"Уголь Украины", №6, 1999.
Основные технологические этапы ликвидации вертикальных стволов при закрытии угольных шахт
проф. И. Циганек (Висока школа банська, Чехия), док. техн. наук И.Ф. Ярембаш, кандидаты техн. наук В.И. Пилюгин, Б.И. Нестеренко, И.Г. Ворхлик(ДонНТУ)
Проблема ликвидации вертикальных стволов ввиду особой сложности и специфичности занимает центральное место при закрытии угольных шахт. Ошибки при ее решении, как свидетельствует зарубежный и отечественный опыт, могут привести к непоправимым последствиям и человеческим жертвам [1, 2]. На рис. 1 показан провал поверхности, возникший вокруг устья ликвидированного и засыпанного ствола шахты "Гедвик" (Чехия). Авария была обусловлена усадкой закладочного материала в результате заполнения пустот, образованных в процессе засыпки. Подобный случай произошел также при ликвидации ствола шахты № 30 ПО "Донецкуголь" в декабре 1979 г. Причиной послужило разрушение кирпичной крепи, повлекшее за собой образование воронки диаметром 22 м и глубиной 10 м, в которую провалилось надшахтное здание вместе с пристройками.
Из этих примеров видна "непредсказуемость" поведения выработки и многообразие причин нарушения ее устойчивости. Зарубежный и отечественный опыт ликвидации вертикальных стволов показывает, что весь технологический цикл можно условно разделить на пять основных этапов: подготовка к засыпке, определение и оконтуривание границ зоны опасного ведения закладочных работ, подготовка поверхности к засыпке, собственно засыпка ствола и этап заключительных работ.
Подготовка ствола к засыпке. Этому этапу необходимо уделять большое внимание. Оставленные в стволе канаты, проводники, расстрелы, лестничные отделения и другое оборудование могут вызвать образование пустот при засыпке. Самые жесткие немецкие инструкции предусматривают полную очистку ствола на всю его глубину от шахтного оборудования. В других странах выполняется только частичная очистка. Однако устье ствола в любом случае освобождается на глубину не менее 20 м с обеспечением сохранности и устойчивости крепи. При использовании твердеющей закладки с засыпкой по центру армировка ствола может не извлекаться. Следует проверять также
состояние крепи. В местах ее возможного разрушения необходимо производить ремонтные работы с использованием водостойкого бетона.
При подготовке ствола к засыпке сооружаются опорные перемычки на сопряжениях с горизонтальными выработками. Следует учитывать, что их недостаточная устойчивость может стать причиной "вытекания" закладки в выработки и понижения ее уровня в стволе. Во время сооружения опорных перемычек ("пробок") на сопряжении ствола с горизонтальными выработками должен функционировать аварийный (временный) подъем, а в "пробки" необходимо закладывать трубы для проветривания.
Рис. 1. Провал поверхности над устьем ликвидированного ствола шахты "Гедвик" (Чехия).
Определение границ зоны безопасного ведения закладочных работ. На практике выделяют зону возможных деформаций земной поверхности вблизи
устья ствола и зону, опасную по взрыву вытесняемого из шахты метана. Согласно исследованиям немецких ученых диаметр зоны опасных деформаций можно определить [3] по следующей формуле:
D = d + 2t + 2s + 2h .
где d - диаметр ствола всвету, м;
t - толщина крепи, м;
s - величина зоны деформированных коренных пород при проходке ствола, м;
h - мощность наносов, м.
В нормативных инструкциях Германии указывается, что радиус зоны опасных деформаций составляет R = 20 + 0,5d. В Чехии считается, что зона опасных деформаций поверхности распространяется примерно на 20 м от внешнего контура ствола. При неудовлетворительном прогнозе устойчивости устья ствола и наличии области деформированных скальных пород вокруг него размеры зоны увеличиваются.
Опыт угледобывающих стран Европы подтверждает, что опасность выхода метана на поверхность весьма велика. В связи с этим особенно опасны колебания атмосферного давления, в процессе которых возможно появление взрывоопасной концентрации метана в окрестностях ствола. Это наблюдалось при ликвидации ствола шахты "Шверма" (Чехия), концентрация метана иногда достигала 6%. Согласно английским нормам при ведении любых работ около ствола необходимо замерять процентное содержание метана в атмосфере возле устья в пределах зоны, опасной по взрыву вытесняемого из шахты метана, а также на глубинах 20, 40, 60, 80 и 100 м.
Для предотвращения скопления метана, его воспламенения или взрыва поверхность в окрестностях ствола должна быть расчищена и выровнена. На территории опасной зоны необходимо запретить курение и применение взрывоопасного оборудования. Кроме того, следует обеспечить безопасный подъезд к стволу. Согласно немецким инструкциям вблизи ствола надо разбирать все здания и сооружения, которые в момент взрыва метана или в период проявления опасных деформаций поверхности могут обрушиться в ствол. В Чехии стремятся сохранить, по возможности, все здания поверхностного комплекса шахты. Однако ненадежные объекты здесь также подлежат сносу. Исходя из этого при определении и оконтуривании границ опасных зон нужно учитывать:
местоположение устья ствола относительно открытого проветриваемого пространства;
виды проводимых работ (сварка, закладка и др.);
вид транспорта по доставке закладочного материала (автомобильный, конвейерный и др.);
потребность ведения взрывных работ по разрушению надшахтных зданий, сооружений;
характер застройки над стволом и возле ствола; необходимость в проведении работ по дегазации, откачки воды и др.
Подготовка поверхности к засыпке ствола. Если шахта не опасна по взрыву метана и произведена полная очистка ствола (убрано его оснащение), то допускается высыпание закладочного материала из автомобилей непосредственно в ствол. При этом следует предусмотреть меры безопасности по предотвращению падения автомашин в ствол в случае обрушения его устья.
В Англии при доставке закладочного материала автомашинами у устья устраивается бункер-накопитель с наклонным заездом и желобом, обеспечивающим засыпку ствола по его центру, что гарантирует устойчивость устья и предотвращает разрушение крепи. В Германии бункер-накопитель оборудуют вне опасной зоны, а подача закладки в ствол осуществляется конвейером. Если не убрано оснащение, то засыпка ведется только по центру, причем предусматривается установка грохота перед конвейером, чтобы исключить попадание в ствол крупных кусков (более 250 мм).
Засыпка ствола. При засыпке особо важное место занимает контроль качества закладочного материала (кусковатость, плотность и др.) и его объема. При применении затвердевающих материалов вопросы контроля этих параметров становятся центральными. Сравнение фактического объема засыпки с расчетным осуществляется ежедневно. При расхождении этих величин более чем на 20% процесс закладки приостанавливают и выясняют причину. Кроме того, ведутся наблюдения за притоком воды, чтобы не допустить ее превышения над уровнем закладки.
Немецкие инструкции предписывают, чтобы измерение объема закладки выполнялось с частотой, позволяющей своевременно выявлять пустоты, которые могут образоваться при засыпке ствола. В любом случае измерение уровня засыпки необходимо осуществлять не реже чем через каждые 50 м заполнения ствола и при перерывах в закладочных работах, которые превышают одну неделю. В целях предотвращения скопления и взрыва метана в стволе необходимо, чтобы процесс закладки происходил непрерывно с небольшой скоростью.
Лучшим средством подачи закладки является конвейер, обеспечивающий достаточно медленное и равномерное поступление материала, его уплотнение и взаимодействие с крепью. При закладке твердеющими материалами пульпа подается в ствол по трубам диаметром 150-200 мм. Контроль содержания метана при закладочных работах осуществляют автоматические датчики, установленные возле устья и в стволе на глубине не менее 50 м.
Выполнение заключительных работ. На заключительном этапе работ после усадки закладочного материала производится тампонаж ствола. В зависимости от конструкции его шейки и ее прогнозной устойчивости применяются различные способы перекрытия устья. Чаще всего устье перекрывается железобетонной плитой с упором на крепь или на сваи, забитые до коренных пород. Конструкция плиты, ее толщина, поперечные размеры, несущая способность определяются практикой и расчетами. При неудовлетворительном прогнозе устойчивости устья необходимо предварительно укреплять горные породы вокруг ствола [4]. Окончанием работ по погашению ствола является ликвидация всех подходов к нему (каналов вентилятора, калорифера и др.), чтобы не допустить проникновения метана на поверхность. В дальнейшем согласно проекту постоянно контролируется оседание закладки и метановыделение через покрывающую устье плиту. После очистки и рекультивации территории производится маркшейдерская съемка промышленной площадки шахты. По ее результатам составляется совмещенный план поверхности земли с непогашенными подземными выработками околоствольного двора. На плане необходимо показать устье ликвидированного ствола, границы опасных зон по возможным провалам земной поверхности и взрыву метана, все сохранившиеся здания и сооружения, а также все подземные коммуникации вблизи устья, по которым возможно проникновение метана на поверхность при разрушении (с течением времени) крепи ствола.
Кроме того, представляется целесообразным на совмещенном плане указать зоны возможных деформаций земной поверхности в случае обвала пород в непогашенные выработки околоствольного двора при разрушении крепи, например, агрессивными подземными водами. Учитывая, что для выполнения ликвидационных работ отчуждается значительная территория и возникает ряд правовых, финансовых и других проблем, необходимо на этапе составления проекта закладочных работ все эти вопросы рассматривать в комплексе и стремиться к тому, чтобы размеры зоны отчуждения были минимальными.
В заключение следует отметить, что в связи с происходящим в настоящее время процессом закрытия шахт Донбасса с учетом перспективы целесообразно с участием специалистов и заинтересованных организаций разработать инструктивные, нормативные, руководящие, методические материалы по ликвидации вертикальных стволов, которые бы вобрали мировой опыт и в полной мере учитывали специфику бассейна, экономическое положение угольной отрасли и страны. Первостепенное внимание при их разработке следует уделять вопросам безопасности и не только производства собственно ликвидационных работ, но и, что чрезвычайно важно, исключению негативных последствий в будущем. Последнее приобретает особую актуальность при ликвидации стволов, расположенных на шахтной территории.
Литература 1. Циганек Г., Ярембаш. И. Ф., Пилюгин В. И. Проблемы ликвидации вертикальных стволов угольных шахт // Уголь Украины.- 1998.- № 2.
2. Циганек Г., Ярембаш И. Ф., Пилюгин В. И., Ворхлик И. Г., Ализаее Г. Т. Практические пути сохранения устойчивости ликвидируемых вертикальных стволов закрывающихся шахт // Изв. Донецкого горного института.- 1998.-№ 2.
3. Vyhiaska Ceskeho uradu с. 52 / 1997 // Sbirka zakonu.
4. Flake R., Hollman F., Hiilsmann К. Н. und and.: Das Problem aufgegebener Tagesschachte. Mitteilungen der Westfalischen Berggewerkschaftskasse, Heft 31, 1975.
