- - - Основные причины нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт Донбасса

Вертикальные стволы в Донбассе в настоящее время сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных горно- и гидрогеологических условиях, усложняющихся с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых. Отличаясь своей уникальностью и важностью в производственном комплексе горнодобывающего предприятия, они требуют постоянного поиска и разработки эффективных решений по интенсификации их строительства и безремонтной эксплуатации, что в свою очередь является актуальной научно-технической проблемой развития угольной промышленности Украины.

Большинство угольных шахт Донбасса вскрыты центральными, центрально отнесенными или фланговыми вертикальными стволами. Глубина колеблется от 120-150м (для вентиляционных стволов, проходимых у верхней технической границы) до 1100-1300м (для главных, вспомогательных и воздухоподающих стволов). Диаметры в свету от 4,5 до 8,0м, в зависимости от назначения ствола и производственной мощности шахты. Преимущество при проведении стволов получила совмещенная технологическая схема с буровзрывным способом отрывки горной массы.

Наиболее распространенными являются монолитная бетонная и железобетонная крепи стволов, доля которых на горных предприятиях Донбасса составляет 93% от общего объема крепления.

 


Основные причины нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт Донбасса

Процентное соотношение видов крепи, распространенных в вертикальных стволах Донбасса.

 

Участки стволов со сложными горно- и гидрогеологическими условиями (рыхлые, неустойчивые, сильно обводненные породы), проходимые специальными способами строительства, закреплены тюбинговой крепью (металлические или железобетонные тюбинги) или комбинированными многослойными крепями (сталебетонные, чугуннобетонные и т.д.). На участках пересечения стволами слабых пород и угольных пластов, с целью недопущения значительных деформаций и разрывов сплошности крепи, устраивались узлы податливости.

Нормальная эксплуатация существующих и строящихся горнодобывающих предприятий в значительной мере обусловлена научно обоснованным техническим обслуживанием вертикальных стволов, а также проведением своевременного и качественного ремонта их крепи. Вертикальные стволы эксплуатируют в течение нескольких десятилетий. За это время в них по мере необходимости проводят ремонтные работы и периодически осуществляют техническое обслуживание.

Усложнение гидрогеологических условий строительства, пересечений зон влияния старых горных работ, а также наличие в околоствольном массиве пород тектонических полей начальных напряжений оказывает негативное влияние на крепь и армировку вертикальных стволов. Указанные факторы предъявляют повышенные функциональные, технические и экономические требования к надежности крепи и армировки стволов. Надежность длительной работы крепи и армировки должна обеспечиваться на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации, включая ремонты ствола и его реконструкцию. Степень надежности напрямую зависит от полноты учета многочисленных фактических факторов в принятых методах расчета, способах подбора элементов конструкции и ее изготовления, от материала конструкций, технологии проходки, крепления ствола и монтажа армировки.

На основе обследования глубоких вертикальных стволов (свыше 600 м), выполненного УкрНИМИ, получены сведения о нарушенности глубоких вертикальных стволов Украинского Донбасса. Наибольший процент нарушенных стволов приходится на объединения, разрабатывающие крутопадающие пласты, а также на объединения со сложными горно- и гидрогеологическими условиями (Красноармейскуголь, Луганскуголь). В большинстве случаев повреждения крепи и армировки стволов происходят под влиянием комплекса причин, основными из которых являются влияние очистных работ и сопрягающихся со стволом выработок.

В условиях пологих пластов влияние очистных работ проявляется в основном в форме опорного давления при оставлении предохранительных целиков недостаточных размеров, построенных по старым Правилам охраны, либо при проведении стволов в зонах остаточного опорного давления у старых очистных выработок. Довольно значительную группу причин составляют нарушения технологии крепления и поддержания стволов, неудовлетворительное качество крепи, несоответствие бетона агрессивным шахтным водам (до 38%) и др.

На основе выполненного анализа состояния крепи вертикальных стволов шахт Российского Донбасса, пройденных в 1970-1990-х годах, выявлено, что из 28 стволов 12 имели существенные повреждения крепи, что составляет 42%.

Удельный вес причин нарушений крепи вертикальных стволов на шахтах Донбасса представлен в таблице, откуда видно, что на шахтах Российского Донбасса практически отсутствуют нарушения крепи стволов, вызванные значительным горным давлением. Исключение составляют единичные случаи нарушения крепи, вследствие влияния очистных работ, проводимых вблизи ствола и околоствольных выработок. Это объясняется преобладанием в пересекаемой толще прочных устойчивых пород и пологим их залеганием. Основными причинами нарушения крепи вертикальных стволов в Российском Донбассе является низкое качество бетона, несоблюдение проектной толщины крепи и формы сечения, обмерзание крепи в зимнее время, влияние агрессивных подземных вод, содержащих 1300-2300 мг/л ионов S04.

 

Характеристика причин повреждения крепи стволов

 

Причины повреждения крепи стволов

Стволы с повреждениями

шт.

%

На шахтах Российского Донбасса

Влияние очистных выработок

1

8

Влияние сопрягающихся со стволами выработок

3

25

Неблагоприятные горно- и гидрогеологические услович

2

16

Нарушение технологии проведения крепления и поддержания стволов, неудовлетворительное качество крепи

6

50

На шахтах Украинского Донбасса

Влияние очистных выработок

75

74

Влияние сопрягающихся со стволами выработок

78

76

Неблагоприятные горно- и гидрогеологические условия

25

25

Нарушение технологии проведения крепления и поддержания стволов, неудовлетворительное качество крепи. Агрессивное воздействие среды на крепь.

38

38

 

Кроме того немаловажную роль в возникновении различного вида повреждений крепи и армировки стволов играют технологические нарушения, допускаемые как в период проходки и крепления ствола, так и во время эксплуатации подъемного комплекса. Несоответствие параметров монолитной бетонной крепи стволов проектным характеристикам оказывает влияние на несовершенство самой технологии буровзрывных и бетонных работ в стволе:

- отклонение центра и стенок ствола от проектного положения,

- спуск бетона по трубам в глубоких стволах,

- неточная центровка и установка опалубки,

- износ опалубки, т.е. изменение ее проектной формы и размеров.

Как показывает опыт поддержания вертикальных стволов в Донбассе, при влиянии очистных выработок, деформации крепи, как правило, возникают в ранее отремонтированных местах. Это связано как с малой прочностью «латки» по контуру, так и с тем, что места максимумов деформаций околоствольного массива сохраняются в течение длительного времени. Помимо того, что устройство «латок» не приводит к достижению цели ремонта - созданию прочной надежной крепи - и связано со значительными непроизводительными затратами, они являются местами повышенной опасности. При деформациях околоствольного массива и крепи, значительно меньших, чем допустимые для бетонной крепи, «латки» могут разрушаться, внезапно отделяться и обрушаться в ствол. При этом, чем меньше площадь соприкосновения «латки» с вмещающими породами, тем больше опасность ее внезапного отделения от остальной крепи.

Ремонта крепи в виде устройства бетонных «латок» следует избегать во всех случаях, особенно когда нет уверенности, что процесс сдвижения закончился и уже не возобновится, а также в условиях, когда ствол обводнен, а шахтные воды обладают агрессивными по отношению к бетону свойствами.

Произведенный анализ причин повреждения крепи и армировки вследствие технологических нарушений позволил выделить следующие их основные группы:

1. Причины, обусловленные технологией спуска бетонной смеси к месту укладки. В настоящее время доставку бетонной крепи в ствол в Украине и других странах СНГ производят по трубам. Это позволяет полностью механизировать работы по укладке бетонной смеси за опалубку и получить при правильном подборе ее состава и соблюдении технологии ведения работ достаточную прочность и водонепроницаемость. Вместе с тем, такой способ доставки бетонной смеси в ствол имеет ряд существенных недостатков. Для полной гидратации цемента необходимо 10-20% воды от его массы. Однако такая смесь обладает низкой подвижностью, и ее практически невозможно транспортировать по трубам и укладывать за опалубку. Поэтому подвижность бетонной смеси, при доставке по трубопроводу на глубину 200 м, принимают не менее 11 см и увеличивают на каждые последующие 150м глубины на 1 см. При глубине ствола 1000л подвижность достигает 17-19см.

Для придания такой подвижности требуется вводить в бетонную смесь избыточное количество воды (до 55-60% от массы цемента), что снижает качество бетона и приводит к перерасходу цемента. Согласно инструкции по приготовлению и применению бетонов и растворов для горных работ института НИИОМШС, при увеличении подвижности бетонной смеси с 9 до 17см и сохранении класса бетона по прочности, расход цемента увеличивается на 10-12%, а класс бетона по водонепроницаемости снижается на 30-35%.

К недостаткам рассматриваемой технологии также следует отнести расслоение бетонной смеси при спуске по трубам, которое вызывает повышение коэффициента вариации прочности бетона, и как следствие, снижение надежности крепи.

2. Причины, вызванные несоблюдением формы сечения ствола в свету и толщины крепи по периметру вследствие деформации опалубки, неточности ее центровки, отклонения положения центрального отвеса, несоблюдения паспорта буровзрывных работ и других факторов.

Как показывает опыт проходки глубоких вертикальных стволов в Донбассе, с увеличением глубины повышаются значения радиальных отклонений контура крепи от проектного положения. Это связано с неточностью центровки опалубки вследствие колебаний центрального отвеса, амплитуда которых увеличивается с глубиной. Кроме того, с увеличением количества циклов бетонирования, вследствие поочередных отрывов опалубки от бетона и ее монтажа на следующей заходке, опалубка деформируется и изменяет свою форму, вызывая тем самым изменения формы внутреннего контура крепи.

Все вышеописанные технологические нарушения и трудноустранимые погрешности, допускаемые при креплении стволов, значительно сказываются на несущей способности и, как следствие, на состоянии вертикальных стволов. В случае недопустимых деформаций или нарушений крепи требуются значительные затраты на ремонт и поддержание стволов, что в конечном итоге влияет на рентабельность всего горного предприятия.

3. Причины, вызванные несовершенством применяемой технологической схемы.

В настоящее время в Украине и странах СНГ наибольшее распространение получила совмещенная технологическая схема проходки стволов, доля которой составляет 95-98%. Эта схема и применяемое оборудование позволяют получить стабильную техническую скорость проходки ствола 75 м/мес. При высоком уровне организации работ достигается скорость проходки 100 м/мес. и более.

Однако наряду с явными преимуществами совмещенная схема обладает целым рядом трудноустранимых недостатков, влияющих на технико-экономический уровень и качество проходки и крепления ствола. Ряд последних исследований в этой области показывает, что применение совмещенной технологической схемы проходки негативно сказывается на качестве монолитной бетонной крепи. Это связано с тем, что при возведении крепи из быстротвердеющего бетона непосредственно за подвиганием забоя в глубоких стволах возникают значительные нагрузки за счет конвергенции вмещающих пород, которые неблагоприятно влияют на крепь и могут привести к ее разрушению. При проходке по совмещенной технологической схеме буровзрывные работы производятся в непосредственной близости от бетонной крепи и воздействуют на бетон в ранней стадии твердения, что приводит к образованию дефектов на микроуровне и в конечном результате, к снижению качества крепи.

Повысить качество крепи можно применением последовательной или параллельной технологических схем, при которых наблюдается разгрузка вмещающих ствол пород до возведения постоянной крепи и снижение нагрузки на крепь на 12-15%.

Резюмируя вышеизложенное, следует сделать следующие выводы:

для сохранения качества бетонной смеси при проходке стволов глубиной более 500м целесообразно переходить на технологию спуска бетона контейнерами, с целью уменьшения погрешности формы кольца крепи вследствие деформаций опалубки целесообразно заменять передвижную опалубку после 400-500м крепления ствола.

Параметры монолитной бетонной крепи глубоких вертикальных стволов необходимо определять с учетом неизбежных отклонений положения и формы кольца крепи от проектных параметров. Более благоприятными с точки зрения формирования высоких прочностных характеристик монолитной бетонной крепи являются последовательная и параллельная технологические схемы проходки и крепления.

Около половины нарушений крепи вертикальных стволов вызваны технологическими отклонениями и погрешностями при креплении, поэтому параметры технологии крепления имеют первостепенное значение в обеспечении устойчивости и безремонтного поддержания стволов в процессе эксплуатации.




Другие новости по теме: