Шахтные вертикальные стволы являются уникальными инженерными сооружениями. Поиск и разработка эффективных решений по интенсификации строительства вертикальных стволов является актуальной научно-технической проблемой развития угольной промышленности Украины.

Наибольшее снижение устойчивости вмещающих пород и ухудшение условий строительства и эксплуатации стволов Донбасса, наблюдается в Красноармейском угленосном районе.

В геологическом строении принимают участие отложения свит С14 и С15 нижнего карбона. Залегание пород моноклинальное с простиранием 5-315° и восточно-северо-восточным падением под углами 3-6°. Отложения карбона представлены часто переслаивающимися слоями известняков, песчаников, алевролитов и аргиллитов с преобладанием алевролитов (49,9%). Условия проходки стволов усложняются не только низкопрочностными параметрами перечисленных пород, но и большими водопритоками, резко снижающими темпы проходки по геомеханическим и организационным причинам. Это явилось одной из причин того, что за последние 25 лет в Красноармейском районе было пройдено всего около 3800м стволов. А темпы их прохождения были значительно ниже темпов проходки в Шахтерском и центральном районах Донбасса. На шахтах Донецка, Шахтерска, Тореза протяженность участков стволов, пройденных с месячными темпами до 100 м, достигала 40%, в Красноармейском районе скоростные проходки (1,5 нормативной скорости) практически отсутствовали. Стволы Красноармейского региона сооружаются в худших условиях и это объясняется, прежде всего, ухудшением прочностных характеристик вмещающих пород, т.к. водопритоки в стволы Красноармейского региона в 3-6 раз выше и прочность обнажаемых пород при водонасыщении резко падает. Таким образом, рассматриваемые далее технические решения и рекомендации по улучшению ТЭП проходки могут быть использованы и для стволов других районов Донбасса, при этом создавая больший запас надежности их эксплуатации.

 

Геотехнические характеристики проходки некоторых стволов

 

Наименование шахты, ствола

Геологическая характеристика проходки

Скорость проходки, м/мес

аргиллиты, алевролиты, %

песчанники, %

прочие, %

Водоприток, м3

шахта «Шахтерская-Глубокая», скиповый ствол

59,7

32,6

7,7

6,6

39,5

шахта «Шахтерская-Глубокая», клетевой ствол

59,5

36,7

3,8

6,6

39,0

шахта «Красноармейская-Западная №1», воздухоподающий ствол

59,5

28,6

11,9

35,6

23,7

шахта «Красноармейская-Западная №1», вентиляционный ствол

60,3

28,1

11,6

16,7

22,8

шахта «Красноармейская-Западная №1», скиповый ствол

64,2

28,1

9,7

24,3

22,2

шахта «Красноармейская-Западная №1», клетьевой ствол

62,1

27,2

10,7

12,0

24,6

шахта им.А.Ф. Засядько, вентиляционный ствол

65,3

31,3

3,4

1,6

56,1

шахта «Октябрьский рудник», западный воздухоподающй ствол

54,3

42,5

3,2

10,0

53,4

шахта «Октябрьский рудник», клетьевой ствол

56,7

38,2

5,1

10,5

36,2

шахта им.А.Ф. Засядько, воздухоподающий ствол

66,8

30,6

2,6

3,5

94,5

 

Не стал исключением по сложности условий строительства и ВПС №2 шахты «Красноармейская-Западная №1», проходимый в зоне висячего крыла крупного Котлинского надвига, где тектоническое строение весьма осложнено волнистостью и мелкоамплитудной нарушенностью.

Ствол проходится на глубину 860м, диаметром в свету 8,0м методом БВР, на большем протяжении закреплен монолитным бетоном толщиной 500мм. Проектные решения о неизменности конструкции крепи на всех отметках были не корректны, т.к. изменение водопритоков от 6,8 до 20,3м3/ч и резко отличающиеся по трещиноватости и реологической прочности слои вмещающих пород обуславливают, по нашему мнению, дифференцированный подход к конструкции и технологии крепления на различных участках ствола. Так, в интервале глубин 690-730м, где залегает алевролит с линзовидно-прерывистой слоистостью из-за переслаивания песчаником, имеющим несколько систем кливажа (водопритоки в забой ствола - 6,8м3/ч, общий водоприток на забой - 20,3 м3/ч), при проходке ствола на глубине 696-698м с северной и северо-восточной стороны в бетонной крепи в течение суток образовался закол, а в последующие два дня наблюдалось интенсивное образование заколов и трещин раскрытием до 40-60 мм.

 

Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

Развертка крепи ВВП ствола №2 в месте нарушения

 

Непосредственно в обнаженной части забоя (702-706 м) с северной стороны наблюдалась вертикально ориентированная зона перемятых пород, представленных аргиллитом, шириной 0,4-1,0м. Так же в обнаженной части забоя прослеживались две вертикальные трещины раскрытием до 40мм, расположенные со стороны восстания и падения. Именно между трещинами сформировался активный процесс выдавливания внутрь ствола зоны перемятых пород. Горное давление проявилось настолько сильно, что это привело к защемлению опалубки в отметках 698-702м, а обнаженная часть забоя на глазах меняла геометрию. Для предотвращения дальнейшего процесса выдавливания пород в забой было принято решение засыпать щебнем часть ствола ниже отметки 702м на высоту обнажения забоя.

После демонтажа опалубки в бетонной крепи также были обнаружены заколы и трещины с северной стороны. В дальнейшем, в течение трех дней происходило образование горизонтальных трещин в бетоне - в интервале глубин 694-702м. В данной ситуации необходимо было отсечь устойчивую зону пород от зоны геологических нарушений, а последнюю укрепить путем консолидации трещиноватого массива.

Для этого в крепи ствола на отметках 690, 728м были выполнены 2 горизонтальных деформационных шва, произведено анкерование стенок ствола анкерами длиной 2,8м в шахматном порядке с плотностью 1 анкер на 1 м2 в интервале глубин 690-702 м. Процесс деформирования стабилизировался, и развития нарушений крепи ствола и боковых пород в дальнейшем не наблюдалось.

Установлено, что давление пород на крепь ствола зависит от их свойств, технологии взрывных работ и крепления. При пучащих породах процесс выдавливания важно остановить в самом начале, для чего величина обнажения забоя должна быть минимальной. Поэтому для увеличения несущей способности крепи в интервале неустойчивых, склонных к выдавливанию пород, было принято решение поменять не только конструкцию крепи, но и технологию проходки ствола.

Исходя из этих предпосылок, для дальнейшего строительства, в интервале глубин 702-710 м: в местах выхода перемятых пород была сделана дополнительная выборка стен забоя на 0,3-0,5м в виде разгрузочных щелей и смонтирована временная ограждающая крепь из сетки «рабица». Ствол был закреплен железобетонной крепью толщиной 700мм бетон класса В22,5 с использованием армокаркаса из двойной арматурной сетки и предварительной установки колец из СВП-33 с шагом 0,5м на анкерах длиной 2,8м с ампулами МПА. Бетонировка производилась короткими заходками по 1м, для чего 4-метровая опалубка была заменена на самоотрывную однометровую. Это повлекло за собой изменение паспорта БВР, длина шпура не превышала 1,5м. При бетонировании метровых заходок особое внимание было уделено отводу воды от вышеукладываемого бетона, вибрированию бетонной смеси пневмовибраторами и применению повышенного процентного содержания CaCl2 для того, чтобы бетон набирал несущую способность до начала сдвижения горных пород.

Перечисленные технические решения принципиально верны для следующих условий:

- несколько систем трещиноватости,

- вмещающие горные породы, склонные к выдавливанию,

- наличие перемятых участков,

- повышенные водопритоки и т.п.

Конкретные параметры конструкции и технологии должны быть приняты на основании нижеприведенных расчетов, которые могут являться базой для методики обоснования технологии и конструкции крепи вертикальных шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях.

Оценка напряженно-деформированного состояния околоствольного массива в зоне влияния геологического нарушения.

На основании заключения о геологических и гидрогеологических условиях и нормативнометодических документов, а также архивных и фондовых материалов исследований УкрНИМИ и фактических данных был произведен расчет крепи ствола для каждого породного слоя мощностью более четверти радиуса ствола в свету на суммарное воздействие горизонтальных нагрузок со стороны пород Рn и давления остаточного напора подземных вод Рг с учетом технологической, монтажной и дополнительных эксплуатационных нагрузок.

 

Расчет толщины крепи ствола δк, мм, производился по формуле:

 

Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

Расчет толщины крепи ствола

 

 

 

где mG1, mG2, mG3 - соответственно коэффициенты, учитывающие длительную нагрузку, принимаемые в соответствии с главой СНиП [463];     Rnp -     расчетное         сопротивление крепи   сжатию,

кПа; kp - коэффициент концентрации напряжений в конструкции крепи; Р - горизонтальное давление, кПа, определяемое как суммарное от давления пород Рn и подземных вод Рг (15% влияния); δnб - толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникания бетона в окружающие нарушенные породы.


Результаты расчетовдля воздухоподающего ствола №2

 

Глубина, м

Тип породы

Прогнозируемая прочность пород, R

Мощность слоя, м

Горизонтальная нагрузка, кПа

Радиальная нагрузка, кПа

Расчетная толщина крепи, м

694,0

Песчанистый сланец

35

4,0

321,4

585

0,521

702,0

Песчанистый сланец

35

4,0

262,5

478

0,413

710,0

Песчанистый сланец

35

4,0

265,6

483

0,419

718,0

Песчанистый сланец

35

4,0

268,7

489

0,425

726,0

Песчанистый сланец

35

4,0

271,9

495

0,430

733,3

Глинистый сланец

25

3,3

372,3

678

0,620

736,6

Глинистый сланец

25

3,3

344,5

627

0,565

739,9

Глинистый сланец

25

3,3

441,8

804

0,763

740,0

Известняк

120

0,1

31,8

58

0,045

 

Проектная толщина крепи (500 мм) в 5-ти случаях не соответствует расчетным, это связано с тем, что учет гидравлической нагрузки обосновывает увеличение толщины крепи на 7-10%, а взятая в расчет прочность пород предусматривает высокие темпы проходки, хотя на практике при простоях и длительно не закрепленном обнажении забоя, прочность водонасыщенных пород будет резко уменьшаться. Это еще раз подчеркивает взаимосвязь технологии и конструкции крепи.

Из таблицы также видно, что влияние зоны перемятых пород не локализуется в месте ее расположения, а распространяется на 30-40 м. Данный факт свидетельствует о том, что в этом случае ситуацию необходимо предусматривать на проектной стадии сооружения стволов, так как при ожидаемом пересечении зоны перемятых пород, будет спровоцировано создание существенной неравномерности поля напряжений в околоствольном массиве.

Для изучения подобных ситуаций, характеризующихся особенностями перечисленных нарушений в крепи ствола и околоствольном массиве, а именно:

- наличием почти вертикальной узкой (до 1,0 м) зоны перемятых пород;

- появлением в обнаженной части забоя ствола вертикально расположенных трещин с видимым раскрытием;

- развитием в крепи ствола ряда сквозных горизонтальных трещин, что, вероятно, свидетельствует о кручении массива, обусловленным изменением положения и толщины зоны перемятых пород по вертикали [409].

Были построены 2 аналитические модели.

Модель 1. Изгиб кривого бруса прямоугольного сечения.

 

Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов
 

Расчетная схема модели

 

Суть модели сводится к тому, что породный массив вокруг ствола с трещиной длиной l=r1-r2 представлен как кривой круговой брус изгибаемый силой Р, приложенной к незакрепленному концу и моментами М в плоскости своей кривизны. Через г1 и г2 обозначены внутренний и внешний радиусы соответственно. При этом изгибающие силы и моменты обусловлены величиной напряжений действующих в массиве вне зоны нарушенных пород.

 

Не останавливаясь на деталях решения поставленной задачи, приведем окончательные формулы для расчета напряжений:


Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

 

р1 - дополнительные напряжения в массиве, возникающие при проходке ствола. Величина Р является функцией двух параметров: p1 и степени деформируемости зоны перемятых пород.

 

Исходя из указанных соображений, можно определить коэффициент дополнительных концентраций напряжений в околоствольном массиве следующим образом:

 

 

alt

где г - текущий радиус; kb - коэффициент восстановления, изменяющийся от 0 (при выдавливании перемятых пород внутрь ствола) до l (соответствует условиям ненарушенного массива).

В силу того, что величина k<!--[if gte msEquation 12]> σ<!--[if !msEquation]--> <!--[endif]-->, зависящая от η (отношение радиуса опасной зоны к радиусу ствола, радиус расчетной точки, угол поворота расчетной точки, степень заполнения нарушения) имеет известную степень неопределенности, был проведен комплекс расчетов, отправной точкой которых было наличие растягивающих окружных напряжений приблизительно перпендикулярно линии геологического нарушения (о чем свидетельствует появление в обнаженной части забоя ствола двух почти диаметрально расположенных трещин).


Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

Коэффициент концентрации дополнительных напряжений при условии значительного выпуска пород


Графики изменения коэффициента дополнительных концентраций напряжений при различных размерах зоны перемятых пород и коэффициентах восстановления в случае отсутствия и в случае выпуска пород для следующих условий: (kơ = 0,3; r2 / r1 = 1,9), (kb = 0,5; r2 / r1 = 2,5).

Кривые 1-4 соответствуют случаю r = r2 (внешность кольца), а 5-8 - r = r1 (непосредственно на обнажении). Как показывают кривые 3-6, в случае отсутствия выпуска пород, коэффициент концентрации напряжений в ненарушенном массиве (r>r2) вдоль окружности ствола изменяется от 1,2 до 2,9. При этом картина напряженного состояния околоствольного массива приблизительно одинакова для всех вариантов расчетных условий.

В случае выпуска пород картина напряжений меняется кардинальным образом. В частности, коэффициент концентрации напряжений в околоствольном массиве со стороны зоны перемятых пород будет уже находиться в диапазоне 4,1-6,6, что в конкретных геомеханических условиях проходки неизбежно приведет к разрушению крепи ствола, поскольку радиальная нагрузка на крепь составит более 2 МПа (кривые 1, 2, 7, 8).


Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

Сравнительные графики коэффициента концентрации

 

Графики коэффициента концентрации вдоль окружности ствола в случае выпуска пород (сплошная линия) и при его отсутствии (прерывистая линия). Следует подчеркнуть, что построенная геомеханическая модель позволяет не только установить коэффициенты концентрации напряжений, но и оценить радиальные размеры геологического нарушения, которые в нашем случае составляют 5-10м, что влечет за собой выбор технологии проходки и крепления ствола. Максимум и минимум напряжений соотносится с восстанием и падением пород соответственно, что совпадает с геофизической диагностикой различных участков стволов.

Модель 2. Сжатие плоскости, ослабленной круговым отверстием с исходящим из него разрезом.


Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

Расчетная схема модели

 

Данная модель рассматривает околоствольный массив горных пород как упругую среду, ослабленную трещиной, при этом используется расчетный аппарат механики пластического и хрупкого разрушения.

Одной из важнейших особенностей при подобных расчетах является учет возникающего перераспределения напряжений за счет трещинообразования. При этом именно на конце трещины возникают наибольшие концентрации напряжений, и эта область является наиболее вероятным местом дальнейшего разрушения.

В общем случае поле деформаций и напряжений у конца трещины можно получить путем наложения трех видов деформаций: отрывного смещения, при котором поверхности трещины прямо расходятся одна от другой; поперечного и продольного сдвигов. Следует отметить, что возникающие в этом случае напряжения стремятся к бесконечности и, поэтому, для оценки напряженного состояния необходимо вычисление не коэффициента концентрации, а коэффициента интенсивности.

 

Суть метода состоит в том, что напряжения в теле с разрезом можно представить в виде:

 

alt

где

 

alt

 

 

К - коэффициент интенсивности напряжений; x, θ - координаты системы, связанной с кромкой разреза.

 

Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

График изменения коэффициентов интенсивности

 

 

Зависимости

 

 

от х на продолжении горизонтального разреза при воздействии сжимающих напряжений перпендикулярно разрезу и вдоль него.

Суммарный коэффициент интенсивности составляет ≈ 2,45, что согласуется с расчетами по модели 1, где коэффициент концентрации находится в диапазоне 2,5-2,9. На основании проведенного анализа, можно сделать вывод о том, что коэффициент перегрузки, который используется при расчете нагрузок на крепь ствола, находится в пределах 2,4-2,9 в отличие от нормативного 1,75 соответствующего стандартным условиям.

 

Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов

Область изменения радиальных нагрузок на крепь ствола

 

 

Область изменения радиальных нагрузок на крепь ствола в интервале глубин 694-740м в случае отсутствия выдавливания зоны перемятых пород внутрь ствола. Как видно из рисунка на большем протяжении (698-730м) величина нагрузок не превышает 0,82 МПа. Увеличение нагрузок наблюдается в районе контакта песчаного сланца с песчаником (694м) 0,97 МПа и в глинистом сланце (730-740м) 1,04-1,33 МПа. Настоящие расчеты проводились без учета последующего изменения напряженно-деформированного состояния массива за счет влияния очистных выработок [9], проводимых вблизи околоствольного целика, так как при полном оконтуривании околоствольного целика коэффициент концентрации, обусловленный очистными выработками, достигнет величины 1,6. В этом случае нагрузки на крепь ствола увеличатся и в глинистом сланце в интервале глубин 730-740м достигнут величин 1,84-2,15 МПа, что потребует проведения дополнительных мероприятий по усилению крепи на всем интервале глубин. Анализ различных видов крепления ствола на указанном участке подтверждает справедливость принятых решений о том, что наиболее приемлемыми являются либо железобетонная крепь, либо бетонная крепь (класса В 22,5) толщиной 700мм с анкерами.

 

Результаты расчетов крепи ствола с проектными

 

Глубина, м

Прочность, R1, МПа

Радиальная нагрузка, кПа

Проект ДГШ

По расчету

Тип крепи

Толщина крепи, мм

Без учета влияния очистных работ

С учетом влияния очистных работ

Тип крепи

Толщина крепи, м

Тип крепи

Толщина крепи, м

694,0

10,5

1162

бетон

0,500

бетон+тампонаж

0,517

бетон+тампонаж

0,517

702,0

10,5

975

бетон

0,500

бетон+тампонаж

0,423

бетон+тампонаж

0,423

710,0

10,5

1271

бетон

0,500

железобетон

0,264

железобетон

0,305

718,0

10,5

1294

бетон

0,500

бетон

0,587

железобетон

0,311

726,0

10,5

1318

бетон

0,500

бетон

0,599

железобетон

0,317

730,0

10,5

1329

бетон

0,500

бетон

0,606

железобетон

0,320

733,3

7,5

1808

бетон

0,500

бетон и анкера

0,540

железобетон

0,452

736,6

7,5

1676

бетон

0,500

бетон и анкера

0,494

железобетон

0,415

739,9

7,5

2155

бетон

0,500

бетон и анкера

0,665

железобетон

0,553

 

1. Устаревшая методика анализа геологоразведочных заключений, неприменение геофизической диагностики, использование типовых расчетов конструкций крепи не позволяют предвидеть причины и устранить последствия проявления нарушений в окружающем ствол массиве.

2. Поскольку стволы поддерживаются в деформирующихся массивах, то для снижения нагрузок и компенсации деформаций сжатия и кручения необходимо разделывать в крепи горизонтальные осадочные швы толщиной не менее 200 мм с заполнителем на границах зон устойчивых и неустойчивых пород.

3. Для предотвращения появления нарушений крепи ствола в зоне нарушений необходимо:

3.1. В массиве пород, прилегающем к зонам нарушений, необходим обязательный контроль устойчивости стен забоя и выдавливания пород.

3.2. Проходку ствола вести короткими заходками (не более 2,0 м).

3.3. Переход на стандартную длину заходки возможен только после подтверждения того, что зона геологического нарушения имеет тенденцию к уменьшению и «выклинивается».

4. В зонах возможного проявления интенсивного горного давления:

4.1. Для крепления ствола необходимо использовать жесткую железобетонную крепь, при расчете которой учитывать водопритоки и размер зоны нарушенных пород.

4.2. В зонах устойчивых пород, до 40м прилегающих к зонам нарушений, необходимо возводить усиленную крепь, конструкцию которой принимать на основе расчетов в конкретных условиях.

4.3. В качестве базового варианта крепления допускается монолитная бетонная крепь толщиной до 100 мм из бетона класса В 22,5 с установкой анкеров плотностью 0,5 анкера\мг в зоне нарушения и 1 анкер\м2 в зоне «выклинивания» нарушения на протяжении до 10м.

5. В интервале глубин геологических нарушений (по мере развития очистных работ вблизи околоствольного целика) следует ожидать увеличения расчетных радиальных нагрузок на крепь ствола на 25-30%.

6. Во избежание развития деформаций крепи в процессе эксплуатации ствола при ведении очистных работ вблизи околоствольного целика и, учитывая влияние геологических нарушений, целесообразно проводить укрепительную цементацию массива горных пород.

 

Обеспечение устойчивости глубоких вертикальных шахтных стволов
 

 

Грузонесущая конструкция крепи ствола с двойной металлической оболочкой, обеспечивающей податливость и гидрозащиту

 




Другие новости по теме: