Источник: Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып 17, – Донецк: «Норд – Пресс», 2011. – 260 с.
Одним из наиболее сложных, продолжительных, дорогостоящих и трудоемких процессов в комплексе работ по строительству шахты является строительство вертикаль-ных стволов.
Оценивая динамику развития технико-экономических показателей строительства вертикальных стволов в бывшем СССР и Украине следует отметить, что в течение по-следних 30 лет существенного улучшения их не наблюдается, несмотря на отдельные бес-спорные практические, научно-технические и проектно-конструкторские достижения.
Одной из основных причин сложившихся отрицательных тенденций следует счи-тать исключительное применение монотехнологии – совмещенной технологической схе-мы проходки и последовательной схемы армирования, независимо от горно-геологических условий проходки, технологических решений проекта и стратегии строи-тельства предприятия, а также морально устаревшее оборудование, созданное более 25-35 лет назад. Таким образом, необходимо выполнение системного анализа развития строи-тельства вертикальных стволов в бывшем СССР, исследование структуры применяемых технологий, их основных параметров, закономерностей, выявление их влияния их на ко-нечные результаты с целью определения основных направлений совершенствования тех-нологии строительства.
На нынешнем этапе эксплуатации Донецкого угольного бассейна практически все вертикальные стволы сооружаются в сложных горно-геологических условиях [1]. Особая сложность горно-геологических условий Донбасса, объясняется повсеместным распро-странением слабых, слоистых, трещиноватых и в силу этого легко обрушаемых глинистых пород. Проходка стволов в Донбассе усложняется и тем, что стволы пересекают выбросоопасные угольные и породные пласты, и большое число нарушений с сильно перемятыми горными породами.
Водоносные горизонты каменноугольных отложений приурочены к угольным пла-стам, пропласткам и песчаникам [2]. При взаимодействии и даже шахтной влажной атмо-сферой 88 — 95% глинистых пород, вмещающих угольные пласты разрушаются и проч-ность их снижается в 2 — 5 раз по сравнению с первоначальной, достигая при этом (80 — 30)•105 Па. При пересечении стволами песчаников притоки воды в ствол составляют до 40 — 60 м3/ч и более, сами песчаники трудно поддаются цементации. Пересекаемые ство-лами аргиллиты и алевролиты слабы и неустойчивы, что позволяет иметь в забое незакре-пленное пространство не более 2 — 2,5 м. Это приводит к большим осложнениям при со-оружении и поддержании таких выработок как вертикальные стволы.
Проведение вертикальных стволов также имеет дополнительные особенности: дан-ные бурения разведочных скважин не дают полную картину состояния горного массива, а ведение буровзрывных работ значительно его ослабляет, водопритоки прогнозируются крайне неточно. Проходка характеризуется также большим объемом работ по возведению бетонных и железобетонных крепей.
Практика показывает, что условия проведения вертикальных стволов усугуб-ляются формированием очагов вывал образований, влияющих на сроки сооружения и стоимость ствола. Отметим что, в самом процессе развития трещин, как источника формирования очагов вывалообразований можно выделить три этапа [3]:
медленное развитие зародышей трещин, обусловленное внутренним строением среды, ее прочностью и пластичностью, и незначительно зависящее от условий нагруже-ния;
ускоренное развитие трещин, которое в большей степени зависит от условий на-гружения, и упругопластических свойств среды;
рост сквозной трещины с постоянной скоростью, зависящей только от интенсив-ности подвода к ней энергии.
Дальнейшее формирование сети микротрещин в системы мак¬ротрещин, процессы дезинтеграции в породном массиве ведут к интенсивному вывалообразованию. Принимая во внимание, что предупреждение только первых двух этапов даст несомненный эффект, видно, что технологии, которые сейчас применяют, малоэффективны в связи с нахождением продолжительное время забоя в обнаженном состоянии.
Выбор способа и технологии сооружения вертикальных стволов горно-добывающих предприятий делают в зависимости от комплекса горно-геологических условий прогнозируемых на основе данных полученных в результате бурения разведочных скважин, и организационных, горнотехнических факторов характеризующих строящийся объект (наличие или отсутствие развитой инфраструктуры дорог и прочих сетей коммуникаций, достаточность финансирования, степень комплектации горнопроходческим и строительным оборудованием, имеющиеся предприятия строительной индустрии).
Размеры поперечного сечения стволов могут быть различны, их выбор производится в зависимости от технологического назначения ствола и располагаемого в нем оборудования.
Несмотря на разнообразие геологических характеристик вмещающих пород, колеб-лющиеся в больших интервалах водопритоки, достаточно широкий арсенал применяемых типов крепей, технология и схема прохождения стволов почти всегда одна и та же, и раз-нится лишь в зависимости от назначения сооружаемого ствола. Типы машин и механиз-мов, применяемых в забое и на поверхности, не модернизируются и не изменяются на протяжении многих лет. Это связано с унификацией технических средств, что положи-тельно, но в тоже время и ограничивает возможности применения специальных, индиви-дуальных технологий. Применение типов крепей, как будет показано ниже, ограничивается в основном монолитными. На лицо отсутствие разработок новых облегченных видов крепей с упрочнением пород при подавляющем применении дорогостоящих монолитных, с использованием передвижных металлических опалубок, и штучных видов крепей. Стволы проходят в основном по совмещенной схеме, исследования по совершенствованию наиболее эффективной параллельной схемы и ее применение на деле очень редки [4].
С целью обоснования способов крепления исследованиям автора были подвергну-ты статистические данные ряда источников (ГОАО «Трест Донецкшахтопроходка») о горно-геологических характеристиках породного массива, толщине и виде крепи, темпах проходки по 18 стволам Донецкой области, различного диаметра и глубины. Полученные результаты позволяют утверждать, что в качестве крепи вертикальных стволов наиболее широкое распространение получила бетонная крепь.
Анализ статистических данных показывает, что не смотря на то, что комби-нированная крепь является более ресурсосберегающей и экономичной, она до сих пор не получила большого распространения, и ее доля составляет не многим более 2%. В то вре-мя как увеличение толщины постоянного крепления при сооружении стволов в сложных геологических условиях, не оправдало себя, т.к. толщина бетона более 700мм не увеличи-вает несущей способности крепи. Данные статистики показывают, что отклонение толщины крепи от проектной величины на практике распространено повсеместно и может достигать 100% и является характерной особенностью принятых технологий в условиях неустойчивых, трещиноватых пород с явно выраженными реологическими свойствами.
Из всего выше сказанного видно, что медленные темпы развития отрасли строи-тельства вертикальных стволов, даже принимая во внимание некоторые научно-исследовательские успехи и технические новшества, связанны с узостью взгляда рассмот-рения проблем. Это подтверждается зарубежным опытом строительства вертикальных стволов, отличающимся большим разнообразием технических решений [5].