,Источник: http://fgtu.donntu.ru/faculty.html
удк 622.273
Практические пути сохранения устойчивости ликвидируемых вертикальных стволов закрывающихся шахт
Проф. И.Циганек (ВШБ, Чехия), д.т.н. И.Ф.Ярембаш, кандидаты техн. наук И.Г.Ворхлик, В.И.Пилюгин (ДонГТУ), инж. Г.Т.Ализаев (ПО “Донецкуголь”)
Анализ наиболее крупных аварий, связанных с потерей устойчивости ликвидируемых вертикальных стволов в Европе [1] показывает, что для их предотвращения необходимо решить три основных задачи:
| - выбор материала и геометрических параметров первоначального заполнения (основания засыпки) вертикального ствола; | |
| - выбор материала и схемы засыпки основной части ликвидируемого ствола; | |
| - осуществление работ по перекрытию устья ствола. |
Очевидно, что только правильное совместное решение этих трех вопросов может обеспечить безопасность и стабильное состояние поверхности, прилегающей к ликвидируемому стволу.
На рис. 1 изображена схема первоначального заполнения ствола, т.е. создания основания для засыпки. Так как на этой стадии закладывается своеобразный фундамент или опора для возводимого сооружения необходимо применять неразмокаемые материалы с высокой несущей способностью. Устойчивость основания обеспечивается за счет горизонтальной составляющей давления, которая определяет значение силы взаимодействия закладочного массива с крепью ствола (рис. 1). Его высоту рассчитывают по эмпирической формуле, полученной для условий шахт Чехии и Англии [2]:
,
где d – внутренний диаметр ствола, м; k – коэффициент прочности опоры, зависящий от высоты засыпки над ней; D H – дополнительная высота опоры, учитывающая неравномерность заполнения сечения ствола закладкой.
Нарушение устойчивости основания закладочного массива в стволе может происходить по следующим причинам:
| - малая высота основания, когда величина сил горизонтального распора недостаточна для поддержания равновесия (рис. 2, а). В этом случае под давлением вышерасположенного материала засыпки происходит “расползание” основания и опускание закладочного массива; | |
| - недостаточная прочность основания засыпки, приводящая к его деформированию в горизонтальные выработки (рис. 2, б); | |
| - склонность материала основания к размоканию, которая даже при достаточной высоте приводит к выдавливанию его в полость выработки и снижению уровня закладки (рис. 2, в); | |
| - разрушение крепи ствола под действием агрессивных вод и набухание закладочного материала за счет его увлажнения при изменении водного режима на контакте крепь-порода (рис. 2, г); | |
| - размыв закладки подземными водами на уровне сопряжения ствола с выработкой (рис. 2, д). |
Для закладки надежного и устойчивого основания ликвидируемого ствола, как показала многолетняя практика, можно использовать крепкие, нерастворимые, ненабухающие скальные породы или бетонные сооружения высокой прочности. Несущая способность основания должна проектироваться с учетом явления адгезии, т.е. сцепления стенок ствола с вышерасположенной твердой закладкой. Значения горизонтальных и вертикальных напряжений на глубине h составят
,
где Pmax – максимальные значения горизонтальной или вертикальной составляющей, Па; w – коэффициент активного давления закладки, зависящий от угла внутреннего трения; m – коэффициент трения закладки о крепь ствола; R – гидравлический радиус ствола, м.
Величина Pmax в основном определяется плотностными свойствами закладки, но зависит также от ряда горнотехнических факторов.
Анализ наших расчетов, выполненных для широкого спектра горно-геологических, горнотехнических и гидрогеологических условий показывает, что существует некоторая критическая глубина засыпки h, с превышением которой давление на основание не возрастает, если не изменяются свойства засыпаемого материала. В связи с этим наиболее безопасно применять твердеющие виды закладки на основе различных вяжущих веществ. В местах значительного водопритока закладку следует разделять слоем водоупорной глины. Его толщина должна быть не менее 1 м. Через каждые 100 м засыпки ствола возводится глиняная перемычка толщиной не менее 2 м. Как показала практика ликвидации стволов в Англии и Германии [1] причиной аварий может служить использование в качестве засыпочного материала породы из отвалов угольных шахт, в том числе перегоревших. В этом случае оседание слабых глинистых пород в стволе может достигать 10% за первые 2 года. Если из такой массы сделано основание, то процесс деформирования растягивается до 20-30 лет.
На практике нередки случаи, когда ликвидируемый вертикальный ствол пересекает горизонтальные выработки в нескольких местах. Это создает дополнительные сложности при его засыпке. Зоны сопряжений, являясь потенциально опасными накопителями деформаций закладки, должны бетонироваться по схеме, приведенной на рис. 3, а. Параметры и свойства бетонной “пробки” выбираются согласно требованиям, предъявляемым к основаниям засыпки. В некоторых случаях можно не засыпать нижерасположенный участок ствола [1]. При этом минимальная несущая способность неразмокаемой “пробки” должна обеспечивать поддержание столба пород высотой не менее критической высоты засыпки.
Не менее ответственным этапом в обеспечении устойчивости ликвидируемых стволов является перекрытие их устьев. Основным видом аварий, связанных с этим процессом, является обрушение в ствол грунта с образованием кратера [1]. Для предотвращения подобных явлений производится закрытие устья ствола железобетонной плитой на уровне верхней границы скальных пород (рис. 3 б). Верх засыпки должен быть упрочнен скрепляющими составами. Поверхностный слой почвы культивируется и ограждается.
На рис. 3, а представлен вариант ликвидации ствола, в котором возможно опускание закладки с образованием кратера в течение ближайших лет. В этом случае железобетонная плита отсутствует. Вместо нее создается специальная насыпь в виде конуса с ограждением, диаметром не менее 2D. При понижении уровня закладки осуществляют досыпку закладочного материала в ствол.
Описанные выше пути сохранения устойчивости являются обобщением практического опыта угледобывающих стран Европы с начала ХХ века по ликвидации вертикальных стволов. Затронутая проблема чрезвычайно актуальна и сложна для условий Донбасса. Следует отметить, что быстрых и дешевых способов ее решения не существует. Практические действия в этом направлении должны исключать любую степень риска и неопределенности, т.к. последствия могут проявиться спустя нескольких десятков лет и нанести громадный экологический и экономический ущерб.
Библиографический список
1. Циганек И., Ярембаш И.Ф., Пилюгин В.И. Проблемы ликвидации вертикальных стволов угольных шахт // Уголь Украины. – 1998. – №2. – С. 54-56.
2. Ciganek J., Luks J. Stavebni likvidace doly ve svetle evropskych predpisu // Сборник статей 5-й международной конференции "Актуальные проблемы в горном деле". – ВШБ, Острава, Чехия, – 1997, – С. 158-162.
a И.Циганек, И.Ф.Ярембаш, И.Г.Ворхлик, В.И.Пилюгин, Г.Т.Ализаев, 1998