Шахтный ствол

Шахтный ствол — это вертикальная (реже наклонная) горная выработка, имеющая непосредственный выход на земную поверхность и предназначенная для обслуживания подземных работ. Ствол является главным элементом шахты, обеспечивающим доступ к полезному ископаемому, выдачу его на поверхность, спуск и подъём людей и грузов, подачу свежего воздуха, откачку воды, а также прокладку коммуникаций (электрических кабелей, трубопроводов). В зависимости от назначения и способа проходки шахтные стволы классифицируются по ряду признаков и являются наиболее сложными и дорогостоящими горными сооружениями.

История развития

Первые шахтные стволы появились в глубокой древности для добычи кремня, меди и золота. В Древнем Египте (около 3000 лет до н. э.) стволы глубиной до 50 метров проходили вручную с помощью каменных и медных инструментов. В Средние века в Европе (Германия, Чехия) глубина стволов достигала 200–300 метров, а их крепление выполнялось из дерева. С началом промышленной революции (XVIII–XIX века) возникла необходимость в более глубоких и устойчивых стволах: в Англии для угольных шахт начали применять кирпичную и каменную кладку. В 1820-х годах в Бельгии впервые использовали чугунные тюбинги для крепления стволов в водоносных породах. В XX веке с развитием горной техники появились буровзрывной способ проходки и механизированные комплексы, а глубина стволов превысила 1000 метров. В СССР в 1930–1950-х годах были разработаны методы скоростной проходки, позволившие сооружать стволы глубиной до 1500 метров для угольной и рудной промышленности. Современные технологии включают бурение стволов большого диаметра (до 12 метров) с использованием проходческих комбайнов и замораживания пород.

Классификация шахтных стволов

Шахтные стволы классифицируются по нескольким основным признакам: назначению, форме поперечного сечения, углу наклона, способу проходки и типу крепи.

По назначению

• Главные (подъёмные) стволы — предназначены для выдачи полезного ископаемого на поверхность, а также для спуска и подъёма людей. Оборудуются подъёмными машинами (клетевыми или скиповыми).
• Вспомогательные стволы — служат для вентиляции, спуска материалов, откачки воды и прокладки коммуникаций. Часто используются как запасные выходы.
• Вентиляционные стволы — обеспечивают подачу свежего воздуха в шахту и удаление отработанного. Могут быть как самостоятельными, так и совмещёнными с другими функциями.
• Слепые стволы — не имеют выхода на поверхность, соединяют горизонты внутри шахты (например, для перегрузки руды).

По форме поперечного сечения

• Круглые — наиболее распространённая форма. Обладают высокой устойчивостью к горному давлению, удобны для крепления и армирования. Применяются при глубине свыше 300 метров.
• Прямоугольные — использовались в XIX — начале XX века, особенно в угольных шахтах. Менее устойчивы, требуют более массивной крепи. В настоящее время встречаются редко.
• Эллиптические и сводчатые — применяются в специфических горно-геологических условиях (например, при неустойчивых породах).

По углу наклона

• Вертикальные (угол наклона 90°) — основной тип для глубоких шахт. Обеспечивают минимальную длину выработки при заданной глубине.
• Наклонные (угол наклона от 5° до 45°) — используются при разработке пологих пластов или для транспортировки горной массы конвейерами. Требуют специальных подъёмных устройств.

По способу проходки

• Обычный (буровзрывной) способ — включает бурение шпуров, заряжание взрывчаткой, взрывание и уборку породы. Применяется в крепких породах.
• Бурение стволов большого диаметра — механическое разрушение породы вращающимся инструментом. Позволяет проходить стволы без присутствия людей в забое.
• Способ с замораживанием — используется в водоносных и неустойчивых породах. Вокруг ствола бурят скважины, через которые циркулирует хладагент, замораживающий породу.
• Способ с цементацией — нагнетание цементного раствора в трещины породы для её упрочнения и водонепроницаемости.

Устройство и конструкция

Шахтный ствол состоит из нескольких основных конструктивных элементов:

• Устье ствола — верхняя часть, расположенная на поверхности. Укрепляется бетонным или железобетонным оголовком для защиты от атмосферных воздействий и предотвращения обрушения.
• Ствол (стволовая часть) — основная вертикальная выработка, проходящая через толщу горных пород. Крепится постоянной крепью (бетон, железобетон, тюбинги, анкеры).
• Забой ствола — нижняя часть, где ведутся проходческие работы. После завершения проходки забой оборудуется зумпфом (углублением для сбора воды).
• Армировка — система металлических или железобетонных конструкций (расстрелы, проводники), направляющих движение подъёмных сосудов (клетей, скипов). Обеспечивает безопасность и плавность хода.
• Крепь — постоянная или временная конструкция, предотвращающая обрушение породы. Основные типы: бетонная (монолитная или набрызг-бетон), железобетонная (тюбинги), металлическая (чугунные или стальные тюбинги), анкерная (в устойчивых породах).
• Околоствольный двор — комплекс выработок вокруг ствола на каждом горизонте, включающий приёмные площадки, камеры для подъёмных машин, водоотливные установки и склады.

Проходка шахтных стволов

Проходка ствола — сложный и трудоёмкий процесс, включающий несколько этапов:

1. Подготовительные работы — разметка, сооружение устья, монтаж проходческого оборудования (лебёдки, вентиляция, водоотлив).
2. Бурение и взрывание (при буровзрывном способе) — бурят шпуры глубиной 1,5–4 метра, заряжают их взрывчаткой и производят взрыв. Породу убирают грейфером или погрузочной машиной.
3. Крепление — после уборки породы возводят постоянную крепь. Для бетонной крепи используют опалубку, для тюбингов — монтаж вручную или с помощью механизмов.
4. Армирование — установка проводников и расстрелов по мере углубления ствола.
5. Оснащение — монтаж подъёмных машин, вентиляционных труб, кабелей и трубопроводов.

Скорость проходки варьируется от 20–50 метров в месяц при ручных работах до 200–400 метров в месяц при использовании современных механизированных комплексов. Рекордные показатели в СССР достигали 500 метров в месяц.

Применение и значение

Шахтные стволы являются критически важными элементами горнодобывающей промышленности. Они используются:

• В угольной промышленности — для добычи каменного и бурого угля. Глубина стволов достигает 1500 метров (например, шахта «Воркутинская»).
• В рудной промышленности — для добычи железных, медных, золотоносных и других руд. Самые глубокие стволы (до 4000 метров) находятся в Южной Африке (шахта «Тау-Тона»).
• В калийной промышленности — для добычи калийных солей (например, стволы Верхнекамского месторождения).
• В строительстве — для сооружения метрополитенов (стволы для вентиляции и монтажа тоннелей), гидротехнических сооружений (водозаборные стволы), подземных хранилищ газа и нефти.
• В научных целях — для создания глубоких подземных лабораторий (например, Баксанская нейтринная обсерватория).

Интересные факты

• Самый глубокий шахтный ствол в мире — ствол № 5 шахты «Мпоненг» (ЮАР), глубина около 4000 метров. Температура пород на такой глубине превышает 60 °C, что требует мощных систем охлаждения.
• В России самый глубокий ствол — на шахте «Комсомольская» (Воркута), глубина около 1500 метров.
• При проходке стволов в водоносных породах иногда используют метод «замораживания»: вокруг ствола бурят до 30–50 скважин, через которые закачивают хладагент (рассол), создавая ледяную стену толщиной до 3 метров.
• В XIX веке для крепления стволов применяли деревянные срубы, которые быстро гнили и требовали замены. Переход на каменную и бетонную крепь значительно увеличил срок службы стволов (до 50–100 лет).
• В СССР в 1930-е годы была разработана технология скоростной проходки, позволившая сооружать стволы со скоростью до 100 метров в месяц. В 1950-е годы этот показатель был увеличен до 300 метров.

Критика и проблемы

Несмотря на высокую эффективность, шахтные стволы имеют ряд недостатков:

• Высокая стоимость — сооружение одного ствола глубиной 1000 метров может стоить десятки миллионов долларов.
• Опасность для рабочих — проходка стволов сопряжена с риском обрушений, прорывов воды, взрывов газа и пыли.
• Экологические последствия — устье ствола нарушает ландшафт, а при вентиляции выбрасывается пыль и вредные газы.
• Ограничения по глубине — при глубине свыше 2000 метров резко возрастает горное давление и температура, что требует специальных материалов и оборудования.

Источники

• Горная энциклопедия. Том 5. — М.: Советская энциклопедия, 1991.
• Справочник по горному делу / Под ред. В. В. Ржевского. — М.: Недра, 1987.
• Технология проходки шахтных стволов / А. И. Козлов, В. М. Москаленко. — М.: Недра, 1995.
• Шахтное строительство: учебник для вузов / В. А. Ковалёв, А. В. Ковалёв. — М.: Горная книга, 2010.
• История горного дела: от древности до наших дней / И. И. Панфилов. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2015.