CC BY
42
© B.B. Тарасов, A.B. Чагинов, 2014
УДК 622.281
В.В. Тарасов, A.B. Чагинов
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ КРЕПИ ИА СОПРЯЖЕНИИ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ ВЫРАБОТКАМИ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ВЕРХНЕКАМСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
На основании результатов шахтных исследований, рассмотрены особенности работы бетонной крепи в условиях напряженно-деформированного состояния соляного массива. Выделены основные причины разрушения крепи в районе сопряжений ствола с горизонтальными выработками. Предложен способ повышения несушей способности крепи ствола в районе сопряжений.
Ключевые слова: шахтный ствол, напряженно-деформированное состояние соляного массива, бетонная крепь, чугунно-бетонная крепь, податливый слой, сопряжение, пенополистирол.
Вертикальный шахтный ствол относится к наиболее ответственным объектам подземного строительства, сооружение которого характеризуется большой сложностью, трудоемкостью производства работ, а также большим объемом капитальных вложений. Остановка шахтного ствола приводит к значительным убыткам, поэтому особую важность приобретает высокая эксплуатационная надежность всех элементов конструкции ствола, основной из которых является крепь. В связи с этим при строительстве вертикальных стволов к конструкции крепи предъявляются особые требования. В первую очередь, это обусловлено повышенными требованиями к успешной работе крепи в совокупности негативных последствий, включающих в себя высокое горное и гидростатическое давление, значительные смещения пород, влияние околоствольных и очистных выработок.
На Верхнекамском месторождении проходка шахтных стволов в интервале соляных пород выполнялась обычным способом с применением буровзрывных работ, а крепление - монолитным бетоном.
Известно, что бетонная крепь шахтных стволов функционально является грузонесущей. Ее основным назначением является противостояние внешним нагрузкам соляного массива без разрушения и без изменения внутреннего кольцевого контура. Однако, как показала практика [1], применение монолитной бетонной крепи в условиях напряженно-деформированного состояния соляного массива оказалось неэффективным.
Ниже перечислены основные недостатки применения монолитной бетонной крепи в условиях сложного напряженно-деформированного состояния соляного массива на Верхнекамском месторождении.
Склонность соляных пород к длительному деформированию без разрыва (ползучесть) общеизвестна, однако при проектировании калийных рудников, при выборе геометрии, типа крепи для сооружений внутри соляного массива она далеко не всегда учитывалась проектными организациями, так как для условий «соляного» рудника были применены технические решения, заимствованные из других горных отраслей [2]. Прежде всего, это относится к выбору жесткой
Рис. 1. Нарушения в бетонной крепи в районе сопряжения ствола № 1 БКПРУ-2 с камерой дозатора
монолитной бетонной крепи и возведение крепи примыкающих к стволу сопряжений и камер дозаторов как одно целое с вертикальной кольцевой (круговой) крепью ствола. Практика показала, что всегда, когда крепь горизонтальных выработок была соединена с крепью ствола, когда какие-либо элементы крепи (например, бетонная стенка обходной выработки и бетонная крепь сопряжений) оказывались под вертикальной нагрузкой соляного массива, происходили разрушения конструкции элементов крепи, что влекло за собой деформации вертикальной крепи ствола.
Как показывает опыт, несоответствие жесткой монолитной крепи стволов условиям ее эксплуатации в соляном массиве, склонном к длительному проявлению деформации ползучести, обнаруживается достаточно быстро. Так, например в стволах Второго Бе-резниковского калийного рудника, сданных в эксплуатацию в конце 1969 г., уже в 1970 г. были выявлены заметные деформации и разрушения железобетонной крепи сводов кровли
Рис. 2. Нарушения в бетонной крепи в районе сопряжения ствола № 2 БКПРУ-2 с камерой дозатора
и стенок дозаторных камер. Разрушения имели характер продольных трещин, расположенных по оси свода до-заторных камер. Крепь ствола в местах разрушений была выполнена из бетона толщиной 400-600 мм. В течение 1971-1973 гг. количество трещин и их размеры увеличились, и уже в 1974 г. в стволе № 1 были проведены первые ремонтные работы по восстановлению бетонной крепи сопряжения ствола с рабочим горизонтом. Через пять лет были проведены ремонтные работы и в районе дозаторной камеры (рис. 1).
Разрушения бетонной крепи ствола № 2 и 3 БКПРУ-2 происходили практически по той же схеме и в той же последовательности, что и в стволе № 1 (рис. 2, 3).
Не является исключением и бетонная крепь ствола № 1 рудника СКРУ-3. Первые признаки нарушений бетонной крепи в районе дозаторов и сопряжений с рабочим горизонтом были отмечены после первых 10-15 лет эксплуатации (рис. 4). Явления деформации бетонной крепи и ярусов армировки -особенно в интервале «спаренных» до-
Рис. 3. Нарушения в бетонной крепи на сопряжении ствола № 3 БКПРУ-2 с вентиляционным горизонтом
Рис. 4. Вывал куска бетона в районе сопряжения ствола № 1 СКРУ-3 с рабочим горизонтом
заторов - активизировались к 2008 г., что послужило причиной проведения в 2009 г. комплекса ремонтно-восста-новительных работ по крепи ствола в интервале ярусов № 94-104.
Следует подчеркнуть, что подобные деформации бетонной крепи наблюдаются также на стволах других рудоуправлений Верхнекамского месторождения.
В основном выделяют две причины, которые в наибольшей мере приводят к значительным деформациям крепи в интервалах разного рода сопряжений [3]:
• во-первых, для крепления сопряжений применялась жесткая монолитная бетонная крепь, которая не способна длительное время «сдерживать» деформирование соляного массива;
• во-вторых, бетонная крепь горизонтальной выработки, была выполнена как одно целое с бетонной крепью вертикального шахтного ствола. Таким образом, на сопряжениях создается сложная пространственная конструкция из монолитного бетона, многие элементы которой не способны без разрушения воспринимать нагрузки от деформирующего соляного массива.
Проанализированный авторами опыт эксплуатации шахтных стволов в солях показал основные недостатки применения жесткой, монолитной бетонной крепи в районе разного рода сопряжений и тем самым доказал ее малую эффективность.
На основании вышесказанного становится очевидным, что при проектировании крепи сопряжений и прилегающей зоны ствола необходимо разрабатывать и принимать специальные способы защиты устойчивости сопряжений, обеспечивающие их безремонтную эксплуатацию в условиях напряженно-деформированного состояния соляного массива. Одним из возможных вариантов решения возникшей проблемы, является применение двухслойной конструкции крепи включающий внутренний жесткий слой - чугунно-бетонная крепь, и внешний податливый - пенополи-стирол [3]. Чугунно-бетонная крепь выполняет двойную функцию: в первую очередь ограждающего экрана и лишь во вторую - грузонесущую. Внешний податливый слой из пенопо-листирола служит в качестве состав-
Рис. 5. Схема узла сопряжения клетевого ствола с подходными выработками:
1 - податливый слой; 2 - монолитный бетонный слой; 3 - тюбинговая колонна; 4 - анкер, 5 - деформационный шов; 6 и 7 - подходные выработки
ной части комбинированной крепи и предназначен для восприятия давления со стороны напряженно-деформирующего соляного массива пород.
Следует отметить, что подобная схема крепления была принята при проектировании стволов Усольского калийного комбината. В проектных решениях при расчете параметров крепи ствола в соляных породах были учтены реологические свойства пород и принята модель породного массива с гидростатическим горным давлением. Чугунно-бетонная крепь с переменной толщиной спинки тюбингов (от 30 до 100 мм в зависимости от глубины ствола) вполне удовлетворяет условиям обеспечения длительной прочности.
В проекте приняты следующие основные технические решения по конструкции узлов сопряжений ствола с приствольными выработками (рис. 3):
• выработки имеют овальную форму, чтобы исключить неравномерность нормальных тангенциальных напряжений и возможность появления растягивающих напряжений;
• между крепью ствола и крепью горизонтальной выработки предусмотрен деформационный шов, исклю-
чающий взаимное влияние сопрягающихся выработок;
• для защиты крепи выработок, примыкающих к стволу, между чугун-но-бетонной крепью и соляной породой предусмотрен податливый слой из пенополистирола. Применение податливого слоя (ПС) из пенополисти-рола строго в определенных местах обоснованно с помощью численного моделирования узла сопряжения в пространственной постановке [3];
• для защиты ствола от вертикальных деформации, горизонтальные участки сопряжений со стволом предполагается выполнить без применения жесткой крепи, с усилением металлической сеткой на анкерах только в кровле выработки. В дозаторных камерах предполагается установить стальные тюбинги с податливым слоем.
Перечисленные технические решения при их правильном выборе и реализации в зависимости от условий строительства позволяют существенно повысить работоспособность крепи сопряжений.
Таким образом, принятая конструктивная схема сплошного крепления вертикальных стволов двухслойной чугунно-бетонной крепью
с возведением податливого слоя на участках сопряжений способна защитить крепь ствола от вертикальных деформаций горизонтальными швами, исключить причины деформиро-
1. Рекомендации по обеспечению эксплуатационной устойчивости крепи шахтных стволов рудника БКПРУ-4 и рудника БКПРУ-2. Отчет о НИР / ОАО «Галургия»; рук. Ю.П. Ольховиков. - Пермь, 2012.
2. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных месторождений. - М.: Недра, 1984.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
вания ярусов армировки, тем самым обеспечить безремонтную эксплуатацию ствола в условиях напряженно-деформированного состояния соляного массива.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Заключение на проектные решения по креплению стволов Усольского калийного комбината, сопряжений их с горизонтальными выработками, геометрии дозаторных камер и их креплению. Отчет о НИР / ОАО «Галургия»; рук. В.А. Соловьев. - Пермь, 2012. ЕИЗ
Тарасов Владислав Викторович - зав. научно-исследовательской горной лабораторией, ОАО «Галургия», e-mail: [email protected].
Чагинов Александр Владимирович - зам. начальника управления (по строительству шахтных стволов), ООО «ЕвроХим-Усольский калийный комбинат», e-mail: [email protected]
UDC 622.281
STABILIZATION OF SUPPORT AT INTERSECTIONS OF VERTICAL SHAFTS AND HORIZONTAL OPENINGS IN COMPLICATED MINING-AND-GEOLOGICAL CONDITIONS OF THE UPPER KAMA DEPOSIT
Tarasov V.V., Head of Research Mining Laboratory, ОАО «Galurgia», e-mail: [email protected], ChaginovA.V., Deputy Head (on Construction of Mine Shafts),
LLC «EuroChem-Usolsk potash industrial complex», e-mail: [email protected].
The main shortcomings of monolithic concrete lining in vertical shafts of mines in the Upper Kama deposit are reviewed in the article. Based on the data of underground investigations and the discussed examples, the author analyzes concrete lining operation in a salt massif in the stress-strain state. The main causes of the lining damage at the shaft and tunnel intersections in mines are revealed, and the method of improvement of the lining load-carrying capacity at the intersections is proposed. It is recommended to apply the two-layer lining composed of the inner stiff layer made of cast iron and concrete and the external pliable layer made of foamed polystyrene. The cast iron-and-concrete lining functions primarily as safety shielding and secondly as a load-carrier. The external pliable foamed polystyrene layer is designed with the help of 3D numerical modeling of a mine intersection and is intended to take pressure of the stress-strain salt rock mass. The article exemplifies the two-layer lining application in design and construction of vertical shafts at Usolsky Potash Integrated Works.
Key words: mine shaft, stress-strain state of salt rocks, concrete lining, cast iron-and-concrete lining, pliable layer, intersection, foamed polystyrene.
REFERENCES
1. Rekomendacii po obespecheniju jekspluatacionnoj ustojchivosti krepi shahtnyh stvolov rudnika BKP-RU-4 i rudnika BKPRU-2, Otchet o NIR, OAO «Galurgija», ruk. Ju.P. Ol'hovikov (Recommendations for operational stability of shafts in Berezniki Mine-2 and Berezniki Mine-4. Research and Development Report, Galurgia JSC, Yu.P. Olkhovikov (Research Manager)), Perm, 2012.
2. Ol'hovikov Ju.P. Krep' kapital'nyh vyrabotok kalijnyh i soljanyh mestorozhdenij (Permanent roadway support in potassium and salt mines), Moscow, Nedra, 1984.
3. Zakljuchenie na proektnye reshenija po krepleniju stvolov Usol'skogo kalijnogo kombinata, soprjazhenij ih s gorizontal'nymi vyrabotkami, geometrii dozatornyh kamer i ih krepleniju, Otchet o NIR, OAO «Galurgija», ruk. V.A. Solov'ev (Summary on design approach to shaft lining at Usolsky Potash Integrated Works, support of the mine shaft and tunnel intersections, dosing chamber geometry and support. Research and Development Report, Galurgia JSC, V.A. Soloviev (Research Manager)), Perm, 2012.
