Горные подземные дороги: проблемы и их решения

На одну из главных стереотипных бед страны, плохие автодороги, жалуются не только рядовые пользователи легкового автотранспорта, но и представители различных отраслей промышленности.

Иногда люди от досады начинают мечтать о реализации фантастически-футуристических сюжетов. Вот поднять бы автоперевозку и транспортировку в небо, задействовать летающие фуры и грузовики. Или же, наоборот, спустить их под землю.

Об «авиамагистралях» пока очень сложно рассуждать, а вот сеть подземных дорог уже давно функционирует. Правда, горняки, которые активно используют эти самые дороги, однозначно скажут, что с трассами под землей сложностей возникает не меньше.

Если о трудностях не говорят, это не значит, что их нет

По непонятным причинам о шахтных и рудничных дорогах и связанных с ними проблемах очень мало говорят. Даже авторы профильных методичек затрагивают этот вопрос как-то между прочим, больше акцентируя внимание на подземном шахтном и рудничном транспорте. К тому же те материалы, которые представлены в открытом доступе, уже безнадёжно устарели.

«Дорожное покрытие может состоять из одного верхнего или двух — верхнего и нижнего — слоёв. Верхний слой должен быть ровным, износоустойчивым и обладать определённой шероховатостью для обеспечения надёжного сцепления колёс подвижного состава с дорожным покрытием.

Нижний слой, обеспечивающий прочность, располагают на дорожном основании, материалом для которого служат крепкие вскрышные породы. Если дорожное основание представлено песчаниками, известняками или другими крепкими породами, то покрытие выполняют только из одного верхнего слоя», — пишет в учебнике «Рудничный транспорт» для учащихся горнорудных техникумов по специальности «Эксплуатация и ремонт горного электромеханического и автоматических устройств» его автор Юрий Сергеевич Пухов.

Самая актуальная версия издания датирована 1991 годом.

«Параметры шахтных дорог выработок (продольные и поперечные уклоны, радиусы закругления), предназначенных для движения самоходного оборудования, а также типы покрытия и конструкцию дорожных одежд выбирать, руководствуясь требованиями «Общесоюзных норм технологического проектирования подземного транспорта горнодобывающих предприятий» (ОНТП 1-86) с учётом горно-геологических и гидро-геологических условий, типа применяемых машин и интенсивности их движения.

При этом следует ориентироваться на применение усовершенствованных облегчённых покрытий и дорожных одежд, в основном нежёсткого типа с максимальным использованием местных строительных материалов», — такая рекомендация содержится в документе «Нормы технологического проектирования горнодобывающих предприятий металлургии с подземным способом разработки» за 1993 год.

В результате может сложиться впечатление, что с рудничными и шахтными дорогами на отечественных предприятиях всё просто отлично, и поэтому нет необходимости обновлять информацию.

И лишь в беседе с экспертами-практиками выясняется, что состояние подземной дорожной инфраструктуры для самоходной и грузовой техники очень далеко от идеала.

«Сложно говорить о каждом объекте, но на тех предприятиях, где нам удалось побывать, большинство дорог находится в неудовлетворительном состоянии. Особенно это касается дорог с покрытием низшего типа, хотя и бетонные дороги, и дороги с покрытием из плит ПАГ также имеют довольно значительные дефекты», — заметил заместитель начальника отдела инженерно-технической поддержки, ведущий инженер ООО «Тенсар Инновэйтив Солюшнз» Глеб Соловьёв.

«Некоторые горнодобывающие компании оставляют проблему дорог без внимания, но плохое состояние проездов сильно снижает скорость движения по ним и приводит к поломкам самоходной техники, многие из которых требуют дорогостоящего ремонта. Из-за этого снижается эффективность и падает объём выработки на руднике», — говорит начальник технического отдела ООО «ПРЕСТО-РУСЬ» Александр Короткевич.

Беды подземных дорог

Самый главный фактор, отличающий технологичные дороги карьеров от рудничных и шахтных путей, — это большой объём грунтовых вод. Они скапливаются в локальных понижениях дорог, размывая имеющиеся трассы и мешая создавать новые.

Прекратить природные течения, идущие по уклонам на участках перепада высот, часто бывает невозможно, и в комментариях в профильных чатах можно найти высказывания о том, что на достаточное обслуживание дорог попросту не хватает времени. Борьба с каждодневно скапливающейся водой — это сокращение объёмов добычи или увеличение затрат на персонал, который будет решать эти задачи.

Косвенно это подтверждают и специалисты, занятые в проектировании.

«Специфика подземных дорог по сравнению с технологическими дорогами карьеров заключается в малом числе слоёв; отсутствии многообразия подземной дорожной техники; в  особых параметрах выработок, что создаёт определённые сложности при зачистке и подсыпке дорожного полотна в  условиях строго ограниченного времени на их обслуживание», — уточнил генеральный директор АО «УРАЛ- МЕХАНОБР» Константин Булатов.

И на этом проблемные особенности не заканчиваются.

«Помимо постоянного воздействия грунтовых вод, на состояние подземных дорог влияет ещё несколько факторов. Во-первых, значительные просадки и деформации покрытия дорог: их формируют неоднородности грунтов сложения основания дороги, выходы разнородных скальных пород, горное давление, сдвижки горной массы и т. д.

Причиной разнородности покрытия дорог является также неровность бурения уклона штольни и  устройство дорожной одежды различной толщины для обеспечения ровности покрытия.

Во-вторых, к указанным просадкам и нарушениям ровности добавляется значительное колееобразование как на прямых, так и на изогнутых в плане участках дорог. Оно объясняется распространением сдвиговых напряжений в дорожной одежде от колёсных нагрузок, в том числе при вхождении колеса в радиус поворота кривой.

Ухудшает положение и то, что дороги покрыты жидким составом из пылеобразной водонасыщенной руды, которая стекает из кузовов карьерной техники и скапливается в локальных понижениях покрытия», — перечислил Глеб Соловьёв.

Благими намерениями вымощена дорога

Некоторые эксперты отмечают ещё одну причину, от которой веет поистине горькой иронией. Стремясь повысить эффективность и объёмы добычи, предприятия закупают всё больше тяжёлой и технологичной самоходной техники, которая, в свою очередь, наносит серьёзный урон неподготовленным дорогам. Уже потом окончательно размытые и разваленные пути будут «мстить» машинам, затрудняя их передвижение. Замкнутый круг.

«Среди основных причин плохого состояния дорог в подземных рудниках, помимо наличия водопритока, размягчаемых горных пород в основании дорог, также можно назвать использование тяжёлой горно-добывающей техники и отсутствие у рудника дорожной службы и специализированной техники для обслуживания дорог», — прокомментировал Александр Короткевич.

«Состояние рудничных шахтных дорог на российских объектах оставляет желать лучшего, так как после проходки выработок выравнивание почвы происходит в основном за счёт подсыпки той же породой от проходки.

Самоходная техника в основном используется большегрузная, и в сумме с обводнённостью подземных выработок такое покрытие быстро теряет необходимую ровность. Рост числа самоходной техники отрицательно сказывается на дорожном покрытии, так как нагрузка на него растёт, а время на профилактическое обслуживание сокращается.

При отсутствии поперечного уклона горных выработок вода попадает в колею и способствует быстрейшему разрушению дорог», — соглашается с коллегами Константин Булатов.

Выходит, что максимальной эффективности работ в рудниках и шахтах можно добиться лишь тогда, когда «в  комплект» к тяжёлым машинам будут прилагаться качественные подземные трассы. В обратном случае постоянное откладывание «дорожного вопроса» на потом может привести к лишним издержкам.

«Важно, чтобы «росли» не только производители, но и те, кто их технику эксплуатируют. Чем выше технический уровень машины, тем более высокой культуры эксплуатации она требует. Ремонтные участки самоходного оборудования должны быть оснащены приборами для диагностики, иметь склады с неснижаемым запасом запчастей.

Необходимо поддерживать на должном уровне состояние дорог (от них во многом зависят надёжность оборудования и скорость, а значит, производительность)», — подчеркнул в  одном из исследований о самоходном горно-шахтном транспорте на  пневмоколёсном ходу кандидат технических наук Института «Гипроникель» Владимир Чернецов.

«Подъездные дороги — критически важный компонент инфраструктуры подземных рудников. Эксплуатационные характеристики этих дорог напрямую влияют на эффективность работы рудника, эксплуатационные затраты и  безопасность.

Значительная часть эксплуатационных затрат подземного месторождения связана с транспортировкой материалов, а хорошо построенные и обслуживаемые дороги способствуют сокращению продолжительности производственного цикла, расхода топлива, снижению износа шин и затрат на перевозку тонны руды и, что очень важно, являются основой безопасной транспортной системы», — резюмирует Александр Короткевич.

Плюсы и минусы классических решений

Если вновь обратиться к старым методичкам, можно увидеть, что те в  первую очередь содержат рекомендацию учитывать горно-геологические и гидрогеологические условия, типы применяемых машин и интенсивность их движения. А также ориентироваться на применение усовершенствованных облегчённых покрытий и дорожных одежд в основном нежёсткого типа с  максимальным использованием местных строительных материалов.

Сегодня эксперты также называют несколько «местных» шахтных материалов, однако подчёркивают их невысокую эффективность.

«Если отмечать плюсы, то щебень и  порода — это самые доступные материалы, однако, как в случае со многими бюджетными решениями, они очень недолговечны», — прокомментировал Константин Булатов.

«У щебёночных покрытий, помимо низкой себестоимости, есть ещё один плюс — удобство и простота укладки. Однако их недостатки в очень частых случаях перевешивают преимущества. Щебень не зря называется инертным материалом, его частицы не имеют сцепления, и он не способен сопротивляться сдвигу.

Повторные автомобильные нагрузки вызывают прогрессирующее накопление остаточных деформаций. При многократном приложении нагрузки возникает колейность, и без дополнительных мероприятий по укреплению или стабилизации щебёночное покрытие довольно быстро приходит в негодность, особенно с учётом напряжённого трафика горнодобывающей техники и повышенных осевых нагрузок», — дополнил Глеб Соловьёв.

В целом наши эксперты говорят, что в  некоторых случаях использование щебня может быть пригодным и даже рентабельным, но в таком случае надо быть готовым буквально к сизифовому труду.

«Строительство насыпных дорог из  щебня имеет ряд недостатков: под действием циклических нагрузок и  вследствие водопритока покрытие начинает быстро разрушаться, образуются ямы, колейность, падает эффективность выработки.

В связи с  этим дорожная служба рудника должна постоянно мониторить и проводить текущий ремонт дорог, осуществлять постоянную подсыпку нового щебня, разравнивание и уплотнение поверхности», — уточнил Александр Короткевич.

«Радикальные» методы

В таком свете решение вроде бы очевидно: нужно сразу же делать выбор в пользу более жёстких и мощных покрытий. Однако эксперты и здесь подчёркивают, что иногда особые условия закрытых рудников и шахт могут свести на нет все преимущества таких, казалось бы, надёжных материалов. К тому же себестоимость этих решений порой в десятки раз превышают цену той же щебёнки.

«Бетон обеспечивает хорошую ровность покрытия, однако у него очень большой срок набора прочности. Аэродромные плиты быстро укладываются, покрытие получается ровным и долговечным, однако это выливается в высокую себестоимость», — привёл пример Константин Булатов.

«Помимо низшего (щебёночного покрытия) существует также монолитное бетонное и железобетонное, а также сборное железобетонное. Для монолитного и  сборного железобетона проблема сдвигоустойчивости покрытия отсутствует, и само покрытие гораздо более долговечно.

Но и у этих типов покрытия есть свои серьёзные недостатки. Во-первых, цена. Во-вторых, сложная технология производства работ, которая зачастую не соблюдается. В-третьих, как монолитный бетон, так и  сборное покрытие из дорожных плит могут иметь недостаточную марочную прочность.

В условиях постоянного притока воды и при высоких осевых нагрузках бетон частично или полностью разрушается, а  при наличии арматуры оголённые арматурные стержни повреждают дорогостоящие колеса эксплуатируемой горно-шахтной техники», — уточнил Глеб Соловьёв.

«Перечисленные выше методы обычно являются самыми радикальными. Они, конечно, надёжные, но  не  всегда рентабельны. И не только по причине трудоёмкости и высокой цены, но и потому, что за счёт низкой скорости прокладки дорожное строительство не успевает за темпами разработки рудников. Именно поэтому то же бетонирование применяют лишь в пунктах погрузки и на напряжённых участках транспортных горизонтальных выработок», — объяснил Александр Короткевич.

«Молодые» решения старых проблем

Постепенно среди добытчиков стали чаще говорить об ещё одном способе конструирования подземных путей — технологии с использованием геосинтетики, а именно георешётки.
Стоит сказать, что это решение изобрели совсем недавно. Сами геосинтетики появились в середине XX века, однако очень долгое время им не  могли найти достойного применения.

По данным специалистов «Тенсар» (ООО «Тенсар Инновэйтив Солюшнз»), георешётки изобрёл в 1950-е гг. британский профессор Брайан Мерсер, который ещё в те годы запатентовал Netlon — технологию производства решёток из расплавленного полимера методом экструзии.

Через несколько лет на свет появилась технология, которая заключалась в растягивании решётки, что упорядочивало расположение длинноцепных молекул полимера вдоль рёбер и внутри узлов, и в результате усиливало прочность и износостойкость полученного материала. Испытали её 1980-х годах при строительстве временной подпорной стены под железнодорожными путями, обслуживающими угольную шахту в Йоркшире, Великобритания.

Одноосная георешётка была использована для армирования откосов хвостохранилищ и усиления железнодорожной насыпи, в то время как двуосная георешётка стабилизировала слабые грунты в основании сооружений. Результаты превзошли все ожидания. За  три года не произошло заметной осадки насыпи, несмотря на то, что нагрузка на железную дорогу составляла 300 тонн в час.

За рубежом быстро оценили нововведение. С тех пор для георешётки расширяют сферу применения: их начали использовать в ландшафтном дизайне, организации водохранилищ и в том числе как в наземном дорожном строительстве, так и в подземном.

Однако до России это решение шло довольно долго, в том числе и в добывающую отрасль.

«Опыт применения геосинтетических материалов для строительства подземных дорог невелик, несмотря на то, что геосинтетика в дорожном строительстве применяется уже на протяжении 50 лет и доказала свою эффективность и целесообразность использования», — уточнил начальник технического отдела ООО «ПРЕ-СТОРУСЬ».

Такое решение добытчики всё никак не могут «распробовать» и по-прежнему прибегают к нему очень осторожно, хоть и признавая, что потенциал у этого изобретения есть. Причина такого положения дел кроется, в том числе, и в стоимости решения.

«Если говорить о геомембране, то, на мой взгляд, здесь ситуация неоднозначная. Её несложно укладывать, в  финале можно получить довольно ровную поверхность, однако при высокой себестоимости она не всегда обеспечивает ожидаемую долговечность.

Для увеличения срока службы дорог некоторые предприятия сегодня используют другой тип геосинтетики, а именно армирующие георешётки. Однако из-за дороговизны материала и сложности монтажа применение данной технологии в России не распространено»,  — поделился мнением генеральный директор АО «УРАЛМЕХАНОБР».

В свою очередь многие специалисты настаивают на том, что это решение является одним из самых эффективных и вскоре сможет заместить традиционные материалы для строительства подземных дорог.

«Насколько нам известно, геосинтетические материалы для строительства именно подземных дорог в нашей стране фактически не применяются. И это очень странно, учитывая, что качественный геосинтетический материал способен многократно повысить эффективность работы инертных материалов в конструкциях и увеличить срок их службы. Вообще, геосинтетические решения имеют довольно обширную классификацию как по видам, так и по выполняемым функциям.

Однако применительно к шахтным дорогам можно сказать, что наиболее эффективно именно использование георешёток для механической стабилизации инертного материала, то есть фиксации зёрен в жёстких ячейках георешётки.

Получаемый в результате стабилизации эффект выражается как в продлении сроков службы, повышении эксплуатационной надёжности конструкций и улучшении эксплуатационных показателей автомобильных дорог, так и в возможности уменьшения толщин слоёв дорожной одежды», — считает Глеб Соловьёв.

«Применение геосинтетических материалов, в частности армированных объёмных георешёток, позволяет экономить на строительстве дороги более 50%. Также такая конструкция позволяет сократить трудоёмкость работ на 63,5% за счёт лёгкого и быстрого ручного монтажа, без специальной техники и инструментов.

Скорость возведения в 10 раз выше, чем у традиционных способов строительства дорог, что позволяет исключать участки выработки из транспортной схемы не более чем на 8 часов.

Кроме того, георешётка обеспечивает устойчивость к образованию колейности и позволяет избежать дополнительных затрат на обслуживание дорог, а скорость движения техники увеличивается благодаря ровной поверхности без ям и колеи», — перечислил преимущества решения Александр Короткевич.

Всесторонняя подготовка

Иногда же масштабного строительства удаётся избежать и при этом получить функционирующую трассу. Такого эффекта пробуют достичь с  помощью геоматов. Их использовали, например, при строительстве дороги подземного рудника «Скалистый», объекте ПАО «ГМК «Норильский никель» на  полуострове Таймыр.

Геоматы из  переработанной резины используют для строительства быстровозводимых дорог. На  руднике работает большое количество самосвалов, и, по словам специалистов предприятия, геоматы позволяют избежать набивания колеи.

Нагрузка на  маты распространяется равномерно, за счёт чего не происходит продавливания покрытия, и, соответственно, привоз руды увеличивается. Ещё одним плюсом эксперты называют высокую скорость монтажа и демонтажа такого решения, многие могут получить выгоду именно за  счёт экономии времени. Однако такой вариант дорожного строительства пока что считается довольно спорным и не находит масштабного применения.

При этом все эксперты сходятся во  мнении, что при строительстве подземной дороги важно не забывать и о сопутствующих работах.

Во-первых, принципиально подготовить почву. Во-вторых, попытаться минимизировать основную проблему подземных месторождений. Проводя аналогию, как бы качественно ни готовили поле под посевы, ничего не выйдет, если не организовать систему полива. В случае с шахтными и рудничными дорогами всё наоборот: если не озаботиться о дополнительном отводе воды, дорогу придётся переделывать с завидной регулярностью.

«Вода размягчает горные породы, что приводит к образованию ям и  неровностей, а также быстрому разрушению щебёночных дорог. Поэтому мы всегда обращаем внимание на  необходимость строительства водоотводных канав», — уточнил Александр Короткевич.

Справка
Согласно советским требованиям, применение жёстких (цементно-бетонных или асфальтобетонных) покрытий дорог допускалось в основных транспортных выработках, в околоствольных дворах, на сопряжениях уклонов и наклонных съездов с горизонтальными выработками, в подземных гаражах, пунктах заправки ГСМ, ремонтных пунктах, камерах погрузки и разгрузки руды у капитальных рудоспусков и т. п.

Толщина бетонного покрытия при этом не должна была превышать 300 мм. В основном в документах было прописано использование дорожных одежд нежёсткого типа. На обводнённых участках шахтного поля, одновременно с применением нежёстких дорожных одежд, можно было использовать текстильные нетканые синтетические материалы.

Мнение экспертов

Александр Короткевич, начальник технического отдела ООО «ПРЕСТОРУСЬ»

«Как правило, ширина выработки в подземном руднике не превышает 6 м. Такие условия называются стеснёнными. Движение по таким дорогам осуществляется только по одной полосе без возможности разъезда встречных автомобилей. На время строительства и обслуживания весь участок дороги должен быть выведен из эксплуатации, поэтому чем меньше времени требуется на эти операции — тем лучше.

Подземные выработки ограничены по высоте. Высота выработки на подземном руднике должна назначаться с учётом возможности организации дорожного покрытия толщиной 30–40 см. В нашей практике были случаи отказа от строительства дорог, так как из-за изменившейся высоты дороги проезд техники оказывался затруднён».

Глеб Соловьёв, заместитель начальника отдела инженерно-технической поддержки, ведущий инженер ООО «Тенсар Инновэйтив Солюшнз»

«В чём состоит специфика подземных дорог по сравнению с технологическими дорогами карьеров?

Во-первых, это постоянное наличие воды, как грунтовой, так и технологической. И если атмосферные осадки в шахте невозможны, регулярный приток воды — настоящий бич для шахтных дорог.

Во-вторых, стеснённые условия и крайне напряжённый график работ по добыче, что затрудняет производство работ по содержанию дороги.

В-третьих, сама геометрия пути и наличие сводов часто не позволяют дорожно-строительной технике пройти по габаритам для ремонта того или иного участка. Также следует отметить, что на предприятиях, занимающихся шахтными разработками, парк дорожно-строительной техники скудный, и сама техника находится в плачевном техническом состоянии — по сравнению с предприятиями, ведущими работы открытым способом.

Причина нам непонятна, но по наблюдениям это так. Есть, правда, у шахтных дорог и один большой плюс по сравнению с карьерными — это отсутствие морозного пучения».

Константин Булатов, генеральный директор АО «УРАЛМЕХАНОБР»

«Наиболее эффективным, на наш взгляд, в крепких породах является технология выравнивания почвы выработок с помощью специализированного оборудования методом срезания выступов и неровностей и выработки алмазным инструментом».

---

Текст: Мария Бобова