Строительная горная технология

СТРОИТЕЛЬНАЯ ГОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (а. mining соnstruction practice, mining соnstruction methods, mining соnstruction technology; н. Schacht- und Tiefbaulehre; ф. technologie miniere de соnstruction, technologie de travaux neufs; и. tecnologia minera de соnstruccion) — научная дисциплина о способах строительства горных выработок и подземных сооружений различного назначения; входит в систему горных наук. Рассматривает задачи, связанные с обоснованием и выбором техники и технологии проходки вертикальных, горизонтальных и наклонных горных выработок при строительстве горных предприятий, возведении транспортных и гидротехнических тоннелей и других подземных сооружений. Для решения задач строительной горной технологии используются; физическое и математическое моделирование, графические, аналитические и численные методы с применением ЭВМ, экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях, анализ и обобщение производственного опыта на базе экономико-математических моделей и др.

Строительная горная технология связана с геологическими науками, физикой, математикой, химией, геомеханикой и строительной механикой, аэро- и гидродинамикой, теплофизикой, машиноведением, экономикой и другими науками.

Строительная горная технология в зависимости от типа и назначения горных выработок и подземных сооружений изучает строительство вертикальных стволов шахт, проведение горизонтальных и наклонных горных выработок, строительство транспортных и гидротехнических тоннелей, камер и подземных сооружений больших размеров. В зависимости от технических, горно-геологических и гидрогеологических условий размещения выработок и подземных сооружений каждое из этих направлений подразделяется на обычные (с применением буровзрывных работ, проходческих комбайнов и комплексов) и специальные (использующие водопонижение, замораживание, тампонаж и т.п.) способы строительства горных выработок и подземных сооружений.

Исторический очерк. Первые научные обобщения и систематизации опыта горнопроходческих работ в России и CCCP выполнены в работах В. А. Гуськова, Н. А. Успенского, М. М. Протодьяконова (старшего), Б. И. Бокия. Монография "Материалы для урочного положения горных работ" М. М. Протодьяконова (1926) послужила первым научным трудом по проектированию буровзрывных работ при проведении горных выработок. Становление строительной горной технологии как научной дисциплины в основном относится к периоду первых пятилеток (1929-37). Этому в значительной мере способствовало развитие механизации основных процессов горнопроходческих работ. Существенный вклад в разработку средств механизации бурения шпуров и погрузки породы (1934) внесли А. М. Терпигорев и М. М. Протодьяконов. Большое значение в этот период имели труды А. И. Аристова (1934), посвященные вопросам проведения горных выработок в крепких породах. В годы 2-й пятилетки (1933-37) начаты исследования по механизации погрузочных работ. Проводились исследования по разработке специальных способов строительства горных выработок с применением сжатого воздуха (В. А. Федюкин, Е. В. Платонов, П. П. Кучеренко, Н. И. Крылов, Н. Н. Филиппов), замораживания водоносных пород (Н. Г. Трупак, Я. А. Дорман), тампонирования трещиноватых горных пород (А. А. Бойков, А. И. Гертнер), бурения стволов (Г. И. Маньковский, Ш. Оганесов, Д. В. Солодовников, Ф. Д. Мещеряков) и скважин большого диаметра (В. П. Иванов, К. Н. Щепотьев).

Во 2-й половине 40-х гг. научно-исследовательскими и проектными институтами проводились научные и проектно-конструкторские разработки по механизации всех процессов горнопроходческих работ, исследования по обоснованию применения специальных способов строительства горных выработок. Большое значение в этот период сыграли научные труды Н. М. Покровского по систематизации, анализу и обобщению производственного опыта в области проведения горных выработок обычными и специальными способами. Исследования в области строительства шахтных стволов позволили оптимизировать параметры буровзрывного комплекса (Э. О. Миндели), разработать и внедрить мобильные средства механизированной погрузки породы (А. Ф. Чугунов и Я. И. Балбачан), разработать научные основы для создания проходческих подъёмных машин (А. С. Ильичёв, Г. М. Еланчик), внедрить новые типы тяжёлых бурильных машин (Н. А. Малевич), средства проходческого водоотлива (И. Т. Першин), вентиляции (В. Н. Воронин). При строительстве горизонтальных и наклонных выработок широкое применение получила прогрессивная технологическая схема проходки сплошным забоем, начали использоваться новые методы расчёта основных параметров буровзрывного комплекса в зависимости от крепости породы, размеров выработки, уровня механизации работ и других факторов, стали применяться первые отечественные погрузочные машины и проходческие комбайны. Этому в значительной степени способствовали научные обобщения, выполненные В. К. Бучневым, Н. М. Покровским и др.

В 50-х и 1-й половине 60-х гг. изменяется и совершенствуется техника и технология строительной горной технологии. Создаются и внедряются высокопроизводительные машины и комплексы, механизирующие бурение шпуров и погрузку породы при проходке стволов. Формируется научная школа под руководством Н. М. Покровского, проводящая широкие исследования процессов проходки стволов с установлением области целесообразного применения различных средств механизации. Разрабатываются рекомендации по совершенствованию технологии бурения шпуров, погрузки породы, проходческого подъёма, водоотлива, вентиляции, возведения постоянной крепи, армировки и других процессов (Н. М. Покровский, В. Е. Нейенбург, Е. Т. Проявкин, Ю. К. Епифанцев, В. И. Кочетов, В. А. Чекин, Ю. З. Заславский, Г. А. Ганзен, В. К. Фисейский, Р. А. Тюркян, Н. И. Храброе и др.). Исследования ведутся с применением методов математической статистики, теории вероятности, использованием экономико-математического, физического и математического моделирования. При строительстве горизонтальных выработок внедряются новые типы пневматических бурильных машин быстро-ударного действия с механической подачей на забой (В. К. Бучнев), применяются высокопроизводительные погрузочные машины различного типа, соответствующие крепости породы и размерам выработки (Н. А. Малевич, С. Х. Клорикьян), совершенствуется призабойный транспорт (А. О. Спиваковский), организуются массовые скоростные проходки, внедряются новые типы проходческих комбайнов и щитовых комплексов. Разрабатываются новые конструкции сборных железобетонных крепей и механизмов для их установки в выработке, применяются научно обоснованные методы расчёта крепи с использованием теории предельного состояния (П. М. Цимбаревич, В. Д. Слесарев, Б. М. Самойловский). В этот период проводятся большие целенаправленные исследования по разработке различных типов буровых установок для бурения стволов и скважин большого диаметра (Г. И. Маньковский, Р. А. Иоаннесян, Г. И. Булах, М. Т. Гусман, Д. В. Солодовников, Ф. Д. Мещеряков и др.). Выходят в свет фундаментальные научные труды по бурению стволов (Маньковский, 1958), замораживанию пород при проведении горных выработок (Н. Г. Трупак, 1954), химическому закреплению песчаных грунтов (Б. А. Ржаницын, 1956). Разрабатывается теория процессов теплопередачи в горных породах при их замораживании с учётом различных теплофизических параметров среды (Х. Р. Хакимов, Б. В. Проскуряков, Г. С. Шадрин, А. П. Пахович, И. А. Чарный и др.). Распространяется строительство транспортных и гидротехнических тоннелей и подземных сооружений больших сечений с применением различных способов производства работ в зависимости от горно-геологических условий массивов и размеров сооружений (Г. А. Фёдоров, В. Л. Маковский, С. С. Давыдов, Ю. А. Лиманов, П. А. Часовитин).

В 60-е гг. на базе научных обобщений внедряются мощные стволовые проходческие комплексы, обеспечивающие максимальную механизацию проходки стволов (Д. И. Малиованов, Н. А. Малевич), разрабатываются принципы автоматизации погрузки и выгрузки породы, проходческого подъёма, двухступенчатого водоотлива. Отрабатывается новая технология механизации возведения монолитной бетонной крепи с применением створчатой опалубки и подачей бетона в ствол самотёком по трубам. Оптимизируется продолжительность проходческого цикла (исходя из трудоёмкости проходческих работ), учитывающая глубину шпуров, производительность погрузки породы и подъёма, высоту створчатой опалубки, а также горно-геологических и технических условий проходки (Н. М. Покровский). Основываясь на научных обобщениях, организуются скоростные проходки вертикальных стволов, позволившие установить мировые рекорды (Р. А. Тюркян, А. А. Пшеничный, И. С. Стоев, С. С. Меликсетов, Ю. З. Заславский и др.). Продолжались теоретические и экспериментальные исследования по созданию проходческих комбайнов. Большие исследования были проведены по обоснованию кинематических параметров, размеров исполнительных органов машин и инструмента (А. В. Докукин). Существенное значение в развитии науки о комбайновом способе проходки горных выработок сыграли работы по гидроприводу. В этот же период значительный вклад был внесён в разработку теории разрушения горных пород при бурении, в оптимизацию режимов бурения, создание конструкций бурильных машин и бурового инструмента, средств борьбы с пылеобразованием (А. Ф. Суханов, В. К. Бучнев, Л. И. Барон, О. Д. Алимов, Б. Н. Кутузов и др.). На основании обобщения опыта бурения шахтных стволов выполнены научные и проектно-конструкторские работы по созданию более совершенных установок для бурения стволов. Под руководством Маньковского разработаны теоретические основы гидродинамики промывочных растворов, проектирования бурового инструмента, режимов бурения, динамики буровых установок, регенерации промывочного раствора (П. Я. Кочина, И. М. Верховский, Д. С. Муравьёв, Л. Г. Подоляко, А. А. Шубин, В. А. Федюкин и др.). Научно обосновывается возможность расширения области целесообразного применения способа замораживания горных пород для строительства стволов в условиях больших глубин, высоких напоров и солёности подземных вод и температуры среды (Маньковский, И. Д. Насонов, О. А. Долгов, П. А. Шрайбер, А. З. Литвин, П. М. Тютюник и др.). Проводятся глубокие теоретические и экспериментальные исследования процесса замораживания фильтрующих пород (Насонов).

В 70-е гг. научные обобщения отечественного и зарубежного опыта обеспечили более высокий уровень производства работ по строительству тоннелей и подземных сооружений больших размеров. Особо следует отметить разработку и широкое применение механизированных тоннелепроходческих машин, самоходного мощного бурового оборудования, контурного взрывания, облегчённых и экономичных видов крепи из штанг (В. П. Волков, В. Н. Семевский, А. Н. Комаровский, А. П. Широков). Проводятся исследования по разработке конструкций подземных хранилищ нефти и газа и технологии их строительства (О. М. Иванцов, В. А. Мазуров, В. И. Смирнов). Формируется научное направление по механике подземных сооружений (Н. С. Булычёв, Б. А. Картозия, И. В. Баклашов, Н. Н. Фотиева и др.). Разрабатываются прогрессивные методы расчёта крепей транспортных и гидротехнических тоннелей, расположенных в сложных горно-геологических условиях — в массивах, подверженных действию тектонических сил, в районах многолетней мерзлоты, в сейсмически активной области (И. Я. Дорман и др.). Обобщаются научные исследования по всему комплексу строительства горных выработок и подземных сооружений в различных условиях (Покровский, Насонов, В. В. Смирняков).

Систематизируются теоретические исследования и производственный опыт строительства тоннелей и подземных сооружений больших размеров, в котором отражены выбор способа и технологии строительства, методы расчёта основных параметров производственных процессов, организации работ, установление области целесообразного применения высокопроизводительных машин и комплексов, научные основы автоматизированных систем проектирования организации и производства горно-строительных работ (В. М. Мостков, Л. В. Маковский, В. П. Волков, А. Н. Комаровский, Р. А. Резников, Д. М. Голицинский, В. И. Самойлов и др.). В 70-80-х гг. уделяется большое внимание развитию и совершенствованию строительства стволов с использованием тампонирования горных пород (Э. Я. Кипко, И. Д. Насонов, О. Ю. Лужникова, Ю. А. Полозов, Е. П. Калмыков и др.).

В CCCP исследования в области строительной горной технологии ведутся в Проблем комплексного освоения недр институте Академии Наук СССР, ИГД CO Академии Наук CCCP, Горном институте Кольского филиала Академии Наук CCCP, Институте физики и механики горных пород Академии Наук Киргизской CCP, Институте геотехнической механики Академии Наук УССР, Институте горной механики Академии Наук Грузинской CCP, в ИГД им. А. А. Скочинского, ВНИИОМШСе (Харьков), ЦНИИПодземмаше (Москва), КузНИИШахтстрое (Кемерово), Центрогипрошахте (Москва), КузНИУИ (Прокопьевск), ДонУГИ, Гипроуглемаше (Москва), Гидропроекте (Москва) и др., а также в Московском, Ленинградском, Свердловском, Днепропетровском, Донецком, Криворожском и других учебных институтах горного профиля.