В процессе строительства шахтных стволов проектировщикам, инженерам, строителям приходится оперировать огромными потоками разнообразной технической и пространственной информацией. Эффективный доступ к этой информации, наличие удобных инструментов прогноза и оценки ситуаций, которые возникают или могут возникнуть в течение проходки стволов, предоставляет владельцу таких инструментов существенные преимущества.
Решения, предлагаемые нашей компанией, позволяют существенно повысить эффективность строительства и понизить риски по ходу выполнения проектных, строительных и проходческих работ в течение сооружения технологического комплекса шахтного ствола.
Решения базируются на совместном использовании специализированного программного обеспечения и экспертной оценки, которая становится значительно более обоснованной и надёжной.
Комплекс модулей, предназначенных для решения задач, возникающих в процессе строительства шахтных стволов, называется Shaft Builder.
Shaft Builder особенно удобно использовать в сочетании с другим решениям, предлагаемыми нашей компанией. В частности, весьма эффективной оказывается комбинация с решениями в области геологии и горного дела, обеспечивающими аналитические и визуальные средства для обработки геологических, геотехнических и геофизических данных в районе заложения шахтных стволов.
Shaft Builder предоставляет уникальные инструменты для принятия обоснованных решений на важнейших этапах строительства ствола:
- во время заморозки ствола;
- во время буро-взрывных работ и установки крепи ствола;
- во время оттайки ствола;
- во время оснастки ствола.
Технология и порядок использования различных компонент Shaft Builder могут варьироваться в зависимости от особенностей проекта строительства ствола.
Shaft Builder предоставляет пользователю следующие инструменты анализа.
Моделирование заморозки и оттайки шахтного ствола
Заморозка (наряду с альтернативным методом тампонажа) является необходимой составляющей процесса строительства практически любого шахтного ствола. Заморозка или тампонаж применяются с целью недопущения затопления ствола при проходке водоносных горизонтов. Для глубоких стволов чаще применяют заморозку.
Динамика процесса заморозки шахтного ствола важна для успеха всего проекта. Удачно проведенная заморозка существенно влияет на эффективность последующей проходки, тогда как и «недомороженный» и «перемороженный» ствол создают для проходчиков и инженеров существенные проблемы на последующих этапах.
Естественное желание заморозить ствол как можно скорее (с целью более раннего введения рудника в эксплуатацию) может привести к недоформированию ледопородного ограждения (ЛПО) нужной толщины на определённых участках и, как следствие, к последующему подтеканию ствола во время установления крепи. Другая крайность – избыточная заморозка – ведёт к неоправданному перерасходу энергетических ресурсов и к задержке выхода рудника на проектную производительность. Таким образом, крайне желательно иметь возможность эффективно контролировать процесс роста ЛПО с целью получения существенного экономического эффекта.
Технически процесс заморозки осуществляется с помощью непрерывной заливки специальных охлаждаемых растворов (рассолов) в замораживающие скважины, которые, как правило, кольцом окружают контрольно-стволовую скважину.
Скорость заморозки существенно зависит от минералогического состава проходимых горизонтов и, особенно, от их влагонасыщенности и солёности. Медленнее других, обычно, замораживаются именно водоносные горизонты, так как вода обладает существенно более высокой теплоёмкостью по сравнению с твёрдыми породами.
Перед началом заморозки, как правило, делается достаточно приблизительный прогноз динамики процесса, имеющий скорее характер экспертной оценки, нежели инженерного расчёта. Удачность или неудачность прогноза может проверяться с помощью периодических замеров температуры в контрольных скважинах, специально пробуренных для этой цели.
Предлагаемая технология предоставляет инженерам-строителям и проектировщикам надёжные и точные методы прогноза формирования ЛПО. Модель, основана на решении задачи кристаллизации, так называемой задачи Стефана, позволяет получить состояние ЛПО на любую желаемую дату по каждому геологическому пласту. Инженер имеет возможность не только проигрывать различные варианты, меняя параметры процесса заморозки (температуру хладагента, расположение замораживающих скважин, включение и выключение скважин в определённый период), но и производить калибровку (уточнение параметров) модели, используя фактические замеры, сделанные в контрольных скважинах.
Таким образом, процесс заморозки ствола становится хорошо планируемым и контролируемым.
Оттайка ствола представляет собой процесс, обратный заморозке. Для того, чтобы люди могли находиться в шахтном стволе для проведения планируемых работ по оснастке, температура в нём, согласно принятым международным нормам, должна быть порядка +20 С. Поэтому, оттайка ствола начинается сразу после прохождения последнего водоносного горизонта и достижения водоупора. Оттайка может быть естественной или принудительной (когда в обсадные скважины начинают лить тёплый раствор). Shaft Builder включает в себя систему моделирования оттайки ЛПО с подсистемой оптимизации параметров процесса по результатам фактических замеров.
Система инструментальной поддержки маркшейдерской съемки в строящемся стволе
Обычный способ прохождения шахтных стволов состоит в проведении буро-взрывных работ, рассчитанных на получение определённого уровня «заглубления» с последующими очистными работами, или механической выемке. После производства буро-взрывных и очистных работ (реже при механической выемке) реальная граница забоя ствола выходит за проектное контурное значение. В большинстве случаев разрешенный допуск для подрядчика составляет 15 см в любом радиальном направлении, но, если окружающий массив горных пород представлен непрочными и/или сильно трещиноватыми горными породами, то неизбежно превышение разрешенного значения. В результате необходима не только выемка и подъем на поверхность дополнительных незапланированных объёмов горной массы, но и заливка дополнительного незапланированного объёма бетона для крепления ствола, что часто вызывает финансовые споры между заказчиком и подрядчиком по строительству стволов. Помимо этого, дополнительные незапланированные объёмы работ сказываются на проектных сроках строительства подземного рудника, что также ведёт к дополнительным финансовым затратам для заказчика.
Предлагаемые в Shaft Builder инструментальные средства являются составной частью аппаратно-программного комплекса системы лазерного мониторинга строящегося ствола. Для высокоэффективного и точного метода расчёта необходимых дополнительных объемов очистных и бетонных работ предлагается проводить лазерную съемку сразу после выемки горной массы. Обычно такая съёмка производится до заливки бетона крепи ствола или установки тюбинговых колец.
Схема предлагаемой лазерной съемки забоя на дне ствола показана ниже на рисунке. Сканирующее устройство опускается на дно ствола и выставляется или по лазерному лучу, или по отвесу. Лазерная съемка забоя ствола (высотой до 10-20 метров и диаметром 6-12 метров) занимает менее 10 мин, не препятствует одновременному выполнению других технологических операций и даёт детальную характеристику геометрии образовавшегося пространства после окончания очистных работ.
Предлагаемая подсистема, интегрируя данные сканирования с информацией из базы данных по шахтным стволам (о положении, размерах и форме тюбингов, геологии окружающего массива горных пород, данных по картированию забоя ствола и т.п.), обеспечит быстрый расчёт объемов затюбингового пространства, позволит оперативно получать любые горизонтальные или наклонные сечения в забое ствола и, тем самым, существенно уточнить и ускорить все необходимые расчёты и оформление требуемой контрольными органами маркшейдерской документации.
Съёмка строящегося ствола над проходческим полком. Установка постоянной крепи и элементов армировки ствола.
Большинство работ по установке постоянной бетонной крепи ствола, а так же закладных и прочих элементов, используемых в дальнейшем при армировке ствола, производится с проходческого полка. В случае проходки стволов в массиве непрочных (не скальных) горных пород и использования в качестве постоянной крепи чугунных тюбингов возведение тюбинговых колец производится из забоя ствола после окончания очистных работ. Эффективным способом контроля качества установки крепи является сканирование стенок строящегося ствола как под, так и над проходческим полком, выполняемым с его верхней палубы. Изучение полученных сканов позволяет определить как явные дефекты крепи (наличие трещин, выбоин, зазоров и т.д.), так и правильность её геометрической формы и инфраструктуры (обнаружение отклонений от проектных решений, расположение закладных, крепежных скоб, анкеров и т.д.). Во время данного этапа сканирования в стволе ещё не установлены основные элементы армировки ствола – расстрелы и направляющие, а только закладные и другие объекты на стенках ствола.
Информация в виде сканированного снимка (исходного «облака точек») доставляется в офис маркшейдера на поверхности, где, с помощью специального модуля, встроенного в Shaft Builder, она обрабатывается, анализируется и сравнивается с проектными решениями по строительству ствола для контроля качества произведенных подрядчиком строительных работ.
Армировка ствола
Последним этапом лазерной маркшейдерской съёмки является съёмка ствола после установки в нем основных элементов армировки ствола (расстрелов и направляющих), а так же различных инженерных коммуникаций (трубопроводов, силовых кабелей, вентиляционных рукавов и т.п.). Такой скан не только контролирует качество установленной армировки (отклонения от проектных решений), но и является эталоном для последующих осмотров и мониторинга состояния конструктивных элементов эксплуатируемого ствола.
Сканирование осуществляется примерно через каждые 10 метров с нескольких позиций на каждом горизонтальном уровне сканирования – во избежание возникновения «мёртвых зон». Таким образом, может быть построена полная трёхмерная модель ствола.
Shaft Builder предлагает для этой цели специальный модуль обработки полученного «облака точек». Обработка проводится на поверхности в маркшейдерском офисе, а результаты, как правило, заносятся в единую базу данных по шахтным стволам.
