Согласно ПБ, забой углубляемого ствола должен быть изолирован от действующих подъемов рабочего горизонта предохранительным устройством. Строительство предохранительных устройств является трудоемкой, дорогостоящей работой и занимает 50—90% времени подготовки к углубке ствола. На отдельные конструкции предохранительных устройств расходуют до 200 т металла, более 100 м3 леса.

В зависимости от вида основного материала предохранительные устройства разделяют на естественные (породные целики) и искусственные (предохранительные полки).

Породные целики. Они представляют собой массив породы ( 8.13), который перекрывает сечение ствола. Верхняя грань целика покрывается бетоном и обычно служит водосборником, нижняя грань бывает плоская или сферической формы. При плоской нижней грани (см.  8.13, а) устраивают сплошной настил из двутавровых балок. Пространство между ними и целиком заполняют накатником из бревен. Настил исключает падение в забой углубляемого ствола отслоившихся кусков породы и усиливает грузонесущую способность целика.

При выполнении нижней грани целика в виде пологого параболоида (сферическая форма, см.  8.13, б) горизонтальные напряжения в целике снижаются до минимума, а осевые имеют нулевые значения. При такой форме нижняя грань может быть закреплена анкерами с металлической сеткой и набрызгбетоном.

Предохранительные целики бывают двух типов — перекрывающие все поперечное сечение ствола (см.  8.13, а, б) или часть его (см.  8.13, в). Породные целики, перекрывающие все сечение ствола, используют при углубке стволов по схемам III и IV. При углубке ствола по схеме I в породных целиках устраивают проемы для бадьевого отделения или оставляют целики, перекрывающие часть поперечного сечения ствола. Бадьевой проем может иметь форму сегмента, прямоугольника или окружности ( 8.14). Место, где устраивают бадьевой проем, зависит от расположения в сечении ствола отделения углубочного подъема. Делать бадьевой проем площадью поперечного сечения более 5—7 м2 не рекомендуется. При больших сечениях бадьевого проема возрастают напряжения в целике. Бадьевой проем крепят железобетоном, деревом, редко анкерами. Крепь бадьевого подъема должна быть установлена выше уровня воды, собирающейся над породным целиком. Если породный целик перекрывает половину или близкую к ней часть поперечного сечения ствола, то по обнаженной вертикальной стороне целика и над целиком устраивают вертикальную стену из двутавровых балок, уложенных через 0,5—0,7 м, которую обшивают с внутренней стороны листовой сталью толщиной 8—10 мм.

Породные целики оставляют в крепких (/* > 5 4-6), монолитных, не склонных к внезапным выбросам и размоканию породах. Нельзя располагать породные целики в слабых и крепких, но трещиноватых породах, а также в массивах, состоящих из нескольких видов пород. В этих условиях необходимо устраивать предохранительные полки.

Основные достоинства породных целиков по сравнению с предохранительными полками — меньшие затраты (на строительство и ликвидацию) времени, средств, труда и материала (металлические балки, лес); недостаток — ограниченная по крепости пород область применения.

Предохранительные породные целики необходимо использовать в тех случаях, когда позволяют горно-геологические условия.

Способ строительства породных целиков зависит от схемы углубки, организации подготовительных работ, наличия около углубляемого ствола вертикальных выработок, пройденных до нового горизонта, и других факторов.

При углубке ствола по схеме I с разгрузкой бадьи на земной поверхности породный целик сооружают через бадьевое отделение или горизонтальную подходную выработку.

При строительстве целика через бадьевое отделение в стволе должны быть закончены работы по монтажу углубочного подъема, т.е. смонтирована или приспособлена подъемная машина, отшито углубочное отделение и навешены направляющие канаты для бадьи и т.п. Непосредственно работы по строительству породного целика осуществляют в следующей последовательности: из зумпфа откачивают воду, убирают ил и возводят вертикальную стенку, проходят бадьевое отделение на 2,5—3 м глубже нижнего торца целика ( 8.15, фаза /); из бадьевого отделения в сечении ствола проходят горизонтальную выработку размером 2,0 х 2,5 м (фаза //), кровля которой совпадает с нижним торцом целика; вынимают породу под целиком по всему сечению ствола; устанавливают двутавровые балки и укладывают деревянный настил между балками и целиком (фаза ///).

Достоинства сооружения породного целика через бадьевой подъем: исключается проходка вспомогательных горных выработок; упрощаются подъем породы и спуск материалов. Главный недостаток этого способа заключается в том, что операции по сооружению предохранительного целика находятся на критическом пути общего комплекса работ, что удлиняет время углубки ствола.

В случаях когда для углубочного подъема используют одно из отделений эксплуатационного подъема, его демонтаж осуществляют раньше, чем сооружение целика, что ухудшает эксплуатационный режим шахты.

Строительство предохранительного целика через горизонтальную выработку выполняют следующим образом. От ранее пройденной вертикальной выработки / ( 8.16) к углубляемому стволу проводят горизонтальную выработку 2. В качестве такой выработки могут служить ранее углубленный клетевой ствол, слепой ствол, пройденный вблизи углубляемого для проведения горных выработок на новом горизонте, и др. В отдельных случаях проходят уклон. Горизонтальную выработку с поперечным сечением 2,0 х 2,5 м проводят по сечению ствола. Кровля этой выработки совпадает с нижним торцом целика. Из горизонтальной выработки проходят бадьевое отделение 3 до зумпфа 4, а затем вынимают породу по всему сечению ствола с дальнейшей установкой двутавровых балок (/, //, ///, IV — последовательность выемки породы). Разрушенную породу грузят вручную в вагонетки, по горизонтальной и вертикальной выработкам выдают на рабочий горизонт и далее на земную поверхность. Материал спускают с рабочего горизонта.

Главное достоинство этого способа — работы по строительству породного целика выполняют параллельно и независимо от оснащения углубленного подъема, вследствие чего сокращается время подготовительных к углубке ствола работ в 1,5—2 раза. Недостаток — необходимость проведения вспомогательной выработки осложняет подъем породы и спуск материалов.

При углубке ствола по схеме III с разгрузкой породы на углубочном горизонте строят сплошной породный целик. После проходки выработок углубочного горизонта из горизонтальной выработки в центре ствола проходят восстающую выработку / ( 8.17). Под нижним торцом целика восстающий расширяют на полное сечение ствола 2.

Разрушенную породу спускают по восстающему в горизонтальную выработку, где ее грузят в вагонетки. После выемки породы на все сечение ствола под целиком устанавливают двутавровые балки и укладывают деревянный настил 3. Затем сверху вниз вынимают породу в подкопровой части ствола, т.е. от целика до нулевой рамы. При выемке породы устанавливают временную крепь — швеллерные кольца или анкеры. Затем снизу вверх возводят бетонную крепь с одновременным устройством под-шкивных полков.

Строительство предохранительных целиков при углубке стволов по схеме IV осуществляют тем же способом. Разница заключается в том, что в данном случае восстающий проходят с нового горизонта.

При всех способах строительства породного целика разрушение породы под ним и проходку бадьевого отделения необходимо выполнять с максимальной осторожностью, не нарушая цельности целика и вмещающих пород. Следует применять взрывчатые вещества с малой работоспособностью в патронах диаметром 32—36 мм в шпурах глубиной 1,0— 1,3 м. Обнаженный торец целика нужно крепить металлическими анкерами длиной 1,2-1,5 м, устанавливаемыми по сетке от 0,7x0,7 до 1 х 1 м. Проветривание осуществляют вентилятором, установленным на свежей струе рабочего горизонта. Став вентиляционных труб прокладывают по вспомогательным выработкам.

Ликвидацию (разборку) предохранительного полка или породного целика разрешается производить только после окончания углубки и проведения необходимого объема горнопроходческих работ на горизонте, а также после окончания армирования вновь пройденной части ствола.

Ликвидацию породных целиков осуществляют несколькими способами в зависимости от схемы углубки и конструкции целика.

Первый способ — сверху вниз слоями высотой 1,0-1,2 м. Шпуры бурят ручными перфораторами, породу в бадьи грузят с помощью машины КС-3. Груженые бадьи углубочным подъемом поднимают на земную поверхность. При использовании этого способа необходима длительная остановка эксплуатационного подъема, поэтому его применяют редко.

Второй способ — сверху вниз со спуском породы на капитальный полок, который сооружают на 3-4 м ниже породного целика ( 8.18). Для разрушения породы в верхней части целика бурят комплект шпуров глубиной 1,8—2,2 м. Взорванную породу через бадьевой проем или специально пройденный для этих целей гезенк спускают вниз на полок, где ее машиной ППН-1 грузят в вагонетки или бадьи и поднимают на рабочий горизонт. Затем в аналогичном порядке осуществляют разрушение и погрузку последующих слоев. Для сокращения времени и трудоемкости работ по спуску породы на некоторых шахтах применяют почвоуступную или наклонную форму забоя. В этом случае сокращается время простоя и уменьшается трудоемкость уборки породы.

Третий способ — ликвидация целиков с помощью скважин диаметром 65 мм, пробуренных на всю высоту целика. Все скважины заряжают и взрывают одновременно. Разрушенная порода падает на капитальный полок, где ее грузят в вагонетки или бадьи и выдают на промежуточный рабочий горизонт.

Достоинства этого способа: сокращается время простоя эксплуатационного подъема, погрузка породы механизирована. Недостаток — громоздкая конструкция капитального полка.

Расчет предохранительных целиков может быть выполнен по методике, изложенной в специальной литературе.

Предохранительные полки. Они являются искусственным предохранительным устройством, сооружаемым в стволе из металлоконструкций, бетона, дерева и других материалов.

Предохранительные полки, как и породные целики, бывают сплошные, перекрывающие все сечение ствола и часть ствола. Сплошные предохранительные устройства применяют при углубке ствола по схемам I, III и IV в случаях, когда невозможно использовать породный целик. Предохранительные полки, перекрывающие часть ствола, применяют при углубке ствола по схеме II. При этом сооружают два полка: один — над подшкивной площадкой углубочного подъма, другой — под эксплуатационным подъемом, ниже зумпфа.

Предохранительные полки бывают водопропускающие и водособи-рающие (зумпф-полки), одноэтажные и двухэтажные, сплошные балочные и в виде ферм, стационарные и сборно-разборные.

Стационарные, горизонтальные, водопропускающие, балочные полки, перекрывающие половину сечения ствола, состоят ( 8.19, а) из одного, двух, реже больше рядов двутавровых балок /, концы которых заделаны в крепь ствола, ограждающих балок 2, установленных на высоте 4-5 м с расстоянием между балками 1 — 1,5 м и деревянных брусьев 3. Балки нижнего ряда / укладывают всплошную или на расстоянии 0,3—0,5 м друг от друга.

На шахтах с большим притоком воды предохранительный полок выполняет функцию зумпфа, т.е. сооружают зумпф-полок. В этом случае (см.  8.19, б) на горизонтальных балках укладывают монолитную железобетонную плиту, а ограждающие балки также замоноличивают бетоном.

Для этих стволов ВНИИОМШС предложил двойные зумпф-полки (см.  8.19, в), в которых водосборник расположен между двумя рядами двутавровых балок. Верхний полок рассчитывается на поглощение кинетической энергии падающего подъемного сосуда, нижний полок, который устанавливают на 1,5-2 м от верхнего, рассчитывается на удержание подъемного сосуда и верхнего разрушенного полка.

На строительство предохранительных горизонтальных полков расходуют 100-200 т металла и затрачивают 9—17 месяцев.

Клиновые предохранительные полки ( 8.20) были предложены проф. С.А. Федоровым. При использовании клиновых полков большая часть энергии падающего сосуда передается на стенки ствола. Это происходит из-за наличия клинообразных боковых поверхностей полка, которые и являются несущими. Рабочие плоскости полка упрочняют металлическими балками /. Пространство 2 между стенками ствола и наклонными поверхностями заполняют бетоном, бетонитовой, кирпичной или бутовой кладкой, иногда деревянными брусьями, укладываемыми всплошную. Для того чтобы, деформируясь при ударе, подъемный сосуд не мог пролететь в зазор между наклонными плокостями, устанавливают деревянную пробку 3. Подъемный сосуд, ударившись о пробку, отдает часть кинетической энергии и, смещая пробку вниз, сжимает ее. Пробка, двигаясь в наклонных плоскостях, вследствие трения и сжатия будет поглощать кинетическую энергию падающего сосуда. Пробки могут быть круглой формы и в виде усеченного клина. При наличии двух подъемных сосудов необходимо изготавливать два клина для каждого сосуда.

На  8.20, в изображен клиновой наклонный полок с нишей, куда падающий подъемный сосуд отбрасывается после удара о наклонную плоскость.

Полки в виде фермы ( 8.21) разработаны ВНИИОМШСом и представляют собой четыре-пять ферм /, концы которых заделаны в крепь и породный массив. Для распределения нагрузки по фермам и обеспечения их устойчивости на них уложена площадка 2 из двутавровых балок меньшего сечения. Поверх этой площадки устраивают амортизирующую подушку из окантованных на два канта бревен и кладут распределительную плиту из монолитного железобетона. На монтаж такого полка по расчету затрачивают около 10 смен, экономия металла (по сравнению со стационарными балочными полками) составляет до 50 т.

На углубке главного ствола шахты им. В.И. Ленина (Кривбасс) применяли треугольные фермы / ( 8.22) с буферными балками 2 и настилом из балок 3. Строительство искусственных полков начинают с монтажа нижних несущих двутавровых балок с последующим устройством верхней части. Ликвидацию полков осуществляют сверху вниз с выдачей материала на разгрузочный горизонт.

Предохранительные балочные полки получили распространение в Кузбассе и на Урале. В основном их применяют при углубке стволов по схемам I и II.

Предохранительные полки с несущими элементами из стальных канатов разработаны в Криворожском горнорудном институте. При полном перекрытии ствола полок состоит из следующих элементов ( 8.23, а): опорной части из нескольких рядов двутавровых балок /, деревянного настила по металлическим балкам, зашитого вплотную досками 2, несущего элемента из одной или несколький канатных сетей 3, кольца для закрепления канатных сетей 4, покрытия канатной сети, состоящего из двух слоев транспортерной ленты и металлического листа 5 толщиной 10-12 мм, упруго-податливого основания 6 из сыпучих материалов или костра из деревянных брусьев.

При частичном перекрытии ствола (см.  8.23, б) предохранительный полок включает в себя следующие дополнительные элементы: подпорную стенку 7 из двутавровых балок, зашитых металлическим листом, диаметральный луч 8, разделительную сетку 9 между верхним и нижним полком из вертикально натянутых канатов с прикрепленными к ним металлическими листами.

Конструкция облегченных предохранительных полков (см.  8.23, в) отличается от указанных ранее меньшей металлоемкостью опорной части, креплением опорного кольца канатной сети посредством саморасклинивающихся анкеров или податливым закреплением кольца в крепи ствола.

Сборно-разборный предохранительный полок конструкции Уральской государственной горно-геологической академии ( 8.24) состоит из амортизирующего устройства 2, несущей конструкции 3, опор 4, анкерных болтов 5, ниши 6, монтажного перекрытия 7 и гидроизоляционного перекрытия 8. Монтажное перекрытие предназначено для сооружения и последующей разборки полка и выполняется из заделываемых в крепь ствола двутавровых балок со сплошным настилом из брусьев.

Несущая конструкция полка представляет собой круговой свод (купол), выполненный из установленных параллельно друг другу двухшар-нирных арок. Арки собирают из отдельных секций, изготовленных из литой стали. Каждая  арка   включает  в   себя одну-четыре (в зависимости от диаметра перекрываемого ствола) основные секции (две опорные секции и две опоры ящичного типа). Основные секции соединяют между собой и с опорными секциями с помощью соединительных элементов (накладок), стягиваемых болтами. Опорные секции шарнирно соединены с опорами. Опоры закреплены в бетонной крепи ниши анкерными болтами. Арки соединены между собой болтами-шпильками, такое соединение обеспечивает их совместную работу. Поверх несущей конструкции полка в пределах отделений подъемных сосудов и противовесов располагают распределительно-утяжеляющий блок, собираемый из стальных надарочных секций, укладываемых всплошную перекрестными рядами. Первый ряд располагается поперек несущих арок и включает в себя секции нескольких разновидностей. Все последующие ряды собирают из однотипных секций. Распределительно-утяжеляющее устройство может быть выполнено в виде железобетонной плиты соответствующей формы. За пределами подъемных отделений несущую конструкцию перекрывают одним рядом надарочных секций. Надарочные секции с несущими арками соединяют болтами.

На распределительно-утяжеляющем блоке устанавливают отдельно для каждого подъемного отделения ствола распределительные устройства, рассчитанные на центральное нагружение. Устройства выполняют в виде клеток из сосновых брусьев, соединенных между собой строительными скобами. Нижний ряд брусьев болтами крепят к распределительно-утяжеляющему блоку.

Над амортизирующим устройством располагается гидроизоляционное устройство, защищающее полок от обводнения и заилования. Его выполняют в виде настила из двух перекрестных рядов брусьев с трехслойным рулонным ковром между рядами. Сверху брусья перекрывают стальными листами толщиной 2-3 мм. Перекрытие опирается на амортизирующее устройство.

Для того чтобы несущая конструкция полка имела опору в стенках ствола, устраивают ниши с монолитными бетонными фундаментами. Кровля и стены ниши закреплены также железобетоном. Фундамент и ниши изготавливают заблаговременно при проходке ствола. При перекрытии части сечения ствола предохранительный полок имеет ограждающую стенку, как и при обычных полках. Рассматриваемый полок защищает от падения тяжелых тел малого поперечного сечения (рельсы, балки, трубы), обладающих большой пробивной силой. Сквозное пробивание полка исключается вследствие наличия распределительно-утяжеляющего блока.

Монтаж сборно-разборных полков осуществляют в следующей последовательности. Устанавливают монтажное перекрытие и сооружают нишу с железобетонным креплением, монтируют опоры и несущие арки. Собирают распределительно-утяжеляющий блок, амортизирующее и гидроизоляционное устройства. Демонтаж полка выполняют в обратной последовательности. Спуск в ствол элементов полка осуществляют с помощью подъемной машины через углубочное отделение.

Разработаны четыре типоразмера сборно-разборных полков для стволов диаметром 4-8,5 м в свету и глубиной 800—1500 м. Высота полков 6-10 м, масса 60—150 т.

По сравнению с капитальными предохранительными устройствами (полками) сборно-разборные полки имеют следующие преимущества: малую конструктивную высоту, вследствие чего уменьшается высота технологического отхода; многократность использования металлоконструкций; индустриальный метод сооружения полка; сокращение в два-три раза времени сооружения полка; универсальность, т.е. возможность использования элементов полка в стволах диаметром от 4 до 8 м в свету, глубиной до 1500 м; снижение стоимости полка на 20—30%; сокращение времени углубки стволов на 6—8 мес. Продолжительность строительства сборно-разборного полка — 2—3 месяца, затраты труда — 460 чел.-дней.