УДК 622.268:022.281/.189

Одна из главных причин неудовлетворительного состояния основных и подготовительных выработок—пучение пород почвы. Предотвращение пучения такими традиционными методами, как применение крепей замкнутых конструкций, подрывка пород, малоэффективно. Использование монолитных железобетонных замкнутых конструкций связано с существенными трудовыми и материальными затратами на выемку пород в пределах обратного свода и его последующее крепление, что увеличивает прямые нормируемые затраты на сооружение выработки в 1,2—1,5 раза (по сравнению с выработками без обратного свода).

Показательно, что в ряде случаев несущая способность обратных сводов замкнутых крепей оказалась недостаточной. Так, при строительстве околоствольного двора горизонта 630 м на шахте “Славяносербская” объединения Ворошиловградуголь через несколько месяцев после возведения оказался полностью разрушенным обратный свод замкнутой железобетонной крепи порожняковой ветви вспомогательного ствола на участке выработки (протяженность около 30 м, ширина всвету 6 м), непосредственно примыкающем к стволу. Выработка заложена по простиранию в толще аргиллитов и алевролитов, угол их падения около 35 , предел прочности на одноосное сжатие 30—50 МПа.

Рис. 1. План камеры опрокидывателей, грузовой и порожняковых ветвей главного ствола околоствольного двора на горизонте 490 м шахты им. XIX съезда КПСС: 1 — грузовая ветвь; 2 — камера опрокидывателей; 3 — главный ствол; 4 — порожняковая ветвь; 5 — разгруженные и упрочненные породы.

На больших глубинах, а в некоторых случаях и на малых, подрывка почвы не останавливает процесса пучения пород. После двух-трех подрывок возникает необходимость полной замены крепи. Так в качестве примера рассмотрим состояние крепи в восточном полевом откаточном штреке (пласт l^в_к, горизонт 530 м, шахта “Ворошиливградская” № 1), имеющем длину более 3 км и срок службы 70 лет. Здесь в результате пучения пород почвы оказалась неработоспособной металлобетонная крепь АНТ с жесткой арматурой (арка—набрызг—тампонаж). Средние ежегодные затраты на поддержание 1 м выработки превышают 130 р., что составляет примерно 15% ее сметной стоимости.

Недостатки традиционных методов борьбы с пучением почвы вызвали необходимость критически рассмотреть проект строительства ряда выработок околоствольного двора горизонта 490 м на шахте им. "XIX съезда КПСС" объединения Ворошиловград-уголь. В целях предупреждения пучения пород в грузовой и порожняковой ветвях главного ствола, в камерах угольного и породного опрокидывателей проектом предусмотрена замкнутая металлобетонная крепь с жесткой арматурой: площадь сечения всвету соответственно 14,7 и 25,1 м², в проходке 22,2 и 39,8 м²; объем бетонных стен 1,2 и 1,7 м³, бетонных сводов 2,24 и 4,15 м³, обратных бетонных сводов 1,54 и 3,2 м³, закладки 2,5 и 5,7 м³; расход металлической арматуры на 1 м выработки 0,71 и 1,45 т, тампонажного раствора 1,9 и 2,8 т. Эти выработки общей протяженностью около 150 м расположены под углом 37° к простиранию пород в толщах аргиллитов и алевролитов с пределом прочности на одноосное сжатие соответственно 18—46 я 39—52 МПа и углом падения около 60° (рис. 1). При строительстве горизонта было установлено, что пучение почвы имеет место в выработках, расположенных в песчаниках с пределом прочности на одноосное сжатие 80 МПа. Например, пучение почвы представленной песчаником, в порожняковой ветви главного ствола составляет -1,2 мм/сут. Чтобы снизить затраты и повысить эффективность строительства горизонта, замкнутую металлобетонную крепи в грузовой и порожняковой ветвях главного ствол; и на отдельных участках камеры опрокидывателе было решено заменить крепью АНТ с активной раз грузкой и упрочнением пород (рис. 2).

Рис. 2. Схемы поперечного сечения грузовой и порожняк вой ветвей главного ствола:

а—в металлобетонной крепью и обратным бетонным сводом; ( с крепью АНТ и обратным сводом КГМИ: 1 — разгруженная ; 2 — разгруженная и упрочненная зона.

Лабораторными исследованиями определено, что затампонированные породы в рассматриваемых условиях имеют прочность на одноосное сжатие 10,5 МПа, на растяжение 0,9 МПа. Расчеты показали, что у обратного свода КГМИ достаточная несущая способность. Проектные параметры обратного свода из разгруженных и упрочненных пород представлены в таблице. В грузовой и порожняковой ветвях главного ствола для разгрузки пород от напряжений бурили в поперечном сечении выработки три вертикальных шпура глубиной 2,1 м на расстоянии 2м один от другого, промежуток между поперечными рядами 1,8 м.

Шпуры бурили перфораторами ПР-27, штанги использовали длиной 2,2 м с долотчатыми коронками диаметром 42 мм. Взрывание осуществлялось заходками по 10—15 м, масса заряда 0,3—0,6 кг. Она подбиралась таким образом, чтобы отсутствовали воронки выброса, и был обеспечен подъем пород в среднем на 0,1 м. При этом рельсовый путь не нарушается, и не требуются меры по защите проходящих по выработке магистралей энергоснабжения и вентиляционных труб.

Для тампонажа пород бурили вертикальные шпуры по сетке квадрата со стороной 2 м (в поперечном сечении выработки два шпура), глубина шпуров 2,1 м, диаметр 42 мм. Работы по тампонированию вели заходками по 10—15 м. Тампонирование пород осуществлялось через глубинный съемный инъектор конструкции КГМИ насосом НБЗ-120/40 при давлении до 0,5 МПа. В качестве напорного трубопровода использовался резиновый рукав с текстильным каркасом, наружный диаметр 53 мм. Длина напорного трубопровода 20—40 м.

Цементно-песчаный тампонажный раствор готовился на месте с помощью растворомешалки УМБ-3. Марка цемента 400. В процессе нагнетания изменяли состав раствора от В:Ц:П=2:1:1 в начале тампонирования до 1 : 1 : 2 в конце. Перед тампонажем все стаканы от разгрузочных шпуров набивались песком, ближайшие шпуры к тампонируемому перекрывались пробками. Раствор нагнетался до тех пор, пока он не начинал выливаться через трещины да почву выработки, после чего процесс повторялся в пределах заходки, но с раствором более густой консистенции. Характерно, что при перерывах, в тампонировании продолжительностью более 5 мни происходит выпадение осадка из раствора и образование коржей в нагнетательном и всасывающем трубопроводах, что требует значительных затрат труда на их очистку. При длительных перерывах следует организовать циркуляцию тампонажного раствора. Расход раствора составлял 0,6—0,9 м³ на 1 м выработки.

Специализированное звено в составе четырех-пяти проходчиков за смену тампонировало 10—15 м выработки. При этом два-три проходчика готовили раствор, двое прочищали шпуры и перестанавливали в них инъектор. В камере опрокидывателей разгрузочные и тампонажные шпуры имели также длину 2,1 м и диаметр 42 мм. Первые бурили в почве выработки по сетке квадрата со стороной 2м: (в поперечном сечении располагали четыре шпура), вторые — со стороной 2,5 м (три шпура). Расход раствора достигал 1,2 м³ на 1 м выработки. Работы по сооружению обратных сводов КГМИ выполнены в камере опрокидывателей на трех участках (общая протяженность 30 м), в порожняковой ветви главного ствола (участок длиной 30 м) и в его грузовой ветви (100 м). В порожняковой ветви главного ствола и примыкающей к ней части камеры опрокидывателей, расположенных в алевролитах, где проведена разгрузка и упрочнение пород, средняя скорость пучения почвы составляет 0,17 мм/сут. На участке камеры опрокидывателей, примыкающем к грузовой ветви главного ствола, и в самой грузовой ветви, которые расположены в аргиллитах и алевролитах, после разгрузки и упрочнения пород пучение почвы снизилось до 0,41 мм/сут; до проведения указанных работ оно в среднем составляло 3,8 мм/сут.

Изменились объемы работ и расход материалов на 1 м выработки. Так, объем вынимаемой породы в камере опрокидывателей уменьшился на 8,85 м³, в грузовой и порожняковой ветвях главного ствола— на 4,2 м³, объемы крепления металлом соответственно на 0,33 и 0,26 т, укладки бетона в обратный свод на 3,2 н 1,54 м³, закладки обратного свода на 5,7 и 2,5 м³, объем бурения шпуров увеличился на 6,7 и 5 м, расхода тампонажного раствора на 1,4 и 0,9 м³.

Благодаря снижению объемов работ, повышению уровня их механизации, сокращению расхода материалов уменьшена полная сметная стоимость строительства 1 м камеры опрокидывателей на 465 р., 1 м грузовой и порожняковой ветвей главного ствола на 183 р. Полученные данные показывают, что обратный свод из разгруженных и упрочненных пород в рассматриваемых условиях примерно на порядок и более способствовал уменьшению скорости пучения почвы.

Применение в конструкциях замкнутых крепей обратных сводов КГМИ позволяет в период строительства выработки снизить относительные объемы работ, расход материалов, повысить общий уровень механизации работ и получить экономический эффект До 20% от сметной стоимости сооружения выработки.