использованием ядерных взрывов.

В области промышленного использования ядерных взрывов ведут значительные исследовательские и экспериментальные работы, одним из направлений которых является создание подземных хранилищ в толще каменной соли, туфах и других породах с незначительной пористостью [45].

Проведенные в США по программе «Плаушер» 10—15 экспери­ ментальных ядерных взрывов внутреннего дёйствия мощностью

200

Рис. 89. Последовательность работ при сооружении подземной емкости способом внутренних взрывов:

от 1,7 до 50 кт показали, что в результате взрыва образуется полость в виде эллипсоида, заполненная раздробленной породой. Радиус

у — средняя плотность налегающих пород, т/м3;

где к — коэффициент, равный от 3,2 (доломит) до 6,8 (туф) при сред­ ней величине примерно 4,5.

Зона влияния ядерного взрыва на развитие деформаций и трещинообразования породы ограничивается двумя — четырьмя радиу­ сами полости 7?с на горизонте ядерного взрыва. Целик над вершиной эллипсоида должен иметь толщину не менее 100—150 м.

201

Использование ядерных взрывов для образования подземных хранилищ связано с рядом трудностей. В первую очередь это слож­ ные требования защиты продуктов от радиоактивности. Мероприя­ тия по защите включают в себя промывку полости водой под высоким давлением, а также очистку продуктов хранения через систему фильтров при извлечении и в процессе их переработки. Кроме того, необходимо установить допустимый температурный режим, по­ скольку высокая температура может сохраняться в течение длитель­ ного времени.

Одной из главных проблем, требующих своего решения в исполь­ зовании образовавшейся полости для хранилища нефтепродуктов, является удаление из нее раздробленного материала. Это в прин­ ципе может быть достигнуто выщелачиванием материала (в част­ ности, каменной соли) или извлечением его из емкости. В последнем случае под емкостью в принципе может подводиться ряд штреков (откаточных и горизонтов выпуска), от которых проходят пальцевые восстающие к днищу блока.

По мнению специалистов США, использование ядерных взрывов для образования нефтегазохранилищ перспективно, поскольку оно может дать значительную экономию средств по сравнению с обыч­ ными способами.

§ 16. Выбор способов проходки

На основании данных предыдущих параграфов главы и анализа опыта строительства выработок большого сечения в табл. 34 даны ориентировочные рекомендации по выбору различных способов проходки в зависимости от крепости породы и пролетов выработки.

Как следует из таблицы, в большинстве случаев может быть предложено несколько вариантов. В каждом конкретном случае, сообразуясь с его специфическими условиями, рекомендуется произ­ водить технико-экономическое сравнение различных вариантов про­ ходки. Например, в породах средней крепости и средней трещино­ ватости выработки пролетом 10—20 м можно проходить уступным способом (нижним уступом), способом опертого свода, способом сплошного забоя (с применением комбинированной крепи) или же механизированным способом (с разработкой забоя по частям). В дан­ ных условиях выбор способа зависит от размеров выработки (длина, пролет, высота), а также и от технических возможностей строитель­ ства (подъездные пути и др.).

Как показывают проведенные расчеты, туннели, например, дли­ ной более 200 м и площадью поперечного сечения 100—150 м2 целе­ сообразно проходить:

в крепких породах — сплошным забоем. В данном случае по срав­ нению с нижним уступом применение сплошного забоя обеспечивает повышение интенсивности работ примерно на 15%, снижение стои­ мости— на 10—15%;

202

203

в породах крепких, но трещиноватых и породах средней крепо­ сти — нижним уступом. Способ нижнего уступа в данных условиях по сравнению с проходкой сплошным забоем обеспечивает снижение затрат труда и стоимости примерно на 15%;

в породах нарушенных и мягких — сравнительные данные по способам производства работ приведены в табл. 35, составленной применительно к слабому участку (/ = 3) одного из отечественных туннелей площадью 140 м2 и длиной примерно 0,5 км.

В камерных выработках при разработке основного массива породы увеличение высоты слоев позволяет сократить срок строи­ тельства. Например, при увеличении высоты слоев вдвое (от 4 до 8 м) продолжительность проходки камеры уменьшается примерно на 10—20%, а стоимость работ — на 5—15%. Разработка массива отдельными блоками через воронки по стоимости примерно равна стоимости отработки массива высокими слоями, но затраты труда при отдельных блоках возрастают, а интенсивность работ сни­ жается.

По данным шведской практики, в табл. 36 приведены соотноше­ ния стоимостей проходки различными способами в очень крепких породах [92].

Таблица 36

204

Как отмечалось выше, окончательный выбор способа производ­ ства устанавливают на основе сопоставления вариантов. Оптималь­ ный способ сооружения крупных подземных выработок в заданных конкретных условиях целесообразно определять с использова­ нием методов математического программирования.

Задачи оптимального программирования в данном случае могут быть сформулированы следующим образом.

Пусть способ сооружения туннеля характеризуется п факторами производства (хі, х г, . . ., хп), где xt — производительность приме­ няемого оборудования или затраты труда, материалов, или же опре­ деленные объемы работ и др. Производственная (в данном случае целевая) функция Z, представленная объемом выломки породы или уложенного бетона за определенный период времени (сутки, месяц), при данном способе работ может быть записана как функция тех

Имеющие место в действительности соотношения между пере­ менными могут быть выражены в виде уравнений или неравенств связи (балансовых ограничений) типа

где Сі — издержки производства; может означать, например, стои­ мость 1 м туннеля или камерной выработки при данном способе производства работ или, например, затраты труда на 1 м3 выработки.

Кроме того, полагаем, что переменные xt ограничены в опреде­ ленных пределах

Искомая задача формулируется так: для данного способа соору­

Решение примерно аналогичной задачи применительно к опре­ делению максимальной скорости проходки для заданных условий приведено в § 19.

В зависимости от поставленной цели задача может быть преобра­ зована в двойственную относительно сформулированной выше: для данного способа сооружения выработки необходимо найти такие факторы производства x t , х 2, . . ., х п , чтобы Ct = min при соблю­ дении условия (81) Z = Z 0 (где Z 0 — заданный объем производства, например скорость сооружения туннеля), а также при выполнении граничных условий (83). Двойственная задача эквивалентна перво­ начальной, т. е. приводит к тем же значениям х,-.

205