Вертикальные шахтные стволы, отличаясь своей уникальностью и важностью в производственном комплексе горнодобывающего предприятия, требуют постоянного поиска и разработки эффективных решений по интенсификации их строительства и безремонтной эксплуатации [1], что в свою очередь является актуальной научно-технической задачей развития угольной промышленности Украины.
На нынешнем этапе изучения условий эксплуатации Донецкого угольного бассейна накоплены весомые знания об особенностях проявления горного давления в подземных выработках, в т.ч. и в вертикальных стволах.
Сооружение вертикальных стволов является одним из главных звеньев в технической системе горнодобывающего предприятия. В период строительства горнодобывающего предприятия стволы располагаются на критическом пути, че-рез них ведутся работы по вскрытию и подготовке месторождения, монтажу проходческого и добычного оборудования, поэтому они оказывают существенное влияние на срок и стоимость всего строительства.
В период эксплуатации горнодобывающего предприятия стволы являются основными капитальными выработками, которые служат для выдачи полезного ископаемого и горной массы, спуска-подъема людей, материалов и оборудования, вентиляции, прокладки кабелей и трубопроводов и др. От работоспособности вер-тикальных стволов зависит надежность и эффективность работы всего горного предприятия.
Строительство и поддержание вертикальных стволов производится на базе нормативных документов, разработанных ведущими организациями и специали-стами отрасли. Однако в практике эксплуатации вертикальных стволов часто на-блюдаются нарушения крепи и отказы армировки (53% глубоких стволов и 42% стволов средней глубины). Анализ показал, что из общего числа отказов 38-50% нарушений вызваны технологическими отклонениями от проекта, допущенными в процессе проходки стволов буровзрывным способом с креплением монолитным бетоном по совмещенной схеме.
Цель и задачи работы
Целью магистерской работы является – повышение работоспособности крепи и армировки вертикальных стволов с учетом ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи от нормативных величин, формы сечения ствола в свету и повышение гидроизоляционных свойств крепи для увеличения срока её эксплуатации
Идея работы. Определение параметров монолитной бетонной (железобетонной) крепи, на основе журналов проходки вертикальных стволов с учетом ожидаемых отклонений стенок крепи ствола от проектного положения и изменения формы сечения ствола в свету, и толщины крепи, связанных с особенностями технологии ведения работ, диаметром в свету и глубиной ствола.
В ходе работы необходимо решить следующие задачи:
- Проанализировать состояние крепи и армировки вертикальных стволов угольных шахт Донбасса.
- Провести исследования фактических отклонений параметров сечения стволов от проектного положения по данным ГОАО «Трест Донецкшахтопроходка».
- Провести исследования влияния отклонения контура крепи ствола на состояние армировки. Исследование напряженно-деформированного состояния крепи вертикальных стволов на численных моделях.
- Разработать компьютерную модель системы «армировка-крепь-породный массив» для обоснования работы параметров крепи вертикальных стволов.
- Лабораторные исследования водонепроницаемости монолитной бетонной крепи вертикальных стволов.
- Разработать технологический регламент применения гидроизоляционных материалов для защиты монолитной бетонной крепи.
Предполагаемая научная новизна
В работе планируется исследовать отклонение монолитной бетонной крепи от проектного положения, установить зависимость изменения максимальных эк-вивалентных напряжений для различных видов вмещающих пород, диаметров и толщин вследствие погрешностей при креплении. Исследовать водопроницае-мость монолитной бетонной крепи и разработать технологические регламенты ис-пользования специальных добавок для повышения долговечности и водонепроницаемости монолитной бетонной крепи вертикальных стволов.
В ходе работы будут разработаны и получены новые результаты:
1.Выполнен анализ состояния крепи и армировки вертикальных стволов.
2.Создана база журналов проходки вертикальных стволов по данным ГОАО Трест Донецкшахтопроходка.
3.Произведена статистическая обработка данных из журналов проходки (рис.1) с учетом горно-геологических характеристик породного масси-ва, толщины и вида крепи, темпов проходки по 109 стволам Донбасса, различного диаметра и глубины.
4.Проведены исследования отклонения параметров сечения стволов от про-ектного положения, на основании журналов проходки по данным Трест «Донецкшахтопроходка»
5.Разработаны технологические регламенты применения гидроизоляционных материалов для защиты монолитной бетонной крепи для повышения её долговечности и водонепроницаемости.
Предполагаемая практическая ценность
Создание единой электронной базы проходки и эксплуатации вертикальных стволов Донбасса позволит качественно и количественно оценить состояния забоев, выявить факторы, которые влияют на формирование бетонного крепления вертикальных стволов с момента его создания и до разрушения. Разработанная графическая и численная реализация расчетов напряженно-деформованого состояния крепления стволов на конечно-элементных моделях позволит прогнозировать состояние монолитной бетонной крепи на весь период её эксплуатации с учетом технологических отклонений и изменений.
Результаты работы возможно использовать для перспектив совершенствования технологии крепления стволов, связанных с применением упрочняющей гидростойкой крепи, с использованием геомеханических факторов при рассмотрении совместной работы системы «крепь ствола – вода – породный массив», что потребует дополнительных исследований.
Обзор существующих исследований и разработок
По мере развитие угольной промышленности, как в нашей стране, так и зарубежом глубина разработки месторождений полезных ископаемых постоянно растет. Армировка шахтного ствола занимает значительное место в комплексе ствола, по сути, она является связующим элементом между крепью ствола и подъемными сосудами. Следовательно, с ростом глубины и производственной мощностью шахты возникает необходимость в увеличении вместимости подъемных сосудов и их скорости движения соответствен-но. Все это приводит к серьезным динамическим нагрузкам на армировку шахтного ствола. В сложных горно-геологических условиях наблюдаются нарушения крепи стволов вследствие влияния деформаций вмещающих ствол пород. Как следствие, происходят нарушения жесткой армировки вертикальных стволов. В связи с этим возникает проблема безремонтной экс-плуатации армировки и подъемных сосудов ствола.
Еще более серьезную актуальность эта проблема приобретает для эксплуатации стволов на участках деформирующегося породного массива, где крепь ствола испытывает колоссальные нагрузки.
По данным УкрНИМИ по странам СНГ в настоящее время насчитывается порядка 200 шахтных стволов с нарушенной крепью и армировкой [2]. Однако применяемые решения не всегда обеспечивают надежную работу подъемных комплексов. Одной из причин сложившейся ситуации следует считать отсутствие научно-обоснованного подхода к проектированию армировки вертикальных стволов на участках с деформирующейся крепью.
На сегодняшний день, для таких условий работы армировки существует ряд способов ее защиты, которые позволяют производить ремонт армировки в период эксплуатации шахтных стволов. Для защиты стволов от проявлений горного давления наряду с другими (горные, горно-технологические, техноло-гические и др.) используются конструктивные меры защиты [3].
Результатом исследований [4,5] явились предложения по конструктивному приспособлению крепи, часть из которых применялась на практике. Сюда относятся разного рода податливые прокладки, узлы податливости, заполненные вязким материалом, скользящие битумные оболочки, податливые костровые зоны и т.д.
Указанные мероприятия не обеспечивают нормальную эксплуатацию стволов в случаях, когда фактические деформации превышают предусмотренные проектом, векторы возникающих усилий не совпадают с осью регулируемости податливой конструкции, крепь теряет устойчивость и др.
Другим направлением защиты армировки вертикальных стволов является рациональный выбор схемы армировки, которая должна учитывать возникающее в процессе проходки ствола и эксплуатации месторождения перераспределение напряжений в горном массиве и прогнозируемое преобладающее направ-ление горизонтальных и вертикальных деформаций породного контура и крепи ствола [6].
Такой схемой, наиболее предпочтительной с точки зрения защиты армировки является консольная схема армировки с боковым односторонним расположением проводников. При этом продольные оси консолей должны проекти-роваться в направлении ожидаемых сдвижений поперечного сечения ствола.
В основу всех известных технических решений по конструктивной защите армировки положен принцип компенсации деформаций в системе "крепь – армировка". В случае любых нарушений крепи и армировки, если только ствол по техническим причинам не перестает функционировать, связь в системе "крепь – армировка" остается неразрывной.
Однако, известные способы защиты армировки вертикальных стволов от влияния деформирующейся крепи имеют ряд существенных недостатков:
– компенсирующие конструкции требуют принудительной регулировки, что крайне затруднительно в условиях эксплуатируемого ствола;
– они не обеспечивают надежной защиты армировки в случаях, если возникающие деформации превышают пределы регулируемости, предусмотренные конструкцией; векторы возникающих усилий не совпадают с осью податливости конструкции; происходит нарушение устойчивости крепи и заделки расстрелов.
Зачастую принимаемые решения не обеспечивают надежной работы подъемных сосудов. Одной из главных причин данного вопроса, является отсутствие научно-технического подхода на стадии проектирования армировки шахтных стволов с учетом статистической обработки результатов проходки и эксплуатации вертикальных стволов. Для решения данной задачи назрела необходимость создания единой электронной базы журналов проходок и вывалов вертикальных стволов, а также журналов обследования эксплуатируемых вертикальных стволов, на основе которой можно будет выполнять статистическую обработку и анализ принятых решений как на стадии проектирования, строительства, так и на стадии эксплуатации вертикальных шахтных стволов, что в конечном итоге оказывает влияние на правильность выбора армировки вертикальных стволов. На кафедре «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонНТУ совместными усилиями ГОАО «Трест Донецкшахтопроходка» и Укр-НИМИ начата эта работа.
Перечень нерешенных проблем и задач
Планируемые и полученные собственные результаты
Планируется провести исследования напряженно-деформированное состояние бетонной крепи стволов на конечно-элементных моделях с использованием компьютерного моделирования. На данном этапе произведены исследованиия монолитной бетонной крепи с применения гидроизоляционных материалов для улучшения параметров монолитной бетонной крепи.
Пример разработанной конечно-элементной модели для расчета параметров базового НДС представлен на рис. 4 (модель для ствола диаметром в свету 6 м и толщиной крепи 250 мм, работающей под нагрузкой, рассчитанной для глубины 1200 м).
Заключение
- Сооружение стволов больших диаметров требует новых подходов к проектированию как видов крепей, так и их конструкций, совершенствования организации проходки (точный геологический прогноз, повышенная надежность оснащения, усовершенствованные методы водоподавления и водоотлива, уточненная нормативная база). Доказано, что диаметр ствола – это комплексный системный показатель, влияющий на скорость проходки с точки зрения ее организации и учета геомеханических условий.
- Необходимо максимальное использование новых нетрадиционных материалов и технологий, позволяющих повышать механические свойства бетонной крепи, в том числе их гидроизолирующую способность.
- Исследованию напряженно-деформированное состояние бетонной крепи стволов на конечно-элементных моделях с использованием компьютерного моделирования необходимо уделять намного большее внимание, т.к. это открывает колоссальные возможности в плане ресурсо- и энергосбережения.
- Вопросам организации водопритоков как в приконтурном массиве, так и по стволу при разработке технологий проходки вертикальных стволов необходимо уделять особое внимание, т.к. это позволяет устанавливать водоулавливающие системы ствола в технологически необходимых местах с учетом физики движения воды.
Список источников
- Борщевский С.В. Современное направление развития технологи сооружения вертикальных стволов шахт. Сб. научн. трудов НГУ №17, т.1 – Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. – С.406-412.
- Левит В.В. Геомеханические основы разработки выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно-неоднородных породах: Дисс…д-ра техн.наук //05.15.04. – Днепропетровск, 1999. – 463 с.
- Стоев И.С. Технологические схемы армирования вертикальных стволов и их эффективность. – М.: Недра, 1971. – 59 с.
- Акимов А.Г., Козел А.М. Защита вертикальных стволов шахт от влияния очистных работ. – М.: Недра, 1969. – 129 с.
- Дробышев В.Ф. Квопросу проектирования крепи вертикальных стволов, работающих в режиме вертикальной деформации // Проектирование и строительство угольных предприятий.– 1965. – № 7. – С. 62 – 68.
- Ягодкин Ф.И., Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю. Защита армировки вертикальных стволов от влияния сложных горно-геологических условий// Научно- технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун - т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. – С. 18 – 24.