Вертикальные стволы, отнесены к первому классу горных выработок по важности [1], так как их отказ в работе приводит к остановке работы всей шахты. Поэтому эксплуатационная надежность стволов должна быть высокой, а принимаемые конструктивно технические решения по креплению и управлению горным давлением должны обеспечить безремонтную их эксплуатацию.

На наш взгляд, будущее, что подтверждается и зарубежным опытом (ЮАР), за стволами больших диаметров (8…10м), когда стволы при наличии перемычек могут быть одновременно и вентиляционными и воздухоподающими. В общем случае зависимость скорости проходки стволов (V) от влияющих факторов может быть представлена в виде феноменологической формулы:

V=f(Н, D, q1, q2, Q, Rt, s, N), (1)

где Н – глубина ствола; D – диаметр ствола в свету; q1 , q2 – относительные показатели мощности подъемных и погрузочных средств; Q – приток воды в ствол; Rt - приведенная реологическая прочность пород, МПа; s - толщина бетонной крепи; N – число людей, работающих в забое.

При сооружении подобных стволов имеется ряд специфических проблем и особенностей, которые уже проявились на шахте «Красноармейская - Западная №1» и им.А.Ф. Засядько.

Под влиянием воды понижаются прочностные и повышаются реологические свойства приконтурных пород, к примеру, представленных на ВПС №2 ш.А.Ф.Засядько в основном аргиллитами и песчаниками подверженными размоканию. Согласно геологическим характеристикам, на ВПС №2 происходит снижение прочности песчаников за счет водонасыщения в 2,5…3,0 раза (63,0…20,0МПа), что соответствует снижению крепости пород забоя по шкале Протодьяконова с 6 до 2 и влечет за собой значительные объемы вывалообразования, а при малых водопритоках на ВВС №2 реологическая прочность песчаников достаточно высока и колеблется в пределах 65…95МПа, т.е. стенки ствола устойчивые, вывалообразование минимальное. Наряду с усиленным вывалообразованием на ВПС №2 ввиду слабых размокших пород, устойчивость стен ствола с увеличением диаметра уменьшается из-за того, что большой диаметр создает большие плоскости обнажения. При этом забой, представляющий со-бой в плане многоугольник, на малых диаметрах имеет меньшую длину граней, которые более аппроксимированы к кругу, и, следовательно, стенки ствола более устойчивы.

Обильные водопритоки на ВПС №2 не просто осложняли организацию работ, но исходя из того, что сооружение ствола приводит к изменению водообмена в водоносных горизонтах, вызванного дренирующим влиянием формирующейся полости ствола, провоцируется развитие в продуктивной толще новых областей гидроразгрузки зон водопонижения, в результате чего водоприток в ствол интенсифицируется, прочность пород и, особенно, устойчивость обнаженных стен забоя ствола падают, а это, в свою очередь, приводит к вывалам и удлинению во времени II фазы уборки породы, когда разлагающиеся песчаники размягчаются до «тестообразного» состояния. По данным ГОАО «Трест Донецкшахтопроходка» [2] влияние водопритоков более 15м3/час на скорость проходки составляет 15…20% (рис.1). Вопросы разработки ресурсосберегающих технологий проходки вертикальних стволов в условиях повышенных водопритоков неразрывно связаны с решением ряда сложных технических и технологических задач уже на этапе составления проектов производства работ, до начала самой проходки. При этом существует несколько направлений такого решения: тампонаж горных пород с поверхности по периметру будущего ствола в соответствии с данными геологоразведки; тампонаж из забоя ствола при подходе к водоносным горизонтам и организация водопритоков как в приконтурном массиве, так и по стволу. К сожалению, в этом вопросе еще нет единого мнения. В последние годы нашими учеными и практиками совместно с ПО «Спецтампонажгеология» отработана технология комплексного метода тампонажа пород с целью охраны стволов [3], в котором гидроизоляция водоносных горизонтов осуществляется с поверхности через наклонно-направленные скважины. Создано новое научное направление по физико-механике тампонирования трещиноватых, пористых и нарушенных пород (Кипко Э.Я., Полозов Ю.А., Фотиева Н.Н., Должиков П.Н., Трупак Н.Г. и др.). Первые два направления широко применяются в шахтопроходческой практике, а организации водопритоков уделяется очень мало внимания, а ведь в этом кроются большие резервы и перспективы. Одним из элементов является создание высокопрочной гидравлически стойкой монолитной крепи вертикального ствола, в которой учтены «узкие места», 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;
• создания 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.

Этим направлениям и посвящены наши разработки. Прежде всего, необходимо уточнить, что понимать под определением «высокопрочный и гидростойкий бетон». Создание высокопрочного бетона осуществляется в основном за счет повышения активности цемента и применения более совершенной технологии изготовления бетона. При этом совершенно не учитываются реологические свойства компонентов, входящих в состав бетонной смеси на прочностные характеристики бетона [4]. Так, немецкий исследователь А. Хуммель предлагал считать высокопрочным бетон прочностью в 70 МПа и выше [5]. С.А. Миронов считал высокопрочными бетоны марок 300…500 [4]; А.Е. Десов, В.М. Москвин и Б.Г. Скрамтаев предлагали считать бетоны высокопрочными, если предел их прочности при сжатии выше 60 МПа и, кроме того, другие показатели (прочность при растяжении, морозостойкость) должны быть, по их мнению, также соответственно высоки [6]. Международная комиссия по высокопрочному бетону предлагает считать высокопрочными бетоны прочностью выше 100 МПа. Можно было продолжить подобные примеры, однако разница будет только в пред-лагаемой цифре — марке бетона, определяющей понятие «высокопрочный». Таким образом, несмотря на различие в величине прочности бетона, все эти предложения объединяет одно: в качестве определяющего фактора принимается лишь показатель марочной прочности бетона.

По нашему мнению, это не совсем верно, так как количественные характеристики прочности не учитывают целого ряда особенностей высокопрочных бетонов, качественно отличающих их от обычных. Поэтому, несмотря на одинаковую прочность, следует отдать предпочтение бетону более плотному, и, следовательно, более морозостойкому, водонепро-ницаемому и долговечному. Однако следует учитывать тот факт, что приготовить и уложить такой бетон гораздо труднее.

Связывать понятие о высокопрочном гидростойком бетоне с конкретными показателями его прочности без учета марки исходного цемента и технологии приготовления бетона принципиально неверно, так как при этом искажается сам смысл термина «высокопрочный бетон». В это понятие, по нашему мнению, следует вкладывать физический смысл, а не регламентировать его цифровыми различиями. Высокопрочные бетоны следует рассматривать так же как и «высокоплотные».

Работа проводилась в направлении установления доли вклада химических добавок и цементосодержащих гидростойких расширяющихся смесей для гидроизоляции тела бетонной крепи вертикальных стволов и стыков бетонной крепи по методике Донецкого Промст-ройниипроекта [7]. Для этого выполнялось сравнительное испытание стандартных бетонных образцов, полученных во время возведения монолитной бетонной крепи скипового ствола ш. «Красноармейская-Западная №1» на поверхности путем отбора в приствольном БРУ и после прохода бетонной смеси по бетонопроводу непосредственно в забое ствола. Прочность контрольных бетонных образцов на сжатие определялась на образцах размером 10x10x10 см по ГОСТ 10180-90 "Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам". Испытания проводились на прессе П-125 в стройлаборатории кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» Донецкого национального технического университета. В продолжение ранее проведенных исследований по влиянию реологических харктеристик заполнителей бетона [4], выполнялись сравнительные испытания образцов обычного тяжелого бетона, образцов этого же бетона с нанесением на их поверхность гидроизоляционного состава «SLURRY» и образцов бетона с введением в его состав добавки «SLURRY ADMIX» СПД - ФЛ Али Фарадж, а также сухой цементой смеси «Пенетрон» [8] для выяснения влияния этих смесей на повышение гидростойкости бетона.

Для сравнительных испытаний перечисленных бетонов приготавливались бетонные смеси. Компонентами бетонных смесей являлись портландцемент марки М400 производства ОАО Краматорского цементно-шиферного комбината "ПУШКА", щебень гранитный фракции 5…20 мм Караньского карьера, песок кварцевый Краснолиманского месторождения, материал химической обработки для обеспечения водонепроницаемости, защиты и улучшения свойств бетонов добавкой «SLURRY ADMIX» в количестве 1,5% от массы цемента. Расход компонентов в кг на 1 м3 бетона составлял:

• Портландцемент М400 - 450 кг;
• Щебень гранитный фр. 5…20 мм - 1220 кг;
• Песок Краснолиманский - 580 кг;
• Вода - 200 л;
• Добавка «SLURRY ADMIX» - 7 кг.

Такой же расход компонентов, но без добавки имел контрольный состав бетона и состав для нанесения на поверхность состава «SLURRY».

Нанесение состава «SLURRY» на поверхность бетонных образцов производилось в соответствии с "Инструкцией по применению гидроизоляционного состава «SLURRY». Состав «SLURRY» применялся в виде жидкого водного раствора, включающего 3 части сухого состава «SLURRY» на 2 части воды. Бетонная поверхность образцов перед нанесением состава «SLURRY» увлажнялась.

Добавка «SLURRY ADMIX» применялся в соответствии с "Инструкцией по применению добавки «SLURRY ADMIX»".

Добавка «SLURRY ADMIX» добавлялась в бетонную смесь в количестве 1,5% от массы цемента, необходимого на замес.

Расчетное количество сухой добавки «SLURRY ADMIX» перемешивалось с песком, щебнем и частью воды затворения, затем в смесь добавлялись цемент и остальное количество воды и снова составляющие тщательно перемешивались.

Из приготовленных бетонных смесей изготовлялись стандартные образцы для изучения следующих показателей бетонов: прочности на сжатие и водонепроницаемости.

Все образцы подвергались пропариванию в лабораторной пропарочной камере по режиму 4+4+8+3 при температуре изотермического прогрева +85°С.

Для приведения прочности бетона в образцах размером 10x10x10 см к прочности бетона в образцах базового размера применялся коэффициент 0,95.

Результаты испытаний образцов бетона на прочность при сжатии приведены в табл. 1.

Испытание бетонных образцов на водонепроницаемость производилось ускоренным методом в соответствии с ГОСТ 12730.5-84* "Бетоны. Методы определения водонепрони-цаемости" с использованием фильтратометра ФМ-3 по методике, изложенной в "Руководстве по эксплуатации фильтратометра ФМ-3 и методу определения водонепроницаемости бетона", г. Донецк, 1985 год.

Фильтратометр устанавливали на нижнюю (при формовании) поверхность образца и закрепляли. Затем поднимали давление воды в камере фильтратометра до 10 МПа вращени-ем ручки насоса и оценивали скорость падения давления. При медленном падении давления отмечали положение ручки насоса, а время соответствующее этому моменту принимали за начало испытания.

Ручкой насоса делали шесть полных оборотов, поддерживая давление в пределах (10±5)МПа и испытания прекращали. Это время принимали за окончание испытания.

По числу оборотов определяли вес воды, поглощенной бетоном, из расчета, что один полный оборот ручки насоса равен 9,63*10-3Н, а так же измеряли диаметр затемненного круга Д.

Таблица 1 – Результаты испытаний образцов бетона на прочность

Вид бетона	№ п/п	Размеры образцов, см	Масса образцов, г	Плотность, кг/м3		Разрушающая нагрузка, Н	Предел прочности на сжатие, МПа
				ед.	среднее		един.	среднее
Обычный тяжелый	1	10х10х10	2419	2420	2422	371250	34,32	34,68
	2	10х10,1х10	2446	2422		368750	34,68
	3	10х10х10,1	2449	2425		372500	34,43
Обычный тяжелый c поверхностью, покрытой «SLURRY»	1	9,9х10х10	2426	2450	2437	385000	36,94	37,86
	2	10х10,1х10	2456	2432		402500	38,62
	3	10х10,1х10,1	2479	2430		396250	38,02
Обычный тяжелый c добавкой «SLURRY ADMIX»	1	10х9,9х10,1	2427	2427	2431	417000	39,96	39,81
	2	10х10,1х10	2454	2430		409750	39,27
	3	10х10,1х10,1	2484	2435		426500	40,21
Обычный тяжелый c поверхностью, покрытой «Пенетрон»	1	10х10х10	2420	2420	2422	375000	35,94	36,59
	2	10х10,1х10	2446	2422		382500	36,76
	3	10х10х10,1	2449	2425		386250	37,07
Обычный тяжелый c добавкой «Пенетрон»	1	9,9х10х10	2416	2440	2434	395000	37,95	38,98
	2	10х10,1х10	2456	2432		406750	38,98
	3	10х10,1х10,1	2479	2430		417500	40,01

Коэффициент фильтрации бетона Кф (см/с) определяли по формуле:

где:

— коэффициент водопоглощения, Н/см3;

— путь фильтрации, равный Д/2, см;

— время испытания образцов, см;

—избыточное давление в фильтратометре, МПа.

Коэффициент водопоглощения определяли по формуле:

где:

— вес воды поглощенной бетоном, Н;

—объем бетона, насыщенного водой.

Среднее значение коэффициента фильтрации бетона определяли по данным шести испытаний.

Результаты испытаний на водонепроницаемость приведены в таблице 2.

Таким образом, в результате испытаний установлено, что применение состава «SLURRY» для нанесения его на поверхность бетона увеличивает прочность последнего на 9,17%, водонепроницаемость увеличилась с марки W6 до марки W20.

Бетон с добавкой «SLURRY ADMIX» по сравнению с бетоном без добавки увеличил прочность на 14,79%, водонепроницаемость бетона увеличилась с марки W6 до марки W16.

Из таблиц 1,2 следует, что покрытие поверхности бетона составом «Пенетрон» увеличивает его прочность при сжатии на 5,51%, водонепроницаемость бетона увеличилась с марки W6 до марки W16. Бетон же с добавкой «Пенетрон» увеличивает его прочность на 12,39% по сравнению с прочностью бетонов, где эти добавки не применяются, водонепроницаемость увеличилась с марки W6 до марки W20.

Таблица 2 – Результаты испытаний образцов бетона на водонепроницаемость

Вид бетона	№ п/п	Размеры образцов, см	Масса образцов, г	Плотность, кг/м3		Разрушающая нагрузка, Н	Предел прочности на сжатие, МПа
				ед.	среднее		един.	среднее
Обычный тяжелый	1	10х10х10	2419	2420	2422	371250	34,32	34,68
	2	10х10,1х10	2446	2422		368750	34,68
	3	10х10х10,1	2449	2425		372500	34,43
Обычный тяжелый c поверхностью, покрытой «SLURRY»	1	9,9х10х10	2426	2450	2437	385000	36,94	37,86
	2	10х10,1х10	2456	2432		402500	38,62
	3	10х10,1х10,1	2479	2430		396250	38,02
Обычный тяжелый c добавкой «SLURRY ADMIX»	1	10х9,9х10,1	2427	2427	2431	417000	39,96	39,81
	2	10х10,1х10	2454	2430		409750	39,27
	3	10х10,1х10,1	2484	2435		426500	40,21
Обычный тяжелый c поверхностью, покрытой «Пенетрон»	1	10х10х10	2420	2420	2422	375000	35,94	36,59
	2	10х10,1х10	2446	2422		382500	36,76
	3	10х10х10,1	2449	2425		386250	37,07
Обычный тяжелый c добавкой «Пенетрон»	1	9,9х10х10	2416	2440	2434	395000	37,95	38,98
	2	10х10,1х10	2456	2432		406750	38,98
	3	10х10,1х10,1	2479	2430		417500	40,01

Следовательно, «Пенетрон», состоящий из портландцемента, очень тонко измельченного кремниевого песка и различных активных химических добавок, является уникальным материалом химической обработки для обеспечения водонепроницаемости, защиты и улучшения свойств бетона вертикального ствола. Эти активные добавки вступают в реак-цию с влагой в только что приготовленном бетоне с побочными продуктами гидратации цемента, вызывая каталитическую реакцию, в результате которой создается нераствори-мая кристаллическая структура в порах и капиллярных каналах бетона и вмещающих ствол породах. «Пенетрон» становится составной частью бетона, формируя с ним единое целое. Гидроизоляционная и защитная система «Пенетрон» на 100 процентов совместима с бетоном, а кристаллические новообразования «Пенетрона» блокируют проникновение воды. Таким образом, бетон становится герметичным от проникновения воды или жидкостей с любой стороны. Бетон также защищается от коррозии при воздействии окружающей сре-ды (рис.2).

Рис.2. – Схема проникающего действия «Пенетрон»

Для герметизации стыков старого и нового бетона возможно применение «Пенекрита» [8] - цементной водостойкой укрепляющей строительной сухой смеси, применяемой для гидроизоляции стыков и примыканий, швов и трещин, имеющихся в бетонных конструкциях. Она состоит из портландцемента, специально обработанного кварцевого песка и набора активных химических элементов. «Пенекрит» является вспомогательным, безуса-дочным, шовным материалом, однако о применении его в шахтном и подземном строи-тельстве можно говорить только после лабораторной стендовой и шахтной экспериментальной проверки.

Самокритично отметим: пока ещё разнообразие условий строительства стволов не по-зволило создать универсальный метод изоляции обводненных пород с различными фильтра-ционными свойствами и надежно защищающий ствол, который бы базировался на единых технологических особенностях и в этом плане нашим специалистам надо много поработать. Представляется, что поиск новых технических решений по креплению стволов в обводнен-ных породах должен ликвидировать недостатки технологии крепления при наличии водо-притоков путем возведения заходок временной крепи с нагнетанием тампонажного раствора и образованием противофильтрационного ограждения перед сооружением крепи постоянной с последующим устройством закрепных гидроизоляционных завес современными материалами. Такие технологии обеспечат существенное снижение трудоемкости работ и повышение качества.

Подчеркивая важность литолого-геомеханических и горнотехнологических характеристик при сооружении стволов, укажем, что базисными здесь являются: масштабность и глубина управляющих воздействий, предопределяемых энергетической компонентой. Это прежде всего извлечение пород при проходке, привнос массы строительных материалов для соз-дания конструкции крепи, перенос потоков воды и растворенных в ней солей за счет её фильтрации через породы и крепи, перераспределение массы пород в связи с деформацион-ными и геофильтрационными процессами вблизи стволов. Интенсивность этих процессов, их взаимосвязь и взаимовлияние возрастает при организациях скоростных проходок – квинтэссенции принятых проектных, технологических и производственных решений.

Это достаточно убедительно прослеживается, например, на выборе видов крепления в увязке с планированием темпов проходки и представлениями о геомеханических процессах, имеющих место в породах вблизи стволов в зависимости от скорости их проведения,с выбором рациональных параметров погрузки породы, ведения БВР, типа и конструкции крепи, места заложения стволов.

Выводы.

1. Вопросам организации водопритоков как в приконтурном массиве, так и по стволу при разработке технологий проходки вертикальных стволов необходимо уделять особое внмание.
2. Сооружение стволов больших диаметров требует новых подходов к проектированию как видов крепей, так и их конструкций, совершенствования организации проходки (точный геологический прогноз, повышенная надежность оснащения, усовершенствованные методы водоподавления и водоотлива, уточненная нормативная база). Доказано, что диаметр ствола – это комплексный системный показатель, влияющий на скорость проходки с точки зрения ее организации и учета геомеханических условий.
3. Необходимо максимальное использование новых нетрадиционных материалов и технологий, позволяющих повышать механические свойства бетонной крепи, в том числе их гидроизолирующую способность.

Библиографический список

1. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. – М.: Стройиздат. – 1983. – 272 с.
2. Звягильский Е.Л., Байсаров Л.В., Ильяшов М.А., Новик Е.Б., Левит В.В. Геомеха-нические и организационные особенности проходки стволов большого диамет-ра//Уголь Украины, №7. - 2003. – С.3-8.
3. Кипко Э.Я. Исследование и тампонаж обводненных трещиноватых горных пород через скважины, пробуренные с поверхности, при сооружении капитальных горных выработок: Автореф. дис. … докт.техн.наук: 05.15.04 / ДГИ. – Днепропетровск. – 1989. – 33с.
4. Шевцов Н.Р., Борщевский С.В., Антоневич Ю.И., Бабичев В.А., Новиков С.А. Влияние реологических характеристик заполнителей на получение сверхпрочной бетонной крепи.// Наукові праці ДонНТУ. Серія: “Гірничо-геологічна”. Випуск 72. – Донецьк, ДонНТУ, 2004. – С.97-102.
5. Хуммель А. О технологии высокопрочного бетона / Сборник иностранных перево-дов, 1955. — №2.
6. Миронов С.А., Аробелидзе Г.А. Вопросы технологии высокопрочного бетона. «Бе-тон и железобетон», 1955. — № 4.
7. Заключение Донецкого Промстройниипроекта о результатах определения основных сравнительных параметров гидроизоляционных составов. Договор №7/110-05 от 12.03.2005г.
8. http://www.syrina.com

© Борщевский С.В., Дрюк А.А., Сирачев А.Ж, 2006