Исследование применения различных видов крепи вертикальных стволов глубоких шахт Донбасса

Одним из наиболее сложных, продолжительных, дорогостоящих и трудоемких процессов в комплексе работ по строительству шахты является строительство вертикальных стволов. Оценивая динамику развития технико-экономических показателей строительства вертикальных стволов в бывшем СССР и Украине следует отметить, что в течение последних 30 лет существенного улучшения их не наблюдается, несмотря на отдельные бесспорные практические, научно-технические и проектно-конструкторские достижения.

Одной из основных причин сложившихся отрицательных тенденций следует считать исключительное применение монотехнологии – совмещенной технологической схемы проходки и последовательной схемы армирования, независимо от горно-геологических условий проходки, технологических решений проекта и стратегии строительства предприятия, а также морально устаревшее оборудование, созданное более 25-35 лет назад. Таким образом, необходимо выполнение системного анализа развития строительства вертикальных стволов в бывшем СССР, исследование структуры применяемых технологий, их основных параметров, закономерностей, выявление их влияния их на конечные результаты с целью определения основных направлений совершенствования технологии 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 распространением 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 пластам, пропласткам и песчаникам [2]. При взаимодействии и даже шахтной влажной атмосферой 88—95% глинистых пород, вмещающих угольные пласты разрушаются и прочность 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 стволами аргиллиты и алевролиты слабы и неустойчивы, что позволяет иметь в забое незакрепленное пространство не более 2—2,5 м. Это приводит к большим осложнениям при сооружении и поддержании таких выработок как вертикальные стволы.

Проведение вертикальных стволов также имеет дополнительные особенности: данные 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 усугубляются 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]:

1. медленное развитие зародышей трещин, обусловленное внутренним строением среды, ее прочностью и пластичностью, и незначительно зависящее от условий нагружения;
2. ускоренное развитие трещин, которое в большей степени зависит от условий нагружения, и упругопластических свойств среды;
3. рост сквозной трещины с постоянной скоростью, зависящей только от интенсивности 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 горнодобывающих 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, колеблющиеся в больших интервалах водопритоки, достаточно широкий арсенал применяемых типов крепей, технология и схема прохождения стволов почти всегда одна и та же, и разнится лишь в зависимости от назначения сооружаемого ствола. Типы машин и механизмов, применяемых в забое и на поверхности, не модернизируются и не изменяются на протяжении многих лет. Это связано с унификацией технических средств, что положительно, но в тоже время и ограничивает возможности применения специальных, индивидуальных 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 подвергнуты 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 (рис.1.1), что в качестве крепи вертикальных стволов наиболее широкое распространение получила бетонная крепь. Анализ статистических данных показывает, что не смотря на то, что комбинированная крепь является более ресурсосберегающей и экономичной, она до сих пор не получила большого распространения, и ее доля составляет не многим более 2 %. В то время как увеличение толщины постоянного крепления при сооружении стволов в сложных геологических условиях, не оправдало себя, т.к. толщина бетона более 700 мм не увеличивает 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 строительства вертикальных стволов, даже принимая во внимание некоторые научно-исследовательские успехи и технические новшества, связанны с узостью взгляда рассмотрения проблем. Это подтверждается зарубежным опытом строительства вертикальных стволов, отличающимся большим разнообразием технических решений [5].

1. Левит В.В., Новик Е.Б. К оценке механизма и показателей вывалообразований в шахтных стволах// Геотехническая механика. – 1998. № 9. – С. 126-131.
2. Пиньковский С.Г. Резервы повышения эффективности шахтного строительства. – М.: Недра, 1981. – 304с.
3. Мамбетов Ш.А. Исследование развития трещин в горных породах. – М.: Недра, 1973. – 254с.
4. Булат А.Ф., Усаченко В.Б., Амелин В.А. Геомеханическое обоснование технологии возведения анкерной стяжной крепи в камерных выработках.// Металлургическая и горнорудная промышленность, 1988. – № 2. – С. 91-94.
5. Современные проблемы шахтного и подземного строительства.// Материалы международного научно-практического симпозиума 28 мая – 3 июня 2005 г. Крым, Алушта, Украина. – Донецк: Норд-Пресс, 2005.