Вертикальный ствол шахты

Вертикальный ствол шахты — это капитальная горная выработка, имеющая прямое сечение (круглое, прямоугольное или иной формы) и значительную глубину, предназначенная для вскрытия месторождений полезных ископаемых, транспортировки грузов и людей, подачи свежего воздуха, выдачи отработанной атмосферы, а также для прокладки инженерных коммуникаций. Вертикальные стволы являются основными элементами подземной инфраструктуры горнодобывающих предприятий, обеспечивая связь между поверхностью и подземными горизонтами.

История развития

Первые вертикальные стволы начали сооружать в глубокой древности для добычи кремня, медных и оловянных руд. В Древнем Египте (около 2000 лет до н. э.) шахты глубиной до 100 метров проходили вручную с использованием каменных и медных инструментов. В Средние века в Европе (Германия, Чехия) глубина стволов достигала 200–300 метров, а их крепление выполнялось из дерева.

Промышленная революция XVIII–XIX веков привела к резкому увеличению глубины и диаметра стволов. В 1850-х годах в Англии начали применять паровые машины для откачки воды и подъёма руды. В России первый вертикальный ствол глубиной более 100 метров был пройден на Урале в середине XVIII века при разработке медных руд. К началу XX века в Донбассе и на Урале сооружались стволы глубиной до 500 метров.

В СССР в 1930–1950-х годах были разработаны методы скоростной проходки с использованием буровзрывных работ и механизированных комплексов. В 1970–1980-х годах в Кузбассе и Норильске были пройдены стволы глубиной более 1000 метров. Современные технологии, такие как бурение стволов большого диаметра (до 8–10 метров) и применение роботизированных систем, появились в конце XX — начале XXI века.

Классификация

Вертикальные стволы шахт классифицируются по нескольким признакам.

По назначению

• Главные (основные) — предназначены для выдачи полезного ископаемого на поверхность, спуска-подъёма людей и материалов, подачи свежего воздуха. Обычно имеют наибольший диаметр и оснащены подъёмными установками.
• Вспомогательные — служат для вентиляции, водоотлива, прокладки кабелей и трубопроводов. Могут быть меньшего диаметра.
• Вентиляционные — специально предназначены для подачи или выдачи воздуха. Часто не имеют подъёмных машин.
• Слепые (глухие) — стволы, не выходящие на поверхность, соединяющие подземные горизонты между собой.

По форме поперечного сечения

• Круглые — наиболее распространённая форма благодаря максимальной устойчивости пород и равномерному распределению горного давления. Диаметр варьируется от 2 до 12 метров.
• Прямоугольные — применяются в устойчивых породах при небольшой глубине (до 200–300 метров). Легче в проходке, но менее устойчивы.
• Эллиптические — используются в сложных горно-геологических условиях для снижения концентрации напряжений.

По способу проходки

• Буровзрывным способом — традиционный метод, при котором породу разрушают взрывами, а затем удаляют механизмами.
• Механическим способом — с использованием проходческих комбайнов (буровых установок) для разрушения породы без взрывов.
• Комбинированным способом — сочетание буровзрывных работ и механического разрушения.

Устройство и элементы

Вертикальный ствол шахты состоит из следующих основных частей:

• Устье — верхняя часть ствола, расположенная на поверхности. Оборудуется надшахтным зданием (копром), подъёмными машинами, бункерами для руды.
• Ствол — основная вертикальная выработка, проходящая через горные породы. Внутри ствола размещаются:
• Крепь — конструкция, укрепляющая стенки ствола и предотвращающая обрушение породы. Выполняется из бетона, железобетона, металла, реже — из дерева или камня.
• Армировка — система металлических балок (расстрелов) и направляющих (проводников), по которым движутся подъёмные сосуды (скипы, клети).
• Лестничное отделение — для аварийного выхода людей.
• Трубопроводы — для подачи сжатого воздуха, воды, откачки воды (водоотлив).
• Кабели — для электроснабжения, связи, автоматики.
• Зумпф — нижняя часть ствола, расположенная ниже последнего рабочего горизонта. Служит для сбора воды и осадка, а также для размещения насосов водоотлива.
• Околоствольный двор — комплекс выработок на каждом горизонте, соединяющих ствол с подземными горными работами.

Проходка стволов

Проходка вертикального ствола — сложный и трудоёмкий процесс, включающий несколько этапов.

Буровзрывной способ

1. Бурение шпуров — в забое ствола бурят отверстия (шпуры) глубиной 2–5 метров.
2. Заряжание и взрывание — в шпуры закладывают взрывчатку и производят взрыв, разрушающий породу.
3. Проветривание — удаление взрывных газов с помощью вентиляции.
4. Уборка породы — разрушенную породу грузят в бадьи (специальные контейнеры) и поднимают на поверхность.
5. Крепление — после уборки породы устанавливают постоянную крепь (бетонирование, установка тюбингов).

Механический способ

Применяются проходческие комбайны (буровые установки), которые разрушают породу вращающимся инструментом (шарошками, резцами). Преимущества: высокая скорость, безопасность, отсутствие взрывов. Недостатки: высокая стоимость оборудования, ограничения по крепости пород.

Специальные методы

• Заморозка — при проходке в водоносных породах грунт замораживают до температуры -20…-40 °C, что создаёт водонепроницаемую стену.
• Цементация — нагнетание цементного раствора в трещины пород для их упрочнения.
• Кессонный метод — проходка под сжатым воздухом для предотвращения притока воды.

Оборудование

Для эксплуатации вертикальных стволов используется следующее оборудование:

• Подъёмные машины — электрические или гидравлические лебёдки, поднимающие и опускающие скипы (для руды) или клети (для людей и материалов). Скорость подъёма может достигать 12–16 м/с.
• Копры — металлические или железобетонные башни над устьем ствола, на которых устанавливаются шкивы для канатов.
• Вентиляторы — главные вентиляционные установки, обеспечивающие подачу свежего воздуха и удаление отработанного.
• Водоотливные насосы — центробежные или поршневые насосы для откачки воды из зумпфа.
• Системы автоматики и управления — контролируют положение подъёмных сосудов, скорость, загрузку, а также параметры вентиляции и водоотлива.

Применение

Вертикальные стволы используются в следующих отраслях:

• Горнодобывающая промышленность — добыча угля, руд чёрных и цветных металлов, алмазов, калийных солей. Например, в России крупнейшие вертикальные стволы глубиной до 1500 метров эксплуатируются на рудниках Норильска (Норильский промышленный район) и Кузбасса.
• Строительство — сооружение шахт для метрополитенов (вентиляционные стволы), тоннелей, подземных хранилищ.
• Гидротехника — создание стволов для гидроэлектростанций (напорные шахты).
• Военное дело — строительство подземных командных пунктов, хранилищ.

Безопасность и риски

Эксплуатация вертикальных стволов сопряжена с рядом опасностей:

• Обрушение породы — из-за недостаточной крепи или горного давления.
• Внезапные выбросы газа (метан, углекислый газ) — особенно в угольных шахтах.
• Прорывы воды — при пересечении водоносных горизонтов.
• Аварии подъёмных установок — обрыв канатов, поломка механизмов.
• Пожары — в стволах, оборудованных электрическими кабелями и конвейерами.

Для минимизации рисков применяются строгие правила безопасности: регулярный осмотр крепи, контроль газовой обстановки, автоматическое торможение подъёмных машин, наличие аварийных выходов (лестничные отделения).

Интересные факты

• Самая глубокая в мире вертикальная шахта — рудник «Тау-Тона» (ЮАР), глубина около 3900 метров.
• В России глубочайший вертикальный ствол (около 1600 метров) находится на руднике «Скалистый» (Норильск).
• В СССР в 1960-х годах была установлена рекордная скорость проходки ствола — 401 метр в месяц (шахта «Вертикальная» в Донбассе).
• Для крепления стволов на больших глубинах (свыше 1000 метров) применяют специальные высокопрочные бетоны и металлические тюбинги, выдерживающие давление до 50–100 МПа.

Источники

• Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1984–1991.
• Правила безопасности при строительстве и эксплуатации вертикальных стволов шахт (РД 06-02-2006).
• Справочник по строительству подземных сооружений. — М.: Недра, 1988.
• Технология и механизация проходки вертикальных стволов. — М.: Горная книга, 2012.
• Отчёты АО «Норильский никель» о глубине шахтных стволов (2010–2020).