- - - Требования, принципы разработки и выбора решений по креплению стволов в неоднородных породах

Проведенные шахтные исследования убедительно подтверждают, что условия поддержания вертикальных стволов в неоднородных породах существенно отличаются от типичных сложностью и многообразием, усилением влияния структуры и прочности чередующихся пород на величину и асимметрию нагрузок на крепь, особенностями формирования в массиве дезинтеграционных трибогеомеханических зон, что в совокупности определяет специфику управления горным давлением в стволах. Две главные предпосылки - технологическая и геомеханическая - предопределяют исходную базу и ориентацию требований на создание способов крепления стволов. Сущность первой: повышение уровня эффективности и технологичности крепления шахтных стволов в неоднородных породах предполагает преимущественное применение комбинированных способов с максимальным управляемым использованием свойств массива и обеспечением субоптимальных условий его работы с основной крепью и регулятивными элементами. Сущность второй: комплексное совершенствование технологии проектирования, строительства и эксплуатации стволов может быть достигнуто за счет полной и достоверной оценки условий сооружения стволов на базе предложенного нами литолого-геомеханического тренда и учета установленных закономерностей взаимодействия системы «крепь-породный массив», выявленных на базе шахтных и аналитических исследований.

Формулируемые требования предполагают использование для оценки устойчивости стволов базового подхода, регламентируемого СНиП, но ориентируют на разнообразное применение рекомендаций на всех стадиях проектирования, строительства и эксплуатации стволов. Особенность поддержания стволов в неоднородном массиве пород связана с особенностью передачи нагрузок от перемещающихся пород слоистой пачки, которая определяется их разноскоростным, разноглубинным деформированием, подработкой разрушающихся слабых слоев, вышележащих пород, отрывом, изгибом, проседанием. Наихудшая ситуация, когда в пересекаемой стволом толще превалируют слои пород с невысокой R1, а действующие напряжения ее значительно превышают. Таким образом, для обоснования рациональных конструкторско-технологических решений по креплению стволов необходимо решать следующие задачи: определить тип условий поддержания ствола по литолого-геомеханическому тренду, выбрать основной тип крепления (с учетом рекомендаций СНиП Н-94-80) и комплекс регулятивных способов для ствола в целом и его отдельных участков, определить параметры выбранных управляющих средств для типичных условий и особо сложных отличающихся от них; назначить, с учетом технических средств способ управления горным давлением, заданную последовательность осуществления управляющих воздействий в системе «крепь ствола-регулятивный элемент-породный массив» для обеспечения устойчивости ствола. Понятно, что для достижения указанного результата крепь или охранная конструкция ствола должны иметь необходимую несущую способность, при определенной жесткости, требуемую податливость, высокую адаптивную способность к асимметричным нагрузкам и, конечно, необходимую надежность при экономически целесообразных затратах.

Обобщая известный опыт и данные исследований, физико-механические предпосылки осуществления разнообразных способов крепления и поддержания стволов можно свести к трем основным схемам, исходя из того, что в практике сооружения стволов в качестве основного крепления применяются монолитные бетонные и железобетонные, тюбинговые крепи:

- снижение неравномерных, асимметричных нагрузок на ствол,

- создание охранных ограниченноподатливых конструкций,

- формирование многослойных защитных оболочек ствола высокой грузонесущей способности.

Главным в обеспечении устойчивости ствола на большой глубине и в неоднородных породах должно быть сохранение несущей способности приконтурных пород, что достигается как технологически, так и инженерными путями. Исследованиями В.В. Виноградова показано, что сохранение остаточной прочности массива - это базовая геомеханическая предпосылка обеспечения изменения режима квазихрупкого на псевдопластическое деформирование пород вблизи выработок. Учитывая концепцию управления состоянием приконтурных пород малоэнергетическими воздействиями, является фундаментальным в разработке научно-технических основ управления горным давлением в шахтных стволах. Учитывая усиление роли и влияния структурной и прочностной неоднородности массива пород вблизи ствола, остановимся на научно-технических принципах выбора основного вида крепления ствола и регулятивных элементов по управлению в них горным давлением.

Из блок-схемы геотехнической системы «шахтный вертикальный ствол» следует, что основными компонентами ее структуры являются породный массив, крепь, регулятивный элемент, определяющий взаимодействие крепи с массивом. Учитывая главную задачу минимизации воздействия горного давления на ствол, укажем на компоненты регулятивного взаимодействия и управления рассматриваемой системой. В этом плане выделим виды, уровни и последовательность осуществления управляющих воздействий на систему «крепь ствола 2 неоднородный породный массив».

Определяя управляющие воздействия на породный массив вблизи ствола необходимо указать, что снижение и предотвращение его деформаций может быть осуществлено за счет мобилизации остаточной несущей способности пород, повышения их реологической сопротивляемости, создания условий демпфирования и поглощения смещающихся в полость ствола пород, реализации упреждающих мер по сохранению естественного состояния массива. Вполне понятно, что одним из условий управления состоянием пород остается сохранение формы контура незакрепленного ствола с учетом времени разгрузки массива и недопущения вывалообразования в нем.

Самым важным, сложным и трудноосуществимым является управление взаимодействием крепи с массивом. Главным здесь является управление деформационно-силовыми характеристиками системы с использованием регулятивных элементов. Не менее важным является уменьшение нагрузки и выравнивание ее асимметрии. Решение этих задач должно быть достигнуто за счет дифференцированного выбора вида крепи, совместного или последовательного применения управляющих воздействий как на массив, так и на крепь. В технологическом плане это реализуется в создание пространственных равнопрочных охранных конструкций ствола, исключающих точечное приложение нагрузок на крепь. Достигается это формированием армопородобетонных конструкций, путем приконтурного и глубинного анкерования и тампонажа, применения различных податливых и поглощающих смещения пород систем.

Последовательность и уровни воздействия на систему «крепь ствола-массив» определяются особенностями геомеханических процессов, протекающих вблизи ствола в породах, и технологическими особенностями крепления и поддержания ствола. Стадии развития деформационных процессов вблизи ствола можно определить тремя категориями устойчивости массива: развитие, стабилизация, стагнация (замедление). Отметим, что повторяемость этих процессов является причиной последовательного изменения фазового состояния пород, что следует учитывать при решении технологических вопросов.

Уровни воздействия можно подразделить по такой иерархии: первоначальные упреждающие (химтампонаж в щелях, глубинное анкерование, предварительный тампонаж), воздействие установкой основного крепления, формирование грузонесущих и ограждающих (защитных) конструкций, последующее упрочнение крепи как во взаимодействии с массивом (анкерование крепь-массив), так и собственно крепи (набрызгбетон, поверхностное химическое упрочнение материала крепи).

Из изложенного неизбежно вытекают технические принципы осуществления воздействий. Надо полагать, что главным и, видимо, наиболее эффективным должен быть принцип предварительного исполнения, согласно которому заранее выполненное мероприятие в последующем облегчит решение главной задачи. Это особенно важно с той точки зрения, что в геомеханике охраны шахтного ствола имеют место противоположные процессы в деформировании пород и крепи (сжатие - растяжение, разрыхление - консолидация и др.), поэтому важно упреждающими мерами предупредить или исключить вредное их влияние. Стадийность деформационных процессов вблизи ствола и временное развитие деформаций в породах предопределяют принцип сочетания активных (анкерные крепи) и пассивных (податливые шлакоблоки, тампонажные растворы) регулятивных элементов. Очевидно, что повышение степени адаптации охранной конструкции ствола обеспечивается путем применения активных принудительных взаимодействий крепи с породным массивом. Принципы сочетания вытекают также из результатов, свидетельствующих о совместной работе крепи ствола и примыкающей к нему горизонтальной выработки. Задача обеспечения автономного деформирования крепей этих выработок обуславливает необходимость сочетания жестких и гибких элементов их крепления. Этот тезис справедлив и применительно к жестким высокопрочным крепям: в условиях необходимости обеспечения высоких отпоров (слабые породы) следует первоначально применить анкерные системы, а жесткую крепь следует возводить с отставанием от забоя ствола. Здесь реализуется принцип 2-х этапности управления горным давлением в стволах и обеспечения регулируемого крепления горных выработок.

Отметим, что принцип предварительного исполнения и сочетания активных и пассивных регулятивных элементов обеспечивает реализацию режима управления структурно-деформационным процессом в породах (формированием и перемещением породных структур, образованием зон повышенной пластической деструкции). Именно это создает предпосылки для вовлечения в работу породного массива и переноса части нагрузок горного давления с крепи ствола на массив путем включения его в охранную конструкцию ствола.

Этот принцип многовариантен, но главными вариантами являются внутримассивное и приконтурное изменения свойств пород путем формирования цилиндрических, объемно-ориентированных, ленточно-пунктирных оболочек. Таким образом, согласованность параметров крепи с характеристиками поведения приконтурных к стволу пород выступает прежде всего, в виде взаимообусловленных требований, определяющих оценку свойств массива, первоначальных и изменяющихся во времени, направление выбора управляющих воздействий его состоянием.

В ключе сказанного, базовой основой в решении указанных задач является литолого-геомеханический тренд условий проходки и крепления стволов угольных шахт. Используя табличное представление литолого-геомеханического тренда с количественной оценкой показателей категории устойчивости пород вблизи ствола, построена круговая диаграмма, учитывающая характеристики свойств и состояния пород толщи вскрываемых стволами угольных шахт и определяющая направления дифференцированного выбора типа крепей и создания охранных конструкций стволов.

Требования, принципы разработки и выбора решений по креплению стволов в неоднородных породах

Круговая диаграмма категорий устойчивости породного массива и выбора на её основе конструктивно-технологических решений креплений шахтных стволов

 

Главное, что следует из этой диаграммы, это возможность объективно учесть и оценить литотипы пород, их устойчивость в обнажениях (вывалообразование, закон нагружения крепи, реологические показатели, допустимый отход забоя ствола от постоянного крепления) и выбрать основной вид крепления и виды регулятивных воздействий на массив и крепь.

В соответствии с категориями литолого-геомеханического тренда условия проходки и крепления стволов разделены на пять категорий. Из них выделены условия, для которых унифицированы и не унифицированы схемы сооружения стволов, эффективно или неэффективно применение регулятивных элементов. Укажем, что построение такой круговой диаграммы весьма удобно, потому что позволяет осуществить анализ ситуации при строительстве ствола в полном объеме информации и представлении о технологических решениях.

Таким образом, принцип нашего подхода в геомеханическом обосновании комбинированных способов крепления шахтных стволов в Донбассе в неоднородных породах подведен под пять общих схем (рангов). Заметим, что изменение величины потенциального показателя устойчивости пород коррелирует с другими показателями, поэтому при оценке условий переход из одной категории устойчивости в другую сопровождается изменением других показателей состояния системы «крепь-породный массив», что свидетельствует о надежности предложенного подхода.

Следовательно, из круговой диаграммы, можно ставить условия ведения горных работ, направленность и масштабность предварительных и последующих мероприятий в комбинированном способе поддержания шахтного ствола.

В соответствии с развиваемым подходом к разработке комбинированных способов крепления стволов в неоднородных породах выделенено три основных направления в создании конструктивно-технологических решений:

- комбинация основного крепления и регулятивных элементов по использованию несущей способности приконтурных к стволу пород;

- комбинированные способы крепления стволов в обводненных породах;

- технология сооружения устья стволов в структурно неустойчивых породах.




Теги: ствол, порода, крепь, массив. Просмотров: 1233
Другие новости по теме: