TEHNOLOGIA DE EXECUŢIE CU MAŞINA DE FORARE LA SECŢIUNE

PLINĂ

Generalităţi

Tehnica excavarii galeriilor cu masini de forat la sectiune plina are o vechime de

peste 60 de ani, capatând insa o raspândire mai mare in ultimi 30 de ani. Aceasta

raspândire se explica prin avantajele pe care le are sistemul:

nu se folosesc explozivi, deci profilul este perfect;

nu este deranjata roca din jur, deci se reduc posibilitatile de surpare;

se lucreaza in flux continuu, cu o mecanizare totala si astfel se reduce numarul

muncitorilor dar si efortul fizic al acestora.

Masinile de forat la sectiune plina se clasifica astfel:

masini de foarat echipate cu cutite;

masini de forat echipate cu freze si cutite;

masini de forat echipate cu role.

Masinile de foarat echipate cu cutite sunt instalatii complexe la care capul de taiere

poate fi echipat cu cutite montate perpendicular pe front, fiind utilizate pentru roci moi

sau medii. Exista apoi tipul cu cutite paralel cu frontul folosit in special pentru

executarea niselor sau a galeriilor de tip potcoava si masinile la care cutitele executa o

taiere complexa. Acest din urma tip poate realiza galerii de forma semicirculara.

Evacuarea sterilului la acest tip de instalatii se realizeaza pe calea ferata cu vagoneti si

locomotiva.

Masinile de forat echipate cu freze si cutite au 1-2 capete de rotire cu freze cu cutite,

armate si asezate aproape paralel cu frontul. Numarul frezelor depinde de sectiunea

galeriei. Intreaga instalatie se deplaseaza pe senile, toate comenzile fiind hidraulice.

Transportul sterilului se face de pe o banda in vagoneti trasi de locomotiva.

Masinile de forat echipate cu role au montate pe capul de taiere role disc, role buton

sau role mixte si pot lucra in orice gen de roca cu diametre pâna la 13 m. Este cea mai

raspândita masina desi nu poate executa decât galerii cu sectiune circulara. Masina este

prevazuta cu instalatii speciale pentru plantat ancore si montat cintre metalice. Ca si in

cazul celorlalte masini sunt prevazute de asemenea cu instalatie de captare a prafului,

precum si de udare a frontului. Evacuarea sterilului se face tot pe cale ferata cu vagoneti

trasi de locomotiva.

Fig. 1 Elementele unei TBM

Instalaţia de forat la secţiune plină, denumită curent maşină de forat la secţiune plină

TBM (Tunneling Boring Mashine) este un echipament complex care realizează

excavarea mecanizată prin foraj orizontal, cu ajutorul unei foreze dotată cu cuţite de

dislocare a rocii, care este rotită şi propulsată electrohidraulic. Instalaţia este alcatuită

din două parţi distincte.

- Capul tăietor, dotat cu foreză şi elemente de protecţie, cilindri de propulsie,

gripere şi reazeme posterioare.

- Trenul de module, tractat de capul tăietor, pe care sunt amplasate instalaţiile

auxiliare (electrice, hidraulice, de ventilatie, de apa, benzi transportoare etc.).

Instalaţia poate fora galerii în aliniament sau în curbă, cu pante diferite, excavaţia fiind

circulară. Avansarea pe traseu a instalaţiei se realizează prin autopropulsare, în paşi

succesivi de 1,2-2 m, vitezele de înaintare fiind de până la 15 m/zi (400-500 m/lună) în

funcţie de natura rocii, distanţa faţă de fereastră, condiţiile de organizare, starea tehnică

a instalaţiei etc.

Descrierea instalaţiei

Instalaţia de forat galerii orizontale TBM are următoarea alcătuire:

Capul tăietor format dintr-o şaibă pe care sunt montate rolele de dislocare a

frontului, plasate sub formă de spirală simplă sau dublă, fiecare rolă călcând pe un

traseu diferit, distanţa între trasee fiind 5-7 cm. Zonele periferice ale şaibei sunt

demontabile şi sunt specializate pentru preluarea materialului dislocat şi ridicarea lui

în spate, spre banda transportoare (cupe perimetrale).

Modulul de sprijin şi stabilizare, pe care este fixat capul tăietor prin

intermediul unui rulment de mare diametru, care stă pe o talpă cilindrică

demontabilă. Modulul de sprijin suportă axial şi transversal solicitările provenite

din capul taietor, transmite capului tăietor împingerile cilindrilor de propulsie

care asigură avansul instalaţiei, constituie reazemul împingătorilor laterali şi de

tavan, constituie suportul motoarelor electrice de antrenare a capului tăietor şi

constituie suportul benzii transportoare care preia materialul excavat transferindu-l

în spate.

Grinda principală, care este o structură metalică chesonată sudată, fixată de

modulul de sprijin şi stabilire, care constituie suportul benzii de transport, susţine

modulul de gripare în interiorul căruia poate culisa şi susţine modulul posterior de

reazem.

Modul de gripare propulsie este alcătuit dintr-o structură metalică susţinând

sistemul hidraulic de acţionare a griperelor, papucii griperelor, cilindrii de reglare a

poziţiei grinzii faţă de axele galeriei şi cilindrilor de propulsie ai instalaţiei. Acesta

asigură fixarea în pereţii galeriei a papucilor griperelor, care constituie reazemul fix

faţă de care are loc înaintarea instalaţiei cu ajutorul cilindrilor de propulsie. De

asemenea permite ajustarea poziţiei grinzii principale în funcţie de nevoile de

dirijare prin cilindrii auxiliari (câte 2 pe fiecare parte). Prin acţionarea pe verticală

şi orizontală a grinzii principale, se transmit capului tăietor mişcări care permit

corectarea avansului.

Modululul posterior de reazem este alcătuit din doi cilindri hidraulici

prevăzuţi la capetele inferioare cu papuci metalici care calcă pe extremităţile

prefabricatelor de vatră. Funcţia sa este de a susţine grinda atunci când griperele se

retrag în vederea deplasărilor înainte.

Instalaţia remorchează trenul de module, care este alcătuit din structuri spaţiale,

prevăzute cu roţi, care rulează pe extremităţile bolţarilor. Pe trenul de module se

află banda transportoare, instalaţia hidraulică, pupitrul de comandă etc.

Dispunerea acestor utilităţi pe module conduce la o lungime mare a trenului (cca

80 m), cu implicaţii defavorabile asupra montajului, a punerii în funcţiune,

exploatării etc.

Pentru a ilustra complexitatea unei asemenea instalaţii sunt prezentate două

fotografii, una cu ansamblul unei TBM şi a doua cu alcătuirea capului tăietor.

Execuţia săpării şi avansului

Fazele de săpare şi avans ale instalaţiei, care determină fluxul tehnologic general

începind cu platforma tehnologică până la front sunt urmatoarele.

Griparea instalatiei cu modulul de gripare apropiat de capul tăietor. În această fază

griperele trebuie să fixeze corespunzător instalaţia pe pereţii laterali astfel încât acestea

să constituie un reazem ferm care va prelua prin frecare forţele dezvoltate de

Fig. 2 Fotografii ale ansamblului

TBM şi a capului tăietor

cilindrii de propulsie în faza de excavaţie - avans. În cazul în care, sunt supraprofilări

locale mai mari decât cursa maximă a griperelor şi acestea nu pot atinge pereţii laterali

se pot face completări cu adaosuri din metal sau lemn, care să asigure griparea necesară

pentru avans. În cazul unor supraprofilări mai mari se vor face betonări locale la profilul

necesar.

Tot în această fază se va controla poziţia instalaţiei faţă de direcţia proiectată de

avansare, stabilindu-se corecţiile necesare (modificarea poziţiei grinzii principale în

secţiunea de gripare, deschiderea inegală a cilindrilor de propulsie etc.).

Liftarea picioarelor de reazem ale instalaţiei. Operaţiunea constă în închiderea

parţială a cilindrilor hidraulici respectivi, lăsându-se tălpile pe capetele prefabricatelor,

pentru a fi deplasate odată cu avansul. Liftarea va avea loc numai dupa fixarea în

gripere, în caz contrar, instalaţia dezechilibrându-se. După liftare instalaţia este aptă

pentru faza de săpare-avans.

Săparea şi avansul. Sunt faze tehnologice simultane în cursul cărora capul tăietor este

acţionat cu motoarele electrice, la viteza corespunzătoare naturii rocii. Întreaga instalaţie

este propulsată prin intermediul cilindrilor de avans cu forţe corelate cu natura rocii din

front. Aceasta este faza cea mai lungă din ciclu, în care materialul dislocat din front este

preluat de sistemul de benzi şi transferat în mijloace de transport pentru a fi evacuat la

zi. În cadrul acestei faze mai au loc urmatoarele activitati: curăţirea radierului excavat

pe măsura avansării instalaţiei; montarea prefabricatelor de vatră; verificarea

permanentă a poziţiei instalaţiei şi conectarea acesteia prin mijloace cu care e dotată

maşina (cilindrii de propulsie şi cilindrii ajutatori ai modului de gripare).

În această fază trebuie supravegheată permanent starea masivului forat şi realizat

bilanţul dintre cantitatea de rocă transportată în vagonete şi volumul teoretic rezultat

din avans şi secţiunea transversală a galeriei. Forajul şi avansul se opresc dacă se

observă un raport necorespunzator (prea mare) intre volumul excavat şi distanta par-

cursă, luindu-se măsuri de inspectare a frontului.

Fig. 3 Fazele de săpare şi avans la TBM

Unele detalieri privind fazele de lucru sunt prezentate în figurile de mai jos

Fig. 4 Deschiderea avansului pentru excavarea cu TBM

Dacă natura masivului de rocă o cere, se iau măsurile de susţinere locală prin aplicare de

cintre, plase şi ancore, etc. instalaţia dispunând de mijloacele necesare pentru efectuarea

acestor operaţii.

O activitate importantă, care asigură condiţiile de mediu din spaţiul de lucru al

instalaţiei, este umectarea frontului, în vederea reducerii prafului provocat de procesul

excavării. Tot în acest scop va fi asigurată permanent pe parcursul excavării

funcţionarea instalaţiei de ventilaţie.

Degriparea instalaţiei şi translatarea în faţă a griperelor are loc după confirmarea

rezemării posterioare şi este precedată de luarea măsurilor de extragere a adaosurilor

de complectare dintre gripere şi pereţi. După degripare se comandă închiderea

cilindrilor hidraulici de propulsie, ceea ce determină apropierea modulului de gripare

de capul tăietor al instalatiei.

Fig. 5Flux tehnologic

Reaşezarea instalaţiei pe picioarele posterioare de reazem se realizează la sfirşitul

fluxului.

Cu faza de degripare - avans gripare, ciclul de avansare al instalaţiei se încheie începînd

un nou ciclu de avansare, conform fazelor mai sus analizate.

Vitezele care se realizează în forajul cu TBM depind de natura terenului, de distanţa

frontului faţă de fereastră dar şi de starea tehnică a instalaţiei. În condiţii normale de

lucru, se apreciază că sunt posibile viteze până la 15 m/24 ore. În cazul unor roci care

necesită susţineri, vitezele de înaintare nu pot depasi 7m / 24 ore.

Excavarea cu masini de forat punctiforme

Masinile de forat punctiforme sunt instalatii complexe de forat, care au un brat dotat

cu role, cutite discuri sau freze pentru excavarea rocii. Bratul se roteste impreuna cu

organul de taiere care excaveaza numai intr-un punct; iar prin miscarea acestuia pe fata

frontului de sus in jos si dintr-o parte in alta, se executa excavarea lucrarilor subterane.

Instalatia se deplaseaza pe senile si are un faras pentru incarcarea sterilului pe o banda,

iar de pe banda in masina sau vagoneti. Aceste masini sunt folosite la roci moi si

semitari si la galerii cu sectiuni pâna la 14-16 m2. Fata de masinile de forat la sectiune

plina au urmatoarele dezavantaje:

o sapa punctiform numai pe 20-30 cm2 cât este capul rotativ al bratului;

o au viteze de inaintare reduse de 3-5 ml/zi;

o nu pot fi folosite la roci foarte tari ;

o nu pot fi folosite la galerii cu diametre mari;

Au insa in raport cu tehnologia de excavare cu explozivi aceleasi avantaje ca si

masinile de forat la sectiune plina.

Masinile de forat punctiforme se impart astfel:

o masini cu taiere punctiforma echipate cu cutite;

o masini cu taiere punctiforma prin impact (izbire).

ASPECTE PRIVIND AERAJUL

Toate lucrările tehnologice subterane vor fi aerisite prin curenţi de aer, care să asigure

condiţii de lucru normale în ceea ce priveşte compoziţia şi microclimatul. Curenţii de

aer vor fi dirijaţi astfel incât eventualele acumulări de gaze periculoase să fie diluate în

proporţii acceptabile.

Aerul trebuie să conţină volumetric cel putin 19% oxigen şi cel mult 1% bioxid de

carbon. Conţinutul maxim de CH4 sau CN2 în curentul general de mină, determinat la

ieşirea din coloana ventilatorului este de 0,75. Temperatura maximă admisa este de

25°C. Concentraţiile maxime admise pentru toxice sunt:

oxid de carbon 0,002 % — 30 mg/mc aer

oxid de azot 0,0048 % — 10 mg/mc aer

bioxid de sulf 0,00035%—10 mg/mc aer

hidrogen sulfurat 0,00066— 10 mg/mc aer

Pentru realizarea acestor condiţii este necesar să se facă aerajul artificial, care este de

mai multe feluri şi anume: aeraj aspirat; aeraj refulat; aeraj combinat.

Aerajul artificial se realizează cu ajutorul ventilatoarelor şi a tuburilor de aeraj. Viteza

minimă de a curentului de aer în subteran va fi de 0,2 m/s la o temperatură de 20°C iar

limita maximă admisă pentru locul de muncă va fi de 4 m/s.

Calculul debitului de aer necesar în subteran se face ţinind cont de numărul de oameni

în schimbul cel mai populat şi de numarul de mijloace de transport dotate cu motoare

diesel aflate simultan în funcţionare. Pentru fiecare persoană debitul de aer va fi de

minimum 3 mc/minut, iar pentru locomotive sau alte utilaje diesel, pentru fiecare CP, 3-

6 mc/minut (funcţie de conţinutul de CO din gazele eşapate).

Locurile de muncă temporar oprite sau la care nu se lucrează vor fi aerisite în mod

corespunzător, ca şi cele aflate în funcţiune. Pentru orice lucrare/front, ramură de

galerie, zonă a cavernei subterane, se întocmeşte o schemă de aeraj prin care se

rezolvă/dimensionează instalaţiile principale de aeraj, cu caracteristicile lor, direcţia şi

repartiţia curenţilor de aer din fiecare circuit, cu indicarea debitelor din circuitele

principale. De asemenea se stabilesc construcţiile de aeraj (uşi, staţii de măsură) şi

amplasarea staţiilor de aeraj parţial.

Figura 2.9. Poziţia uzuală a tuburilor de ventilare în galerie

În multe tehnologii aerajul este de tip aspirant asigurat ventilatoare puternice

centrifugale montate la gura galeriei, cu Q = 60 000-100. 000 mc/minut şi presiuni de

800-1 000 mm coloană Hg, pentru galeria standard de 15 mp. Tuburile de aeraj se

montează de obicei pe bolta galeriei, din motive de gabarite şi se fixează cu sîrmă de

ancore cu garnituri din furtun flexibil.

Tuburile se montează până la 10 m de front. La capătul din front al tubului de aeraj, se

montează o sită conică pentru a opri pătrunderea în tub a sterilului de la explozie.

Ventilatorul este prevăzut cu un motor de rezervă, montat pe aceeaşi platformă, care să

poată fi cuplat în maximum 30 minute şi alimentat cu energie electrică de la o sursă de

energie separată. Ventilatorul are de obicei difuzor şi confuzor pentru a reduce

pierderile. Ventilatoarele principale sunt construite sau adaptate de la caz la caz, în aşa

fel încât să permită inversarea curentului principal de aer.

Toate lucrările subterane de tip „fund de sac” , aşa cum sunt galeriile de depozitare

trebuie aerisite prin aeraj aspirant. Utilizarea altor sisteme de ventilaţie este admisă

numai pe baza întocmirii unei documentaţii speciale. Distanţa maximă admisă până la

front este de 10 m, cu condiţia să nu existe acumulări de gaze nocive. Aerajul prin

difuzie la lucrările în fund de sac este admis până la o distanţă de maximum 10 m, cu

condiţia ca în front calitatea aerului să fie corespunzătoare.

În cazul aerajului parţial refulant, ventilatorul este montat în curent de aer proaspăt, la

minimum 6 m de la cotul spre lucrarea în fund de sac. În aerajul aspirant coloana de

refulare se prelungeşte cel puţin 6 m în curentul de aer în care se refulează, pentru a se

evita scurtcircuitarea aerului.

Pentru combaterea prafului la încarcărea materialului derocat, se aplică stropirea cu apă,

iar la punctele de încărcare, descărcare, transbordare, se aplică pulverizarea apei sub

formă de perdele de ceaţă. Pentru combaterea prafului rezultat la puşcare, se aplică

barajul cu apă sau cu perdele de ceaţă. Pentru combaterea prafului pe căile de

aeraj, transport, circulate se vor realiza perdele de ceaţă la locurile unde acestea pot fi

puse în suspensie. Aerul impurificat va fi astfel evacuat în atmosferă încât să nu

afecteze zonele din care se captează aerul proaspăt.

CONSIDERAŢII PRIVIND APLICABILITATEATEA

TEHNOLOGIILOR DE EXCAVARE

Progrese în excavarea prin forare şi puşcare

Excavarea prin forare şi puşcare redevine o alternativă avantajoasă în execuţia galeriilor

şi tunelelor depozitelor subterane. Nu necesită lucrări pregătitoare atât de ample ca la

lansarea TBM. Asigură cel mai rapid avans în cazul rocilor tari, aşa cum sunt cele din

amplasamentele selectate, în cazul cărora la TBM pot apare întreruperi de lungă durată

datorate căderilor de blocuri în front. Este adecvată pentru excavarea oricăror forme ale

secţiunii transversale, în timp ce TBM este posibil numai pentru secţiuni circulare.

Permite adaptarea cu uşurinţă la schimbările de secţiune, de formă sau la schimbarea

condiţiilor geologice.

Multe dintre dezavantajele excavării prin forare şi puşcare au fost reduse sau chiar

eliminate în prin progresele înregistrate în ultimele decenii. Introducerea unor noi

explozivi, de tip emulsii, reduce sensibil riscul de accidente/incidente de execuţie.

Echipamentele de dată recentă pentru forarea şi încărcarea găurilor reduc sensibil

necesarul de forţă de muncă în front şi timpul pentru fiecare fază. Prin tehnologia

explozivilor tip emulsie s-a redus foarte mult fumul din front. Noi scheme de puşcare,

asociate cu tehnici tip milisecundă, predecupaj, etc au redus supraprofilele şi deranjarea

rocii în conturul excavat.

Din punctul de vedere al lansării execuţiei excavarea prin forare şi puşcare prezintă de

asemenea o serie de avantaje. Forezele mutibraţ tip jumbo şi celelalte echipamente pot fi

achiziţionate într-un interval de timp foarte scurt. Atacul şi deschiderea portaleler se

poate face chiar în avans faţă de livrarea echipamentului principal de execuţie.

Avansuri de 40 … 60 m/săptămână sunt acum uzuale. La excavarea în trepte şi faze,

impusă de secţiunile mari, avansul este continuu şi vitezele de execuţie cresc.

Un avantaj semnificativ îl reprezintă posibilitatea de control riguros al conturului/formei

excavate şi evitarea supraprofilelor prin utilizarea explozivilor speciali cu energie

explozivă redusă. Se reduc costurile cămăşuelii şi ale susţinerilor provizorii. Cuplarea

detonatorilor electronici programabili a îmbunătăţit la rândul ei regularitatea conturului

excavat.

Dificultăţi în excavarea prin forare la secţiune plină

Excavarea prin forare la secţiune plină este în prezent extrem de răspândită indiferent de

destinaţia tunelului şi de geologia traseului. Dificultăţi apar însă la excavarea în roci

tari/dure, cu rezistenţă abrazivă mare. Schimbarea condiţiilor geologice pentru acelaşi

amplasament poate conduce la dificultăţi mari de execuţie, dat fiind faptul că o TBM se

realizează, cel puţin la nivelul capului tăietor, în acord cu caracteristicile rocii. Prezenţa

în front, în unele zone, a apelor subterane la presiuni mari poate induce blocajul maşinii.

Toate aceste considerente conduc la concluzia că pentru un ansamblu de lucrări

subterane diverse utilizarea forării la secţiune plină prin utilizarea TBM implică

conceperea şi realizarea unui sistem de TBM complex, costisitor, cu durată mare de

confecţionare.

Proiectarea şi execuţia unei TBM adecvate tipului de lucrare subterană este

condiţionantă pentru aplicarea cu succes a forării la secţiune plină în cazul depozitelor

subterane. Avansul mai mare asigurat de excavarea cu TBM poate fi însă contrabalansat

defavorabil de întreruperile cauzate de prăbuşiri în front şi/sau de nevoia de schimbare a

capului tăietor în faza de excavaţie.