УДК 622.273

 

Выбор закладочного материала ликвидируемых вертикальных стволов

Докт. техн. наук И.Циганек (ВШБ, Чехия), И.Ф.Ярембаш, кандидаты техн. наук И.Г.Ворхлик, Б.И.Нестеренко, В.И.Пилюгин (ДонГТУ)

 

Длительная устойчивость ликвидируемых при закрытии угольных шахт вертикальных стволов по существу предопределяется двумя основными факторами: свойствами закладочного материала и схемой заполнения этим материалом ствола по высоте. Практика закрытия шахт в Англии, Германии и Чехии показала, что первый фактор имеет приоритетное значение и практически предопределяет схему засыпки. В связи с этим, проанализируем применяемые в настоящее время основные типы закладочных материалов.

Основными требованиями к закладочному материалу применительно к проблеме ликвидации вертикальных стволов являются:

высокая устойчивость в течение длительного времени, которая возможна при отсутствии склонности закладки к размягчению и пучению;
нерастворимость в условиях затопления ствола агрессивными шахтными водами;
невозможность самовозгорания, появления вредных испарений или образования токсичных веществ при выщелачивании.

Все материалы, соответствующие этим требованиям, делятся на сыпучие и твердеющие

Сыпучие закладочные материалы

Породы от проведения и ремонта горных выработок. Это породы карбона, к которым в Донбассе относятся песчаники, аргиллиты, алевролиты и известняки. При выборе этих пород в качестве закладочного материала оценивается: предел прочности на сжатие, плотность, крепость, способность к размоканию и выщелачиванию, пластичность и угол внутреннего трения. Реже всего применяются глинистые породы, так как они легко размокают и способны к “вытеканию” в горные выработки. В то же время их можно использовать в качестве уплотнения между кусками более прочных пород, например, песчаников. Из них хорошо делать “прослойки” между песчаными материалами. Песчаник является лучшим закладочным материалом, но он весьма опасен как источник искрообразования при ударах об армировку ствола. Для снижения этой опасности следует уменьшать кусковатость материала до 250 мм и менее. Все используемые для закладки ствола породы не должны иметь включений угля.

Отходы строительно-ремонтных работ.

Требования к ним, как к закладочному материалу, аналогичны вышеописанным. Применение строительного мусора привлекательно с точки зрения уменьшения объемов городских свалок.

Перегоревшие породы шахтных отвалов. Они наиболее доступны, имеются в достаточном количестве, сравнительно дешевы, чаще всего расположены вблизи ликвидируемых стволов. Однако, необходимо учитывать, что перегоревшая порода разлагается, имеет малую прочность, малую водопроницаемость, повышенное содержание растворимых солей, большое количество глинистых включений. В связи с этим она не всегда обеспечивает устойчивость закладки. Решение о возможности использования породы шахтных отвалов в качестве закладочного материала должно приниматься только на основе их всестороннего лабораторного анализа.

Щебень. Это один из самых дорогих, но и самых качественных закладочных материалов. Он обладает хорошей фильтрационной способностью, мало подвергается эрозии, практически не склонен к текучести, нерастворим, имеет большой угол внутреннего трения.

Песок (SiO2). Его использование ограничено в силу способности к “вытеканию” в горные выработки (особенно при увлажнении) и высокой стоимости.

Выбор типа сыпучего закладочного материала зависит от конкретной горно-технической ситуации и геологических (гидрогеологических) условий расположения ствола. Так, в случае вероятного заполнения ствола водой необходимо использовать крупнофракционный неразмокаемый материал. Английские инструкции требуют, чтобы он содержал 80% фракции 20—250 мм, не менее 15% фракции 2—20 мм и менее 5% материала крупностью до 2 мм. Такое соотношение обеспечит надлежащую водо- и газопроницаемость закладки.

Если существует опасность появления в стволе взрывоопасной концентрации метана, следует использовать мелкофракционный материал, исключающий искрообразование при ударе породы об элементы армировки ствола. Для извлечения металлических предметов из закладываемого материала над подающим конвейером устанавливают мощные магниты.

Твердеющая закладка

Твердеющая закладка — это материал, набирающий прочность в ликвидируемом стволе с течением времени. Этот вид закладки необходимо использовать при сооружении опорных перемычек на сопряжениях ствола с горизонтальными выработками, а также различного рода “стволовых пробок”. Кроме того, твердеющая закладка обязательно используется для заполнения верхней части ствола на всю высоту наносов [1].

Прочность конструкций из твердеющей закладки определяется исходя из величины давления на них со стороны вышерасположенного материала. При этом помимо размеров ствола и свойств сыпучей закладки необходимо учитывать возможность ее увлажнения.

Основными компонентами твердеющей закладки являются наполнитель, связующие добавки и вода. Это своего рода бетон с относительно низкими значениями предела прочности на сжатие (не менее 2 МПа). В качестве наполнителя используются мелкие фракции доменных шлаков, зола тепловых электростанций.

Доменные шлаки являются достаточно хорошим заполнителем, который при правильном использовании обеспечивают высокую прочность закладки. Их применение сдерживается наличием большого количества окислов металлов, способных к растворению, и возможные радиоактивные выделения. В любом случае для использования доменных шлаков необходима предварительная экологическая экспертиза их состава.

Зола тепловых электростанций является вторым по значимости заполнителем твердеющей закладки. Это недорогой и сравнительно доступный материал. Ее использование в качестве сыпучей закладки связано с определенным риском, обусловленным изменчивостью физико-механических свойств во времени и невысокой прочностью. В смеси с водой () зола ТЭ обладает высокой текучестью и может произойти ее “вытекание” в горизонтальные выработки. Вместе с тем зола обладает хорошими вяжущими свойствами. В смеси с отходами цементной промышленности (100 кг на 1 м3 золы) она обеспечивает устойчивость и необходимую прочность закладки. Важно отметить, что свойства закладки сильно зависят от типа золы. В связи с этим перед выполнением закладочных работ необходима серия лабораторных испытаний.

Наиболее сложным моментом, связанным с применением твердеющей закладки, является правильный выбор ее “рецепта”, т.е. процентного содержания отдельных компонентов. Этот вопрос концептуально решен в Чехии и Германии [2, 3]. Однако, применительно к конкретным условиям и материалам необходимо проведение дополнительных лабораторных исследований.

Прочность твердеющей закладки проверяется экспериментально в лаборатории систематически примерно через каждые 100 м3 засыпочного материала. При этом до глубины 50 м от устья ствола ее основой должны быть нерастворимые, неразбухающие, крепкие материалы (щебень, кирпич, шлак и т.п.) с размерами кусков до 100 мм.

В заключении необходимо отметить, что правильный выбор закладочного материала при ликвидации вертикальных стволов угольных шахт является одновременно научной, технической, экологической, экономической и социальной задачей. Ее решение должно основываться на богатом практическом опыте угледобывающих стран Европы и учитывать специфику шахт Донбасса.

 

 

3. I. Ciganek, V.Cepek. Posouzeni technicke likvidace jam zavodu Petr Bezruc Dobu Ostrava. Ostrava, 1993, CR.

a И.Циганек, И.Ф.Ярембаш, И.Г.Ворхлик, Б.И.Нестеренко, В.И.Пилюгин, 1999.