Общие сведения. 
Организация и производство горнопроходческих работ

Вертикальные горные выработки, имеющие выход на поверхность, называют шахтными стволами. Вертикальные горные выработки, не имеющие выхода на поверхность, называют слепыми стволами.

В зависимости от своего назначения стволы подразделяются на эксплуатационные, строительные и разведочные.

Эксплуатационные стволы предназначены для обслуживания в период эксплуатации всего шахтного поля или его части: крыла, блока, горизонта.

В зависимости от положения относительно шахтного поля их подразделяют на центральные, фланговые и блоковые, а от основного функционального назначения — главные и вспомогательные.

Главные стволы служат для выдачи полезного ископаемого.

Вспомогательные стволы предназначены для спуска-подъема людей (людские); спуска-подъема людей, материалов и оборудования (грузолюдские); вентиляционные (воздухоподающие и воздуховыдающие) и др.

Часто стволы выполняют несколько функций одновременно. В этом случае их называют по главной их них.

Строительные стволы используют для ускорения строительства подземного комплекса горных выработок шахты (рудника). В дальнейшем они могут быть переоборудованы для выполнения одной из указанных выше функций. К таким стволам относят и углубочные стволы, служащие для углубки эксплуатационных стволов в процессе разработки шахтного поля.

Разведочные стволы используют для разведки или доразведки шахтного поля перед строительством шахты или в период ее эксплуатации. Срок службы стволов устанавливается в зависимости от назначения. Стволы, предназначенные для обслуживания подземного сооружения, имеют срок службы, равный времени эксплуатации подземного сооружения.

Каждый ствол состоит из трех частей: устья, основной части и зумпфа.

Устьем ствола называют его верхнюю часть, непосредственно примыкающую к земной поверхности, закрепленную усиленной конструкцией крепи, расположенную в основном в наносах и предназначенную для восприятия нагрузок от зданий и сооружений.

Основная наиболее протяженная часть ствола располагается между устьевой и зумпфовой частями и служит для соединения поверхности с эксплуатируемым горизонтом.

Зумпфом называется самая нижняя, расположенная ниже последнего эксплуатируемого горизонта, часть ствола, служащая в качестве аккумулирующей емкости для воды, стекающей по стволу, и используемая для размещения подъемного сосуда (скипа или многоэтажной клети) в момент загрузки и разгрузки.

Известны два основных способа проходки ствола-обычный и специальный.

При проектировании способ проходки выбирают на основании анализа горногеологических и гидрогеологических условий шахтного поля в месте заложения ствола и технико-экономического сравнения альтернативных вариантов.

Обычный способ проходки стволов применяют в породах I-III категории устойчивости и с притоком воды в забой не более 8 м³/ч. Отличительной особенностью этого способа является ведение проходческих работ без предварительного водоподавления или упрочнение вмещающих пород. Этот способ проходки применяют в основном с помощью буровзрывных работ (БВР) и в отдельных случаяхпроходческими комбайнами в породах с крепостью по шкале проф. Протодъяконова f 10.

К специальным способам проходки стволов относят проходку способом искусственного замораживания горных пород, с применением тампонажа горных пород, с водопонижением, применением опускных сооружений и др. К специальным способам проходки относят также бурение стволов и скважин большого диаметра. Стволы в породах IV категории устойчивости независимо от величины ожидаемого притока воды проходят специальными способами, обеспечивающими повышение устойчивости и водопронецаемости горных пород.

Стволы могут иметь следующие формы поперечного сечения: круглую, прямоугольную, криволикую, эллептическую, прямоугольную с выпуклыми сторонами.

Рациональность использования поперечного сечения ствола для размещения подъемных сосудов, лестничного отделения, труб и кабелей характеризуется отношением всей площади сечения ствола к полезной площади. Для указанных форм сечения стволов это соотношение составляет: прямоугольная — 1; криволикая — 1,22; эллептическая — 1,27; круглая — 1,3. Несмотря на то, что прямоугольная форма позволяет наиболее рационально использовать площадь сечения ствола, она имеет ограниченное применение из-за следующих недостатков: низкой несущей способности крепи; большой трудоемкости высечки углов, особенно в крепких породах; сложности водонепронецаемости и др.

Стволы эллептической, криволикой и прямоугольной с короткими выпуклыми сторонами применяют только при реконструкции стволов с заменой деревянной или металлической крепи на монолитную бетонную или железобетонную, когда необходимо сократить объем выемки породы.

Шахтные стволы круглой формы поперечного сечения более удобны для организации механизации проходческих работ, обеспечивают наибольшую устойчивость вмещающего породного массива, лучше противостоят давлению горных пород и хорошо герметизируются. В связи с этим, они получили наибольшее распространение в практике шахтного строительства, несмотря на то, что круглая площадь поперечного сечения используется наиболее не рационально.

Размеры поперечного сечения ствола определяют графическим методом с учетом площадей, занимаемых подъемными сосудами, лестничным отделением, трубами, армировкой, с соблюдением зазоров между ними, расстрелами и крепью ствола. Графически найденную площадь поперечного сечения ствола проверяют по условиям проветривания шахты. Диаметры поперечного сечения ствола принимают равными от 4 до 8 м и кратными 0,5 м.

В угольной промышленности размеры диаметров стволов от 6 до 8 м, в горно-химической — 6 — 7,5 м. При строительстве транспортных сооружений размеры диаметров стволов — 5−6 м, гидротехнических сооружений от 4,5 до 15 м.

Стволы по глубине классифицируют на неглубокие до 300 м, средней глубины — 300 — 700 м и глубокие — более 700 м.

В горнодобывающей промышленности б. СССР в 1980;х годах ежегодно проходили в среднем 22 тыс. м стволов, из которых 80−90% составляла проходка новых стволов и 10−20% - углубка.

Наибольшее распространение получил буровзрывной способ проходки по совмещенной технологической схеме (95−98%) с последующим армированием.

Эта схема является наиболее простой, универсальной и обеспечивает в основном комплексную механизацию проходческих работ на базе имеющегося оборудования.

Объемы механизации работ по погрузке породы в стволе с механическим вождением грейфера и бурением шпуров механизированными установками достигли соответственно: в угольной промышленности 93 и 89%; в горнорудной промышленности — 87 и 77%.

Подавляющее большинство стволов (более 90%) крепят монолитным бетоном и железобетоном с помощью передвижных металлических опалубок сверху вниз вслед за подвиганием забоя со спуском бетонной смеси по трубам с поверхности.

Комбайновый способ проходки достигал 10−15% общего объема стволов, проходимых в угольной промышленности. При комбайновом способе средняя техническая скорость проходки ствола достигла 57,7 м/ мес, а производительность труда проходчиков — 5,74 м³/ чел.-смену. Однако стоимость проходки в 2−3 раза превышала среднюю ее стоимость, полученную при буровзрывном способе.

Таким образом, можно предположить, что в ближайшие 10−15 лет в России и странах СНГ буровзрывной способ проходки будет основным при строительстве стволов.

Анализ динамики изменения технико-экономических показателей проходки стволов на примере угольной промышленности б. СССР свидетельствует, что существенного улучшения их средних показателей за последние 20 лет не наблюдается (1968 г. — средняя скорость проходки 49,6 м/ мес, производительность труда проходчиков 1,55 м³/чел. смену, 1990 г. — соответственно 51,1 м/мес и 2,08 м³/чел. смену). Одновременно возросли стоимость, материалоемкость и продолжительность строительства.

Сложившаяся ситуация не может быть объяснена исключительно возросшими средними величинами глубины (на 10%) и диаметра в свету (на 8%) проходимых стволов и свидетельствует о необходимости решения ряда организационно-экономических проблем, общих для народного хозяйства страны.