CC BY
7
УДК 622.25.(06)
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
А. Н. Машин
В Российской Федерации находятся в эксплуатации десятки вертикальных стволов горных предприятий со сроком службы 40 - 50 лет и более. Большинство из них требуют проведения ремонтно-восстановительных работ различной степени сложности. Представлена методика, которая позволяет производить оценку устойчивости околоствольных пород по пяти категориям с учетом показателей относительной прочности, качества керна контакта «крепь - массив», обводненности и срока службы ствола. Категория определяется на основании расчетной величины интегрального критерия устойчивости, учитывающего влияние основных факторов. Рассмотрен алгоритм определения каждого из факторов, при этом впервые предложено учитывать такой показатель, как качество контакта «крепь - породный массив», которое может быть оценено в результате обследования ствола геофизическими методами. Отмечено, что в стволах в неработоспособном техническом состоянии, основная протяжённость которых относится к IV и V категориям устойчивости, требуется проведение работ по их реконструкции с изменением проектных параметров. Практическая реализация может предусматривать замену крепи на более мощную без изменения диаметра ствола либо возведение внутреннего слоя крепи, например тюбинговой, с уменьшением размеров поперечного сечения выработки. В породах, отнесенных к V категории устойчивости, в обязательном порядке решаются задачи по упрочению и повышению водонепроницаемости околоствольного породного массива.
Ключевые слова: ствол, крепь, породный массив, устойчивость, реконструкция.
Введение
Вопросам оценки технического состояния вертикальных стволов шахт и рудников, исследованию породных массивов в окрестности горных выработок, определению параметров напряженно-деформированного состояния системы «крепь - массив» посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых и специалистов.
Большой вклад в решение геомеханических проблем по обеспечению устойчивости горных выработок, ее оценки и прогнозирования внесли Б.З. Амусин, К.А. Ардашев, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, В.П. Зубов, Д.Р. Каплунов, Б.А. Картозия, Н.М. Качурин, A.A. Козырев, Ю.Н. Огородников, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт, B.C. Сажин, C.B. Сергеев, О.В. Тимофеев, К.Н. Трубецкой, Н.Н. Фотиева, П.М. Цимбаревич и другие. Подробный обзор работ данных авторов выполнен в современных крупных научно-методических трудах [1,2].
Вместе с тем вопросы, связанные с разработкой критериев оценки устойчивости шахтных стволов с большим сроком эксплуатации, остались не рассмотренными.
СП 91.13330.2012 «Подземные горные выработки» регламентирует расчет устойчивости пород массива только для проектируемых шахтных стволов, при этом в зависимости от категории устойчивости рекомендует применение различных типов крепей, с дальнейшим определением их геометрических и прочностных параметров. В нашем случае стоит задача по обоснованию критерия устойчивости для эксплуатационного ствола с существующей крепью, что вызывает необходимость рассмотрения и учета таких факторов, как срок службы выработок, влияние техногенной нару-шенности и качества «контакта «крепь - массив» и др.
В работах Козырева А.А. [3], Пестриковой В.С. [4], Плешко М.С. [5-7], Прокопова А.Ю. [8], Bruneau G. [9], Zhishu Yao [10], Niedbalski, Z. [11] и др. разработаны эффективные технические и технологические решения по проходке и креплению стволов в обычных и сложных горногеологических условиях, ремонту и восстановлению крепи и армировки. В то же время строительные геотехнологии, применяющиеся для реконструкции и восстановления шахтных стволов с большим сроком эксплуатации в сложных горно-геологических условиях, должны комплексно учитывать реальное состояние околоствольного массива и протекающие процессы его взаимодействия с крепью, не характерные для нового строительства. Изучению этих вопросов и посвящены научные исследования автора.
В настоящей публикации приведены результаты разработки методики оценки устойчивости шахтных стволов с большим сроком эксплуатации, позволяющие в дальнейшем более обоснованно выбирать оптимальные технические и технологические решения по их ремонту и реконструкции в различных горно- геологических условиях.
На основании анализа влияющих факторов и аналогичных методик для подземных горных выработок [12] для оценки устойчивости эксплуатационных стволов предложен количественный критерий следующего вида:
Ku = (Pi + P2 + Рз + P4 + Р5)кп, (1)
где Р1 - показатель относительной прочности пород на одноосное сжатие; Р2 - показатель, учитывающий выход керна (RQD); Р3 - показатель, учитывающий безремонтный срок службы ствола; Р4 - показатель, учитывающий качество контакта «крепь - массив»; Р5 - показатель, учитывающий условия обводненности ствола и околоствольных пород; кп - суммарный поправочный коэффициент, зависящий от конкретных горнотехнических условий рудника или шахты, параметров ствола и изменяющийся в диапазоне кп = 0,04...1,4.
Рассмотрим далее алгоритм определения основных влияющих факторов.
Показатель относительной прочности пород на одноосное сжатие определяется с учетом коэффициента напряженности околоствольного массива:
^, (2)
где у - средний объемный вес вышележащей толщи пород, кН/м3; Н -глубина заложения рассматриваемого участка ствола, м; Яе - предел прочности на сжатие околоствольного массива с учетом фактической трещино-ватости:
Яс = Я кс , (3)
Я - прочность пород на одноосное сжатие в образце, МПа; ке - коэффициент структурного ослабления околоствольных пород, принимается в соответствии с указаниями табл. 1.
Таблица 1
Характеристика интенсивности трещиноватости массива
Характеристика трещиноватости массива Расстояние между трещинами Ьср, Интенсивность трещиноватости Ут, Коэффициент структурного ослабления кс
Интенсивная трещиноватость. Зоны тектонических разломов, массив раздроблен, пустоты до 10 > 11 0,05 - 0,10
Очень высокая трещиноватость. Высокая степень нарушенности, в том числе техногенной 10 - 20 6 - 11 0,1 - 0,2
Высокая трещиноватость 20 - 40 5 - 6 0,2 - 0,3
Средняя трещиноватость 40 - 60 4 - 5 0,3 - 0,5
Слабо развитая трещиноватость. Одна-две системы трещин 60 - 100 2 - 3 0,5 - 0,7
Очень слабо развитая трещинова-тость 110 - 150 1 - 2 0,7 - 0,8
Неразвитая трещиноватость 150 - 200 - 0,8 - 0,9
Нетрещиноватые породы > 200 - 0,9 - 1,0
Важную роль при оценке устойчивости эксплуатационных стволов оказывает показатель Р4, учитывающий качество контакта «крепь - массив», которое во многом определяет уровень нагрузок на крепь и запас ее несущей способности. Методика определения показателя приведена в табл. 3.
Величина параметра Р1 принимается по табл. 2. В ней же приведены рекомендации по определению показателей Р2 и Р3. Данные показатели в целом являются традиционными для любого класса горных выработок и применяемых для них методик и позволяют оценить общее состояние околоствольного массива.
Таблица 2
Определение показателей Р1, Р2, Рз_
Показатель Р1
Коэффициент ка < 0,1 0,1 -0,3 0,3 -0,5 0,5 -0,7 > 0,7
Значение показателя 25 20 15 10 5
Показатель Р2
Выход керна RQD, % 90 -100 75 -90 50 -75 25 -50 < 25
Значение показателя 20 17 13 8 5
Показатель Р3
Безремонтный срок службы ствола, лет до 20 20 -30 30 -40 40 -50 свыше 50
Значение показателя 8 6 4 2 0
Таблица 3
Определение показателя, учитывающего качество контакта
«крепь - массив»
Качество контакта «крепь - массив» Показатель Р4
Нарушение контакта «крепь - массив» по протяженности участка ствола отсутствует 20
Нарушенный контакт «крепь - массив» (не более 10 % протяженности участка) 17
Нарушенный контакт «крепь - массив» (10 - 30 % протяженности участка) 14
Нарушенный контакт «крепь - массив» (более 30 % протяженности участка) 10
Сплошное нарушение контакта «крепь - массив», пустоты за крепью 3
Геомеханическая ситуация и устойчивость ствола во многом определяются фактической обводненностью околоствольного массива и интенсивностью остаточных водопритоков в ствол. Показатель, учитывающий, влияние этого фактора, принимается по табл. 4.
Таблица 4
Показатель, учитывающий условия обводненности ствола
и околоствольных пород
Параметр Инте рвалы значений
Водоприток на участке ствола, м3/час Нет < 0,5 0,5 -3 3 - 8 > 8
Общие условия Сухой участок Отдельные влажные места Капеж Приток по отдельным стыкам за-ходок и нарушенным участкам Интенсивной приток через крепь
Показатель Р4 20 17 13 8 2
По величине параметра Ки определяется категория устойчивости ствола на различных участках согласно табл. 5.
Таблица 5
Характеристика устойчивости участка ствола по параметру Ки
Параметр Интервалы значений
Ки,, балл > 9 < 9 - > 7 < 7 - > 5 < 5 - > 3 < 3
Категория I II III IV V
Степень Очень Средней Низкой Очень низ-
устойчиво- устойчи- Устойчивые устойчиво- устойчиво- кой устой-
сти вые сти сти чивости
Весьма прочные Прочные ма-лотрещинова-тые породы; незначительные водопро-явления; нарушенный контакт «крепь - массив» (не более 10 % протяженности участка) Трещиноватые породы средней Трещиноватые породы Дезинтегрированный
Описание участка ствола монолитные породы, водо-проявлени я отсутствуют, хороший контакт «крепь -массив» прочности, водопрояв-ления, нарушенный контакт «крепь -массив» (10...30 % протяженности участка) низкой прочности, водопрояв-ления, нарушенный контакт «крепь -массив» (более 30 %) околоствольный массив, интенсивные водопрояв-ления, нарушенный контакт «крепь -массив»
Следует отметить, что областью применения приведенной в табл. 5 классификации являются участки стволов, пройденные в скальных породах, склонных преимущественно к хрупкому разрушению. Участки, расположенные в соляных породах, в несвязных, вечномерзлых и других специфических грунтах по критерию Ки не оцениваются.
Заключение
Таким образом, предложенная методика позволяет производить оценку устойчивости околоствольных пород по пяти категориям с учетом показателей относительной прочности, качества керна, контакта «крепь -массив», обводненности и срока службы ствола. Это в свою очередь обеспечивает в дальнейшем ранжированный выбор необходимых управляющих воздействий. В стволах в неработоспособном техническом состоянии, основная протяжённость которых относится IV и V категориям устойчивости, требуется проведение работ по их реконструкции с изменением проектных параметров. Практическая реализация может предусматривать замену крепи на более мощную без изменения диаметра ствола либо возведение внутреннего слоя крепи, например тюбинговой, с уменьшением размеров поперечного сечения выработки. В породах, отнесенных к V категории устойчивости, в обязательном порядке решаются задачи по упрочению и повышению водонепроницаемости околоствольного породного массива путем анкерования, тампонажа, цементации и др.
Список литературы
1. Геомеханика: учеб. пособие.3-е изд., перераб. и доп. / П. В. Егоров, Г. Г. Штумпф, А. А. Ренев, Ю. А. Шевелев. КузГТУ. Кемерово, 2015. 309 с.
2. Борщ-Компониец В.И. Практическая механика горных пород. М.: Горная книга, 2013. 322 с.
3. Козырев А.А., Панин В.И. Развитие геомеханических исследований в горном институте КНЦ РАН // Труды Кольского научного центра РАН. 2020. Т. 11. № 6-19. С. 30-44.
4. Пестрикова В.С., Тарасов В.В., Загвоздкин И.В. Жизненные циклы системы комплекса шахтных стволов на верхнекамском месторождении // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 3. С. 213-221.
5. Assessment of stress-strain behavior of shaft lining in bottomhole area during sinking by real-time monitoring and computer modeling data / M.S. Pleshko, A.N. Pankratenko, M.V. Pleshko, A.A. Nasonov // Eurasian Miningthis link is disabled, 2021. 35(1). Р. 25 - 30.
6. Improvement of the analysis and calculation methods of mine shaft design / M.S. Pleshko [and others] // Mining Informational and Analytical Bul-letinthis link is disabled, 2019(12). Р. 55 -66.
7. Pleshko M., Meskhi B., Pleshko M. A new method for calculating the combined anchor-concrete support of underground structures // MATEC Web of Conferences 170, 03023 (2018). https://doi. org/10.1051/matecconf/ 201817003023.
8. Прокопов А.Ю., Саакян Р.О., Павлинов П.А. Классификация схем и способов реконструкции вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 3. С. 90 - 94.
9. Influence of faulting on a mine shaft - a case study: part I - Background and instrumentation // G. Bruneau, D.B. Tyler, Hadjigeorgiou, Y. Potvin // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. Volume 40, Issue 1, January 2003. Pages 95-111.
10. Experimental study on the dynamic mechanical properties of highperformance hybrid fiber-reinforced concrete of mine shaft lining / Zhishu Yao[and others] // Journal of Materials Research and Technology. Volume 14. September-October 2021. Pages 888-900.
11. Niedbalski Z., Malkowski P. Difficulties in maintaining shaft lining - testing methods and repair methods - a case study // E3S Web of Conferences 201, 01016 (2020). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020101016.
12. Кузьмин Е.В., Узбекова А.Р. Рейтинговые классификации массивов горных пород и их практическое применение // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2005. № 5. С. 181 - 185.
Машин Алексей Николаевич, ген. директор, info@,tinso.ru, Россия, Москва, АО «Трансинжстрой»
METHODOLOGY FOR EVALUATING THE SUSTAINABILITY OF EXISTING VERTICAL SHAFTS
А . N. Mashin
Dozens of vertical shafts of mining enterprises are in operation in the Russian Federation, with a service life of 40-50 years or more. Most of them require repair and restoration work of varying degrees of complexity. This publication presents a methodology that allows assessing the stability of near-hole rocks in five categories, taking into account indicators of relative strength, core quality, support-mass contact, water cut and hole life. The category is determined on the basis of the calculated value of the integral stability criterion, which takes into account the influence of the main factors. The article considers the algorithm for determining each of the factors, while for the first time it is proposed to take into account such an indicator as the quality of the contact "support - rock mass", which can be assessed as a result of a wellbore survey using geophysical methods. It was noted that in shafts in an inoperable technical condition, the main length of which belongs to IV and V categories of stability, it is required to carry out work on their reconstruction with a change in design parameters. Practical implementation may involve replacing the lining with a more powerful one without changing the diameter of the shaft, or erecting an inner layer of lining, for example, tubing, with a decrease in the size of the cross section of the mine. In rocks assigned to the V category of stability, the tasks of strengthening and increasing the water resistance of the near-stem rock mass are necessarily solved.
Key words: trunk, lining, rock mass, stability, reconstruction.
Mashin Alexey Nikolaevich, general director, info@,tinso.ru , Russia, Moscow, JSC "Transinzhstroy"
Reference
1. Geomechanics: studies. stipend.3rd ed., reprint. and additional / P. V. Egorov, G. G. Stumpf, A. A. Renev, Yu. A. Shevelev. KuzSTU. Kemerovo, 2015. 309 p
2. Borsch-Komponietz V.I. Practical mechanics of rocks. Moscow: Gornaya kniga, 2013. 322 p.
3. Kozyrev A.A., Panin V.I. The development of geomechanical research in the Mining Institute of the KNC RAS // Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2020. Vol. 11. No. 6-19. pp. 30-44.
4. Pestrikova V.S., Tarasov V.V., Zagvozdkin I.V. Life cycles of the mine shaft complex system at the Verkhnekamsk field // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2021. Issue 3. pp. 213-221.
5. Assessment of stress-strain behavior of shaft lining in the bottomhole area during sinking by real-time monitoring and computer modeling data / M.S. Pleshko, A.N. Pankraten-ko, M.V. Pleshko, A.A. Nasonov // Eurasian Mining His link is disabled, 2021. 35(1). p. 2530.
6. Improvement of the analysis and calculation methods of mine shaft design / M.S. Pleshko [and others] // Mining Informational and Analytical Bul-letinthis link is disabled, 2019(12). p. 55-66.
7. Pleshko M., Meskhi B., Pleshko M. A new method for calculating the combined anchor-concrete support of underground structures // MATEC Web of Conferences 170, 03023 (2018). https://doi.org/10.1051/matecconf/ 201817003023.
8. Prokopov A.Yu., Sahakyan R.O., Pavlinov P.A. Classification of schemes and methods of reconstruction of vertical trunks // Mining information and analytical bulletin. 2006. No. 3. pp.90-94.
9. Influence of faulting on a mine shaft - a case study: part I - Back-ground and instrumentation // G. Bruneau, D.B. Tyler, Hadjigeorgiou, Y. Potvin // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. Volume 40, Issue 1, January 2003. Pages 95-111.
10. Experimental study on the dynamic mechanical properties of high-performance hybrid fiber-reinforced concrete of mine shaft lining / Zhishu Yao[and others] // Journal of Materials Research and Technology. Volume 14. September-October 2021. Pages 888-900.
11. Niedbalski Z., Malkowski P. Difficulties in maintaining shaft lining - testing methods and repair methods - a case study // E3S Web of Conferences 201, 01016 (2020). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020101016.
12. Kuzmin E.V., Uzbekova A.R. Rating classifications of rock masses and their practical application // Mining information and analytical bulletin. 2005. No. 5. pp. 181 - 185.
УДК 504.55.054:622(470.6)
БЕЗОТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УТИЛИЗАЦИИ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ДОНБАССА
В. И. Голик, О. Г. Бурдзиева
Рассмотрены перспективы безотходной утилизации хвостов обогащения угля. Детализирована концепция радикальной утилизации отходов производства угля с включением их в природный круговорот. Дана оценка перспектив новой технологии
