О проблемах поддержания и реконструкции вертикальных стволов шахт Донбасса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 3. С. 245-254

= Науки о земле =

УДК 622.258: 622.012

О проблемах поддержания и реконструкции вертикальных стволов шахт Донбасса

С.В. Борщевский, М.В. Прокопова, К.Э. Ткачева, В.А. Курнаков

Аннотация. Приведены статистические данные по эксплуатируемым стволам угольных шахт Донбасса, произведена оценка их современного состояния и предложены направления реконструкции стволов.

Ключевые слова: вертикальные стволы, Российский Донбасс, Украинский Донбасс, сравнительный анализ, критерии устойчивости, нарушение крепи и армировки, направления реконструкции стволов.

Современные вертикальные стволы эксплуатируются в самых разнообразных горно- и гидрогеологических условиях, которые оказывают существенное влияние на устойчивость ствола и, как следствие, на состояние его крепи и армировки. Особенностью вертикальных стволов является большое количество пересекаемых породных слоев, которые часто существенно различаются по своим физико-механическим и прочностным характеристикам, поэтому на различных по глубине участках уровень воздействий на крепь и армировку со стороны породного массива может быть различным.

В 1990 г. в угольной промышленности бывшего СССР в проходке находилось 67 вертикальных стволов (без учета углубки) различного назначения. Всего было пройдено 8,8 км стволов. Из общего числа новых стволов 75% имели диаметр в свету 6-7 м. Распределение стволов по интервалам глубин на этот период показано на рис. 1, а. Средняя глубина проходок достигла 730 м [1].

Сравнительный анализ данных по ряду шахтных вертикальных стволов, проектирование и строительство которых осуществлялось в 70-90-х гг. XX в. и в 1995-2007 гг. (табл. 1) в Российском и Украинском Донбассе, показывает, что продолжается тенденция к увеличению глубины и диаметра сооружаемых стволов и, соответственно, к снижению устойчивости вмещающих пород и усложнению условий поддержания крепи и армировки. На рис. 1, б показано распределение по глубинам стволов, пройденным в Российском и Украинском Донбассе в период с 1995 по 2007 гг.

Рис. 1. Распределение проходимых вертикальных стволов по глубинам: а — в 1990 г.; б — в 1995-2007 гг. (Донбасс)

В соответствии с действующей нормативной базой по проектированию горных выработок [2], устойчивость вертикальных стволов в целом оценивается по величине критерия устойчивости С, в зависимости от которого все породы, вмещающие ствол, делятся на 4 категории. Как следует из формулы определения критерия устойчивости С, он прямо пропорционален глубине ствола Н, нелинейно зависит от расчетного сопротивления пород сжатию ЯС: а также учитывает наличие водоносных горизонтов, сближенных выработок и сопряжений, влияние очистных работ и другие факторы, снижающие устойчивость вмещающих пород.

Чем выше критерий устойчивости, тем большую нагрузку со стороны массива будут воспринимать крепь и армировка ствола. Относительно безопасными с точки зрения воздействий на крепь и армировку могут считаться только породы I категории устойчивости. Как показывает практика эксплуатации вертикальных стволов в Донбассе [3-5], пройденных в породах II категории и выше, часто возникают нарушения крепи и армировки, требующие их ремонта или полной замены, поэтому в таких условиях рекомендуется применение конструктивных мер защиты крепи и армировки. Особенно в неблагоприятных условиях находятся сопряжения стволов. По данным [6], в настоящее время в странах СНГ находится около 200 шахтных стволов с нарушенными крепью и армировкой.

Исследуем зависимость критерия устойчивости пород от глубины и расчетного сопротивления пород сжатию для стволов, находящихся вне водоносных горизонтов, вне зоны влияния очистных и очистных выработок при пологих углах залегания пород. Графики функции С = /(#) для различных значений расчетного сопротивления пород сжатию Ис приведены на рис. 2.

Как следует из графиков (рис. 2), для больших глубин даже в обычных горно-геологических условиях при наличии пород средней (/ = 5-7) и ниже

Таблица 1

Вертикальные шахтные стволы, пройденные в Донбассе в 1995-2008 гг.

№ п/п Название ствола и шахты Основной вид крепи Диаметр, м Глубина, м

Российский Донбасс

1 Шахта «Обуховская № 1» — главный — вспомогательный — вентиляционный Монолитный бетон 7.0 7.0 6.0 904 922,2 919

Украинский Донбасс

2 Шахта им. А.Ф. Засядько: — воздухоподающий № 2 — восточный вентиляционный № 2 — восточный вентиляционный № 3 Монолитный бетон 7.0 6,5 7.0 1265 1014 1220

3 Шахта «Шахтерская-Глубокая» — скиповой ствол; — клетевой ствол Монолитный бетон 8,0 8,0 1335,6 1341

4 Шахта «Красноармейская-Западная № 1» — воздухоподающий ствол № 2 — скиповой ствол № 2 Монолитный бетон 8,0 7,0 860 857

5 ГП «Угольная компания «Краснолиманская»: — воздухоподающий ствол № 1 Монолитный бетон 8,0 1144

6 Шахта «Южнодонбасская №3»: — воздухоподающий ствол № 2 Монолитный бетон 7,0 999

7 Шахта «Прогресс» ГП «Торезантрацит»: — клетевой ствол № 2 Монолитный бетон 7,5 1352

8 Шахта «Белозерская» ГП « Добропольеуголь»: — главный ствол Монолитный бетон 7,0 565

средней (/ = 3-4) крепости характерны среднеустойчивое и неустойчивое, а в районе сопряжений — очень неустойчивое состояние породного массива. При наличии водоносных горизонтов, горно-геологических нарушений, влиянии очистных работ и других неблагоприятных факторах устойчивость вмещающих пород еще более ухудшается.

Это свидетельствует о том, что большинство глубоких стволов находятся в неблагоприятных с точки зрения устойчивости условиях.

В результате анализа данных, опубликованных в научно-технических изданиях, полученных из отчетов НИР, проектов производства работ по восстановлению участков стволов с нарушениями крепи и армировки, фактического

а б

Рис. 2. Графики зависимости критерия устойчивости от глубины и расчетного сопротивления пород сжатию: а — для прямолинейных участков ствола; б — для участков сопряжений

осмотра нарушенных стволов были выявлены основные причины нарушений крепи и армировки вертикальных стволов.

Характеристика причин повреждений и степень их влияния в нарушении крепи и армировки вертикальных стволов по основным угольным бассейнам представлены в табл. 2 [7].

В большинстве случаев нарушения крепи и армировки стволов происходят при влиянии одновременно нескольких причин. Из данных таблицы следует, что основными из них являются влияние очистных работ и приствольных выработок, а также неблагоприятные условия в зонах пересечения старых горных работ и геологических нарушений.

Указанные выше причины нарушений стволов могут быть разделены на три группы: природные (группы 3 и 4), технологические (группа 5) и эксплуатационные (группы 1 и 2). Природные, или естественные причины существуют до сооружения выработки и могут проявиться на любой стадии ее работы. Технологические причины возникают в процессе сооружения выработки и связаны с несовершенством технологии, несоответствием типа и несущей способности крепи некоторым технологическим параметрам. Эксплуатационные причины связаны с использованием выработки, разработкой полезных ископаемых, способами охраны и др.

Аналогичные исследования, проведенные в Донбассе в 2006 г. институтом НИИОМШС, свидетельствуют об увеличении количества стволов, имеющих нарушения крепи и армировки. Так по данным [8] в 2006 г. в Украинском Донбассе насчитывалось 103 вертикальных ствола с нарушениями крепи и армировки, в том числе в 75 стволах зафиксированы нарушения средней тяжести и тяжелые. Проводимый институтом НИИОМШС мониторинг состояния вертикальных шахтных стволов позволил выявить основные причины нарушений (табл. 3). Динамика изменения нарушенных стволов в Донбассе показана на рис. 3.

Таблица 2

Основные причины и степень их влияния в нарушении крепи и армировки вертикальных стволов (по данным 1994-96 гг.)

03 С с г*} а и Основные причины нарушения крепи и армировки вертикальных стволов Степень влияния причин в нарушении крепи и армировки вертикальных стволов, %

Украинский Донбасс Российский Донбасс ИТОГО по Донбассу Кузбасс Кизеловский бассейн Челябинский бассейн Печерский бассейн

Влияние очистных работ

1 вследствие недостаточных 35 30 11 44 43

размеров предохранительных

целиков, их частичном выемки

Повышенное давление пород на

крепь ствола в местах сопряжении

2 с примыкающими выработками 36 — 31 — 28 27 41

вследствие ослабления массива

сетью околоствольных выработок

Неблагоприятные условия в зонах

3 геологических нарушении 11 10 18 6 13

и пересечения старых горных

работ

Агрессивное воздействие

4 подземных вод на крепь 10 85 20 80 3 20 23

и армировку

Прочие причины (нарушение

5 технологии возведения крепи, 8 15 9 9 7 4 23

армировки и пр.)

Каждый год находились в ремонте от 23 до 40 стволов, что свидетельствует об актуальности проблемы поддержания стволов и разработки методов и средств защиты крепи и армировки от вредных воздействий, к которым относятся, прежде всего, горно-геологические, вызванные деформациями вмещающего породного массива.

Аналогичная ситуация характерна для вертикальных стволов шахт Российского Донбасса, где более половины стволов глубиной свыше 700 м имеют существенные нарушения крепи и армировки [9].

В неблагоприятных горно-геологических или горнотехнических условиях могут возникать существенные, в том числе и недопустимые деформации

Таблица 3

Основные причины нарушений крепи и армировки вертикальных стволов Донбасса (по данным НИИОМШС на 2006 г.)

Причина нарушений Количество стволов с нарушениями

шт. % от общего количества

Непредвиденные сложные горногеологические условия 70 39

Влияние выработок околоствольного двора 32 18

Влияние очистных работ 27 15

Агрессивное воздействие шахтных вод 19 11

Обмерзание ствола 13 7

Низкое качество материала крепи 10 6

Прочие причины 8 4

120

И 00

80

60

40

20

,103 103 103

94 ^87^ ’—96 80

64 61.^ ^73 73 \*75

40

\23^ 37 —* 33

2001 2002 2003 2004 2005 2006

год

Рис. 3. Динамика роста стволов Донбасса с нарушениями крепи и армировки: 1 — всего; 2 — средней тяжести и тяжелыми;

3 — находившихся в ремонте

крепи и элементов армировки, что негативно сказывается на безопасности и производительности всего подъемного комплекса.

В результате деформации вмещающего массива и крепи стволов могут возникать следующие дефекты элементов армировки:

— поверхностные (погнутость, забоины, надиры, выкрашивания );

— объемные (структурные изменения, накопление усталостных повреждений).

Наиболее характерными общими дефектами являются:

— расширение или сужение колеи проводников (под влиянием горного давления ширина колеи проводников может изменяться, что делает

небезопасным движение подъемных сосудов, которые могут заклиниваться или выйти из колеи);

— ослабление болтов;

— ослабление стяжных скоб крепления проводников к расстрелам;

— интенсивный механический и коррозионный износ в результате воздействия агрессивной среды и т.д.

Деформации расстрелов вызываются также влиянием очистных работ или геологическими нарушениями. При заделке расстрелов в крепь на недостаточную глубину происходит расшатывание конструкции армировки. Часто снижается жесткость узла соединения боковых расстрелов с центральными на ярусах из-за ослабленных или разъеденных коррозией болтов и т.д.

Обнаруженные закономерности износа расстрелов армировки объясняются тем, что деформация армировки часто связана с деформацией крепи, поэтому проектирование расстрелов и проводников должно позволять их регулировку в вертикальной и горизонтальных плоскостях.

В проектируемых в настоящее время конструкциях армировки, элементы податливости, чаще всего, допускают смещение на меньшую величину, чем это происходит на самом деле. При повышении величины горного давления на крепь из-за подработки стволов и других причин происходит деформация крепи, которая передается на армировку, вызывая еверхдопуетимые отклонения и нарушения ее элементов [10].

Наибольшую актуальность приобретает проблема ремонта или замены армировки с минимальными потерями времени работы подъема.

Сооружение новых вертикальных стволов требует, как правило, крупных капиталовложений, является более продолжительным, чем работы связанные с ремонтом или восстановлением крепи и армировки, а также с углубкой существующих стволов. Сложившаяся в Донбассе и во многих других угледобывающих регионах страны экономическая ситуация не способствует строительству новых шахт, тем не менее поддержание существующих мощностей по добыче угля остается актуальной задачей.

Анализ существующих направлений реконструкции вертикальных стволов позволил разработать классификацию (рис. 4), которая включает виды ремонта стволов, схемы углубки, а также схемы и способы восстановления рабочих параметров крепи и армировки [11].

Как видно из приведенной классификации, наибольшее значение при поддержании стволов имеют ремонт и восстановление армировки, поэтому необходимо разрабатывать новые ресурсосберегающие способы и схемы реконструкции вертикальных стволов и новые ремонтопригодные конструкции узлов армировки. Не менее актуальной является разработка прогрессивных экономически эффективных технологий ремонта крепи и армировки, уменьшающие продолжительность, снижающие трудозатраты и обеспечивающие повышение безопасности ведения работ.

Изменение типа крепи

Замена всей или участка крепи без изменения ________площади__________

Замена всей или участка крепи с изменением ________площади_________

Заделка незначительных вывалов крепи и крупных _________трептин_________

Ремонт крепи ствола способом тампонажа закрепного пространства

Замена жесткой армировки на канатную

Усиление узлов крепления проводников к расстрелам

Устранение искривления расстрелов

Полная замена расстрелов и проводников без изменения армировки

Замена жесткой армировки одного вида на армировки другого вида (расстрельной на безрасстрельную и др.)

с остановкой без остановки без остановки с оста] работы ствола работы ствола работы ствола работы

О

а

о

о

о ‘

СП \ >

Е 43

2

5

-а

о

сэ .

я

5

о

н

03

о

О й СО

X

о '

2

Е

Устранение мелких нарушений, выявленных в процессе регулярного профилактического осмотра.

Обеспечивает предотвращение возникновения неблагоприятных изменений крепи и армировки и ___________их устранение_________

Вызывается исключительными непредсказуемыми форсмажорными обстоятельствами

Предусматривается с целью улучшения или восстановления технического состояния ствола

Р 8

КС

о

13

о

й

и

5

Не

»2

X 03

РЧ тз

Кс к

а

а

Полным сечением с выдачей породы на дневную поверхность

Полным сечением с выдачей породы на вентиляционный или рабочий горизонт

Полным сечением с выдачей породы на углубочном горизонте

Узким сечением с последующим расширением сверху вниз до полного сечения ствола

и

>

го

ь

гтт

■о

т

т;

0

1

о

н

■о

<

с

I ■ §

го

т

-о

сг

х

о

н

го

о

о

го

Ь5

СЛ

Ь5

-§

£

8

е

&

о

О

3

О

а

а

У

а

л

а

а

Со

«е

“в

г

а

о

а

Список литературы

1. Борщевский С.В., Кокунъко И.Н. Пути совершенствования технологии строительства вертикальных стволов шахт буровзрывным способом // Современные проблемы шахтного и подземного строительства. Донецк: Норд-Пресс, 2006. Вып.7. С. 139-149.

2. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки. М.: Стройиздат, 1982. 31 с.

3. Гамаюнов В.В., Будник A.B. Основные виды и причины нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт // Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. Донецк: Норд-Пресс, 2003. С.91-97.

4. Косков И.Г., Прагер В.А., Будник A.B. Перспективы безремонтного поддержания вертикальных стволов шахт // Уголь Украины. 1994. JV® 9. С.47-49.

5. Ремонт крепи вертикальных стволов на шахтах объединения Донецкуголь / А.Н. Чупика [и др.] // Уголь Украины. 1989. JV® 11. С.27-29.

6. Левіт, В. В. Геомеханічні основи розробки і вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах: Автореф. дис... д-ра техн. наук: 05.15.04: Дніпропетровськ, 1999. 36 с.

7. Страданченко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося породного массива: дисс. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 1998. 101 с.

8. Мониторинг состояния вертикальных шахтных стволов / В.В. Гамаюнов [и др.] // Современные проблемы шахтного и подземного строительства. Донецк: Норд-Пресс, 2006. Вып.7. С.154-160.

9. Саакян Р. О. Обоснование параметров податливой армировки вертикальных стволов для условий деформирующегося породного массива: дисс. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 2005. 151 с.

10. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978. 301 с.

11. Прокопов А.Ю., Саакян P.O., Павлинов П.А. Классификация схем и способов реконструкции вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2006. № 3. С. 90-94.

Поступило 06.06.2009

Борщевский Сергей Васильевич (borshevskiy@gmail.com), д.т.н., профессор, кафедра строительства шахт и подземных сооружений, Донецкий национальный технический университет, Украина.

Прокопова Марина Валентиновна (sun210872@yandex.ru), к.т.н., доцент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт, филиал Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).

Ткачева Карина Эдуардовна, ассистент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский

институт, филиал Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).

Курнаков Валерий Александрович (valkurn@mail.ru), к.т.н., доцент, зав. кафедрой, кафедра электрофикации и автоматизации производства, Шахтин-ский институт, филиал Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт).

About problems of supporting and reconstruction vertical shafts of Donbas mines

S.V. Borshevskiy, M.V. Prokopova, K.A. Tkachova, V.A. Kurnakov

Abstract. Statistical data on maintained shafts of Donbas collieries are cited. The estimation of their current state is made and directions of reconstruction of shafts are offered.

Keywords: vertical shafts, Russian Donbas, Ukrainian Donbas, comparative analysis, critical indexes of stability, break-down of support and reinforcement, reconstruction directions of shafts.

Borshevskiy Sergey (borshevskiy@gmail.com), doctor of technical sciences, professor, department of mines and underground structure constructions, Donetsk National Technical University, Ukraine.

Prokopova Marina (sun210872@yandex.ru), candidate of technical sciences, associate professor, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute, branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Tkachova Karina, assistant, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute, branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Kurnakov Valery (valkurn@mail.ru), candidate of technical sciences, associate professor, chair of department, department of electrification and automatization of production, Shakhty Institute, branch of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).