CC BY
70
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 622. 268. 5
В.В. Першин, О.В. Верхотуров
СТРОИТЕЛЬСТВО НАКЛОННОГО КОНВЕЙЕРНОГО СТВОЛА
Ш. «КОСТРОМОВСКАЯ»
В СЛОЖНЫХ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ПО НАНОСАМ
В связи с интенсивным ростом добычи угля и выбытием производственных мощностей подземной добычи в период 1990-1998 гг. в Кузбассе возникла необходимость в более широком использовании месторождений со сложными горногеологическими и гидрогеологическими условиями.
Такими условиями характеризуется и поле шахты «Кост-ромовская» в Ленинском районе Кузбасса. Запасы шахты вскрываются тремя наклонными стволами (конвейерным, путевым и вентиляционным). Сечение конвейерного ствола: 8св=16,4 м2; 8пр=26,3 м2; угол наклона -14°; длина ствола по наносам -136 м; приток воды - 20 м3/ч.
Участок заложения наклонного конвейерного ствола расположен в 18 км от г. Ленинск-Кузнецкий. Г орногеологиче-
ский прогноз следующий [1]. Рыхлые отложения (наносы) повсеместно перекрывают коренные породы. Мощность наносов в месте заложения ствола составляет 35-36 м. Верхняя часть разреза до глубины 22 м представлена лессовидными суглинками в основном тяжелыми бурого цвета за счет присутствия гидроокислов железа. Суглинок по консистенции
- от твердого до мягкопластичного, не набухающий, сильно сжимаемый. В основном, низкопористый, в верхней части до 5 м - просадочный. Плотность -
1,68-2,08 г/см3. Ниже залегают непосредственные суглинки полутвердой консистенции до
1,5 м. и туго мягкопластичной
консистенции. В почве этого слоя встречаются тяжелые суглинки с содержанием глинистой фракции до 28 %, тугопластичные, не набухающие, сильно сжимаемые. Ниже слоя суглинков с глубины 23 м залегают плотные глины и суглинки с содержанием глинистой фракции до 45 %. По консистенции -твердые, слабонабухающие, в воде не размокают.
На цоколе коренных пород залегает слой гравия с песком мощностью 1,2 м с включением галек размером 0,5-2 см кварцевого и карбонатного состава.
Специальными исследованиями [2] гидрогеологических условий в месте проходки наклонного ствола выделено два водоносных горизонта. Первым горизонтом является верховодка, питание которой осуществляется исключительно за счет атмосферных осадков. Установившийся уровень находится на глубине 8 м от поверхности.
Второй водоносный горизонт связан с песчаногравийным слоем.
Его водообильность изменяется в широких пределах. Изменчивость обусловлена заиленностью горизонта и связью с подземными водами коренных пород. Воды песчаногравийного слоя напорные. Уровень воды находится на глубине 16 м от поверхности, то есть столб воды от уровня коренных пород равен 20 м (2 атм.). Удельный дебет составляет 0,27-0,35 л/сек, коэффициент фильтрации - 7,6 м/сутки, коэффициент водопроводимости
10,6 м2/сутки. При проходке наклонного ствола ожидается водоприток с песчаногравийного горизонта в количестве 9,4 м3/ч. Горизонт суглинков на глубине 14 м при взаимодействии с водой становится плывуном, что осложняет проходку ствола.
При проходке наклонного конвейерного ствола будут встречены четыре разведочных скважины диаметром 100 мм, при пересекании которых можно ожидать приток воды как с кровли так и с почвы. Единовременный выброс воды может составить до 10 м3/ч. Граница опасных зон вокруг скважин составляет 20 м.
При пересечении песчаногравийного слоя приток воды может составить 10 м3/ч, а первоначальный водоприток - 40 м3/ч. Граница опасной зоны составляет 10 м по нормали к обводненному слою.
Проектом производства работ (ППР) предусмотрена следующая технология проходки наклонного ствола [3].
От постоянной железобетонной крепи в призабойной части выработки производится выемка грунта комплексом «Сибирь-2» на величину 0,5 м, после чего устанавливается временная крепь с обратным сводом из СВП-27. По периметру выработки через установленный «Круг» пробиваются проколоты из круглых металлических прутов диаметром 32-36 мм через 0,2 м. Неснижаемая величина проколот в целике должна быть не менее 0,5 м.
Геотехнология
25
Поперечное сечение наклонного конвейерного ствола ш. «Костромовская»
Рабочим органом комплекса «Сибирь-2» разрабатывается
верхняя часть забоя на глубину 1 м, горная масса грузится в скип и выдается на поверхность. Выдвигаются прогоны опережающей крепи из СВП-27, на которые устанавливаются две арки временной металлической крепи из СВП-27 через 0,5 м. Нижняя часть забоя разрабатывается ковшами комплекса «Сибирь-2», отбитая горная масса грузится в скип и выдается на поверхность. Затем устанавливается арка обратного свода, под которую выкладываются элементы железобетонной затяжки.
Сегменты рамы обратного свода соединяются между собой двумя хомутами, после чего устанавливаются стойки крепи, которые крепятся к ранее установленным аркам и затем производится затяжка межрамного пространства железобетонной затяжкой.
После проходки ствола на 2 м настилается временный рельсовый путь, для чего на обрат-
ный свод выработки укладываются шпалы временного пути из СВП-27 длиной 3 м, на которые укладываются рельсы: для скипа Р-33 с колеей 900 мм и для комплекса «Сибирь» - Р-33 с колеей 2300 мм. Длина рельс - 2 м, расстояние между шпалами -1 м.
После проходки ствола на 4 м производится бетонирование обратного свода. Возведение постоянной крепи выработки производится на длину 3 м, для чего устанавливается арматура железобетонной крепи из металлических сеток, устанавливаются рамы призабойной опалубки из СВП-17 через 1,5 м, набирается инвекторная опалубка и укладывается бетон в стены и свод.
Укладка бетона производится вручную. Отставание постоянной крепи от забоя - не более 4 м.
Проходка ствола в зоне суглинков, находящихся в текучем состоянии и при пересечении других неустойчивых грунтов производится с применением
проколот из спецпрофиля № 17 или швеллера № 16 длиной 2,5 м. Неснижаемый запас проколот в целике должен быть не менее
0,5 м. По периметру свода проколоты забиваются через 0,2 м, а по бокам выработки -всплошную.
Постоянная крепь возводится каждые 1,5 м после проходки ствола на 2 м.
Поперечное сечение наклонного конвейерного ствола представлено на рисунке.
В настоящее время пройдено 110 м наклонного ствола. Проходка осуществлялась с сентября 2001 г. по октябрь 2003 г. Месячная скорость проходки ствола составляла от 2-х до 8 м/мес. Низкие темпы проходки объясняются следующими причинами: на всем протяжении наклонного ствола подземным способом имели место вывалы и выдавливание пород жидкой консистенции;
11.07.2001 г. произошло первое крупное обрушение, которое сопровождалось выделением большого объема жидких гли-
нистых пород; 09.08.2001 г. и
20.08.2001 г. произошли два крупных обрушения с выходом на поверхность; 10.09.2001 г. произошел аналогичный вывал горной массы объемом 136 м3; после ликвидации четырех аварий и проходки еще пяти метров ствола произошла пятая авария с выдавливанием 105 м3 жидких суглинков. Итак, на протяжении 2-х месяцев с
11.07.01г. по 10.09.01 г. произошли 4 аварии с вывалами огромной массы в объеме 825 м3. Постоянная железобетонная крепь была разрушена на протяжении 33 м.
Причинами перечисленных аварий можно считать следующее:
- выданная шахтой геологическая характеристика пород в зоне проведения наклонного конвейерного ствола не соответствует действительности;
- проект по осушению горных пород, выполняемый заказчиком, не дал желаемых результатов, так как вода из скважин сбрасывалась в контуре участка, имели место перебои в работе насосов, а при обильных осадках насосы не справлялись с водопритоком;
- разработанная техническая документация на проведение наклонного ствола не соответствует горногеологическим условиям и не может обеспечить безаварийную работу.
После вышеперечисленных аварий было принято решение осуществлять дальнейшую проходку спецспособом с замора-
живанием горных пород азотом.
В период замораживания пород снова произошли аварии: разрушение 5 м крепи; разрушение межсекционных связей с образованием трещин и опускание забойного кольца постоянной крепи; образование куполов в кровле от вывала жидких суглинков (02.09.02, 23.10.02,
15.11.02).
Основными причинами деформации крепи ствола являются: отрицательное воздействие низких температур на процесс схватывания, твердения и набора прочности бетона на основе цемента марки 400 без ускорителей схватывания и без проти-возаморозковых добавок; проявление горного давления, в том числе оттаивании окружающего выработку массива; от воздействия динамических нагрузок от работы комплекса «Сибирь-2», а также от перераспределения гидростатического напора, возникающего в процессе проходки смежных стволов, пересекающих плывуны с боковым распором близких к «0».
Изучив сложившуюся ситуацию, связанную с авариями и с деформацией постоянной железобетонной крепи независимые эксперты (научно-
внедренческая фирма «Крутой пласт» и ЗАО «КУЗНИУИ») сделали следующие обобщающие выводы [4].
1. Представленные Заказчиком материалы по геологии не соответствуют действительности и на этой основе проект
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
производства работ составлен с определенными упущениями,
отрицательно повлиявшими на качество крепления.
2. Проектом не предусмотрена механическая укладка бетона, а укладка бетона вручную в свод при наличии арматуры не обеспечивает проектного качества крепи.
3. Отсутствие контроля за состоянием замороженных пород, а так же мероприятий или специального проекта, направленных на снижение отрицательного воздействия низких температур, добиться проектных параметров качества крепи при использовании простых бетонных крепей невозможно.
4. Некачественное осушение и необеспеченность стабильности гидростатического напора может приводить к значительным, в том числе знакопеременным, нагрузкам на став крепи ствола, разрушая последний в наиболее слабых местах.
5. Деформирование крепи зависит от факторов, указанных выше, но самым слабым местом в процессе крепления является свод, так как на него в первую очередь действует неравномерное горное давление от вывалов и жидких глинистых пород, низкие температуры окружающего массива и невозможность производства качественной укладки бетона вручную. Меж-секционные связи в данных условиях не работают.
1. Геологический прогноз (геологический разрез по оси наклонных стволов «Шахта «Костромов-ская»).
2. Проект частичного осушения горных пород при проведении наклонных стволов по пл. 19, разработанный и утвержденный Заказчиком.
3. Проект производства работ на проходку конвейерного наклонного ствола ЗАО «Шахта «Костро-мовская», согласованный с Заказчиком.
4. Заключение по установлению причин деформирования крепи конвейерного наклонного ствола ЗАО «Шахта «Костромовская». Научно-внедренческая фирма «Крутой пласт», ЗАО «КУЗНИУИ».
□ Авторы статьи:
Першин Верхотуров
Владимир Викторович Олег Викторович
- докт. техн. наук, проф., - директор ООО «Кузбассшахтопро-
зав. каф. СПСиШ ходка»
