Технологические воздействия на геосреду при строительстве стволов вызывают в ней трансформацию, приводящую к взаимообусловленным изменениям в литолого-геомеханической системе, которая в свою очередь оказывает влияние на инженерные конструкции, находящиеся в горном массиве. Так и при сооружении вертикальных стволов угольных шахт увеличение горного давления и изменения структуры породного массива оказывают основное влияние на формирование очагов вывалообразований в приконтурных породах.

Геолого-механические условия сооружения стволов в Донбассе характеризуются слоистой структурой породной толщи. Мощность пород распределена крайне неравномерно, а прочность колеблется в больших пределах [1]. Многослойная песчано-глинистая толща преимущественно сложена из предрасположенных к вывалам аргиллитов и алевролитов, удельный вес которых в толще достигает 60–70 %. При нарушении горного массива, содержащего породы с различными структурами и физико-механическими свойствами развиваются дезинтеграционные процессы. Они ведут к формированию зон нарушенности вокруг ствола, перераспределению концентрации напряжений в массиве. Формирование систем микротрещин, и как их производных – макротрещин, расслоение пород ведут к образованию очагов вывалообразований.

Шахтный ствол – это уникальное в своем роде капитальное сооружение. В отличии от разветвленной сети горизонтальных выработок, при сооружении которых привлекая методы аналогии можно учесть условия проходки, в начальной стадии строительства стволов опыт отсутствует. В связи с переходом горных работ на глубины более 600 м рациональное решение проблемы вывалообразования является главенствующим фактором, влияющим на сроки строительства и стоимость ствола. Данные скважин контрольно-стволового бурения дают ограниченные результаты. Поэтому экстраполяция данных, накопленных на неглубоких горизонтах, при больших глубинах не обеспечивают достоверность прогноза условий и надежность проектных и технологических решений.

Практика показывает, что на период проектирования ствола, данные о свойствах и состоянии пород, для одних условий оценены более достоверно, для других – менее определенно или условно. Некоторые сведения принимаются вообще априорно [2]. Так, например, при проектировании воздухоподающего ствола шахты им. Засядько проектный геологический разрез включал в себя ряд водоносных песчаников крепостью по шкале проф. Протодьяконова до 6–7 ед., с общим водопритоком на глубине 600 м более 160 м³/ч.

Фактически приток на данной глубине составил 6 м³/ч, крепость пересекаемых песчаников достигала 9 ед., трещиноватость 50–75 % по показателю RQD [2]. Все это обусловило повышенный, по сравнению с проектным, расход взрывчатых материалов, большее количество вывалов и перерасход бетона. Такой ситуации можно избежать при более тесном сотрудничестве проектной организации и строительного подрядчика. Названные геомеханические характеристики горного массива являются первичными и неуправляемыми в своих проявлениях, следовательно, воздействовать на литолого-механическую систему в нужном направлении возможно лишь посредством регулируемых горнотехнических факторов.

К горнотехническим регулируемым факторам можно отнести [3]:

• срациональный выбор удельного расхода взрывчатых веществ при буровзрывной технологии проходки;
• применение контурного взрывания;
• применение временных крепей и предварительно упрочняющих воздействий на массив в виде тампонажа, анкеров и др.;
• выбор обоснованного отхода забоя от основного (постоянного) крепления.

Исследованиям автора были подвергнуты статистические данные по 18 стволам, различного диаметра и глубины, Донецкой области. Они показали, что в качестве крепи вертикальных стволов наиболее широкое распространение получила бетонная крепь. Из рисунка 1 видно, что не смотря на то, что комбинированная крепь является более ресурсосберегающей и экономичной, она до сих пор не получила большого распространения, и ее доля составляет не многим более 2 %. Это связано с тем, что методологическая база обоснования выбора вида комбинированных крепей, для строительства вертикальных стволов, не достаточно разработана [4], и позволяет работать в этом направлении в дальнейшем.

При таком широком применении бетонной крепи (рис. 1), увеличение толщины постоянного крепления, при сооружении стволов в сложных геологических условиях, не оправдала себя. Вывалообразование происходило как породы, во время проходки стволов, так и бетона при их эксплуатации. Это влечет увеличение времени и стоимости сооружения ствола, а также его эксплуатации в дальнейшем. Гораздо лучше себя зарекомендовала комбинированная крепь [5]. Более широкое использование которой, совместно с применением новых полимерных, композитных материалов, является перспективной задачей строительства шахтных стволов.

Рисунок 1 – Процентное соотношение видов крепи, распространенных в Донбассе

Соблюдение оптимальной величины отставания (отхода) постоянной крепи от «груди» забоя (l_от), несомненно, воздействует на состояние приконтурных пород. Чем больше обнажен породный массив, тем больше вероятность вывала большего объема породы. Влияние величины отхода на вероятность обрушения тесно связано и с диаметром ствола (при его увеличении значительно увеличивается площадь обнажения породного массива), [6].

Величина отхода обычно колеблется в пределах от 1 до 4,5 м. Эти колебания вызваны как горно-геологическими, так и горно-технологическими причинами. При малом (до 1,5 м) отходе, из-за высотных габаритов буровой установки, при бурении оконтуривающих шпуров нельзя точно выдержать углы их ориентации в пространстве, регламентированные паспортом БВР. Вследствие этого ухудшается КИС, КИШ, уходка. Возникает необходимость доведения забоя до проектных размеров отбойным молотком (т.е. возрастает трудоемкость). В связи с этим технологически выгодно бурить при больших отходах.

При большом отходе на бурение есть возможность выдержать все параметры паспорта БВР, но при этом стенки породного забоя стоят незакрепленными более длительное время. В результате этого из микротрещин, содержащихся в слоистом породном массиве, образуются системы макротрещин, которые в дальнейшем формируют очаги вывалообразований. Из выше сказанного вытекают два условия предотвращения вывалов и минимизация их последствий при проходке стволов: соблюдение оптимальной величины отхода (2,5–3 м); сокращение периода между обнажением породы и возведением постоянной крепи (до 5–6 ч.), [6].

Рассмотренные технологические предпосылки уменьшения вероятности вывалообразования не учитывают того, что темпы проходки и крепления стволов обусловлены не только организационными факторами, но и геомеханическими. При вы- соких темпах забой не успевает «разгрузиться», напряженное состояние пород проявляется во время набора прочности бетонной крепи, что соответственно снижает ее эксплуатационные качества и обязательно проявится в дальнейшем. С этой точки зрения вариантами надежного безремонтного крепления являются:

• использование комплекса ДШП, когда постоянное крепление отстает от забоя до 40 м и массив успевает «разгрузиться»;
• применение временных крепей, принимающих на себя основные первоначальные подвижки массива, с последующим возведением постоянного крепления;
• применение многослойных крепей, компенсирующих сдвиг окружающих пород.

Несомненно, что обоснование скорости проходки стволов, с точки зрения геомеханических процессов происходящих вокруг них, является важным условием надежности их эксплуатации. Организация скоростных проходок требует нового подхода к конструкциям крепей, устройство которых не снижает темпов сооружения стволов. Рассмотрение этих и других способов, влияющих на технико-экономические показатели прохождения вертикальных стволов, выходят за пределы данной статьи.

Однако, при обосновании технологии крепления, необходимо отметить, что согласно данным НИИОМШС, причинами вывалообразований и деформирования крепи стволов являются: не учет особенностей проявления горного давления, усиливающегося влияния структурной и механической неоднородности массива, возрастание с глубиной асимметрии нагрузок на крепь (32,3 %); несоответствие технологии крепления горно-технологическим условиям (33,6 %); непредсказуемые горногеологические факторы (32,1 %).

Выводы

Необходимыми условиями предотвращения вывалообразования, при временных обнажениях горного массива, являются:
1. Прогнозирование зон возможных очагов вывалообразований на основе анализа горно-геологических условий на стадии проектирования.
2. Тесная интеграция проектирующих и строительных организаций на всех периодах строительства.
3. Управление породным массивом современными технологиями проходки и конструкциями крепи.

Список использованной литературы

1. Омельянович В.М. Шахтная геология угольных месторождений. – М.: Недра, 1996. – 220 с.
2. Изучение физико-механических свойств пород в Донбассе. // Донецк, 1969. – 112 с.
3. Левит В.В., Новик Е.Б. К оценке механизма и показателей вывалообразования в шахтных стволах. / В.В. Левит , Е.Б. Новик // Геотехническая механика, 1998. – С. 126–131
4. Левит В.В. Геомеханические основы разработки и выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно-неоднородных породах. / В.В. Левит // Дис. д-ра техн. наук. – Днепропетровск: НГА України, 1998. – 507 с.
5. Булат А.Ф. Геомеханическое обоснование технологии возведения анкерной стяжной крепи в камерных выработках. / А.Ф. Булат, В.Б. Усаченко, В.А. Амелин // Металлургическая и горнорудная промышленность, 1998. – № 2. – С. 91–94.
6. Левит В.В., Буланенков Я.В. Проблемы вывалообразований при организации и прохож- дении вертикальных стволов угольных шахт. / В.В. Левит, Я.В. Буланенков // Науковий вісник НГА України, 2002. – № 2. – С. 29–31.