CC BY
45
© А.В Быков, А.А. Макаров,
2003
УДК 622.222.6
А.В Быков, А.А. Макаров
^ОРУЖЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
Н
а Таганрогском металлургическом заводе (Россия) по проекту реконструкции действующего трубопрокатного цеха предусмотрено строительство термического отделения с проходкой тоннеля под цехом на глубине 6,0-8,0 м и сооружение вертикального ствола диаметром 21 м для первичного отстойника гидросмыва окалины (рис. 1) в непосредственной близости от основания фундаментов здания цеха, с одной стороны, и здания бытового комбината, с другой стороны. Основания фундаментов этих зданий находятся в пределах призмы возможного обрушения грунта.
По данным инженерно-геологических изысканий института «Рос-товдонтисиз» грунты площадки строительства представлены: насыпным слоем, двумя слоями желтобурых суглинков, песчанистыми глинами и мелкозернистым глинистым песком. Вскрыто два водоносных горизонта: грунтовые безнапорные воды на глубине 4,0-5,0 м и напорные в мелкозернистых глинистых песках на глубине 20,0 м с прогнозным напором 15,0-16,0 м. С учетом сезонных колебаний и техногенных аварийных ситуаций этот уровень может достигать поверхности земли.
Проект реконструкции действующего ТПЦ-1 разработан институтом «Укргипромез». Подземная часть отстойника включает вертикальный ствол внутренним диаметром 21,0 м и глубиной 17,0 м, стены железобетонные толщиной 500 мм.
Учитывая сложные гидрогеологические условия и непосредственную близость действующих производственных сооружений, находящихся в пределах призмы возможного сполза-
Рис. 1. Отстойник окалины ТПЦ-1
ния грунтов, традиционным решением такой строительной задачи было бы предварительное замораживание неустойчивых оплывающих пород, которое потребовало бы больших капитальных вложений и длительных сроков строительства.
Группа специалистов ОАО «До-нецкшахтострой» в тесном содружестве с конструкторами и технологами института «Укрги-промез» разработала, в отличие от первоначального варианта, разработанного «Укргипроме-зом», новую технологию проходки вертикального ствола в зоне напластований неустойчивых напорных водоносных и плывунных пород. Суть новых решений - применение способа погружения крепи ствола в тиксо-тропной рубашке под защитой глубинного строительного водопониже-ния.
Строительное водопонижение было включено в работу после достижения проходки ствола на глубину 9,0 м, а при достижении глубины 12,0 м динамический уровень напорных вод установился на отметке минус 18,0 м,
что соответствовало проектному положению. Расчетное время достижения этого уровня - 30 суток после включения в работу насосов. Система глубинного водопонижения должна работать до окончания всех работ по проходке ствола и сооружению других внутренних конструкций по условиям расчета устойчивости отстойника окалины на всплытие.
Проходку ствола вели круглосуточно в три восьмичасовые смены, при непрерывной рабочей неделе. После погружения крепи на 1,5 м в полость за-крепного пространства между опускной крепью и стенкой форшахты нагнетается тиксотропный раствор, верхний уровень которого поддерживается постоянно на отметке низа форшахты. Основное назначение его - снижение сил трения между боковыми породами и опускной крепью. Это свойство тиксотропного (глинистого) раствора, служащего как бы «смазкой» трущихся поверхностей, позволяет опускать крепь ствола на необходимую глубину.
Согласно расчету погружение крепи ствола возможно при его при-грузе на кольцо режущего ножа 850 т, что соответствует восьми метрам возведения крепи ствола. Другая важная особенность тиксотропного раствора, имеющего удельный вес больше единицы, - способность предохранять от обрушения окружающие неустойчивые породы. И, наконец, немаловажное значение имеет и еще одно его свойство: он может превращаться в гель, который, обволакивая крепь снаружи, обеспечивает после окончания проходки практи-
чески полную ее гидроизоляцию.
Для обеспечения указанных качеств тиксотропного раствора, рассматриваемых гидрогеологических условий, лабораторным путем был осуществлен подбор компонентов раствора.
Вертикальность погружения крепи ствола обеспечивалась направляющими, состоящими из шестнадцати толстостенных труб диаметром 219 мм заполненными бетоном и жестко закрепленными к стенке опорного воротника фор-шахты. Зазор между направляющими и наружной стенкой крепи составлял не более 20 мм. Для предотвращения погружения крепи ствола ниже проектной отметки и регулирования вертикальности погружения была предусмотрена ее подвеска на 60 канатах диаметром 25 мм. Один конец каната крепился к анкерам, установленным на опорном воротнике форшахты, а другой - к оболочке крепи ствола при помощи плашечных жимков. Длины канатов (расчетные) равнялись 7,6 м, оставшаяся часть каждого каната свободно располагалась в виде петли на форшахте. В процессе погружения крепи ствола, с целью передачи нагрузок на необходимые точки режущего ножа, канаты укорачивались или удлинялись. Это оригинальное решение защищено авторским свидетельством «Укрпатент».
Таким образом, практика сооружения отстойника окалины трубопрокатного цеха на Таганрогском металлургическом заводе в зоне сложных гидрогеологических условий, при наличии напорных вод и расположении в непосредст-веной близости зданий и производственных сооружений, в пределах призмы возможного сползания грунтов позволяет сделать выводы:
- в сложных гидрогеологических и стесненных производственных условиях примененная технология успешно решает вопросы строительства подобных сооружений с применением погружения сооружения в тиксотропной рубашке и в сочетании с глубинным водопонижени-ем;
- технология позволяет применять серийное горно-строительное и подъемно-транспортное оборудование, недефицитные материалы;
- канатная подвеска дает возможность передавать нагрузки по всему периметру сооружения;
- обеспечивается комплексная механизация разработки и выдачи породы на поверхность.
Достигнутый экономический эффект от реализации предложенных инженерных решений составил 23%.
За работу «Создание и внедрение технологии опускной крепи в тиксо-тропной рубашке при прохождении вертикального ствола большого диаметра в плывунных породах в условиях действующего производства металлургического завода» Быкову А.В., Макарову А.А., Мустафину З.Ш. присуждена премия Академии строительства Украины им. академика Н.С. Будникова.
Новая технология создала возможности строительства подземных сооружений в неустойчивых породах в условиях действующего производства в короткие сроки.
Есть все основания полагать, что предложенный и реализованный способ найдет широкое применение при сооружении аналогичных объектов в различных отраслях народного хозяйства.
А. Ликвидация объектов закрываемых угольных шахт
Донецкие угли - основное национальное энергетическое богатство. Стратегическое направление реструктуризации отрасли - сделать шахту многофункциональным экологически уравновешенным производством. Вместе с тем реструктуризация неизбежно сопровождается закрытием предприятий.
Физическое закрытие предусматривает демонтаж оборудования, засыпку стволов, обеспечение водоотлива, выполнение мероприятий, связанных с ликвидацией непригодных строений и горных выработок.
Наиболее трудоемкими по разборке являются здания погрузочных угольных бункеров, надшахтные здания, здания вентиляторов главного проветривания, подъемных машин и котельных с объемными монолитными железобетонными фундаментами. Последние в соответствии с общими требованиями проектов должны быть разрушены до отметки минус 0,2... 0,3 м от уровня земной поверхности.
По сложившейся практике при ликвидации поверхностного комплекса закрываемых шахт основным способом разрушения является механический с помощью клин-бабы (драглайном) и отбойными молотками, что весьма трудоемко, связано с применением ручного труда и не совсем безопасно, особенно при разрушении многоэтажных зданий. Наиболее эффек-
тивным является взрывной способ. В то же время традиционный шпуровой метод взрывных работ в ряде случаев применять опасно из-за аварийного состояния разрушаемого объекта, наличия тонких стен, отрицательного воздействия на окружающую среду.
Альтернативой здесь может служить способ разрушения с помощью накладных зарядов. Однако эффективность накладных зарядов в чистом виде невысока (удельный расход ВВ превышает этот показатель при шпуровом способе в десятки раз). Лучше обстоит дело при применении наружной забойки вокруг накладного заряда ВВ. При этом удельный расход ВВ снижается в два-три раза.
Эффективность накладного заряда повышается еще значительнее, если в качестве наружной забойки применить воду. Увеличение импульса взрыва в воде достигается за счет скорости движения и массы воды, вовлеченной в это движение ударной волной. При гидровзрывании импульс взрыва заряда ВВ в окружении воды возрастает, как показывает эксперимент, настолько, что превышает максимально возможный, определяемый удельной теплотой взрыва.
На основании этих научных предпосылок разработана новая технология разрушения поверхностных объектов накладными зарядами ВВ, которая заключается в следующем. Заряд ВВ, состоящий из одного или нескольких примыкающих друг к другу своими боковыми поверхностями патронов ВВ, снабженных одним общим инициатором, размещается в полиэтиленовом сосуде с водой, который прикладывается к разрушаемому объекту таким образом, чтобы заряд непосредственно прилегал к его поверхности (рис. 2).
Венткаиап /
Промышленные испытания проведены на шахтах № 2 ш/у им. газеты «Правда» и им. Батова. Указанная технология защищена авторским свидетельством «Укрпатент».
Эффективный подбой обеспечивается при удельном расходе 3,0-3,3 кг/м3 поперечного сечения стены в направлении ее подбоя при величине заряда в одном полиэтиленовом сосуде равном 0,6-1,5 кг.
В процессе проведения испытаний установлено, что при данном способе практически отсутствует разброс кусков разрушаемых конструкций: отдельные осколки разбрасывало на расстояние не более 25 м, стекла в зданиях, отстоящих на расстоянии 25 м, не были повреждены.
Наиболее эффективной и экологически чистой технологией при разрушении фундаментов колонн является технология, основанная на разрушении камуфлетными шпуровыми зарядами. Сущность указанного способа состоит в том, что каждый шпуровой заряд ВВ взрывается без выброса забойки из шпура, а общий расход одновременно взрываемого комплекса шпуровых зарядов рассчитывается из условия рыхления обуренного массива. Критериальные условия камуф-летного взрывания шпуровых и скважинных зарядов ВВ определены Н.Р. Шевцовым.
Разрушение камуфлетными зарядами исключает не только разброс взорванной массы, но и образование ядовитых окислов азота, а также формирование ударной и акустической волн.
Промышленные испытания ка-муфлетного способа взрывания проведены в ликвидируемом здании
подъемной машины ствола № 5 шахты им. А.Б. Батова для отделения основания железобетонных колонн от фундамента, выброса колонн из воронки взрыва и их валки (рис. 3). В каждом шпуре размещался один патрон ВВ. В качестве забойки шпуров применяли грубодисперсный хлорид натрия. Забоечный материал в шпур подавался самотеком, длина шпуров не менее 1,2 м.
Проведенные испытания показали, что способ достаточно надежен, исключает разброс взорванной массы и поэтому не требует применения дорогостоящих и трудоемких укрытий-локали-заторов, снижает интенсивность ударной и звуковой воздушных волн, не приводит к образования ядовитых окислов азота, что определяет перспективность его применения при взрывных работах по ликвидации зданий и сооружений. Способ достаточно технологичен, не требует применения дорогостоящих дефицитных материалов и может быть реализован при всех способах взрывания.
В тех случаях, когда взрывные методы нельзя применять, например, в частично действующих объектах или объектах вблизи жилых массивов, производственных зданий или по ряду других причин, возможно применение невзрывных способов разрешения. Наиболее простым и доступным оказался способ разрушения невзрывчатыми расширяющимися составами (НРС). Он характеризуется невысокой скоростью разрушения объекта, и в результате этого, практически полной безопасностью для людей и оборудования. Способ отличается полной безопасностью для окружающей среды, т.к. процесс разрушения не сопровождается сейсмическими колебаниями, выбросами газообразных продуктов, не требует при-
Рис. 3. Схема подбоя железобетонных колонн взрывом камуфлетных зарядов
Рис. 2. Принципиальная схема подбоя стен и колонн накладными зарядами в водонаполненной полиэтиленовой оболочке: а) схематическое изображение (в разрезе) накладного наряда в водонаполненной оболочке; б) схема размещения накладного заряда на колонне
менения никаких видов энергии.
В Украине в настоящее время выпускается невзрывчатый расширую-щийся состав НРВ-80 (ТУ УБВ 2.7.00030937), разработанный под руководством д.т.н. И.Г .Коскова. Он представляет собой порошок чаще всего белого или серого цвета, пылящий, негорючий, взрывобезопасный, обладающий щелочными свойствами (РН = 12,5). При смешивании его с водой образуется смесь (суспензия), которая постепенно (в результате реакции гидрации) твердеет и увеличивается при этом в объеме. Количество воды в суспензии не должно превышать 30-35%.
Увеличение объема состава в шпуре, обусловленное ростом кристаллов, сопровождается развитием давления от 50 до 150 МПа на его стенки. При этом в теле разрушаемого объекта развиваются напряжения, значения которых может превысить его предельную прочность на растяжение, что приведет к разрушению объекта. Эффект разрушения выражается в образовании в теле объекта трещин с их развитием во времени. Обычно образование трещин происходит в течение 12-20 ч в зависимости от температуры объекта и его характеристик. Чем выше предел прочности, тем больше время образования трещин. Таким образом, разрушение монолитного массива под действием НРС происходит по одной схеме: в массиве образуется зона с повышенной концентрацией энергии, которая создает в массиве растягивающие напряжения, под действием которых растут трещины и разрушается массив.
Рис. 4. Технологическая схема засыпки вертикального ствола
Для установления условий и параметров разрушения строительных конструкций серийно выпускаемым НРС проведены лабораторные и промышленные эксперименты.
Разрушение бетонных блоков производилось в различных условиях. Наиболее сложными были эксперименты на Таганрогском металлруги-ческом заводе (Россия). В качестве объекта для разрушения использована часть бетонного фундамента высотой 2,0 м в трубопрокатном цехе. Основной целью испытаний было определение влияния забойки шпуров на эффективность разрушения.
На основании теоретических исследований, лабораторных и промышленных испытаний сделаны следующие рекомендации по применению невзрывчатых расширяющихся составов для разрушения строительных конструкций:
- расстояние между шпурами необходимо принимать равным 0,150,20 м в зависимости от крепости материала (уменьшение расстояния между шпурами ускоряет процесс разрушения объекта, но вызывает повышенный расход порошка);
- расстояние от шпуров до открытой поверхности должно быть не более расстояния между шпурами;
- для разрушения больших бетонных сооружений необходимо каждый последующий ряд шпуров, считая от открытой поверхности, заряжать не
менее чем через 90 мин. после предыдущего для обеспечения управляемого разновременного их срабатывания.
Б. Засыпка наклонных и вертикальных выработок
Сложной проблемой при закрытии шахт в ходе выполнения работ по реструктуризации угольной промышленности является засыпка наклонных и вертикальных выработок с обеспечением безопасной технологии заполнения выработанного пространства измельченной перегоревшей породой, устройством дренажных трубопроводов, ограждающих перемычек и преград в околоствольных дворах, перекрытий и ограждений ликвидируемых стволов.
Экологические последствия всевозможных видов аварий, связанных с разрушением крепи и образованием провалов при ликвидации стволов, могут проявляться через десятки лет и вызываться самыми различными факторами. В ходе ликвидации 8-ми стволов шахты «Ремовская», 3-х стволов шахты «Панфиловская», 4-х стволов шахтоуправления имени газеты «Правда», 3-х стволов и одного шурфа на шахте «Горняк» внесены предложения по совершенствованию технологии засыпки стволов, направленные на сокращение сроков, трудозатрат, энерго- и механоемкости работ. В ча-
стности, у ствола на поверхности (в зоне примыкания вентиляционного канала) под углом 45 град. выполняется проем, в котором монтируется труба диаметром 1 м, верхней частью соединенная с приемным породным бункером, располагаемым за пределами надшахтного здания, а нижней частью выходит в сечение ствола (рис. 4).
Такое решение, защищенное авторским свидетельством «Укрпатент», позволило в дальнейшем исключить из технологической схемы установку и длительное обслуживание скребкового конвейера и вести засыпку непосредственно автосамосвалами, не имеющими доступа к исходящему из ствола воздуху в надшахтном здании.
Технологические схемы по ликвидации вертикальных и наклонных стволов достаточно просты, конкретны и не требуют каких-либо дополнений или изменений и могут быть использованы при закрытии других шахт. Экономический эффект составляет 14,6% от расчетной стоимости работ.
Есть все основания полагать, что предложенные и испытанные технологии найдут практическое применение при ликвидации аналогичных объектов в различных отраслях народного хозяйства.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------
Быков А.В. — кандидат технических наук, руководитель Донецкого отраслевого отделения «Строительство шахт, рудников и подземных сооружений» Академии строительства Украины.
Макаров А.А. — кандидат технических наук, директор ОАО «Донецкшахтострой», доктор строительства Академии строительства Украины.
