CC BY
0УДК 622.83:622.016
Б. В. Хохлов, В. А. Дрибан, А. М. Терлецкий, А. В. Антипенко, М. Д. Рожко, Л. А. Камбурова
ВЫБОР СТВОЛА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЕГО В СОСТАВЕ ВОК С ПОГРУЖНЫМИ НАСОСАМИ НА ШАХТЕ ИМ. М. ГОРЬКОГО
В статье приведена технология выбора верикальных стволов для дальнейшего использования в составе ВОК с погружными насосами на примере шахты им. М. Горького.
Ключевые слова: погружные насосы, оценка состояния, крепь ствола, затопление, моделирование.
Для обеспечения экологической безопасности в связи с приостановкой угледобычи и безаварийной работы соседних рентабельных шахт, на шахтах Донбасса создается сеть водоотливных комплексов (ВОК) с учетом оптимального уровня затопления горных выработок. При этом в качестве основного средства управления уровнями затопления предполагается использование погружных насосов, располагаемых в вертикальных шахтных стволах. Устойчивая работа водоотливного комплекса в первую очередь связана с долговременной геомеханической устойчивостью шахтных стволов, доступ в которые в ряде случаев отсутствует. Таким образом, обоснование выбора ствола для использования его в составе ВОК с погружными насосами является достаточно ответственной, специфической и технически сложной задачей [1].
В процессе ее решения необходимо выполнить комплекс работ, включающий в себя:
- сбор необходимой базы горно-геологических, маркшейдерских и горнотехнических данных по задействованным шахтам;
- анализ геологических и горнотехнических условий поддержания стволов, допускающих размещение погружных насосов;
- оценка напряженно-деформированного состояния околоствольного массива и крепи шахтных стволов;
- расчеты долговременной геомеханической устойчивости крепи стволов и проверка ее соответствия горно-геологическим и геомеханическим условиям, а также определение расчетной балльной оценки состояния крепи стволов;
- обследование и определение фактического состояния крепи ствола с сопоставлением расчетных и фактических оценочных характеристик;
- моделирование затопления с оценкой влияния уровней затопления на геомеханическую устойчивость стволов;
- определение оптимального уровня затопления стволов;
- разработка мероприятий по обеспечению устойчивости устьевой части ствола;
- разработка мероприятия по обеспечению долговременной геомеханической устойчивости протяженной части ствола и сопряжений с горизонтальными выработками;
- разработка конструктивных решений по обеспечению устойчивости рабочей зоны погружных насосов;
- разработка рекомендации по ликвидации стволов, не используемых для размещения в них погружных насосов.
При проектировании водоотливного комплекса с погружными насосами в одном из стволов необходимо учитывать взаимовлияние сближенных стволов, способы ликвидации не задействованных стволов в процессе откачки воды, вероятность проникновения шлама из засыпанных стволов в действующий, потенциал замены стволов для откачки, возможность интенсивного деформирования земной поверхности на промплощадке водоотливного комплекса.
В связи с физической ликвидацией шахты им. М. Горького и необходимостью обеспечения гидробезопасности центральной части города Донецка, было принято решение о поддержании уровня шахтных вод с помощью погружных насосов, размещенных в одном из стволов до критической отметки минус 50,0 м.
Шахта имени М. Горького ("Ново-Центральная") - угледобывающее предприятие в Куйбышевском районе г. Донецка. Входила в ГП "Донецкая угольная энергетическая компания" (ДУЭК), ранее в трест "Донецкуголь".
Шахта сдана в эксплуатацию в 1962 году. С 1 января 1972 г. шахта "Ново-Центральная" и шахта № 11 были объединены в одно управление "Ново-Центральное". В поле шахты им. М. Горького входит бывшая шахта № 4 "Ливенка" и шахта № 31. В свою очередь, шахта № 31 входила в состав шахтоуправления № 19-31, и была сбита с шахтами №№ 17-17-бис, 11, 19, 28 и 3.
Шахты им. М. Горького и "Центрально-Заводская" сбиты между собой выработками по пластам Ы0, h8 и h3 на отметках минус 290,5 м, минус 316,2 м и минус 429 м соответственно [2]. Очистные выработки шахты № 31 сопряжены с выработками шахты "Центрально-Заводская" на отметке минус 171,0 м. Горные выработки лежачего крыла пласта h7 (шахта им. М. Горького) на абсолютной отметке минус 574 м сбиты с горными выработками висячего крыла этого же пласта (шахта № 11) на отметке минус 557,0 м (сбойка 32). Шахты № 11 и № 17-17-бис имеют гидравлические связи по пласту h7 на следующих отметках: минус 406,5 м, минус 449,7 м, минус 479,7 м (очистные работы шахты № 11 1916-17 гг.) и 7 скважин, пробуренных на отметке минус 585,9 м.
Таким образом, наличие гидросвязей со многими соседними шахтами обуславливает целесообразность расположения ВОК именно на данной территории.
Основным критерием при выборе ствола для размещения в нем погружных насосов являлось их фактическое состояние на момент ликвидации. Таким условиям наиболее соответствовали вентиляционный ствол шахты им. М. Горького, северный скиповой и южный клетевой стволы шахты № 11.
Вентиляционный ствол шахты им. М. Горького (рис. 1) пройден до глубины 492,4 м в 1956 году, предназначался для спуска-подъема людей и выпуска отработанной струи воздуха. Вентиляционный ствол находится в целом в благоприятных горно-геологических условиях. Вмещающие ствол породы средней
крепости и крепкие, средней устойчивости, спокойного залегания.
Ствол пройден буровзрывным способом с параллельным возведением постоянной комбинированной крепи (ж/б, бетон, кирпичная кладка, бетонит) круглого сечения. Отметка устья ствола +154,3 м. Диаметр ствола в свету 4,5 м, вчерне 5,5 м. В вентиляционном стволе в нижней части имеются шесть односторонних сопряжений с горными выработками. Протяженная часть ствола закреплена различными видами крепи - монолитным бетоном и железобетоном, кирпичной и бетонитовой кладкой.
По данным паспорта вентиляционного ствола, ремонт крепи, за время эксплуатации вентиляционного ствола не производился.
Шахта № 11 (рис. 2) изначально носила название "Ново-Смоляниновская" ("Новосмолянка"). В начале 1930-х была переименована в честь советского государственного деятеля Николая Шверника.
Рис. 1 - Шатровый копер и здание подъемных машин вентиляционного ствола шахты им. М. Горького
Строительство северного скипового и южного клетевого стволов шахты № 11 было начато в 1896 г. и окончено в 1902 г., восстановлены в 1953 г. Северный ствол - скиповой, предназначался для выдачи груза и исходящей струи воздуха. Южный ствол - клетевой, предназначался для спуска-подъема людей,
спуска и выдачи оборудования, материалов и выпуска отработанной струи воздуха. Вмещающие ствол породы, - средней крепости и крепкие, устойчивость средняя, залегание спокойное.
Рис. 2 - Стволы шахты № 11 ("Ново-Смоляниновская", им. Шверника), слева - клетевой южный справа - скиповой
северный
Постоянное крепление стволов - клиновой тесаный камень толщиной 0,9 м. Сечение стволов круглое S = 29,2 м с диаметром в свету 6,1 м. Тип армировки - эластичная с канатными проводниками, расстрелов нет.
По имеющейся информации ремонт крепи за время эксплуатации стволов не производился.
Стволы расположены в массиве горных пород, в котором были подходы лав к стволам, это оказало определенное влияние на геомеханическую ситуацию во вмещающем стволы массиве. От влияния очистных работ южный и северный стволы охранялись предохранительным целиком [6], утвержденным ГП "До-нецкуголь" 02.09.2004 г.
Шахтой № 11 откачка воды прекращена после 05.02.2015 г., приток - до 165 м /ч.
Принятие решения о способах и средствах ликвидации, консервации или дальнейшей эксплуатации вертикальных шахтных стволов, в том числе и для откачки воды погружными насосами, зависит главным образом от долговременной их геомеханической устойчивости. Долговременная геомеханическая устойчивость в свою очередь определяется состоянием стволов на момент завершения их эксплуатации, а также соответствия несущей способности их крепи условиям поддержания, т.е. горногеологическим, горнотехническим и геомеханическим условиям в течение всего дальнейшего срока их поддержания, а также в процессе затопления.
Для оценки долговременной устойчивости крепи ствола проведен предварительный расчет устойчивости околоствольного массива и необходимой толщины крепи вентиляционного ствола шахты им. М. Горького без затопления выполненный согласно [3], [4]. На рисунках 3-5 приведено распределение радиальных нагрузок на крепь стволов.
Из графика рисунка 3 видно, что крепь вентиляционного ствола шахты им. М. Горького до глубины 409,5 м в основном удовлетворяет условиям поддержания и имеет значительный запас прочности. В интервалах глубин 409,5-419,9 м, 460-464 м и 479-490 м наблюдаются пики несоответствия существующей фактической крепи расчетной, эти пики связаны с сопряжениями ствола с горными выработками.
Из графиков на рисунках 4, 5 видно, что практически на всем протяжении несущая способность северного скипового и южного клетевого стволов шахты № 11 без учета затопления соответствует условиям их поддержания.
Комиссия в составе сотрудников ГБУ "РАНИМИ" совместно со специалистами РП "Донбассуглереструктуризация" произвела обследование крепи вентиляционного ствола шахты им. М. Горького, северного скипового и южного клетевого стволов шахты № 11 и их промплощадок, произвела визуальное обследование устья стволов, вентиляционных каналов, телеметрическое обследование протяженной части ствола и установила следующее.
Устье вентиляционного ствола находится в удовлетворительном состоянии. Вентиляционный канал высотой 3,5 м примыкает к стволу на глубине 6,1 м.
Радиальная нагрузка, кПа 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
500
Рис. 3 - Распределение радиальных нагрузок на крепь вентиляционного ствола шахты им. М. Горького
Исходя из проведенного анализа регулярного мониторинга и на основании визуального обследования крепи вентиляционного ствола, можно определить фактическую оценку состояния крепи ствола, по классификации ГБУ "РАНИМИ" [3] и [4] в 1 балл -удовлетворительное.
Расчетная бальная оценка состояния крепи вентиляционного ствола определенная в соответствии с В.4.2.2 "Правил ликвидации стволов угольных шахт" [3] и [4] составила 1,60, что по классификации ГБУ "РАНИМИ" соответствует деформациям выше начальной степени. Отличие между расчетной бальной оценкой и фактической говорит о том, что в вентиляционном стволе возможны проявления нарушений геомеханического характера.
На основании видеообследования вертикального северного скипового ствола шахты № 11 можно сделать вывод, что крепь ствола от устья до зеркала воды (глубина 663 м, рис. 6) находится в удовлетворительном состоянии. Существующая крепь ствола соответствует заявленной в паспорте.
Радиальная нагрузка, кПа
0 200 400 600 800 250 -I-1-1-1-п-1
750
Рис. 4 - Распределение радиальных нагрузок на крепь северного скипового ствола шахты № 11
Рис. 5 - Распределение радиальных нагрузок на крепь южного клетевого ствола шахты № 11
Конструктивные особенности этой аппаратуры позволяют выполнять телеметрическое обследование и видеосъемку внутреннего пространства шахтных стволов, подъемные установки которых выведены из эксплуатации, а в копре отсутствует электричество или затруднен свободный доступ к сечению ствола на нулевой отметке.
Исходя из проведенного анализа регулярного мониторинга и на основании видеообследования крепи северного скипового ствола шахты № 11 определена фактическая оценка состояния крепи ствола, по классификации ГБУ "РАНИМИ" [3] и [4] равная 1,5 балла, что классифицируется как состояние деформаций начальной стадии.
Рис. 6 - Зеркало воды в скиповом стволе на глубине 663 м
Для решения задачи визуального обследования вертикальных стволов использована разработанная ГБУ "РАНИМИ" аппаратура телевизионного мониторинга стволов - АТМС (рис. 7).
Рис. 7 - Аппаратура АТМС
Расчетная балльная оценка состояния крепи северного скипового ствола шахты № 11 определенная в соответствии с В.4.2.2 "Правил ликвидации стволов угольных шахт" [3] и [4] составила 1,2 балла, что по классификации ГБУ "РАНИМИ" так же соответствует состоянию между удовлетворительным и деформациями начальной стадии. Полученная хорошая сходимость расчетных характеристик с фактической оценкой состояния крепи ствола говорит о благоприятном прогнозе долговременной геомеханической устойчивости крепи ствола.
Исходя из проведенного анализа регулярного мониторинга и на основании видеообследования крепи южного клетевого ствола шахты № 11 от устья до зеркала воды (глубина 663 м, рисунок 8) определена фактическая оценка состояния крепи ствола, по классификации ГБУ "РАНИМИ" [3] и [4] равная 1 баллу, что классифицируется как удовлетворительное состояние.
Рис. 8 - Зеркало воды в клетевом стволе на глубине 663 м
Расчетная балльная оценка состояния крепи южного клетевого ствола шахты № 11 определенная в соответствии с В.4.2.2 "Правил ликвидации стволов угольных шахт" [3] и [4] составила 1,25, что по классификации РАНИМИ так же соответствует удовлетворительному состоянию. Полученная хорошая сходимость расчетных характеристик с фактической оценкой состояния крепи ствола говорит о благоприятном прогнозе долговременной геомеханической устойчивости крепи ствола.
Если фактическая балльная оценка состояния ствола не более 1,5 и расчетная балльная оценка не более 1,75 то согласно [3] ствол может быть использован в водоотливном комплексе, при этом фактическая крепь ствола полностью соответствует необходимой расчетной, определяемой по пунктам В.4.1.7, В.4.1.8 [3].
По нормативным документам [3], [4] протяженные участки вскрывающих горных выработок не влияют одна на другую, если расстояние между ними Lд удовлетворяет следующему неравенству:
Ьд > (Ьг + Ь2)кь, (1)
где (Ь1 + Ь2) - суммарная ширина взаимовлияющих выработок в проходке (вчерне), м;
^ - коэффициент взаимовлияния, определяемый по [3], с учетом: угла падения а в пределах 8 о-14 о но менее 35 о, глубины 600-900 м и сопротивления наиболее слабых вмещающих горных пород, с учетом коэффициентов влияния нарушенности пород и разупрочнения обводняемых пород в результате затопления -^ = 4,5.
Диаметры вчерне обоих стволов равны 7,9 м.
Получаем: ¿ю-с > (7,9 + 7,9)4,5 = 71,1 м.
Расстояние между южным и северным стволами равно 50 м, что меньше 71,1 м. С учетом допустимой ошибки взаимного положения ближайших точек четких контуров равной согласно [5] 0,8 мм, что в масштабе плана горных выработок 1:2000 составляет 1,6 м, взаимовлияние стволов исключить нельзя, т.е. геомеханические процессы, происходящие в одном из стволов могут косвенно повлиять на другой.
Для анализа динамики геомеханической ситуации во вмещающем северный скиповой ствол шахты № 11 горном массиве было выполнено моделирование устойчивости ствола при его поэтапного затоплении. Результаты моделирования, при изменяющихся с интервалом 50 м уровнях затопления, начиная с существующего, приведены на рисунке 9.
Рис. 9 - Графики результатов моделирования расчетной толщины крепи северного скипового ствола шахты № 11 при изменяющихся уровнях затопления
Согласно графикам, в процессе затопления скипового ствола его крепь на ряде участков ниже глубины 550 м не удовлетворяет условиям поддержания.
С целью уточнения поведения участка массива в интервале глубин 540-720 м в условиях постепенного повышения уровня затопления проведено дополнительное моделирование при изменяющемся интервале 10 м. Результаты моделирования представлены на рисунке 10.
Расчетная толщина крепи, м
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
540 550 560 570 580 590 600
£
г. 610 03
1=3
2 620 н
0
1 630
§ 640
I 650 ю
660
I—I
670 680 690 700 710 720
_ 1 1 1 1 1 —540 м -560 м -580 м _ —600 м -620 м -640 м —660 м -680 м -700 м ~ — 720 м * »Факт
> -
г
Ч g
Щ >— =_
1 gi
щ _____
jg- * ~ -
—■ №-
>
Г Г
п >
ш ы _
-
2
>
=== -
Рис. 10 - Графики результатов моделирования расчетной толщины крепи при затоплении северного скипового ствола шахты № 11 в интервале глубин 540-720 м
При затоплении ствола возможно разбухание слабых слоев вмещающих ствол пород. При длительном удержании уровня воды на данных участках несущая способность крепи становится недостаточной, при этом возможно выдавливание пород внутрь ствола с нарушением крепи. При повышении уровня затопления до горизонта 530 м вес водяного столба практически полностью компенсирует негативное влияние от падения прочностных свойств вмещающих пород.
Аналогичные графики моделирования расчетной толщины крепи для вентиляционного ствола шахты им. М. Горького и южного клетевого ствола шахты № 11 представлены на рисунках 11 и 12 соответственно.
Рис. 11 - Графики результатов моделирования расчетной
толщины крепи вентиляционного ствола шахты им. М. Горького при изменяющихся уровнях затопления
На основании проведенного детального анализа геологических, гидрогеологических и геомеханических условий поддержания вентиляционного ствола шахты им. М. Горького, северного скипового и южного клетевого стволов шахты № 11, выполненных расчетов напряженно-деформированного состояния массива горных пород и нагрузок на крепь, проведенного моделирования затопления, а также опыта прогноза устойчивости крепи вертикальных шахтных стволов в аналогичных геомеханических условиях, были разработаны рекомендации по обеспечению геомеханической устойчивости данных стволов.
Рис. 12 - Графики результатов моделирования расчетной толщины крепи южного клетевого ствола шахты № 11 при изменяющихся уровнях затопления
Рекомендации по обеспечению геомеханической устойчивости стволов заключались в следующем.
В соответствии с "Прогнозом развития гидрогеологической ситуации в техногенных горизонтах и на поверхности шахт..." по участку шахты им. М. Горького, защитный водоотливный комплекс с погружными насосами должен обеспечивать поддержание уровня затопления шахты на отметке не выше минус 50 м, это критический (аварийный) уровень затопления.
Для каждого ствола в случае принятия решения по использованию его под погружные насосы разработаны рекомендации по дополнительным конструктивным мерам усиления крепи (в случае необходимости), возведения упорных перемычек и т.д.
Разработаны требования по сооружению изолирующих перемычек и во избежание провалов на земной поверхности калориферный (запасной выход) и вентиляционный каналы необходимо заполнить закладочным материалом [6], [7].
Приняты решения о возможности ликвидации стволов, не используемых под погружные насосы без засыпки. Для этих условий разработаны конструкции колпаков перекрытия и водоотливных канав.
Разработаны мероприятия при ликвидации неиспользуемых под погружные насосы стволов путем полной засыпки.
Указаны требования по обследованию состояния устьев стволов и мониторингу земной поверхности в постликвидационный период.
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что в данном случае при выполнении соответствующих мероприятий все три ствола подходят для размещения в них погружных насосов. Поскольку стоимость выполнения работ для каждого варианта может существенно отличаться, окончательное решение по выбору ствола и способе ликвидации остальных должно быть принято на основании технико-экономического анализа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дрибан, В. А. Технология принятия решения по схемам ликвидации вертикальных стволов / В. А. Дрибан, С. В. Голдин // Науковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецк, 2009. - № 5 (I). - С. 477-489.
2. Геологический отчет о доразведке и переоценке запасов каменных углей поля шахты им. М. Горького ПО "Донецкуголь" / Госуглепром Украины ПО "Укруглегеология", Донецкая ГРЭ. -Донецк, 1993 г.
3. Расположение, охрана и поддержание горных выработок на угольных шахтах Донецкого бассейна: РД. - Донецк, 2021. -266 с.
4. КД 12.12.005-2001. Правила ликвидации стволов угольных шахт. - Утв. Министерством топлива и энергетики Украины 15.02.2001 г. - Донецк, 2001. - 122 с.
5. ГОСТ 2.851-75. Горная графическая документация. ГОСТ 2.850-75 - ГОСТ 2.857-75. Изд. офиц. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1983. - 200 с.
6. Отраслевая инструкция о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче угля (сланца) // Сборник нормативных материалов по маркшейдерскому и геологическому обеспечению горных работ в угольной отрасли России. - М.: ИПКОН РАН, 1998. - С. 453-471.
7. НПАОТ 10.0-1.01-16 Правила безопасности в угольных шахтах. - Опубликовано 20.05.2016 г., с изменениями, внесенными на основании Приказа Министерства угля и энергетики Донецкой Народной Республики, Государственного Комитета горного и технического надзора Донецкой Народной Республики от 07.07.2016 № 63/319, от 20.06.2017 № 157/291. - Донецк, 2016. -217 с.
Борис Валентинович Хохлов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом горного давления, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, hbv@bk.ru.
Виктор Александрович Дрибан, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной части, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, viktor-driban@yandex.ru.
Александр Матвеевич Терлецкий, старший научный сотрудник отдела горного давления, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР.
Антон Викторович Антипенко, ведущий инженер отдела горного давления, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР.
Марина Дмитриевна Рожко, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела горного давления, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, mdr 6464@msil.ru.
Лариса Алексеевна Камбурова, научный сотрудник отдела гидро-геомеханических исследований и охраны недр, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР.
SELECTION OF THE HOLE WHEN IT IS USED AS PART OF A MAIN DRAIN SYSTEM WITH SUBMERSIBLE PUMPS AT THE GORKY MINE.
The article presents the technology for selecting a vertical shaft for further operation as part of WDS with submersible pumps, using the example of the Maxim Gorky mine.
Keywords: submersible pumps, condition assessment, trunk support, flooding, modeling.
Boris Valentinovich Khokhlov, candidate of technical sciences, senior researcher, head of the mining pressure department, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, hbv@bk.ru.
Viktor Alexandrovich Driban, doctor of technical sciences, senior researcher, deputy director for scientific affairs, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, viktor-driban@yandex. ru.
Alexander Matveevich Terletsky, is a senior researcher mining pressure department, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR.
Anton Viktorovich Antipenko, lead engineer of the mining pressure department, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR.
Marina Dmitrievna Rozhko, candidate of technical sciences, senior researcher at the mining pressure department, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, mdr6464@msil.ru.
Larisa Alekseevna Kamburova, researcher at the department of hydrogeome-chanical research and protection GBU «RANIMI», Donetsk, DPR.
