На протяжении многих лет в области бурения шахтных стволов использовались различные варианты крепи, каждый из которой имел свои особенности. Любое решение данного вопроса (от проектирования до установки крепа) всегда требовало максимального внимания и отдачи.

Причины неудачного использования крепи были разными: это и ошибки в проектировании , и ошибки в вопросе контроля за качеством при изготовлении крепи, и ошибки, допущенные во время установки крепи и ее тампонаже.

Вероятно, самым старым способом крепления шахтных стволов, пройденных методом бурения, является использование стальных труб и цементного раствора, закачиваемого в затрубное пространство. Стальная крепь предлагает самый низкий коэффициент теплопроводности для вентиляционных стволов, и это является одним из реальных преимуществ такой крепи. Возможны несколько вариантов стальной крепи.

Там, где водоприток не представляет особых проблемы, может быть использована простая перфорированная стальная крепь (см. рис.1).Обычно такая крепь имеет относительно тонкие стенки, поэтому ее способность выдерживать давление является низкой. Чтобы предотвратить концентрацию воды за стенками крепи, в ней проделаны отверстия с целью дренирования в ствол любого скопившегося количества воды. Крепь становится более прочной при симметричной нагрузке. Такая крепь крепится к стенкам шахтного ствола анкерам, а затрубное пространство заполняется песком или гравием.

На самых ранних стадиях развития способа бурения шахтных стволов, когда основной проблемой было предотвращение водопритока, когда диаметры стволов были маленькими, а глубины незначительными, использовалась гладкостенная стальная крепь с цементным раствором. Способность такой крепи выдерживать давление аналогично гибкой колонне, где коэффициент регулирования — это коэффициент упругости, а не прочности стали. По этой причине способность выдерживать давление быстро снижается по мере увеличения диаметра. Кроме того отрицательное воздействие на способность выдерживать давление оказывает любая овальность крепи. Был отмечен ряд повреждений крепи (обычно при цементации), когда величина давления, воздействующего на внешнюю сторону крепи, превышала способность крепи выдерживать это давление. Данная проблема хорошо освещена во многих документах Американским Институтом нефти и другими организациями, занимающимися исследованиями вопроса возможного упрочнения стальной крепи с помощью цементного раствора, которые пришли к вывод, что, несмотря на все попытки оптимального размещения цементного раствора, стальной крепи все же приходятся сталкиваться с проблемой гидростатического давления со стороны подземных вод. Поэтому, стальные трубы должны быть спроектированы для сопротивляемости предполагаемой величине гидростатического давления с соответствующим коэффициентом безопасности. Поскольку с ростом глубины величина давления также возрастает, абсолютно понятно, что толщина стенок крепи должна увеличиваться по мере роста глубины.

В противовес эффекту гибкой колонны стальной гладкостенной крепи специалистами была разработана стальная крепь с кольцами жесткости (см. рис .2). По мере увеличения глубин и диаметров проходимых стволов, а также величины давления, которому необходимо было противостоять, катастрофически возрастали вес и стоимость стальной гладкостенной крепи. Хорошо спроектированная стальная крепь с бандажами диаметром 48 дюймов или более является менее дорогостоящей, чем стальная гладкостенная крепь сходного диаметра. Проект стальной крепи с кольцами жесткости почти идентичен проекту корпуса подводной лодки. Способность выдерживать давление определяется прочностью стали, толщиной стенок крепи, расстоянием между бандажами и моментом инерция колец.

Существует три разновидности повреждения стальной крепи с кольцами жесткости: общее смятие стальных труб и колец, упругое смятие участков стальных тру, расположенных между кольцами, и разрушение участков крепи между кольцами жесткости.

Первые две разновидности повреждения крепи зависят от толщины стенок крепи, расстояния межу бандажами, момента инерции колец и коэффициента упругости материала . В свете этого задача проектировщиков заключается в том, чтобы разработать такое сочетание бандажей и корпуса крепи, которое позволило бы использовать прочность стали. Вследствие того, что существует почти безграничное сочетание параметров, рассматриваемых в процессе проектирования, оптимизация проекта с целью достичь минимального веса и стоимости требует анализа очень большого числа геометрий. Это подвигает нас к применению компьютерного анализа. Мы разработали и использовали одну из нескольких; если не, единственную, компьютерную программу по оптимизации ‘ процесса проектирования стальной крепи с кольцами жесткости.

Специалистами компании “Керр-МакДжи” разработана система комбинированной стальной крепи, которая была применена при бурении ствола у населенного пункта Грантс, штат Нью—Мексико, и представляла собой сочетание крепи, способной, с одной стороны, выдержать высокое гидростатическое давление в местах наличия водоносных горизонтов, и перфорированной крепи, которая может быть использована для сухих пород. Использование подобной технологии было особенно ценно для условий данного региона: наличие трех водоносных горизонтов и сухих пород. Если с внешней стороны более слабых участков крепи наблюдалась концентрация подземных вод, они дренировались в ствол через отверстия, проделанные в тонких стенках крепи. Данная технология может быть использована там, где есть точные данные о наличии водоносности горизонтов, и где большинство образований, которые предстоит пройти бурением, сухие.

Поскольку стоимость стальной крепи быстро возрастает по мере увеличения диаметров и требований к ее устойчивости, специалистами ведется поиск альтернативных вариантов крепи. Система, которая была разработана в Германии и использована в Канаде, представляет, собой сочетание тонкой стальной внешней оболочки, предназначенной для сдерживания давления, и относительно толстого слоя бетона. Сталь и бетон соединены друг с другом с помощью стальных штырей, приваренных к внутренней стороне стальной оболочки. Дальнейшее усовершенствование этой системы крепления стволов предполагает использование второй тонкой. стальной оболочки, располагающейся на внутренней стороне, бетонного слоя, а также внешней оболочки. Вследствие более высокого коэффициента упругости стали по сравнению с бетоном, использование двух стальных оболочек является обычно делом экономически оправданным. Проект этого типа крепления в значительной мере напоминает гладкостенную стальную крепь с той лишь разницей, что в данном случае добавлен слой’ бетона, толщина которого уменьшена на величину отношения коэффициента упругости стали и бетона.

Коэффициент упругости бетона составляет примерно только 1/5 коэффициента упругости стали, поэтому толщина крепи из композитных материалов будет гораздо большей, чем толщина стальной крепи с бандажом того же внутреннего диаметра. Эта увеличенная толщина крепи требует большего диаметра ствола для определенного внутреннего диаметра.

Стальная оболочка или оболочки свариваются при спуске крепи в ствол для придания конструкции устойчивости при сжатии со стороны горного давления. Вследствие того‚ что бетон может испытать отрицательное воздействие высоких температур сварки,. в нем оставляют специальный зазор, который цементируется после того, как сварной шов или швы остыли, и крепь готова к спуску в ствол.

Для того, чтобы использовать эффект колен жесткости, крепь из композитных материалов может иметь стальные кольца, расположенные между двумя стальными оболочками, для усиления крепи (см. рис .3). Это может снизить требования в отношении толщины, стенок крепи и соответственно уменьшить диаметр ствола, необходимый для установки крепи определенного внутреннего диаметра. Конечно, это будет более дорогостоящий вариант крепи из композитных материалов, однако ее использование может в конечном счете привести к значительной экономии в том смысле , что в данном случае не будет необходимости в сооружении ствола большего диаметра.