CC BY
58
© С.Г. Страданченко, С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь, 2013
УДК 622.28(06)
С.Г. Страданченко, С.А. Масленников, Д.И. Шинкарь
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КРЕПЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Рассмотрено современное состояние проблемы крепления вертикальных стволов, строящихся в сложных условиях, на основе анализа зарубежного опыта показана возможность и необходимость внедрения сталебетонной крепи Ключевые слова: вертикальный ствол, чугунно-бетонная крепь, сталебетонная крепь, крепление ствола.
Вертикальные стволы для большинства современных горных предприятий являются основными вскрывающими выработками и наиболее ответственными сооружениями, связывающими подземный и поверхностный комплекс шахты в единую систему. С исчерпанием запасов полезных ископаемых залегающих на небольших глубинах и в благоприятных горно- и гидрогеологических условиях и переходом к отработке залежей в районах распространения вечной мерзлоты, повышенного горного давления на больших глубинах, зонах геологических нарушений, при высоком гидростатическом напоре особое значение приобретает вопрос обеспечения надежности и долговечности вертикальных стволов. Наиболее распространенная крепь из монолитного бетона и железобетона в сложных условиях не обеспечивает ни достаточной несущей способности, ни необходимой водонепроницаемости. В настоящее время только в России до 200 стволов эксплуатируются с повреждениями бетонной крепи [1]. Следствием несоответствия свойств монолитного бетона, железобетона, требованиям,
предъявляемым к крепи вертикальных стволов, строящихся в сложных условиях явилось более широкое использование в последние 15—20 лет в России чугунных тюбингов.
Ниже перечислены лишь несколько стволов, строительство которых велось в последние годы с использованием чугунно-бетонной крепи и приведены их наиболее важные, с точки зрения рассматриваемой в данной статье проблемы, характеристики.
При проходке самого глубокого, на настоящий момент, в РФ и Евразии, вентиляционного ствола (ВС-7), на реконструируемом руднике «Таймырский» возводили двухслойную крепь из чугунных тюбингов и бетона, общей толщиной св. 700 мм. Средняя скорость на завершающем этапе проходки — 4 м готового ствола за 3 суток, при этом временами она снижалась до 10 м в месяц [2]. Работы по строительству были начаты в 1992 г. и велись с перерывами до мая 2006 г.
В рамках крупнейшего проекта компании «Алроса» по переводу добычи алмазов с открытого на подземный способ на руднике «Удачный» в настоящее время осуществляется про-
ходка трёх вертикальных стволов — скипового, клетевого и вентиляцион-но-вспомогательного [3]. Глубина каждого составит около 1000 м. Крепление — комбинированная двухслойная чугунно-бетонная крепь. Срок строительства до пуска в эксплуатацию — семь лет.
Для перехода к подземному способу отработки запасов месторождения «Мир» построено два вертикальных ствола: клетевой и скиповой. Глубина стволов 1051 м и 1037 м соответственно. Крепление на полную глубину принято чугунными тюбингами [4]. На строительство клетевого ствола отведено 5 лет (начато 7 марта 2002 года), скипового — 6 лет (начато в августе 2003 года) [5].
Вертикальный ствол ш. «Северная Вентиляционная №2» Гайский ГОК, диаметр — 7,5 м, глубина ствола 1285,5 м, тип крепи — чугунные тюбинги. Строительство ствола ведется с 2006 г. [4].
Скиповой и клетьевой стволы на Гремячинском месторождении калийных солей компании ОАО Еврохим. Подготовительные работы начаты в мае 2007 года. Завершение строительства стволов и сдача их в эксплуатацию намечены на 2012 г. [6].
Подряд на выполнение работ получили ведущая немецкая шахто-строительная фирма Thyssen Schachtbau GmbH и южноафриканская организация Shaft Sinkers PTY Ltd. По словам иностранных специалистов занимавшихся вопросами проектирования крепи указанных стволов предпочтение чугунным тюбингам было отдано исключительно по просьбе заказчика.
Чугунно-бетонная крепь обладает рядом существенных недостатков, и отмечаемый рост использования объ-
ясняется не столько её фактическими преимуществами, сколько отсутствием других апробированных в России и положительно зарекомендовавших себя в сложных горно-геологических условиях типов крепи. Для поиска перспективных путей решения данной проблемы можно обратиться к опыту западноевропейской горной промышленности. Например, в Германии ограниченность запасов полезных ископаемых и длительная интенсивная эксплуатация имеющихся месторождений уже в середине XX в. привели к переходу добычи на значительные глубины. Так в 1960-м году средняя глубина отработки в каменноугольной промышленности Германии достигла 644 м, а в период с 1990 по 2007 гг. выросла с 960 до 1150 м [7].
В горной промышленности Германии крепь из чугунных тюбингов с заполнением закрепного пространства бетоном имела ранее широкое распространение. Например, по приблизительной оценке, в Рурском каменноугольном бассейне до 10%, а в калийной промышленности до трети всех стволов (по протяженности) закреплены чугунными тюбингами. При этом слой бетона часто имел существенную толщину и учитывался при расчете несущей способности. Долгое время в Германии крепь из чугунных тюбингов рассматривалась вообще как единственный возможный вариант при проведении стволов по искусственно замороженным породам. Такое мнение обосновывалось высокой, по сравнению с другими типами крепи распространенными в те годы, степенью водонепроницаемости, значительной несущей способностью, исключением необходимости применения временной крепи и т.д. На новейшем этапе развития горного дела в
Германии данный тип крепи потерял своё былое значение и применяется редко, а за последние 20—25 лет — примеров использования вообще не отмечено. В первую очередь это обусловлено повышением требований к водонепроницаемости, а также малой податливостью чугунно-бетонной крепи. Наличие большого количества швов не позволяет выполнить их достаточно качественную гидроизоляцию и приводит к наличию остаточного водопритока, а, например, в воздухо-подающих стволах периодические колебания температуры имеют следствием «раскрытие» швов и значительное ухудшение водонепроницаемости [8]. К тому же, несмотря на высокую несущую способность чугунно-бетон-ная крепь не в состоянии препятствовать смещениям пород, возникающим под влиянием отработки п.и., а это, с переходом к добыче на более глубокие горизонты, приводит к значительным потерям полезного ископаемого в целиках, либо к разрушению крепи.
Подтверждая перечисленные недостатки, в качестве основных причин нарушений чугунно-бетонной крепи немецкие специалисты называют смещения породного массива в результате подработки, коррозию, особенно на горных предприятиях по добыче соли, монтажные нагрузки, возникающие на стадии строительства, и здесь в первую очередь неравномерное оттаивание пород и проведение предназначенных для снижения водо-притоков цементационных работ [8].
Одним из наиболее интересных примеров проектирования крепи в сложных горно-геологических условиях с использованием тюбингов является ствол № 8 предприятия БорЫа-ЛаеоЬа [9]. В интервале глубин 370— 560 м ствол закреплен тюбингами из
1 234356 78
Рис. 1. Сталебетонная крепь со слоем скольжения ствола Voerde [10]:
1 — порода; внешняя крепь: 2 — цементно-песчаное заполнение закрепного пространства, 3 — бетонные блоки с прокладками из древесины, 4 — цементно-песчаный раствор; 5 — асфальт; внутренняя крепь: 6 — внешняя водонепроницаемая стальная обечайка, 7 — железобетон, 8 — внутренняя стальная обечайка
чугуна GGG 50, с толщиной стенок от 30 до 50 мм. При этом став тюбинговой крепи предназначен исключительно для восприятия горного давления, в то время как водонепроницаемость обеспечивается внешней стальной оболочкой толщиной 6— 8 мм.
Новой ступенью в креплении вертикальных стволов в сложных горногеологических условиях стало внедрение сталебетонной крепи со слоем скольжения. В общем случае подобная крепь представляет собой сложную конструкцию, состоящую из внешнего слоя — чаще всего бетонные блоки с уплотняющими прокладками из мягкой древесины, слоя ас-
Рис. 2. Крепь ствола Konradsberg. Схема и вид сверху
фальта толщиной 15—30 см, уплот-нительного слоя стали, и основной несущей конструкции, например, из сталебетонных колец либо стальной обечайки и монолитного бетона (см. рис. 1). Ограниченность максимальной высоты става крепи до 300 м, высокая стоимость, значительное увеличение диаметра ствола, трудоемкость и длительность возведения привели к её использованию в достаточно узком диапазоне условий.
Один из последних примеров — пройденный в 2003—2004 годах ствол Konradsberg предприятия по добыче каменной соли ИеПЬгоп (см. рис. 2). Ствол до глубины 165 метров закреплен крепью со слоем скольжения. Внешняя крепь представляет собой набрызгбетон в сочетании с короткими анкерами, далее двадцатисантиметровый слой асфальта, внутренняя крепь — оболочка из стально-
го листа толщиной 8 мм и 450 мм армированного бетона. Такая крепь позволила обеспечить полную водонепроницаемость, достаточно высокую несущую способность, и, что было важнее всего для заказчика, долговечность [11].
Еще одно интересное решение — внутренняя стальная оболочка с заполнением закрепного пространства цементно-песчаным раствором — было внедрено зарубежными специалистами преимущественно в практику восстановления нарушенной крепи.
Данный тип крепи обладает высокой несущей способностью, обеспечивает качественную гидроизоляцию и может применяться в самых сложных условиях. Например, сталебетонная крепь была использована для восстановления крепи ствола № 2 шахты по добыче каменной соли Pugwash
компании Canadian Satt Company Limiied (CSCL) расположенной в вос-точноканадской провинции Nova Scotia. Ствол диаметром 4,88 м и глубиной около 230 м на всем протяжении закреплен монолитным железобетоном толщиной от 300 до 600 мм. За время эксплуатации с 1964 г. верхний участок крепи длинной 80 м был неоднократно деформирован и, не смотря на проведенные защитные меры, сильно поврежден.
При эксплуатации в подобных условиях ствола № 1, прямоугольного сечения 4,87*1,83 м (14*6 футов), неоднократно происходили прорывы воды и деформации крепи. Ввиду невозможности поддержания ствола было принято решение на участке глубин от 43 до 133 м возвести бетонную пробку с оставлением в ее теле трех металлических труб диаметром 1,2 м, предназначенных для выдачи исходящей струи, что и было реализовано в 1984 г.
Контракт на перекрепление ствола № 2 получили фирмы Deilman-Haniel GmbH и J.S. Redpath, в основе их проекта лежало предложение возвести на наиболее поврежденном участке внутреннюю сталебетонную оболочку. При расчете крепи использовалась модель Амштутца (1969 г.) и Динка (1986 г.). При этом существующая бетонная крепь должна воспринимать давление со стороны пород, а стальная оболочка — гидростатическое. С учетом рисков обусловленных расчетной схемой несущая способность сталебетонной оболочки дополнительно повышалась в 1,5 раза. В конечном варианте толщина стальной оболочки изменялась от 16 мм в устье, до 38 мм на глубине 80 м.
Работы по возведению внутренней стальной оболочки начались в октябре
1998 г. и длились 11 месяцев. При этом эксплуатация ствола полностью прекращена не была. Разборку существующей бетонной крепи выполняли в ночные смены в рабочие дни, а в выходные демонтировали проводники, расстрелы, трубопроводы, устанавливали кольцо металлической обечайки и заполняли цементным раствором оставшийся зазор. После этого восстанавливали армировку ствола [12].
Сталебетонная крепь позволяет легко варьировать несущую способность на различных участках через изменение толщины стальной оболочки. В качестве примера можно привести скиповой ствол Hattorf глубиной 711 м шахты Hattorf-Wintershall объединения K+S AG, изначально закрепленный чугунными тюбингами. На участке ствола с 444 по 490 м тюбинги ввиду развития губчатой коррозии были деформированы, что вызвало рост притока воды. Наиболее рациональным решением возникшей проблемы было признано возведение на нарушенном и прилегающем участках (137 м) внутренней стальной оболочки. С учетом величины давления воды на рассматриваемой глубине до 5,4 МПа толщина оболочки запроектирована от 15 до 70 мм. Часть работ по усилению крепи была проведена во время остановки на шахте добычи летом 2000 г. [13].
Рассматриваемый тип крепи может применяться в стволах с деформированным сечением и при наличии существенных отклонений оси от вертикали. Например, это свойство было использовано при перекреплении ствола Sigmundshall компании K+S AG. Длинна участка возведения водонепроницаемой сталебетонной крепи 231 м, первоначальный диаметр 4,88 и 5,5 м, оставшийся после перекреп-
ления — 4,7 и 5,35 м. Отличительной особенностью данного ствола являлась деформация сечения с появлением эллиптичности, наибольший диаметр был больше наименьшего на величину до 11 см.
Или другой пример, ствол Erichsegen компании К+Б Дв на участке длинной 281 м был перекреплен водонепроницаемой сталебетонной крепью с заполнением пространства между ставом тюбингов и внутренней крепью асфальтом. Начальный диаметр ствола 4,44 и 4,54 м, после возведения сталебетонной оболочки 3,6 и 3,9 м. На момент проведения восстановительных работ крепь имела отклонение от вертикали до 13 см [14].
Сталебетонная крепь применяется не только для обеспечения качественной гидроизоляции, но и для восприятия давления со стороны пород. Например, ствол 4 предприятия К+Б Дв был сооружен в период с 1982 по 1988 г. методом бурения. Диаметр ствола до глубины 175 м — 4,3 м, далее 3 м. После проведенных в начале 90-х годов исследований было выявлено несоответствие прочности имеющейся крепи на изгиб существующим нормам. И хотя нарушений при эксплуатации не отмечалось, было принято решение усилить крепь на участке от 180,3 до 389,28 м возведением внутренней сталебетонной оболочки. Толщина стальной оболочки изменялась от 8 до 10 мм, закреп-ное пространство заполняли бетоном В35-В45, таким образом, общая толщина достигала 150 мм. На участке ствола от 389,28 м до 404,3 м был возведен участок сталебетонной оболочки без связи с породным массивом, предназначенный только для передачи вертикальных усилий от вы-
шележащей крепи фундаменту, расположенному на глубине 404,3— 412,3 м. Ввиду отсутствия необходимости обеспечения водонепроницаемости часть горизонтальных швов оставлялась не заваренной [15].
Анализ опыта возведения и эксплуатации чугунно-бетонной крепи, выполненный в последние годы на обширном фактическом материале, выявил ряд недостатков, важнейшие из которых — высокая стоимость, нерациональное использование материалов [16], невозможность обеспечения полной гидроизоляции, высокая жесткость, сложность ремонта нарушенных участков, значительная трудоёмкость и малый процент механизации работ по монтажу, низкая безопасность труда. С ростом объёмов строительства стволов с чугун-но-бетонной крепью перечисленные недостатки ведут к всё более негативным последствиям. Это заставляет искать новые способы надёжного и экономически эффективного поддержания вертикальных стволов.
Проанализированный авторами опыт зарубежного шахтного строительства показал преимущество многослойных конструкций крепей включающих грузонесущие (монолитный, сборный бетон, железобетон) и водонепроницаемые слои (стальные листы). Подобные конструкции обеспечивают высокую несущую способность, полную водонепроницаемость, благоприятный режим работы, имеют меньшую или равную с чугунно-бетонной крепью толщину, могут быть использованы как для крепления всего ствола, так и отдельных его участков, а также, при необходимости представляют возможность возводить крепь не связную с породным мас-сивом.
Возведение сталебетонной крепи требует меньшего количества оборудования, что существенно разгружает сечение ствола и позволяет выполнять работы более гибко (например, при восстановлении крепи без полной остановки эксплуатации), повысить долю механизации.
В опыте российского шахтного строительства сталебетонная крепь нашла применение исключительно при проходке стволов бурением. Описанный выше опыт зарубежных шахтостроительных кампаний подтверждает необоснованность применения данного типа крепи в столь зауженном диапазоне условий. Использование стали в качестве материала крепления на новом этапе развития науки и техники позволяет разрешить ряд
1. Мартыненко И.А. и др. Шахтное и подземное строительство. Ч. 2. Технология строительства вертикальных стволов.: Учеб. пособие / Шахтинский ин-т ЮРГТУ / И.А. Мартыненко, П.С. Сыркин, А.Ю. Прокопов, С. Г. Страданченко. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. — 260 с.
2. http: //ks. sibpress. ru/nomer/ks/-/jid/95/ cat_id/5/id/3689/ Веселов А. Люди никеля // «Континент Сибирь». — 2006. — № 50.
3. http://www.alrosa.ru/ официальный сайт АК «Алроса».
4. http://www.souzspecstroy.ru/ официальный сайт объединённой шахтостроитель-ной компании «Союзспецстрой».
5. Юрьев Б. Задача с тремя неизвестными // Вестник Алроса. — 2006. — № 8. — С. 1, 8—9.
6. http://www.eurochem.ru/internet/29/ articles/213 официальный сайт Минерально-химической компании Еврохим.
7. Technik und Know-how-Management im deutschen Steinkohlenbergbau // Gbckauf. — 144 (2008). — № 12. — S. 719—725.
стоявших ранее проблем, например, существенно повысить эффективность противокоррозионной защиты, применяя, в частности, гидроизоляционные мембраны [17], качество выполнения сварочных работ в стволе, выполняя их полностью автоматизировано и т д.
Проводимые авторами исследования (в настоящее время выполняется патентование ключевых конструкторских и технологических решений) по разработке конструкции управляемой сталебетонной крепи показывают, что грамотный подход к проектированию позволяет существенно снизить стоимость и повысить надежность крепи, что расширяет область её применения и делает использование сталебетонной крепи более перспективным.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Gußeiserner Schachtti>bbingsziulenausbau — Historie, Schadensarten und Reparaturvarianten // Report. — 1999. — S. 12—16.
9. Reuther E.U. Lehrbuch der Bergbaukunde. — Essen: Verlag Gbckauf GmbH, 1989. — S. 812.
10. O. Langefeld, E. Clausen. Vorlesungsunterlagen: Herstellung und Betrieb seigerer Grubenraume. — TU Clausthal. S. 478.
11. Mit dem Schacht „Konradsberg" in die Zukunft / Sьdwestdeutsche Salzwerke AG, 2005. — S. 16.
12. www.dh-ms.com J. Greinacher. Vor-bausдule Schacht Pugwash 2, Deilmann-Haniel.
13. Schachtbau und Gefrieren. Deilman-Haniel Schaft Sinking. K+S Information, Nr. 4/2000. S. 4. Рекламный буклет.
14. Deilman-Haniel Schachtbau. Рекламный буклет.
15. www.dh-ms.com Oellers T., Valk J. Deil-mann-Haniel. Vorbausoule im Schacht Zielitz 4.
16. Масленников С.А. Обоснование рациональных параметров комбинирован-
ной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов \ Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2009. — № 4 — С. 210—214.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
17. http://asninfo. ru/ se/ article/26856 Андрей Мельников. На глубине, но не в обиде / «Строительный Еженедельник», № 50 (390) от 07.12.2009. \ГШ
Страданченко Сергей Георгиевич — доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской Академии Естественных Наук, директор ЮРГТУ (НПИ), siurgtu@itsinpi.ru,
Масленников Станислав Александрович — доктор технических наук, доцент,
MaslennikovSA@mail.ru,
Шинкарь Денис Игоревич — аспирант,
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ГЕОРЕСУРСОВ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
Выпуск 2
Васянович Ю.А. и др. Дальневосточный федеральный университет, Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН; ОАО Приморскуголь, ЧС Сахалин Энерджи Инве-стмент Компани, Ётд, vasyanovich_2011@mail.ru
Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2012. — № 12. — 140 с.— М.: Издательство «Горная книга».
Рассмотрены факторы, характеризующие геомеханическое и геодинамическое состояние горного массива и характер влияния этих факторов на устойчивость откосов угольных разрезов Дальнего Востока, разрабатываемых в сложных горногеологических условиях, процессы и перспективные направления применения технологии подземной газификации углей; научно-методические, организационные и социально-экономические положения проекта строительства первой очереди горно-химического комплекса в Приморском крае. Разработана экономико-технологическая модель организации производства, технологий и технических средств глубокой химической переработки углекарбонатного минерального сырья, предложен вариант разработки наклонного угольного пласта по простиранию и отсыпки вскрышных пород во внутренние отвалы; рассмотрены вопросы и опыт оцифровки архивной горно-графической документации в среде ГИС с целью использования комплексного анализа в процессе мониторинга открытых горных работ, практика трехмерного моделирования карьеров на территории Приморского края.
Ключевые слова: шельф, нефть, газ, разлив нефти, загрязнение окружающей среды.
PROBLEMS OF GEORESOURCE DEVELOPMENT OF THE FAR EAST. ISSUE 2
Vasjanovich Yu.A. etc.
Presents information on hydrocarbon resources of Russian continental shelf, convergence of oil and gas reserve across the shelf and marine environment, the most promising areas for oil and natural gas recovery, hydrocarbon production impact on the ecology of the coastal zone and offshore. The analysis of the oil and natural gas recovery dynamics on the Sakhalin Island shelf, emergency situations and accidents due to oill spillage in the Sakhalin area and the causes of oil spillage is performed.
Key words: resources, hydrocarbons, shelf, problems, recovery, environment, emergency situations, oil spillages.
