CC BY
26
© А.Ю. Прокопов, М. В. Прокопова, 2004
УДК 622.258.3
А.Ю. Прокопов, М.В. Прокопова
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ АРМИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Семинар № 13
ТГ ри проектировании армировки верти-
-Ц- кальных стволов, строительство и эксплуатация которых осуществляется в сложных горно-геологических условиях, необходимо комплексно решать две группы взаимосвязанных задач. Первая группа обусловлена функциональными требованиями, включающими обеспечение прочности, устойчивости и долговечности при эксплуатации в сложных горно- или гидрогеологических условиях, вторая группа определяется экономическими требованиями, обуславливающими необходимость максимального сбережения как материальных, так и трудовых ресурсов.
В силу объективных экономических законов, объем материального производства всегда ограничен количеством средств на его реализацию. В данном случае, в зависимости от того, какой из групп требований отдается приоритет, проектирование становится либо ресурсосберегающим, либо ориентированным на максимально полное удовлетворение функциональных и технических требований. Первый подход дает максимальную экономию ресурсов на этапе строительства, но опасен тем, что такая экономия не обеспечит нормальной работы подъема в период эксплуатации (например, недостаточная жесткость армировки, быстрый коррозионный износ, невозможность регулирования или ремонта, деформация элементов армировки вследствие несоответствия выбранных конструкций сложным горно-геологическим условиям, повышенный износ вследствие неточности монтажа или отсутствия футеровки и др.). В результате затраты на поддержание и ремонт таких армировок могут значительно превысить первоначальную экономию при армировании. Второй подход требует значительных материальных затрат (усиленные, иногда неоправданно завышенные профили армировки, всевозможные узлы податливости и средст-
ва защиты, использование различных материалов и др.), хотя и учитывает всевозможные последствия эксплуатации армировки. В связи с этим, проблема поиска оптимальных проектных решений, при которых указанные группы требований будут удовлетворены одинаково полноценно, является сложной как с инженерной, так и научно-технической стороны.
Все вышесказанное потребовало от авторов разработки новых технических и технологических решений, позволяющих обеспечить рациональные параметры армировки вертикальных стволов для сложных горногеологических условий, при этом соблюсти принцип максимального ресурсосбережения.
В качестве одного из направлений защиты армировки вертикальных стволов предлагается применение малорасстрельных и безрасстрель-ных конструкций с регулируемым положением элементов. Такие конструкции будут отвечать как большинству функциональных, так и экономических требований, упомянутых выше. Так, например, в стволах, подверженных влиянию горного давления, наиболее предпочтительной будет консольная армировка с боковым расположением проводников относительно подъемных сосудов. При этом продольные оси консолей должны проектироваться по возможности в направлении ожидаемых сдвижений поперечного сечения ствола. Консольная схема с лобовым двухсторонним расположением проводников благоприятна в стволах, где преобладают деформации контура в горизонтальном направлении, перпендикулярном проектному положению продольных осей консолей и подъемного сосуда [1].
Преимущество консолей заключается также в том, что они могут регулироваться в горизонтальной плоскости вдоль своей продольной оси и перпендикулярно ей. Для глубоких стволов величина необходимой регулировки определяет-
ся, исходя из ожидаемых смещений проектного контура крепи.
Другим важным преимуществом безрас-стрельных схем с креплением консолей на анкерах является их конструктивная независимость друг от друга. Отсутствие традиционных ярусов связанных между собой расстрелов позволяет производить замену или регулировку одной из консолей независимо от других. Такая необходимость может возникнуть в результате деформации или нарушения крепи определенного участка ствола, когда необходима регулировка одной из консолей, а изменения работы других не требуется.
Как показывают исследования [2], максимальные радиальные отклонения стенок стволов от проектного положения возрастают с увеличением глубины и диаметра ствола, при этом на глубине свыше 600-700 м эти отклонения зачастую превышают 50 мм, т.е. допускаемые по действующим СНиП. В таких условиях необходимо предусматривать ремонтопригодные конструкции армировки или узлы соединения элементов, позволяющие регулировать положение расстрелов и проводников. В этой связи при участии авторов были разработаны регулируемые консольно-распорные армировки [3, 4], включающие составную консоль и одну или две (в зависимости от запроектированных нагрузок на армировку) прикрепленные к ней под углом балки коробчатого профиля. Составная консоль состоит из двух отрезков коробчатого профиля, один из которых жестко крепится к крепи ствола анкерами, а другой соединяется с первым с помощью болтового соединения. Между отрезками консоли оставляется зазор, равный ожидаемой величине радиального смещения крепи ствола.
Второй вариант консольно-распорной армировки отличается тем, что консоль состоит из одного отрезка коробчатого профиля, который прикрепляется с помощь болтового соединения к двум распорным балкам, закрепленным анкерами в крепи ствола. Болтовое соединение состоит из двух плит, приваренных к балкам и соединяемых выше и ниже консоли болтами. При этом величина податливости ограничивается расстоянием от конца консоли до крепи (при смещении стенок к центру ствола) или четвертью длины консоли (при отклонении
крепи в направлении от центра ствола). Таким образом, выбор расстояния между концом консоли и крепью ствола определяется величиной ожидаемых деформаций.
С целью снижения металлоемкости вышеописанных конструкций была предложена новая схема армировки, предусматривающая крепление рельсовых или коробчатых проводников непосредственно к бетонной крепи ствола анкерами [5]. Недостатком такой конструкции является невозможность регулирования положения опорной плитки и прикрепленного проводника. В связи с этим авторами предлагается усовершенствованная ремонтопригодная конструкция анкерно-консольной армировки, предусматривающая возможность регулирования в радиальном и перпендикулярном ему горизонтальном (т.е. касательном к радиусу крепи) направлениях (рис. 1). Такая конструкция отличается минимальным количеством деталей и включает опорную плиту, фиксируемую на четырех анкерах, и четыре фигурные прижимные скобы с продольными отверстиями для закрепления на анкерах. Регулировка в радиальном направлении обеспечивается перемещением опорной плиты по анкерам, а в перпендикулярном горизонтальном направлении - параллельным перемещением зажимных скоб по опорной плите. Предлагаемая конструкция может быть использована на участках стволов,
Рис. 1. Регулируемая конструкция анкерно-консольной армировки
ласти применения таких конструкции.
Немаловажную роль в снижении затрат на армирование играет применяемая технологическая схема. Наиболее рациональной с точки зрения затрат времени и материальных ресурсов является «поточная» технология или технология проведения ствола с одновременным армированием. Однако, в настоящее время монтаж армировки производят, как правило, после проходки ствола на проектную глубину, при этом используется последовательная, реже
- параллельная технологическая схема армирования. Это приводит к увеличению продолжительности строительства и возрастанию сопутствующих затрат. Основной причиной использования таких технологий является, на наш взгляд, сложность традиционных ярусов, загромождающих поперечное сечение ствола, в том числе его центральную часть, что делает затруднительным, а иногда и невозможным пропуск проходческих бадей через заармиро-ванную часть ствола. Предложенный альтернативный типовому [6] ряд безрасстрельных ар-мировок [7] позволяет полностью устранить данное ограничение, поскольку в этих схемах все элементы армировки находятся непосредственно вблизи стенок ствола и не загромождают его центральную часть.
Учет состояния вмещающих пород может быть реализован при использовании «безярус-ной» консольной или консольно-распорной армировки. Независимость консолей, служащих для удержания разных проводников, позволяет на наиболее опасных участках ствола полностью отказаться от традиционных ярусов, монтируемых и выдерживаемых в строго определенной горизонтальной плоскости. При такой схеме можно возводить консоли не на одном ярусе, а устанавливать одну или, при необходимости, две консоли для одного подъемного сосуда на одной отметке, а для другого подъемного сосуда - выше или ниже на определенном расстоянии, в зависимости от состояния крепи и вмещающих пород. Подобное решение может быть использовано при реконструкции или ремонте армировки на нарушенном участке вертикального ствола, а также по-
зволит при строительстве нового ствола избежать установки консолей в мягких, сильно нарушенных или обводненных породах.
Как показывает практика, при эксплуатации стволов в сложных горно-геологических условиях нарушения армировки часто происходят в результате разрушения заделки расстрелов или консолей в бетонной крепи или коррозийного износа металлических анкеров, удерживающих элементы армировки. Поэтому в рассматриваемых условиях требуется использование более прочных и надежных узлов крепления армировки к крепи ствола.
Известен мировой опыт использования для крепления тоннелей и горных выработок, так называемых, инъекторных анкеров [8], разработанных и успешно применяемых фирмой Ischebeck Titan (ФРГ). Новизной данного способа крепления является использование в качестве анкера винтовой арматуры, которая одновременно является и буровой штангой. Винтовая арматура имеет резьбовые ребра, на которые накручивается распорка для увеличения давления цементного раствора в забое шпура (скважины) а также пакера для уменьшения вытекания бурового раствора из шпура (скважины). В качестве аналога указанного может быть использован более дешевый инъекторный анкер, изготовленный из элементов отечественного металлопроката (рис. 2).
Такой анкер состоит из винтовой арматуры
диаметром 16-32 мм класса А500С по ТУ 14-15254 с внутренним отверстием диаметром 8-11 мм, выпуск которой освоен и продолжается на Западносибирском металлургическом комбинате.
Специально для такого вида анкеров были созданы дешевые одноразовые коронки с боковым отверстием, при помощи которого осуще-
Рис. 2. Схема установки инъекторного анкера: 1 -
крестообразная коронка с направляющей трубой; 2 -впрессовываемое тело; 3 - винтовая арматура; 4 - соединительная гайка; 5 - шпунтовая стенка; 6 - две клиновые шайбы; 7 - гайка с фланцем; 8 - пластина для распределения нагрузки; 9 - пакер; 10 -корж; 11 - распорка; 12 - цементный камень
ствляется подача цементного раствора в шпур. Это способствует увеличению скорости бурения и улучшению разрушения массива около-ствольных пород.
При бурении по каналу внутри инъекционного анкера под медленно повышающимся (от 0 до 5-20 кН/м2) давлением подается буровой (цементный) раствор с В/Ц = 0,4 - 0,7 и, выходя через отверстие в буровой коронке, помогает разрушать породу. Одновременно с этим буровой раствор заполняет трещины, образовавшиеся при бурении, распространяясь в массив на глубину, равную 1,5-2 диаметрам буровой коронки.
Такой тип анкера может применяться не только в скальных, но и в неустойчивых породах, что является несомненным преимуществом данного типа анкера в отличие от обычных, применяемых для ремонта крепи. В настоящее время методами моделирования авторами исследуется возможность использования такой технологии для крепления временной крепью стенок вертикальных стволов, проходимых в сложных горно-геологических условиях. При соблюдении соосности установки таких анкеров в вертикальной плоскости, обеспечиваемой с помощью современных маркшейдерских методов и приборов, оставляемые концы анкеров, выдвинутые в ствол, можно затем использовать в качестве анкерных консолей для крепления регулируемых опорных плит консолей или непосредственно проводников. Такая технология, во-первых, позволит упрочнить вмещающий массив, тем самым, создаст возможность применения облегченных постоянных крепей; во-вторых, повысит темпы и снизит трудоемкость армирования. Все это возможно только при точном и регулярном маркшейдерском обеспечении.
Важным принципом проектирования армировки вертикальных стволов в сложных горногеологических условиях является дифференцированный подход [9], предусматривающий возможность использования в одном стволе различных схем и конструкций в зависимости от состояния вмещающего породного массива. Армировка ствола на разных участках может находиться под влиянием различных по вели-
чине нагрузок, однако распространенный в настоящее время подход к проектированию армировки предусматривает, как правило, одни и те же конструкции и схему армировки для всего ствола от его устья до сопряжения с выработками околоствольного двора. При реализации данного подхода к проектированию расстрелы и проводники в одних местах могут работать в нормальном режиме, в других - запас их прочности будет значительно завышен, в третьих, где конструкции не удовлетворяют условиям эксплуатации (например, не предусмотрена вертикальная или горизонтальная податливость) - возникнут недопустимые напряжения и деформации, что может повлечь разрушения крепи и армировки и вызвать аварийную ситуацию в подъемном комплексе. Возможное сочетание в одном стволе различных схем и конструкций (типовых [6], безрас-стрельных жестких [7], податливых консольных и консольно-распорных [3, 4, 5], пространственных с опиранием вне зоны ожидаемых деформаций [10] и при необходимости др.) позволит наиболее полно учитывать особенности работы армировки на различных участках ствола, применять наиболее рациональные схемы для конкретных условий и, тем самым, повысить экономическую эффективность армирования, снизить затраты на ремонт и переарми-рование стволов, обеспечить высокие эксплуатационные качества конструкций армировки.
Таким образом, существует множество технических решений армировки, призванных обеспечить ее безаварийную эксплуатацию в сложных горно-геологических условиях. Однако, многие из известных конструкций обладают высокой металлоемкостью, многодетально-стью и нетехнологичностью. Кроме того, ремонт или регулирование таких конструкций в случае смещений стенок ствола от проектного положения невозможны или затруднены. В связи с этим разработка и внедрение новых, ремонтопригодных анкерно-консольных конструкций с возможностью регулирования положения элементов во всех трех плоскостях, низкой металлоемкостью и аэродинамическим сопротивлением является актуальной, технически и экономически обоснованной задачей.
Рис. 3. Взаимосвязь требований и принципов проектирования армировки
Все вышесказанное позволило определить основные принципы проектирования армировки вертикальных стволов в сложных горногеологических (и экономических!) условиях с учетом функциональных требований с одной стороны и экономических - с другой (рис. 3).
Итак, к основным принципам проектирования армировки в сложных горно-геологических условиях относятся:
• принцип максимального ресурсосбережения, заключающийся в максимально возможном использовании конструкций малой металлоемкости (консольных, консольно-
распорных, анкерно-консольных), увеличении шага армировки, повышении технологичности конструкций (снижении многодетальности, использовании унифицированного ряда монтаж-
1. Ягодкин Ф.И., Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю. Защита армировки вертикальных стволов от влияния сложных горно-геологических условий// Научно- технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун - т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. - С. 1824.
2. Левит В.В. Разработка и обоснование технологии и параметров армирования вертикальных стволов с применением расстрелов на анкерах: Дисс... к.т.н. Днепропетровск. - Государственная горная академия Украины - 1993 - 166 с.
3. Прокопов А.Ю. Совершенствование схем и конструкций безрасстрельной армировки с регулируемым положением консолей// Горный информаци-
ных шаблонов, применении регулируемых узлов крепления) и др.;
• принцип поточности, предусматривающий максимальное совмещение работ по армированию ствола с его проходкой и креплением, а также использование средств временного крепления ствола для последующей навески элементов армировки;
• дифференциальный подход, предусматривающий использование в одном стволе различных схем и конструкций в зависимости от горно- и гидрогеологических условий;
• принцип учета геомеханических свойств вмещающего породного массива, позволяющий отказаться от традиционных ярусов армировки на наиболее опасных участках ствола и не устанавливать на данных участках никаких опорных конструкций и анкеров.
Учет этих принципов при проектировании армировки шахтных стволов позволит вести армирование на новом техническом уровне.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
онно-аналитический бюллетень - М.: Изд. МГГУ, 2002, №8. - С. 230-233.
4. Прокопов А.Ю., Плешко М.С. Новые регулируемые консольно-распорные конструкции армировки вертикальных стволов // Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.- С. 149-152.
5. Прокопов А.Ю., Плешко М.С. Совершенствование безрасстрельной армировки вертикальных стволов// Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: Изд. МГГУ, 2002, №10 - С. 240-243.
6. Типовые материалы для проектирования 401011-87-89. Сечения и армировка вертикальных стволов с жесткими проводниками /Харьков: Южгипро-шахт, 1989.
7. Прокопов А.Ю. Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук - Тула, 1998. - 16 с.
8. Новые пути в анкерной технике -http://www.ischebeck.de/englisch/set_1_i.htm.
9. Прокопов А.Ю. Дифференцированный подход к проектированию армировки шахтного ствола // Научнотехнические проблемы шахтного строительства: Сб. на-
уч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮР-ГТУ, 2000. - С. 99-104.
10. Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю., Мартыненко И.А. Технология армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося породного массива// Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия. Сб. науч. тр. - Алчевск: ДГМИ, 1999. - С. 201-206.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------
Прокопов Альберт Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета, г. Шахты, Россия.
Прокопова Марина Валентиновна - инженер-маркшейдер, кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета, г. Шахты, Россия.
---------------------------------------- © А.В. Меркулов,
А.В. Фисунов, 2004
УДК 622.235.622.25
А.В. Меркулов, А.В. Фисунов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КАПИТАЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК
Семинар № 13
овышение качества оконтуривания, особенно сопряжений может достигаться путем управления взрывом и его разрушающим действием. Для этого необходимо в соответствии с горногеологическими условиями проходки изменять условия взрывания зарядов в оконтуривающих шпурах. К условиям взрывания относят: тип и мощность ВВ, которое должно быть достаточной работоспособности, но низкобризантным; рациональное расположение оконтуривающих шпуров, характеризуемое коэффициен-
том сближения _ ак , где ак - расстояние
т ~ ^
между оконтуривающими шпурами, - их
линия наименьшего сопротивления, т < 0,8; форма и конструкция заряда при шпуровом методе отбойки заряд по форме удлиненный, цилиндрический сплошной, а по конструкции - с кольцевыми зазорами, заполненными воздухом, водой или песком; концентрация ВВ, характеризуемая массой ВВ на 1 погонный метр шпура qK < 0,6 — 0,8кг; очередность взрывания, регулируемая оптимальным интервалом замедления ^пт в сериях шпуров
по назначению и в группах по последовательности взрывания в каждой группе.
Исследования проводились “Гуковская” ОАО“Гуковуголь” при проходке сопряжения квершлага с канатным ходком № 35 камеры подъема. Определен значительный объем излишней выемки породы при взрывных работах (переборы). Переборы колеблются в пределах 20,5-30,6 % и достигают максимума 39,3 %. Это вызывает дополнительные затраты на погрузку излишних объемов породы, забучивание закрепного пространства и ухудшает эксплуатационную надежность выработок, в том числе и сопряжений.
Анализ результатов исследования и опытного взрывания показал, что причиной перебора породы является: концентрация ВВ в шпурах, она фактически была выше нормативной на 28,6 %; плотное заряжание, когда ударная волна за контур сопряжения и трансформируется в волну напряжений практически с той же интенсивностью, что и в начале взрыва зарядов в оконтуривающих шпурах, вызывая разрушение и отрыв породы в обнажениях на расстоянии 20-25 радиусов заряда; конструкция сплошного колонкового заряда, при которой коэффициент заполнения шпуров составлял 0,45-0,5 - в сланцах и 0,6-0,65 в песчаниках. Это означает, что масса заряда в оконтурвающих шпурах распределена неравномерно, т.е. значительная часть его сосредоточена в призабойной части выработки, вызывая в этих местах переборы породы, а в местах расположения забойки - недоборы.
Изменение условий взрывания обеспечивает контурное взрывание, которое способствует повышению эффективности взрывных работ, и качеству оконтуривания сопряжений. Конструкция зарядов в
оконтуривающих предусматривала создание воздушных кольцевых зазоров путем применения ВВ уменьшенного диаметра 20-28мм при неизменном диаметре шпуров 42-43мм, т.е. величина относительного радиального зазора составляла
Я = = 1,5.
Яоз
Для направленного распределения энергии взрыва на полезные формы разрушения в конструкциях зарядов оконтуривающих шпуров использовались дисковые металлические экраны-отражатели. Дисковый экран-отражатель помещался в полиэтиленовую гильзу вместе с первым патроном ВВ и досылался в забой шпура. Было произведено 5 опытных взрывов способом последующего оконтуривания. Объем переборов породы был снижен до 10,8 %. На обнажениях по контуру сопряжения четко прослеживались следы оконтуривающих шпуров практически на всю его длину.
Результаты исследования по совершенствованию технологических приемов взрывной проходки сопряжений позволили установить:
- качество оконтуривания сопряжений и снижение разрушаемое™ их породных обнажений может достигаться при способе последующего оконтуривания и определяется, главным образом конструкцией заряда. При взрывной проходке сопряжений наиболее эффективны заряды с воздушными кольцевыми зазорами, величину которых целесообразно увеличивать до Я = 2 3 . такие заряды без существенного увеличения объема бурения могут создаваться при применении ВВ уменьшенного диаметра 20-28 мм.
Коэффициент использования шпуров увеличивается на 12 %.
— Коротко об авторах --------------------------
Меркулов А.В., Фисунов А.В. — Шахтинский институт ЮРГТУ.
