Способ возведения набрызг-бетонной крепи в вертикальных выработках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.25.(06)

С. В. БОРЩЕВСКИЙ, В. И. КАМЕНЕЦ, А. А. ДРЮК (ДонНТУ)

СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПИ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЫРАБОТКАХ

Проаналiзований споаб зведення набризг-бетонно! Kpini в свердловинах великого дiаметру. Запропоно-ваний варiант розрахунку товщини набризг-бетонно! Kpini при використанш даного способу. Рекомендовано вдосконалення технологи кpiплення свердловин великого дiаметpу з метою забезпечення стiйкостi i економи засобiв при зведеннi кршлення вертикальних виробок.

Проанализирован способ возведения набрызг-бетонной крепи в скважинах большого диаметра. Предложен вариант расчета толщины набрызг-бетонной крепи при использовании данного способа. Даны рекомендации по совершенствованию технологии крепления скважин большого диаметра с целью обеспечения устойчивости и экономии средств при сооружении крепи вертикальных выработок.

The method of building the spill-concrete walls in mine holes of large diameter is analyzed. The variant of calculation of thickness of spill-concrete walls using such a method is offered. The recommendation on perfection of technology of timbering the mine holes of large diameter with a purpose of providing the durability and cost efficiency during the building of walls in vertical mines is proposed.

Развитие промышленности в Украине неизбежно связанно со строительством новых и реконструкцией действующих угольных шахт для обеспечения страны углём.

Главным фактором роста эффективности строительного производства и улучшения работы шахтостроительных организаций по увеличению объёмов строительства является рост производительности труда на основе применения более совершенной техники и технологии производства работ, внедрение новых материалов и конструкций, снижение трудоёмкости работ, повышение уровня механизации выдачи разрушенной породы при проходке стволов.

Решению поставленных задач в области проходки вертикальных горных выработок в полной мере соответствует способ бурения.

Прогрессивная технология проходки вертикальных горных выработок способом бурения характеризуется тем, что без присутствия людей в забое выполняются основные технологические процессы: разрушение породы, выдача её из забоя и возведение крепи. Кроме того, для способа бурения характерна высокая степень механизации технологических процессов (численность рабочих при бурении в 3-4 раза меньше, чем при проходке буровзрывным способом). Этот способ всё шире применяется при проходке скважин большого диаметра и шахтных стволов малого диаметра практически в любых горно- и гидрогеологических условиях. Особенно эффективно применение способа бурения при реконструкции действующих шахт: сооружение фланговых вентиляционных, кон-

диционирующих, коммуникационных стволов и скважин.

В Украине для этого применяют бурильные установки РТБ и фирмы <^1ЯТН» Ь-35 (рис. 1), Ь-35М. Технические характеристики установок приведены в табл. 1.

Рис. 1. Бурильная установка <^ШТН» Ь-35

При сооружении скважин большого диаметра (2.3 м в свету) примерные соотношения затрат времени и денежных средств, усреднённые по Донбассу, имеют следующие значения: на транспортирование оборудования, монтаж, демонтаж, возведение временных зданий, соору-

жений, устья ствола соответственно 22.32 и 6.49 %; на бурение 49.12 и 68.91 %; на возведение крепи 28.56 и 24.6 %.

Отсюда следует, что для повышения темпов и эффективности бурения необходимо дальнейшее совершенствование данных процессов.

Таблица 1

Технические характеристики установок РТБ и фирмы <^ГОТН»

Параметры

Способ бурения Способ промывки Эффективные диаметры бурения, м Эффективная глубина бурения, м Установленная электрическая мощность, кВт Питающее напряжение, В Продолжительность монтажа, сутки Численность рабочих в смене, чел.

Анализ состояния техники и технологии в этом плане показывает, что перспективным направлением является совершенствование технологии крепления скважин большого диаметра с использованием набрызг-бетонной крепи, а теоретическое обобщение и разработка технологических решений её применения - актуальная научно-техническая задача.

При набрызг-бетонировании используется центробежная растворометательная машина (рис. 2).

Рис. 2. Схема центробежной растворометательной машины

РТБ Ь-35 Ь-35М

реактивно-турбинный роторный роторный

прямая обратная обратная

0.7...0.5 2.6.4.0 3.2.4.7

2000 .200 1000.700 800.600

1500. 2500 800 800

6000 200 200

90 20 25

5 6 6

Растворометательная машина с направляющими, определяемыми диаметром скважины, крепится к несущему канату и опускается на заданную глубину. После начала процесса смешивания цементный раствор закачивается в метательное устройство, приведенное во вращение пневмодвигателем. При вращении метательной головки раствор набрызгивается ради-ально на стенки скважины и уплотняется на них, в то время как все устройство медленно поднимается лебедкой. Толщина образовавшегося слоя при заданном диаметре скважины определяется подачей цемента и скоростью подъема. За один цикл прохода машины наносится слой толщиной до 15 мм. Токая толщина обделки может быть приемлемой в тех случаях, когда речь идет о вертикальных горных выработках круглого сечения площадью от 3 до 6 м2. кроме того, требуется, чтобы конвергенция стенок завершилась в стадии нанесения облицовки.

Стабилизирующий, выравнивающий и уплотняющий эффект крепления скважин на-брызг-бетоном достигается уже тогда, когда толщина слоя составляет всего несколько миллиметров. Как показала практика, тонкие оболочки сохраняют заданные свойства даже в условиях сдвижения пород. Толстостенные цементные или бетонные оболочки пока еще нуждаются в практическом подтверждении аналогичных качеств.

Скважины большого диаметра крепятся

окончательно, как правило, после полного завершения бурения. Но в особых случаях может понадобиться крепление их участками, по мере

подвигания забоя расширения скважины. Рассмотренная выше технология такую возможность предоставляет.

Соответственно горно-геологическим данным, породы Донбасса следует отнести к первому типу по характеру длительного деформирования согласно классификации Ю. М. Ли-бермана, в качестве реологического уравнения состояния которых в рамках теории упруго-вязко-пластической среды может быть принята теория наследственной ползучести, позволяющая описывать деформирование горных пород во времени с учетом истории нагружения, т.е. от последовательности и продолжительности указанных выше технологических операций [1, 2]. При вводе крепи в контакт с породными стенками в начальный момент времени крепь не испытывает нагрузок со стороны пород. В дальнейшем развивается давление на крепь вследствие ползучести пород. Определение давления пород на крепь рассматривается при решении плоской задачи взаимодействия крепи скважины с массивом при принятии массива пород линейной наследственной средой.

Принимая во внимание, что деформации ползучести пород вызываются только «снимаемыми» напряжениями, обусловленными сооружением выработки, пользуясь принципами суперпозиции и наследственности, справедливыми для линейной наследственной среды, уравнение для смещений поверхности контакта между крепью скважины и массивом пород будет иметь вид:

Рр =-

0.75 •

Я

Я - с

(1)

1.25

(

Е,

кр

Я

Я - с

2 Л - 1

У

где Ркр - давление пород на крепь, МПа; Я -радиус скважины в бурении, м; С - толщина крепи, м; Екр - модуль упругости породы, МПа; и - суммарные смещения породных обнажений скважины единичного радиуса (Я = 1,0 м) с момента ее бурения до момента ее крепления,

и =

2в„

2в,.

+ -

о

(2 )-0(^з ) , 0(^з ) - 0(^4 )

2вг

+

2в„

м.

где Х - коэффициент бокового давления в массиве пород, при отсутствии данных экспериментального определения принимаемый согласно [3]; у - удельный вес вмещающих пород, кН/м3; о(^) - устанавливаемое напряжение в породном массиве, МПа (1 - в результате изменения напряжений при бурении скважины; 2 -в результате снятия напряжений при замене бурового раствора на техническую воду; 3 - в результате снятия напряжений при откачке скважины; 4 - в результате снятия напряжений на незакрепленном участке скважины); Gíl - временная функция модуля сдвига породы, МПа.

Величину суммарных смещений породных обнажений протяженного участка скважины единичного радиуса и (мм), для пород Российского Донбасса приближенно можно определить по следующей формуле:

и =

к] к 2 ¿з к 4 ^А^Н

+ ВН + С )Е—, м Г Н

(2)

(3)

где ¿1 - коэффициент, учитывающий изменение времени релаксации горных пород, принимаемый равным к\ = 1.05; к2 - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента Пуассона горных пород, принимаемый равным к2 = 1.1; к3 - коэффициент, учитывающий скорость выполнения технологических операций, принимаемый согласно табл. 2; к4 - коэффициент, учитывающий величину отставания возведения крепи, принимаемый равным к4 = 0.8 для случая крепления скважины вслед за откачкой бурового раствора при глубине скважины до 100 м, расположенной в сланцах глинистых слабых, и к4 = 1.0 - для всех остальных случаев; А, В, С - расчетные параметры, учитывающие характеристику вмещающих пород и проектную глубину скважины Н, принимаемые согласно табл. 3.

и

Таблица 2

Значение коэффициента к3

Литологический состав пород Значение коэффициента к3, при скорости технологических операций, м/сут

1.0 3.0 5.0

Сланец глинистый крепкий 1.028 1.000 0.994

Сланец глинистый слабый, Н < 400 м 1.125 1.000 0.940

Сланец глинистый слабый, Н > 400 м 1.033 1.000 0.990

Сланец песчаный 1.100 1.000 0.978

Песчаник 1.020 1.000 1.000

Таблица 3

Расчетные параметры А, В, С

Литологический состав пород Расчетные параметры

А В С

Сланец глинистый 5.433-10-14 5.150-10-14 1.202-10-9

Сланец песчаный 1.497-10-14 1.797-10-13 5.060-10-10

Песчаник 7.282-10-15 - 7.282-10-13 2.888-10-10

Толщину набрызг-бетонной крепи рекомендуется определять по известной формуле ВНИМИ для определения толщины крепи вертикальных выработок по заданным нагрузкам на крепь (в основе формулы первая модификация второй основной расчетной схемы) [4]

вающий температурный фактор, принимаемый равным тб7 = 0.85 [5].

Полученные нами уравнения рекомендуются для определения параметров крепи скважин большого диаметра, сооружаемых по рассматриваемой технологии.

С = Я

' Ясж - 2 • Ркр

-1

, м,

(4)

где Дсв - радиус скважины в свету;

Дсв = Я - С', м; (5)

Дсж - расчетное сопротивление материала крепи (набрызг-бетона) одноосному сжатию, МПа, принимаемое согласно [6], которое в соответствии с требованиями [7], согласно которым при расчете крепи вертикальных выработок необходимо учитывать коэффициенты перегрузки, условий работы крепи и надежности, окончательно записывается в следующем виде

(

С = ту Д

тб1тб3тб7Ясж 'тб1тб3тб7Ясж - 2Ркр

Л

-1

м,

(6)

где ту - коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным ту = 1.25 [7]; тб1 - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки, принимаемый равным тб1 = 1.0 [5]; тб3 - коэффициент, учитывающий условия набора бетоном прочности, принимаемый равным тб3 = 0.85 [5]; тб7 - коэффициент, учиты-

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. - М.: Недра, 1982. -270 с.

2. Баклашов И. В. Механические процессы в породных массивах: Учебник для вузов / И. В. Баклашов, Б. А. Картозия. - М.: Недра, 1986. - 272 с.

3. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. - М.: Стройиздат, 1983. - 272 с.

4. Баклашов И. В. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. Учеб. для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. / И. В. Баклашов, Б. А. Картозия. - М.: Недра, 1992. - 543 с.

5. СНиП 2.03.01-84 (1989, с изм. 1988, 1989, 1992). Бетонные и железобетонные конструкции.

6. РД 12.18.089-90. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. - Харьков, 1990. -76 с.

7. СНиП 11-94-80. Подземные горные выработки. Поступила в редколлегию 25.10.2007.