Вопрос № 19 и № 20

Шурф — вертикальная (редко наклонная) горная выработка небольшой глубины (до 40 м), проходимая с земной поверхности для разведки полезных ископаемых, вентиляции, водоотлива, транспортирования материалов, спуска и подъёма людей и для других целей^[1]. Площадь поперечного сечения шурфа от 0,8—4 кв. м. Форма поперечного сечения подразделяется на круглое либо прямоугольное, редко квадратное.

К механизированным способам проходки шурфов относят такие, при которых основные проходческие операции - выемка породы, ее погрузка и доставка на поверхность выполняются без присутствия людей в забое. Механизированные способы можно условно разделить на две группы: способы, при которых используют машины с исполнительными органами, работающими по принципу черпания породы; способы, при которых используют машины с исполнительными органами бурового типа (буровые способы).
Исполнительный орган машин первого типа выполнен в виде ковшового элеватора или грейфера. Ковшовыми элеваторами оснащают установки, предназначенные для рытья котлованов под опоры линий электропередачи и для других целей. Недостатками установок подобного типа являются значительная масса (около 20 т), ограниченная глубина проходки (около 5 м), низкая эффективность в породах с гравийно-галечными включениями размером более 100 мм. По указанным причинам машины рассмотренного вида могут быть использованы для проходки разведочных шурфов лишь в отдельных случаях.
Значительно более широкую область применения имеют машины с исполнительными органами грейферного типа.

Схема напорного грейфера.
Принцип его работы заключается в следующем. Грейфер в раскрытом виде опускается на трубах в шурф. Ходовая муфта находится в верхнем положении. Под действием осевого усилия, передаваемого через трубу, челюсти внедряются в породу. При вращении труб и ходового винта муфта перемещается вниз и, воздействуя через рычаги на челюсти, закрывает грейфер.
Встречающиеся на пути грейфера гравийно-галечные включения и валуны частично разрушаются и отжимаются за пределы шурфа или внутрь грейфера.
Типовыми технологическими схемами предусматривается проведение разведочных шурфов глубиной до 10 и 15 м установками с грейферными рабочими органами.
Грейферная установка позволяет проходить шурфы глубиной до 10м.
На глубину более 2 м спуск и подъем людей и элементов крепи осуществляют вспомогательным подъемным устройством, которым оснащена установка.
Радиус поворота и высота разгрузки грейфера позволяют формировать отвал с размерами, достаточными для размещения всей породы при проходке шурфа на проектную глубину.
При выполнении работ в шурфе проветривание его обеспечивается с помощью вентилятора, а водоотлив - с помощью насоса.
Для проходки шурфов по скальным породам с предварительным рыхлением их взрывом, в комплекте установки предусмотрено оборудование для бурения шпуров, бадья, предохранительный полок и подвесная лестница.
Для проведения разведочных шурфов глубиной до 15 м предназначена грейферная установка УГШН-15. Рабочий орган установки позволяет вести непосредственную выемку пород I - IV категорий, а более крепких - после предварительного рыхления буровзрывным способом. Установка позволяет проходить шурфы квадратной (площадь сечения в свету 2 метра квадратного) или круглой (площадь сечения в свету 1,5 метра квадратного) формы.
Технология выемки породы, возведения инвентарной крепи, проветривания и водоотлива при проходке шурфа установкой УГШН-15 аналогична рассмотренной для установки ЭО-4321.
При глубине шурфа до 3 м установка позволяет формировать временный отвал вместимостью 8 м. куб., породу из которого при дальнейшей углубке шурфа необходимо перемещать в основной отвал.
Для механизации выемки при проходке по предварительно разрыхленной взрывом породе установку УГШН-15, так же как и ЭО-4321, комплектуют необходимым дополнительным оборудованием.
Проходка шурфов способом бурения все шире применяется в практике геологоразведочных работ. Разрушение породы при буровом способе осуществляется вращающимися, ударными или комбинированными бурами с использованием универсальных специализированных бурильных установок или оборудованных: для этой цели кранов, экскаваторов и других машин.
При бурении шурфов полностью механизируются операции-разрушения породы в забое, ее погрузки и транспортирования на поверхность, обеспечивается высокая скорость проходки, повышается безопасность работ, улучшаются условия труда.
В процессе проходки шурфа на поверхность поднимается большой объем породы, что дает возможность решить практически все вопросы геологической документации и опробования на поверхности. Таким образом, часто отпадает необходимость крепления шурфа после его проходки. В тех же случаях, когда крепление необходимо, круглое сечение позволяет применять эффективные конструкции крепи многоразового использования из современных конструкционных материалов.
Процесс бурения шурфа имеет циклический характер. Технологический цикл включает следующие операции: спуск породо-разрушающего органа (бура) на забой; углубку шурфа (заполнение бура породой), выполняемую при оптимальной частоте вращения бура и осевой нагрузке на забой; подъем бура, заполненного породой, на поверхность и разгрузку бура от породы.
Забуривание шурфа производится при пониженных значениях частоты вращения и осевой нагрузки на породо-разрушающий орган.
Оборудование для бурения шурфов. Наиболее удобными для бурения разведочных шурфов являются самоходные буровые установки, выполненные на базе автомобилей высокой проходимости и гусеничных тракторов. Одни из этих установок предназначены для бурения скважин различного диаметра, в том числе и для проходки шурфов, другие разработаны и применяются только для бурения шурфов. Примером буровых установок первого типа является наиболее широко распространенная ЛБУ-50. Установка состоит из бурового станка, смонтированного на шасси автомобиля высокой проходимости, лебедки; планетарного типа, работающей от двигателя базового автомобиля, гидравлического механизма подачи и кривошипно-шатунного ударного механизма. Транспортирование бурового инструмента и вспомогательного оборудования осуществляется в прицепе.
Установка укомплектована инструментом для бурения скважин шнековым и ударно-канатным способами, а также оборудованием для проходки шурфов.
Мощная гидросистема установки обеспечивает подъем-опускание мачты, перемещение вращателя, создание осевой нагрузки на забой и разгрузку бура.
Примером специализированных буровых установок является УБСР-25. Она смонтирована на трелевочном тракторе и поэтому может быть использована в труднодоступных районах. Привод бурового станка осуществляется непосредственно от двигателя трактора. Буровая установка предназначена для проходки шурфов при разведке россыпных месторождений в талых породах, содержащих галечно-гравийные включения и валуны (размером до 200 мм - ковшовыми бурами - и до 500 мм - грейфером).
Установка состоит из мачты, подвижного ротора, лебедки, гидравлического механизма подачи и пульта управления.
Процесс бурения шурфа совмещается с креплением его металлическими обсадными трубами. Обсадка производится при вращательно-поступательном перемещении труб ротором и системой гидравлической подачи.

Буровой инструмент для бурения шурфов. При вращательном бурении шурфов наибольшее распространение получил шнековый бур. Он представляет собой вал, к которому по винтовой линии приварены одна или две лопасти, служащие для размещения разрушенной породы. К нижней кромке лопастей крепятся сменные ножи, разрушающие при вращении, бура основной объем породы. На верхнем конце вала расположен переходник для соединения с буровой штангой, а на нижней - центрирующее долото. Наиболее эффективно порода разрушается в том случае, когда породо-разрушающие элементы бура выполнены в виде зубчатых (с прерывистой кромкой) ножей, армированных твердым сплавом. Им армируется также и центрирующее долото, разрушающее центральную часть забоя.
На практике применяют двух- и однозаходные шнековые шурфобуры с шагом навивки лопастей 500 - 800 мм. Использование двухзаходных шурфобуров целесообразнее, поскольку они являются по сравнению с однозаходными более уравновешенно системой, вследствие чего обеспечивается более точно заданное направление бурения и уменьшаются затраты энергии на преодоление сил трения бура о стенку шурфа. Во избежание запрессовки породы между лопастями число витков их должно быть наименьшим.
Самой трудоемкой операцией при бурении шурфа шнековым шурфобуром является его разгрузка. При проходке неглубоких шурфов в рыхлых породах шнековый бур можно освобождать от породы, используя действие центробежных сил при быстром вращении бура ведущей штангой буровой установки. При бурении глубоких шурфов этот способ неприемлем, так как устье шурфа быстро загромождается породой. Малоэффективен он и при проходке по липким глинистым породам. Ручная разгрузка, к которой прибегают в последнем случае, характеризуется высокой трудоемкостью.
С увеличением глубины шурфа и появлением операции соединения и разъединения штанг скорость бурения шурфа резко падает. Необходимость разборки буровой колонны после каждого рейса устраняется при использовании «скользящих» буров, которые опускаются в шурф на канатах, перемещаясь по гладкой колонке штанг. Центрирующее долото при этом размещается непосредственно на нижней буровой штанге. В конструкции бура предусмотрено устройство, предотвращающее накручивание канатов на бурильные трубы.
Наряду со шнековыми в практике бурения шурфов широко применяются буры цилиндрические. Их преимущество перед другими конструкциями состоит, прежде всего, в том, что при оборудовании приемных окон в днище резиновыми клапанами они успешно применяются при проходке по рыхлым породам, насыщенным водой.
Цилиндрические буры имеют плоское или конусное днище. Оптимальный угол конусности днища составляет 120°. Обычно в днище бура имеется два окна, одна из радиальных кромок которых оборудована съемными ножами, такими же, как и у шнековых буров.
Разгрузка цилиндрического бура от породы является сложной операцией. В практике применялись конструкции буров с различными способами разгрузки, но наиболее приемлемым оказался способ, использованный в конструкции бура установки ЛБУ-50.
Шурфобур ЛБУ-50 состоит из сборного цилиндрического корпуса, днища и центральной трубы. Наличие центральной трубы и специального устройства в верхней части бура обеспечило возможность подъема бура, заполненного породой, без разборки колонны бурильных труб.
В днище имеется два проходных окна, через которые бур заполняется породой. Разрушение породы осуществляется двумя съемными, размещенными наклонно у проходных окон ножами с прерывистой режущей кромкой.
Цилиндрический корпус состоит из четырех одинаковых секций, каждая из которых посажена на вертикальную ось, закрепленную в верхней части бура и в днище. При бурении все секции зафиксированы таким образом, что образуют цилиндрический корпус. При разгрузке бура на поверхности каждая секция цилиндра с помощью специального гидроключа поворачивается на 90°. При этом порода частично выталкивается из бура, а оставшаяся часть ее выгружается вручную. Объем работы по разгрузке бура вручную значительно возрастает при проходке по тяжелым глинистым породам.
Дальнейшим развитием конструкции бура с гидрофицированной разгрузкой является кассетный бур. Из двух проходных окон в днище бура порода поступает в две кассеты, каждая из которых представляет собой контейнер, ограниченный по бокам с одной стороны цилиндрической поверхностью, а с другой - диаметральной плоскостью.
Для разгрузки кассет после подъема бура на поверхность их поочередно снимают с него с помощью кран-балки установки, отводят в сторону к месту разгрузки, раскрывают и освобождают от породы. При наличии сменного комплекта кассет операцию разгрузки бура можно совместить с бурением.
В комплект бурового инструмента установки УБСР-25, наряду с грейфером и однолезвийным долотом, предназначенным для проходки по породам с включением валунов, входит цилиндрический бур, по конструкции являющийся кассетным. Кассета цилиндрической формы, имеющая центральную трубу, передовое долото и оснащенная основными ножами, вставляется в бур снизу и фиксируется. Проходка шурфа ведется с использованием двух основных технологических схем. По первой схеме бур опускается в шурф на буровых штангах, а по второй - на канате, причем на забое бур специальными стопорными устройствами фиксируется в обсадных трубах. Вращающий момент передается буру через обсадные трубы. Непосредственно под торцевой частью трубы забой разрушается с помощью фрезерного башмака.
Стремление облегчить операцию разгрузки бура и упростить его конструкцию привело к созданию дискового бура. Дисковый бур является модификацией скользящего бура. Он не имеет боковой цилиндрической поверхности, а порода в процессе углубки шурфа аккумулируется непосредственно на плоском днище, имеющем два проходных окна и ножи, располагаемые у окон под углом 45 - 75° в зависимости от свойств пересекаемых пород. Дисковый бур может эффективно применяться при проходке по ненасыщенным водой породам.
Представляет интерес конструкция колонкового бура для мягких пород. Бур состоит из двух частей, расположенных одна над другой таким образом, что возможен поворот на некоторый угол одной части относительно другой. Вращающий момент передается через бурильные трубы верхней части бура. Разрушение породы при вращении бура производится двумя наклонными ножами, образующими кольцевой забой. Большая часть породы поступает в бур в виде керна, а разрушенная ножами аккумулируется в кольцевом пространстве между стенкой бура и керном и частично размещается на керне сверху.
После прекращения углубки включается обратное вращение бура, вследствие чего верхняя его часть поворачивается относительно нижней. При этом с помощью специального устройства включаются расположенные в нижней части бура подрезные ножи. В рыхлых породах подрезка керна осуществляется в процессе поворота верхнего цилиндра относительно нижнего, а в крепких - постепенно при продолжающемся обратном вращении. После подрезки керн поднимается на поверхность в буре.
Для бурения шурфов в породах средней крепости был разработан и испытан колонковый бур, в конструкции которого для отрыва керна предусмотрена система гидроцилиндров. Штоки гидроцилиндров, оснащенные рабочими наконечниками, внедряются в керн и производят его откол. На поверхность керн поднимается на выдвинутых штоках.
Ударное бурен и е шурфов может осуществляться по одной из трех схем: свободно падающим буром с подъемом породы в нем после каждого удара; забивкой бура тяжелой штангой с подъемом породы в нем; разрушением породы на забое серией последовательных ударов долота и подъемом разрушенной породы желонкой.
По первой схеме бурение ведется путем подъема и сбрасывания бура на забой с помощью лебедки бурового станка. Для работы по второй схеме используют буровые установки, оборудованные механизмами, способными наносить удары по забою с определенной частотой. Третья схема используется при бурении установками типа УКС.
Для бурения по первой схеме разработан ячеистый бур. Для удержания породы от выпадения при подъеме внутренняя полость бура снабжена перемычками, образующими ряд ячеек. Освобождение бура от породы происходит после одного-двух ударов по его корпусу.
Технологические параметры и технико-экономические показатели бурения шурфов. Технология бурения шурфов определяется как физико-механическими свойствами пород, так и техническими возможностями применяемого оборудования. Применительно к наиболее распространенному вращательному способу бурения в породах до IV - V категорий основными технологическими параметрами являются частота вращения бура и осевая нагрузка на забой. Частота вращения бура при данной величине установленной мощности привода связана, как известно, с величиной вращающего момента, который ограничивается прочностью элементов трансмиссии.
Вращательное бурение шурфов производится в основном бурами, осуществляющими разрушение породы и аккумулирующими ее. При этом сопротивление заполнению бура постепенно возрастает, механическая скорость бурения падает, и углубка прекращается.
Осевая нагрузка оказывает существенное влияние на производительность бурения.
При бурении шурфов цилиндрическим буром установки ЛБУ-50 скорость бурения возрастает при увеличении осевой нагрузки. Дальнейшее увеличение ее приводит лишь к росту вращающего момента, поскольку бур прижимается днищем к забою (ножи полностью заглублены в породу). Одновременно с осевой нагрузкой увеличивается и вращающий момент. Его максимальное значение у ЛБУ-50 соответствует частоте вращения на первой передаче. При более высокой частоте вращения вращающий момент уменьшается и его величина становится недостаточной для реализации больших значений осевой нагрузки.
Производительность при буровом способе проходки шурфов намного превосходит этот показатель при других способах. Например, по сравнению с проходкой вручную при глубине шурфов до 15 м она выше в 5 - 7 раз.
Стоимость проходки шурфов способом бурения (на примере установки ЛБУ-50) в 4 - 6 раз ниже, чем при ручном способе. Однако при буровом способе следует учитывать объем шурфо-проходческих работ, так как амортизационные отчисления производятся независимо от объема работ, а стоимость буровых установок довольно высокая. Из графика следует, что в общем случае существенный экономический эффект от применения буровой установки ЛБУ-50 можно получить при годовом объеме работ на одну установку (при глубине шурфов до 10 м) не менее 2,5 - 5 тыс. м.
Широкому внедрению бурового способа проходки шурфов при разведке месторождений препятствуют небольшие объемы шурфопроходческих работ, большая разбросанность участков работ, а также сложные географические, топографические и геологические условия проведения выработок. Эффективность бурового способа проходки шурфов увеличивается в том случае, если при недостаточно больших объеме и концентрации шурфо-проходческих работ используются универсальные установки, предназначенные и для бурения разведочных скважин, и для бурения шурфов.
Область проходки шурфов способом бурения может быть существенно расширена путем создания эффективного породо-разрушающего инструмента и совершенной технологии для плывунов, несвязных сыпучих, мерзлых, средней крепости и крепких горных пород.
Ликвидация шурфов. Как и другие разведочные выработки (канавы, траншеи, стволы шахт и штольни), шурфы по окончании работ должны быть ликвидированы (погашены). Погашение шурфов производится путем их засыпки. Наиболее целесообразно эту операцию выполнять с помощью бульдозеров или экскаваторов.
При глубине шурфов более 10 м ликвидацию шурфов можно производить путем надежного перекрытия двумя прочными полками (деревянными, железобетонными или из металлических балок). Один полок устанавливается на глубине расположения коренных пород, но не менее 10 м от поверхности, а другой - на уровне поверхности. Пространство между полками засыпается.
Вокруг устья ликвидированного шурфа устанавливается ограждение высотой не менее 2,5 м.
Если шурфы пройдены по слабым или обводненным породам, то их ликвидация может производиться только путем засыпки породой с последующей досыпкой после осадки.
При погашении шурфов допускается извлечение инвентарной крепи, если это предусматривается ее конструкцией, указывается в документации по эксплуатации и если в процессе раскрепления шурфа не будет происходить проседание поверхности.
До начала извлечения крепи выработка должна быть тщательно осмотрена. При наличии больших перекосов и сдвигов крепи извлекать ее из шурфа не разрешается.
Извлечение крепи производится только с поверхности отдельными секциями при помощи подъемных устройств. До извлечения очередной секции (кольца) крепи выработка должна быть предварительно засыпана до уровня извлекаемой секции, причем засыпка выработки путем частичного обрушения стенок шурфа не допускается.
Нахождение людей в забое шурфа при извлечении инвентарной крепи допускается только в том случае, если это предусмотрено конструкцией крепи и указано в ее эксплуатационной документации.