Развитие горнодобывающей отрасли предусматривает освоения новых месторождений и реконструкцию действующего шахтного фонда, что неотъемлемым образом связано с сооружением и углубкой вертикальных стволов.

Вертикальные стволы являются наиболее сложными техническими сооружениями горно-добывающих предприятий, как с точки зрения их строительства, так и с точки зрения эксплуатации.

Преобладающее большинство вертикальных стволов закреплено монолитным быстротвердеющим бетоном, который обеспечивает высокие технико–экономические показатели при их сооружении (90% от общего объёма), поэтому крепь должна отвечать возросшим требованиям, не только как грузонесущая ограждающая конструкция, но и как гидроизоляционный материал.

Для крепления стволов, проходимых буровзрывным способом, применяют в основном монолитную бетонную крепь. Применение данной крепи, возводимой с помощью инвентарных забойных металлических опалубок, обусловило переход к совмещённой технологической схеме [1] с подачей быстротвердеющей бетонной смеси за опалубку по трубам.

Создание высокопрочной гидравлически стойкой монолитной крепи вертикального ствола, сопряжено с «узкими местами» [2], а именно:

• стыковка старого бетона с новым при выполнении работ по возведению монолитной бетонной крепи стволов;
• увеличение гидростойкости бетонной крепи в процессе изготовления бетона при помощи всевозможных химических добавок;
• обеспечение водонепроницаемости, защиты и улучшения свойств бетонной крепи после набора бетоном проектной прочности за счет обмазочной гидроизоляции;
• создание системы «породный массив-гидроизоляция-крепь» за счет обмазочной или торкрет-бетонной изоляции обнаженного породного массива и добавок в бетон в процессе его изготовления и укладки за опалубку.

С увеличением глубины возрастает количество пересекаемых водоносных горизонтов. Более половины всех стволов Донбасса имеют остаточные водопритоки в ствол более 10 м³/ч [3]. Исследования показывают, что фильтрация воды в основном происходит не через основную поверхность бетонной крепи, а через отдельные трещины, технологические швы бетонирования и прилегающие к ним зоны, составляющие 6% от высоты заходки бетонирования, применяемой при совмещённой схеме производства работ [4] т.е. 12–24 см.

На толщину зоны шва по данным [5] влияет ряд условий:

• структурообразование (связанное с расслоением смеси);
• технологические (перерыв в бетонировании и др.);
• условия твердения (температура, влажность);
• условия укладки (капёж, потоки и др.)

Решением данного ряда вопросов может явиться применение в шахтном строительстве, и креплении вертикальных стволов в частности, бетонов на основе расширяющихся видов цементов.

Усадка, а также различие в усадке нового и старого бетона или раствора являются одной из важнейших причин, вызывающих нарушение или ослабление сцепления старого бетона с новым в швах. Наибольшее влияние на величину сцепления оказывают условия твердения бетона.

При применении расширяющегося цемента сила расширения вызывает распор, содействующий сращиванию старого бетона с новым. К явлениям химического характера, таким образом, присоединяются и физические. Следовательно, прочность и непроницаемость шва на расширяющемся цементе должны быть выше, чем на обычном усадочном [5].

Для определения динамики изменения объёма цементного камня и предельного значения его расширения, образцы из цементного теста, через 1 час после затворения и формовки, помещались в специально созданную установку, где выдерживались в воде в течение 72 часов. Установка представляла собой стенд для определения объёмного расширения бетонной смеси в процессе гидратации, состоящей из емкости с герметичной крышкой, в которой имелась стеклянная трубка со шкалой позволяющая измерять объем вытесняемой из емкости жидкости (Рис. 1.).

Риснок 1 – Установка для определения объёмного расширения бетонной смеси

Величина объёмного расширения постоянно фиксировалась, а по полученным данным получены зависимости (Рис.2).

Рисунок 2 – График расширения образцов на РШПЦ.

Можно считать, что свободное расширение бетона при содержании в нем цемента 250–300 кг/м³ составляет 0,09 показателя для образцов из теста; при содержании цемента 400 кг/м³ оно равно 0,18; при содержании цемента 600 кг/м³ – 0,43 (Рис. 3). Для получения эффекта увеличения исходного объема бетона на требуемую величину в начальный период твердения (1–5 сут) в указаний цемент можно вводить в необходимом количестве расширяющиеся добавки.

Рисунок 3 – График линейного расширения в зависимости от содержания расширяющегося вяжущего в бетоне.

Для ликвидации проникновения воды через технологические швы устраивается специальный шов с уступом (Рис. 4.) [6]. Такой шов совместно с применением расширяющейся бетонной смеси на завершающем этапе бетонирования обеспечит полное и плотное заполнение и водонепроницаемость за счёт наличия в нем вертикального кольцевого уступа. Устройство такого уступа осуществляется с помощью поддона, прикрепляемого к нижней части опалубки (Рис. 4).

Рисунок 4 – Рекомендуемая стыковка между заходками а) шов с уступом; б) поддон

Организация работ по возведению монолитной бетонной крепи производится по традиционной совмещённой технологической схеме. Отличием является то, что после возведения монолитной бетонной крепи на основе быстротвердеющего портландцемента на определённую высоту, определяемую расчётом, в зависимости от высоты заходки и условий твердения, на поверхности, в приствольном БРУ приступают к приготовлению бетона на основе расширяющегося шлакопортландцемента. Выдержка бетона в опалубке, при обычных способах проходки должна быть не менее 6 часов.

Список использованной литературы

1. Н.С. Булычёв, Х.И. Абрамсон. Крепь вертикальных стволов шахт. // Изд-во «Недра». Москва – 1978. – С. 13–22.
2. Э.В. Казакевич. Крепление вертикальных стволов шахт монолитным бетоном. Москва – 1970. – С. 32–33.
3. Борщевский С.В. К вопросу об увеличении водонепроницаемости монолитной бетонной крепи вертикальных стволов большого диаметра. / С.В. Борщевский, А.А. Дрюк, А.Ж. Сирачев // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: Материалы научно – практической конференции. – Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В.Даля, 2006. – С. 152–162.
4. Шилин А.А. Повышение гидроизоляционных свойств монолитной бетонной крепи стволов шахт: Автореф. дис. канд. тех. наук: 05.15.04 / МГИ. – Москва, 1976. – 27 c.
5. Кравченко И.В. Расширяющиеся цементы. «НИИЦЕМЕНТ», Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. Москва, 1962. – С. 7–89.
6. Прокопова М.В. Факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние крепи вертикальных стволов. / М.В. Прокопова, Р.В. Харитонов // Научно технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства: Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набола» ЮРГТУ (НПИ), 2005. – С. 116–118.