CC BY
146
УДК 622.28:622.831.31:622.693.23
ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН ДЕФОРМАЦИИ КРЕПИ ПОДЗЕМНОГО,
ОБЩЕШАХТНОГО БУНКЕРА
В.В. Тарасов, В.С. Пестрикова, И.А. Афанасьев, С.Л. Сушков
Рассмотрены основные типы компоновки бункерных комплексов. Представлены результаты детального обследования крепи подземного бункера ствола № ¡.Установлены причины появления деформации крепи подземного бункера. Разработаны и представлены мероприятия по восстановлению несущей способности железобетонной конструкции общешахтного бункера.
Ключевые слова: общешахтный бункер, дозатор, ствол, футеровка, ремонт-но-восстановительные работы, полиуретановые смолы.
Ритмичная работа шахты во многом зависит от четкого и качественного функционирования транспортно-подъемной системы, одним из основных звеньев которой является подземный бункерный комплекс [1].
Современный бункерный комплекс - это сложный механизированный околоствольный объект, состоящий из взаимосвязанных между собой различных устройств и выработок, которые обеспечивают перегрузку горной массы из транспортной системы шахты в систему шахтного подъема для доставки руды на поверхность.
Наиболее сложными объектами как по конструкции, так и по технологии горнопроходческих работ, являются камеры скипового загрузочного комплекса или околоствольного двора, в который входят отделения опрокидывателя, толкателя и подземного общешахтного бункера. Также в комплекс входят до-заторная камера, камера затворов, примыкающих непосредственно к стволу и наклонный ходок между дозаторной камерой и бункером [2].
Все эксплуатируемые подземные бункерные комплексы можно разделить на две группы компоновки [1]:
- первая - бункерные комплексы с вертикально или наклонно расположенными аккумулирующими емкостными сооружениями. В данной группе комплексов перегрузка горной массы из одной шахтной транспортной системы (конвейерный транспорт или железнодорожная откатка) в другую (скиповой подъем) осуществляется преимущественно под действием ее собственной массы. Такие комплексы получили название гравитационных или самотечных;
- вторая - бункерные комплексы с горизонтально расположенным аккумулирующим емкостным сооружением, где перегрузка горной массы в них осуществляется принудительно с помощью различных механизмов, таких, как скреперные лебедки, конвейера, бульдозеры и т. д. Такие типы бункерных комплексов получили название принудительные или форсинги. Форсинги, в
свою очередь, делятся на траншейные и бункерные установки. Следует отметить, что вторая группа бункерных комплексов в технологии добычи полезных ископаемых в условиях работы на ВМКС не используется ввиду их малой эффективности.
Каждый из бункерных комплексов располагается в специально подготовленных дозаторных камерах. По конструкции сопряжений ствола с камерами загрузочных устройств можно выделить два основных типа компоновки камер [2]:
- первый тип камер характеризуется вытянутостью по вертикали и располагается в непосредственной близости от ствола;
- второй тип камер протяжен по горизонтали, оборудован специальными взвешивающими конвейерами-накопителями, бункер расположен дальше от ствола, чем в первом случае и соответственно значительно меньше оказывает отрицательное влияние на его крепь.
Околоствольные бункера имеют размеры поперченого сечения 4*6, 6*6 м и наклонную длину от 14 до 50 м. Как правило, бункера проходят снизу-вверх после проходки камеры дозатора и загрузочного устройства с выпуском породы в отвал. Выработка под бункер имеет обычно прямоугольную или круглую форму, размеры попреченого сечения определяется необходимостью вместимостью бункера. Крепят бункера железобетоном толщиной 200.. .300 мм. Выпускной проем в днище бункера имеет меньшее сечение и делится на две течки для подачи руды к левому и правому дозаторам. Внутри бункера стенки футеруются листовой сталью толщиной от 12 до 20 мм, для днища бункера в основном применяют рельсовый профиль. Наклон оси общешахтного бункера, как правило, не превышает 60-70°.
Сложная конфигурация околоствольных выработок, большие объемы и высота дозаторных камер, а также общешахтных бункеров, пройденных в соляном массиве, способствует развитию деформации ползучести соли [3]. В результате этого на большинстве стволов калийных рудников крепь дозаторных камер и крепь стволов на этих участках деформируются настолько, что могут привести к перекреплению разрушенного участка крепи ствола. Поэтому с целью уменьшения влияния выработок околоствольного двора и шахтного ствола общешахтный бункер и комплекс выработок над ним относят от оси ствола на расстояние от 20 до 50 м по горизонтали, а между бункером и загрузочным устройством устанавлиявают двухскоростные конвейры -накопители (например, общешахтные бункеры СКРУ-3 и БКПРУ-4). Такое решение представляется достаточно рациональным, так как обеспечивает независимость работы крепи ствола и камер.
Опыт строительства бункерных комплексов по параметрам горнорудной промышленности не в полной мере обеспечил их дальнейшую, надежную и
безаварийную работу в условиях соляных пород. В частности, за последнее время при эксплуатации подземного общешахтного бункера ствола № 1 наблюдаются деформации и повреждения несущих конструкций, футеровки и других элементов бункера с фиксацией признаков рассолопроявлений.
Подземный общешахтный бункер ствола № 1 БКПРУ-2 расположен в дозаторной камере, построенной по первой группе компоновки, и располагается в непосредственной близости от ствола. Строительство дозаторной камеры и общешахтного бункера закончено в 1969 году по проекту «Госгорхимпроект», обустроены в подстилающей каменной соли. По факту, устье бункера расположено на отметке минус 203,3 м. Согласно проекту объем камеры бункера составляет 770 м3.
Подземный общешахтный бункер ствола № 1 представляет собой металлическую емкость прямоугольной формы размерами 6000*4000 мм и высотой 26 470 мм, расположенную наклонно под углом 60° относительно горизонтальной плоскости. Емкость занимает верхнюю и среднюю части дозаторной камеры. Внизу бункер соединяется с дозаторным устройством, которое распределяет поступающую руду на два скипа. Стенки и свод бункера зашищены листовым металлом толщиной от 12 до 20 мм. Крепление боковых листов футеровки к стенкам бункеров выполнено из клинораспорных анкеров, закрытых уголками, и пластин 300*400 мм толщиной 10 мм. Нижняя часть застелена сплошной броней из пакетов рельс Р-33. Расстояние между футеровкой и соляным массивом заполнено бетоном мощностью до 300 мм. Схема участка вертикального разреза ствола № 1, дозаторной камеры и общешахтного бункера показана на рис. 1 и 2.
Непосредственно корпус общешахтного бункера опирается на специальные устройства (башмаки), которые расположены равномерно по длине стенки бункера в углублениях породного массива. В боковой стенке имеются три смотровых окна размером 800*800 мм, расположенных на разных уровнях, (рис. 2). Основным недостатком реализованной схемы является образование существенных объемов обнажения и создание больших полостей сложной геометрии совместно дозаторной камеры с шахтным стволом [3].
Необходимо указать, что практически на второй год работы рудника обнаружились деформация и разрушения железобетонных сводов кровли и стенок дозаторных камер, а также бетонного крепления сопряжения стволов на всю высоту проемов. Активная стадия деформационных процессов продолжалась в первые 4-6 лет после ввода в эксплуатацию дозаторного комплекса. После этого скорости смещений заметно снизились, и деформация металлоконструкций практически остановилась, положение стабилизировалось. Далее уже в 80-х и 90-х гг. деформационные процессы преимущественно развивались уже в армировке ствола при смещении расстрелов в сторону клетевого
отделения. Практически ничем не ограниченное свободное деформирование породного контура вокруг бетонного крепления дозаторной камеры привело к сдвижению во внутрь ствола массива соли высотой до 40 м. Сдвижения соляных пород, в свою очередь, привели к значительным разрушениям в бетонной крепи ствола и сильному деформированию элементов его армировки.
-2-
1-
4-
6-
Рис. 1. Схема расположения подземного, общешахтного бункера в комплексе дозатора относительно ствола № 1: 1 - шахтный ствол; 2 - узел перегрузки; 3 - бункер; 4 - камера питателей; 5 - камера дозатора; 6 - монтажный ходок из ствола в камеру питателей;
7 - опорные башмаки бункера
Узел перегрузки
Рис. 2. Схема расположения подземного общешахтного бункера в комплексе дозатора ствола № 1
Причина состояла в том, что в то время при проектировании и строительстве шахтных стволов применялись методы, привнесенные из практического опыта других областей горной промышленности. То есть не были учтены специфические особенности соляной толщи при проходке и строительстве стволов, дозаторных камер и других сопряжений, а именно деформации ползучести соляной породы без видимого разрушения массива.
Работы по детальному обследованию общешахтного бункера ствола № 1 распределились на три основных этапа:
- на первом этапе работ проведено визуальное обследование поверхности бетона на контакте с внешней обшивкой бункера. При этом пробурены 10 разведочных шпуров в бетоне диаметром 42 мм до контакта с породным массивом. Предварительно изнутри в металлической обшивке стенок бункера были вырезаны 10 сквозных окон прямоугольной формы на разных отметках. Параллельно для изучения соляного массива и наличия/отсутствия рассоло-проводящих каналов из подводящей выработки сверху к бункеру пробурены три вертикальных шпура глубиной по 2 м каждый;
- второй этап включал в себя измерение прочности внешней части бетона на сжатие методом неразрушающего контроля;
- на третьем этапе производилось изучение внутренней части бетона и зоны контакта «бетон - порода» при помощи видеоэндоскопа.
По итогам визуального обследования стенок бункера установлено:
крепление боковых листов футеровки к стенкам бункеров выполнено из клинораспорных анкеров, закрытых уголками, и пластин 300*400 мм толщиной 10 мм. Обнаружена деформация (изгиб) стенок бункера (футеровки) на 300 мм и кровли на 200 мм. Деформация (или изгиб) почвы бункера не зафиксирована;
в районе смотрового окна № 2 (среднее) с внутренней стороны бункера отмечается отсоединение металла от бетонных стенок бункера на 200 мм. За металлическими листами зафиксированы корродированный бетон и гнутая арматура;
незначительный капеж отмечается в сводовой части бункера выше верхнего (первого) смотрового окна;
при обследовании дозаторной камеры ствола № 1 отмечаются наросты сталактитов в кровле у восточной камеры питателей, а также субвертикальные трещины в бетоне со стороны западного и восточного питателя;
в первом (верхнем) смотровом окне со стороны людского ходка фиксируются выкрашивание бетона по периметру окна, а также деформация и коррозия металлической арматуры. Толщина бетона со стороны ходка порядка 1500 мм;
во втором (среднем) смотровом окне фиксируются деформация и разрушение бетона, также изгиб и коррозия арматуры. Толщина бетона со стороны ходка порядка 1500 мм;
в третьем (нижнем) смотровом окне фиксируются деформации бетона, а также изгиб и коррозия арматуры. Толщина бетона со стороны ходка порядка 1500 мм.
Работа на втором этапе включала в себя измерение прочности бетона, которое производилось на подготовленных поверхностях размерами от 0,5 до 1 м2. Перед началом работ на площади вырезанного окна зачищался весь штыб до ровной поверхности контакта с бетоном. Измерения производились по серии из 10 замеров в пяти различных точках каждой подготовленной площадки.
В результате детального обследования конструкций общешахтного бункера ствола № 1 установлено:
- существующие дозаторные камеры, как и многие другие дозаторные камеры аналогичного типа, обладают целым рядом весьма существенных недостатков. Сложная конфигурация, большие внутренние объемы и высота дозаторной камеры данного типа способствуют развитию деформации ползучести пластов каменной соли, особенно в районе размещения бункера и крепи ствола. Деформация и разрушение бетонного заполнителя вокруг бункера, находящегося под влиянием сдвижения вмещающих пород, передается на внешние контуры металлических листов обшивки, тем самым происходит сдавливание бункера в своде и боковых стенках;
- также одними из причин развития деформационных процессов в конструкциях бункеров являются попадание и дальнейшее скапливание соляного штыба в зазорах между внешним листом обшивки и бетонным заполнителем. Попадание штыба происходит через неплотности между листами обшивки и через сквозные отверстия в металле от коррозионного износа, тем самым создавая давление на металлические листы бункера, деформируя их. Кроме того, влажный штыб ускоряет процесс коррозии в бетоне и металлической обшивке бункера. Толщина покрытия штыбом бетонной поверхности варьируется в пределах от 40 до 350 мм (рис. 3);
- наличие влажного штыба обусловлено присутствием насыщенных рассолов на контакте между металлической обшивкой и бетоном. В результате анализа ситуации установлено, что вероятными источниками рассолопрояв-лений внутри бункера являются рассолосборник, расположенный в 100 м по юго-востоку от ствола № 2 и камера ремонтно-механической мастерской (РММ), находящаяся с востока между стволами № 1 и № 2. Выработка рас-солосборника находится на отметке минус 197,0 м, а камеры РММ (в настоящее время выработка ликвидирована гидрозакладкой) - на отметке минус
190,9 м, что выше по отношению к отметке бункеров на 6 м и 13 м соответственно.
Данное обстоятельство подтверждает тот факт, что при понижении уровня рассолов в рассолосборнике рассолопроявление в своде бункеров уменьшалось. В основном признаки рассолопроявлений отмечаются в сводовой части бункеров верхнего уровня;
- немаловажным моментом при деформации металлических листов следует считать технологический процесс «отпалки» зависшей руды в бункере. Дело в том, что при слеживании руды проводится ее «отпалка» взрывчатыми материалами. Энергия взрыва в замкнутом пространстве бункера негативно влияет на целостность сварных швов, связывающих между собой листы обшивки бункера;
- мощность бетонного заполнителя между стенкой бункера и породой неодинакова и фиксируется в диапазоне от 100 до 1000 мм (по проекту 300 мм) (рис. 3). К тому же в районе окна № 10 бетон раздроблен на отдельные куски и не представляет собой монолитную конструкцию.
Марка и класс бетона на разных участках расположения отличаются друг от друга по прочностным характеристикам и не соответствуют требованиям, заявленным по проекту. Местами бетон разрушен, имеются трещины и полости.
Бункер ствола № 1
НИЗ
Окно № 2 Полость в массиве пород
СРЕДНЕЕ
ВЕРХ
290 бетон
50 штыб
50 штыб, влага
2900 бетон рыхлый
150 штыб, влага, капеж
Р
Рис. 3. Схематическое сечение общешахтного бункера ствола № 1БКПРУ-2. Результат обследования закрепного пространства
Таким образом, обследование бункерного комплекса ствола № 1 БКПРУ-2 показало очевидную необходимость проведения ремонтных работ по восстановлению несущей способности железобетонной конструкции подземного бункера.
Для восстановления работоспособности бетонной крепи подземного бункера рассматривались два варианта: разборка всех конструкций и монтаж
Окно № 5
Окно № 10
Окно № 9
940 бетон
новой крепи бункера или восстановление несущей способности конструкций с использованием современных материалов и технологий. Поскольку для реализации первого варианта требовалось много средств и времени, предпочтение было отдано второму варианту.
Работы по восстановлению несущей способности железобетонных конструкций подземного бункера рекомендовано разделить на два этапа:
- первый - выполнение подготовительных работ;
- второй - выполнение ремонтно-восстановительных работ по восстановлению несущей способности железобетонных конструкций общашахтного бункера методом инъецирования.
Подготовительные работы. В первую очередь, рекомендовано провести замену изношенных и деформированных листов футеровки в районе верхнего смотрового окна бункера, сварку стыков между листами проводить сплошным швом без промежутков. Также необходимо проварить все узлы крепления металлических листов анкерной крепью.
После выполнения работ по замене изношенных листов футеровки и тщательной проварке всех швов необходимо в интервалах распространения «рыхлого» бетона в сводовой части бункеров смонтировать швеллеры прокатного размера № 14. При этом стоит учитывать, что при закреплении швеллеров в местах с рыхлым бетоном следует применять анкерную крепь длиной до 3-5 м с расклиниванием в соляных породах. Расстояние между швеллерами следует принять 500 мм.
Таким образом, смонтированная «швеллерная сетка» придаст сводовой части бункеров дополнительную жесткость и обеспечит сохранность металлических листов футеровки от деформаций при выполнении последующих ремонтно-восстановительных работ.
Ремонтно-восстановительные работы. Порядок выполнения работ следующий.
Инъекционные пакера диаметром от 42 мм следует устанавливать в местах с твердым, плотным бетоном вокруг зоны распространения «рыхлого бетона». В первую очередь, необходимо в металлической обшивке бункера на расстоянии не более 500 мм от зоны распространения «рыхлого бетона» прорезать несколько сквозных отверстий для установки пакеров. Затем необходимо продуть воздухом трещины и скрытые полости, которые следует инъецировать. Расстояние между пакерами принято 1500 мм.
Инъекционные пакера диаметром 12 мм, устанавливаются через установленные швеллеры № 14. Установка данных пакеров использовалась в местах с наличием рыхлого или непрочного бетона, а также в зоне размыва. Расстояние между пакерами 1000 мм. Схема установки пакеров обоих типов отображена на рис. 4.
В настоящее время, используя современные достижения в химической промышленности, разработаны новые материалы, с помощью которых можно восстановить несущую способность железобетонных конструкций, потерявших до 50 % несущей способности. К таким материалам относятся пластификаторы, сухие ремонтные смеси, клеи для соединения нового и старого бетона, эпоксиды инъекционные или тиксотропные, преобразователи ржавчины арматуры, растворы для инъецирования трещин и закрытых полостей, углеродные ламинаты и холсты для внешнего армирования.
_ , _ ч Пакер для нагнетания. сИ2 мм
Рис. 4. Схема проведения инъекционных работ в сводовои части
общешахтного бункера ствола № 1
В качестве ремонтного материала для восстановления несущей способности железобетонной конструкции бункеров предлагается использовать полиуретановые смолы низкой вязкости, плотные, с коэффициентом расширения около 1-3. Выполнение инъекционных работ вышеуказанными составами позволит оттеснить рассолы от бетонной крепи бункеров и восстановить несущую способность разрушенного бетона.
Технологию выполнения инъекционных работ по восстановлению несущей способности бетонного заполнителя вокруг общешахтных бункеров и ликвидацию выявленных при обследовании пустот следует разделить на два этапа.
В первую очередь, необходимо прокачать полости и трещины в плотном бетоне с целью упрочнения существующего бетонного заполнителя вокруг зон размыва. Прокачка производится через инъекционные пакера диа-
метром 42 мм под давлением не более 1 МПа снизу вверх на вертикальных трещинах и линейно на горизонтальных участках до выхода раствора из соседнего пакера.
На втором этапе следует приступить к прокачке размытых зон и участков с рыхлым или непрочным бетоном. Нагнетание тампонажного материала осуществляется также по схеме снизу вверх через инъекционный пакер диаметром 12 мм до полного заполнения размытых полостей. Предельное давление нагнетания не более 1 МПа.
После выполнения работ по данной методике целостность бетона полностью восстанавливается.
Список литературы
1. Гордон С.Б., Максимчук А. А. Подземные бункерные комплексы зарубежных рудников. М.: ЦНИИЦВЕТМЕТ Экономики и информации, 1979.
2. Булычев, Н.С., Абрамсон, Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978.
3. Ольховиков, Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984.
Тарасов Владислав Владимирович, асп., ecology@tsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пестрикова Варвара Сергеевна, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Афанасьев Игорь Александрович, канд. техн. наук, науч. сотр., ecology @tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сушков Сергей Леонидович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
REVEALING CAUSES OF DEFORMING UNDERGROUND ALL-MINE
BUNKER LINING
V.V. Tarasov, V.S. Pestrikova, I.A. Afanasiev, S.L. Sushkov
Basic types of composing bunker complexes were considered. Results of detailed researching underground bunker lining in vertical shaft were submitted. Causes of arising deformation of underground bunker were established. Arrangements by restoring load-carrying ability offerroconcrete construction of all-mine bunker were created and submitted.
Key words: all-mine bunker, measuring pocket, shaft, brickwork, repair-and-renewal operations, polyurethane gums.
Tarasov Vladislav Vladimirovich, рostgraduate, ecology'tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pestrikova Varvara Sergeevna, рostgraduate, ecology'tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Afanasiev Igor Alexandrovich, Candidate of Technical Science, Scientific Associate, ecology', tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sushkov Sergei Leonidovich, Candidate of Technical Sciences, Docent, ecology@ tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1 Gordon S.B., Maksimchuk A.A. Podzemnye bunkernye kompleksy zarubezhnyh rudnikov. M.: CNIICVETMET Jekonomiki i informacii, 1979.
2 Bulychev, N.S., Abramson, H.I. Krep' vertikal'nyh stvolov shaht. M.: Nedra, 1978.
3 Ol'hovikov, Ju.P. Krep' kapital'nyh vyrabotok kalijnyh i so-ljanyh rudnikov. M.: Nedra, 1984.
