Как выбрать гидравлический горный перфоратор для проходки тоннелей? Профессиональный метод

Стоимость неправильного выбора бурового станка при проходке тоннеля отражается в статье бухгалтерского учёта, которую большинство закупочных процессов не отслеживают: объём перебора на цикл. Буровой станок, несоответствующий поперечному сечению тоннеля, геологическому строению породы или глубине скважин, формирует взрывную схему с неравномерным распределением обрушения — на каждую скважину приходится больше или меньше породы для перемещения по сравнению с расчётными значениями, а контурные скважины приводят к неровным стенам выработки; объём бетона или набрызг-бетона, необходимый для заполнения перебора, оплачивается за каждый цикл на протяжении всего срока реализации проекта. В дорожном тоннеле длиной 5 км со средним количеством циклов 100 даже избыточный перебор в 0,1 м³ на цикл даёт суммарный излишек бетона в 10 м³, который не был заложен в бюджет.

Вот какова операционная значимость выбора бурового станка при проходке тоннелей. Технические решения касаются точности бурения скважин, стабильной скорости углубления в условиях изменчивой геологии и надёжной работы в режиме непрерывной эксплуатации — а не пиковых значений энергии удара, указанных в технической спецификации.

Конфигурация стрелы определяется поперечным сечением тоннеля, что, в свою очередь, определяет класс бурового молотка

Исходной точкой является поперечное сечение тоннеля, а не тип породы. Поперечное сечение определяет количество стрел, необходимых для проходческого комбайна, а это, в свою очередь, определяет механические ограничения по габаритам бурового молотка. Для небольших тоннелей площадью менее 20 м² (узкие горные выработки, небольшие подъездные забои) одностреловой комбайн должен обеспечивать бурение всех скважин из одной позиции каретки без её переустановки — буровой молоток должен быть достаточно компактным, чтобы соответствовать короткой геометрии стрелы, не жертвуя при этом энергией удара. Для дорожных тоннелей площадью более 80 м² двух- или трёхстреловой комбайн позволяет одновременно бурить несколько зон забоя; в этом случае выбор бурового молотка сводится к согласованию его класса по ударной энергии с характеристиками породы, тогда как стрела обеспечивает требуемый геометрический вылет.

Практическое следствие: в поперечном сечении железнодорожного тоннеля размером 6×7 м (42 м²) двухстреловой буровой установки-джамбо со средними перфораторами (80–150 Дж) обычно достигается более высокая производительность по сравнению с одностреловой установкой с тяжёлыми перфораторами, поскольку двухстреловая установка пробуривает забойную сетку из 80–120 скважин на 40–60 % быстрее за один цикл. Избыточная ударная энергия тяжёлого перфоратора расходуется неэффективно, если ограничивающим фактором является время позиционирования между скважинами, а не скорость проходки в каждой отдельной скважине.

Классификация горных пород для выбора перфоратора при проходке тоннелей

Геология тоннеля непрерывно изменяется вдоль трассы — на некоторых участках она оказывается твёрже, чем ожидалось, на других — мягче и более трещиноватой. Перфоратор должен обеспечивать удовлетворительные эксплуатационные характеристики во всём диапазоне геологических условий, с которыми предстоит столкнуться на практике, а не только в условиях проектного класса горных пород. В проектах, где перфоратор подбирается исходя из преобладающей геологии участка, но затем возникает необходимость проходки 40 м гранита с прочностью на сжатие 180 МПа при расчётной прочности проектных известняков в 100 МПа, наблюдается резкое снижение скорости проходки, что приводит к задержкам всего графика строительства.

Соответствующий критерий выбора оборудования для проходки тоннелей в условиях переменчивой геологии: выбирайте класс буровых установок (дрифтеров) исходя из самых твёрдых 20 % ожидаемых пород, а не из средних значений. Запас производительности на более мягких участках компенсируется более высокой скоростью проходки по сравнению с расчётной — это желательная ситуация. Недостаток производительности на участках с породами твёрже расчётных компенсируется задержками.

Матрица выбора дрифтеров для тоннельных работ

Точность пробуривания скважин: показатель производительности, специфичный для проходки тоннелей

При поверхностном бурении отклонение скважины по глубине влияет на геометрию взрыва, однако зачастую его можно компенсировать при проектировании заряда. При проходке тоннелей отклонение скважин определяет работоспособность выработки «выжигаемого» забоя — плотно расположенные незаряженные вспомогательные скважины в центре забоя должны находиться в пределах 20–30 мм от заданных проектных позиций; в противном случае последовательность выработки не обеспечивает надлежащего вытягивания породы, что снижает продвижение за цикл. Цикл с неудачной выработкой даёт продвижение всего на 1,5–2 метра вместо запроектированных 4–5 метров и требует повторного бурения следующего забоя.

Коэффициент полуколонн — это стандартный показатель качества контурного бурения: отношение длины видимых на обнажённой поверхности полуколонн от скважин под взрыв к общей длине контурных скважин. В прочных породах при правильном бурении шаблонов достижимы коэффициенты полуколонн в диапазоне 50–80 %. Неподходящий выбор бурового молотка — например, с чрезмерной чувствительностью к свободному удару, нестабильным управлением подачей или недостаточной функцией защиты от заклинивания для данной геологии — приводит к искривлению скважин и, как следствие, к низким значениям коэффициента полуколонн независимо от качества взрывчатых веществ. Компьютеризированные буровые установки с геометрией стрелы, обеспечивающей параллельное удержание, и автоматическими функциями захвата устья скважины дают значительно лучшие результаты по коэффициенту полуколонн в однородных породах по сравнению с ручными установками, оснащёнными теми же буровыми молотками.

Требования к продувке в туннельных условиях

Бурение тоннелей осуществляется почти исключительно с промывкой водой, в отличие от бурения уступов на поверхности, где практична промывка воздухом. Давление промывочной воды для типичных диаметров скважин при проходке тоннелей (45–76 мм, глубина 3–5 м) составляет от 15 до 25 бар. Отбойные молотки с более высокой способностью к промывке под давлением (Epiroc COP 1638+ — до 25 бар) обеспечивают эффективное удаление шлама по мере увеличения скорости проходки в слабых и умеренно твёрдых породах; отбойные молотки с более низким давлением промывки (20 бар) могут испытывать забивку шламом при скорости проходки, превышающей ожидаемую.

Промывка водой также напрямую взаимодействует с уплотнениями промывочного блока — критической границей между водяным и ударно-масляным контурами. В тоннелях, где качество шахтной воды нестабильно или она насыщена минералами, уплотнения для промывки с подложкой из ПТФЭ значительно превосходят по сроку службы стандартные уплотнительные кольца с губчатым уплотнением. Короткие интервалы замены уплотнений в тоннельных условиях (обычно 350–400 часов ударных циклов по сравнению с 450–500 часами на поверхности) следует планировать с самого начала. Компания HOVOO поставляет комплекты уплотнений из полиуретана (PU), гидрогенизированного нитрильного каучука (HNBR) и с подложкой из ПТФЭ для всех основных моделей тоннельных отбойных молотов. Справочная информация на сайте hovooseal.com.