CC BY
60
© Ф.И. Ягодкин, И.Н. Кокунько,
Н.К. Вершинин, 2002
УДК 622.256.7
Ф.И. Ягодкин, И.Н. Кокунько, Н.К. Вершинин
БЕТОННАЯ КРЕПЬ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ШАХТ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЕ ПРОХОДКИ
А
нализ показывает, что стоимость проходки стволов практически прямо пропорциональна толщине крепи и с увеличением ее на каждые 50мм возрастает на 5-7 %. Одновременно увеличиваются объемы выемки породы на 2-3 %, расход бетона — 8-15 %. Толщина крепи на всем протяжении ствола принимается одной минимальной величины, определенной по критериям технологии ее возведения и горногеологическим условиям проходки. Необходимая расчетная несущая способность крепи ствола для различных участков геологического разреза достигается увеличением класса бетона по прочности, применением упрочняющей анкерной крепи, упрочнением вмещающих пород цементацией, разгрузкой породного массива и другими мероприятиями.
В настоящее время доставку бетонной крепи в ствол в России и других странах СНГ производят по трубам. Это позволяет полностью механизировать работы по укладке бетонной смеси за опалубку и получить при правильном подборе ее состава и соблюдением технологии ведения работ достаточную прочность и водонепроницаемость. Однако такой способ доставки бетонной смеси в ствол имеет ряд существенных недостатков.
Подвижность бетонной смеси при доставке по трубопроводу при глубине 200 м должна приниматься 11 см и увеличиваться на каждые последующие 150 м глубины на 1 см, т.е. при глубине ствола 1000 м должна составлять не менее 17см. Для полной гидратации цемента необходимо 10-20 % воды от его массы. Такая смесь жесткая и ее практически невозможно уложить за опалубку. Для придания оптимальной подвижности смеси (9-17 см) требуется вводить в бетон избыточное количество воды до 55-60 % массы цемента, которая снижает качество бетона и приводит к перерасходу цемента.
В силу этих причин, а также расслоения бетонной смеси при спуске по трубам, не представляется возможным использование бетонов повышенных классов по прочности без значительного перерасхода цемента. Поэтому в настоящее время для крепления стволов применяют, в основном, бетон класса В15. Вместе с тем увеличение класса бетона только с В15 до В25 для крепления ствола диаметром 7м при расчетной нагрузке 1-1,5 МПа приводит к снижению стоимости за счет уменьшения толщины крепи.
К недостаткам рассматриваемой технологии спуска бетонной смеси в ствол следует отнести и большой расход труб. Повышение несущей способности монолитной бетонной крепи и ее качества для глубоких стволов мо-
жет быть достигнута путем замены технологии спуска смеси по трубам на доставку в специальных контейнерах.
Взаимодействие системы «бетонная крепь-порода» во времени можно разделять на два периода. Первый -- характеризуется интенсивным ростом смещений пород и нагрузок на крепь; второй — сравнительно медленным увеличением смещений и нагрузок.
При совмещенной схеме проходки ствола, предусматривающей возведение бетонной крепи непосредственно за подвиганием забоя, процесс твердения бетона в крепи совмещается с первым периодом. Вследствие воздействия нагрузок на бетонную крепь со стороны вмещающих пород на ранних стадиях твердения, наиболее существенное влияние оказывают нагрузки величиной более 0,5Rc. При этом значительно снижаются прочностные характеристики бетона. Так, при нагрузке стсж = 0,1 ^с прочность твердеющего материала на 3-е сутки составляет 95-98 % от прочности материала, неподвергнутого воздействию нагрузки, при величине стсж = 0,7^с прочность для того же момента времени составляет 50-52 %, а при стсж = 0,9^с — всего 15-17 %.
Это вызвано тем, что при возникновении напряжений в твердеющем материале под воздействием нагрузок происходит развитие пластических деформаций и ползучести, которые в целом не разрушая конструкцию, приводят к разрыву кристаллических связей и образованию дислокаций, что снижает конечную прочность твердеющего материала.
Таких недостатков лишены последовательная и параллельная технологические схемы, предусматривающие возведение постоянной бетонной крепи на некотором расстоянии от забоя во втором периоде развития смещений и нагрузок. Величина смещений до установки постоянной крепи зависит от реологических свойств горных пород и расстояния рассматриваемого сечения крепи от забоя ствола.
Расчеты показывают, что применение последовательной или параллельной технологических схем по сравнению с совмещенной приводит к снижению нагрузки на крепь ствола на 12-15 %.
Технологические схемы проходки оказывают существенное влияние на качество и параметры крепи ствола. Так при проходке по совмещенной технологической схеме буровзрывные работы производятся в непосредственной близости от бетонной крепи и воздействуют на бетон в ранней стадии твердения, что приводит к образованию дефектов на микроуровне и в конечном результате, к снижению качества крепи. Параллельная и последовательная технологические схемы не имеют этих недостатков.
Таблица 1
ДОПУСКАЕМЫЕ ПО СНИП И ФАКТИЧЕСКИЕ ПЕРЕБОРЫ ПОРОДЫ (ДОНЕЦКИЙ БАССЕЙН)
Шахта, объединение, ствол Диаметр ствола, м Глубина ствола, Переборы породы на 1м ствола В процентах допустимых Удорожание проходки
в свету вчерне м допускаемые по СНиП фактические по СНиП ствола, тыс. руб.
м3 КИС м3 КИС
им. Стаханова ПО «Красноармейскуголь»
клетевой 8,5 9,5 1021 2,5 1,05 4,65 1,11 180 256
скиповой 8,5 9,5 1004 2,5 1,05 6,5 1,13 260 832
им. XXV съезда КПСС ПО «Макеевуголь» вентиляционный 7,5 8,3 708 2,45 1,05 5,75 1,12 234 224
им. М.И. Калинина ПО «Донецкуголь» вентиляционный 8,0 9,0 1005 2,7 1,05 7,5 1,14 280 320
«Панфиловская» ПО «Донецкуголь» вентиляционный 5,0 5,7 410 1,9 1,03 3,1 1,08 163 64
Таблица 2
ПРОЕКТНЫЕ И ФАКТИЧЕСКИЕ РАСХОДЫ БЕТОНА НА 1М СТВОЛА (ДОНЕЦКИЙ БАССЕЙН)
Шахта, объединение Диаметр Толщина Объем бетона Фактический расход бетона на 1м ствола
ствола в крепи, мм на 1м ствола по f=2-6 f=7-20
свету, м 3 проекту, м м2 в % к проекту м2 в % к проекту
им. М. Горького 7 450 10,5 13 125 13,8 132,2
ПО »Донецкуголь» 7 500 11,7 14,5 124 15,4 133,3
7 700 16,9 20,98 132 22,24 140
им. В.Р. Менжинского 8 500 13,3 16,3 122 17,3 130
ПО »Первомайскуголь» 8 600 16,2 19,9 125 21,1 132
7 350 8 10,24 128 10,75 134
7 500 11,7 14,4 123 15,2 128
7 450 10,5 12,9 123 13,7 130
7 850 20,9 25,65 125 27,2 130
7 900 22,3 27,4 118 29,0 129
им. Д.Ф. Мельникова 8 660 18 22 122 23,4 129
ПО »Лисичанскуголь» 8 800 22 27 121 28,6 128
им. Артема 8 300 7,8 10,5 136 11,4 148
ПО »Дзержинскуголь» 8 350 9,1 11,65 126 12,2 134
8 500 13,2 16,2 124 17,2 129
Итого в среднем на 1 м ствола 15 17,8 118 18,5 123
Кроме влияния на параметры и качество крепи ствола технологические схемы влияют на качество оконтуривания сечения ствола и тем самым на объем выемки породы и расход бетона. В зависимости от применения той или иной схемы значение коэффициента использования сечения (КИС) колеблется от 1,02 до 1,25. Так по данным исследований Донецкого политехнического института фактическая величина КИС в Донецком и Карагандинском бассейнах составляет 1,1-1,12, а в отдельных случаях превышает 1,2. В Криворожском бассейне средние величины КИС по отдельным стволам достигали 1,19, в то время как СНиП допускает следующие увеличения проектных размеров с каждой стороны проводимой выработки: в породах с f = 0,4-
1,5 не более 50 мм, с f = 1,5-8 не более 70 мм, с _/=8-20 не более 100мм. Вследствие этого на практике наблюдается
значительный перерасход бетона по сравнению с проектными данными.
Основной причиной неудовлетворительного оконтури-вания выработок является малоэффективная технология ведения буровзрывных работ, обуславливающее значительное отклонение фактического контура выработки от проектного.
Для ликвидации переборов породы необходимо применять контурное взрывание, которое предусматривает отрыв пород по линии расположения оконтуривающих шпуров. Основным параметром контурного взрывания является максимальное приближение оконтуривающих шпуров к проектному контуру и бурение их под минимальным углом к стенке выработки (1-3 ).
Однако, характеристики бурильных машин таковы, что при бурении оконтуривающих шпуров неизбежны выход
концов шпуров за проектный контур выработки и отступление устьев шпуров от линии проектного контура на величину размера корпуса бурильной головки от оси штанги. Так при отставании крепления от забоя отечественные бурильные машины позволяют бурить оконтуривающие шпуры под углом к стенкам ствола не менее 5-8 с расположением устьев шпуров на расстоянии 200-250 мм от проектного контура, а при креплении выработки вслед за подвиганием забоя минимальный наклон оконтуривающих шпуров в плоскости параллельной проектному контуру составляет 814° с отступлением шпуров от линии проектного контура 250-350 мм и более.
В результате выполненного множественного корреляционного анализа расчетных данных получены формулы для определения величины переборов породы:
• для совмещенной технологической схемы
D = 5 м у = к-(13,048-52+3,70 1 9-5+0,3244);
D = 6 м у = к-(14,19-52+4,676-5+0,3 5 95);
D = 7 м у = к-(13,048-52+3,70 1 9-5+0,3244);
D = 8 м у = к-(16,286-52+6,4581-5+0,4623);
• для параллельной и последовательной технологических схем
у = 0,1574-Эпр- 0,0025,
где у — объем переборов породы, м3; к — коэффициент влияния крепости породы по СНиП; Dпр — диаметр ствола в проходке, м2; 5 — толщина крепи, м.
Коэффициент корреляции составил R = 0,99
Анализ полученных результатов расчетов и зависимостей показывает, что для совмещенной схемы проходки на величину переборов пород существенное влияние оказывает толщина крепи в зависимости от которой площадь ствола, а следовательно объем выемки породы, увеличивается на 726 %. Для параллельной и последовательной схем толщина крепи не влияет на объем переборов, так как крепь возводится на удалении от забоя и не мешает обуривать забой. Величина переборов пород при применении последовательной или параллельной технологической схем составляет 2,4-
3,6 % от площади ствола в свету.
Уменьшение величины переборов пород позволяет снизить объем расхода бетона. Для совмещенной схемы объем перерасхода бетона достигает 59-67 % (в зависимости от толщины крепи и диаметра ствола), а при параллельной (последовательной) -- 9-20 % (в зависимости от диаметра ствола).
Таким образом применение параллельной или последовательной технологической схемы по сравнению с совмещенной улучшает качество крепи, снижает действующие на нее нагрузки на 12-15 %, позволяет уменьшить переборы
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------
породы и тем самым сократить объем выемки породы и расход бетона.
Анкерная упрочняющая крепь повышает устойчивость вмещающих пород, их связность и обеспечивает совместное деформирование пород в некоторой области вокруг ствола. Благодаря вовлечению в работу массива пород удается существенно облегчить крепь.
Наиболее эффективными для условий ствола являются железобетонные анкеры. Они лишены недостатков, присущих другим конструкциям анкеров: проскальзывания замка по стенкам шпуров, низкой коррозийной стойкости и снижения прочности твердеющего состава во времени и др.
В зависимости от устойчивости, физикомеханических свойств пересекаемых пород и технологической схемы проходки ствола упрочняющая анкерная крепь может возводиться: из забоя ствола, с отставанием от забоя ствола через бетонную крепь с проходческого или армировочного полка.
Упрочняющая анкерная крепь, возводимая из забоя ствола, может одновременно использоваться как временная для предотвращения случайных вывалов и обрушения породы в ствол в пределах заходки (совмещенная технологическая схема) и при возведении постоянной крепи с отставанием от забоя (параллельная и последовательная технологические схемы).
Протяженность участка, закрепленного временной крепью, в зависимости от технологической схемы проходки может изменяться от 6 м (совме-щенная) до 45 м (последовательная и параллельная).
Длину анкеров на этом участке принимают такой, чтобы обеспечить их закрепление в ненарушенной развивающимися деформациями зоне.
Установка упрочняющей анкерной крепи через бетонную крепь с отставанием от забоя позволяет совместить эту операцию с другими работами проходческого цикла и сократить тем самым продолжительность сооружения ствола. Анкеры при этом упрочняют массив пород, радиально армируют бетон и создают единую несущую систему «порода-анкер-крепь», способную воспринимать нагрузки, развивающиеся во времени.
На участках переслаивающихся глинистых сланцев и песчаников мощностью от 0,1 до 5 м (второй тип горногеологических условий, водоносных песчаников и известняков (третий тип), а также при пересечении зон геологических нарушений упрочняющая анкерная крепь применяется в сочетании с последующим упрочнением вмещающих пород цементацией.
Ягодкин Феликс Игнатьевич — профессор, доктор технических наук, директор ООО НТЦ «Наука и практика».
Кокунько Ирина Николаевна — аспирант, ст. преподаватель кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета.
Вершинин Николай Константинович — ст. преподаватель кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета.
