Автор: Урбаев Д. А., Иванов Д. Г.
Источник: ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», Красноярск, Россия (660041, Красноярск, пр. Свободный 79)
Введение
На территории Норильского промышленного района насчитывается 31 действующий вертикальный ствол с общей глубиной 27,9 км [1].
Целью данной статьи является разработка математических моделей на основе показателя надежности технологических схем и операций, позволяющих обосновать оптимально необходимый объем проведения дополнительных инженерных мероприятий по продлению безремонтного срока службы крепи вертикальных стволов.
Для условий ведения горных работ на рудниках ЗФ ОАО ГМК «Норильский никель» характерно резкое повышение нарушенности руд и пород на вскрываемых участках шахтных полей с увеличением глубины разработки. На шахте «Скалистая» рудника «Комсомольский» этому способствует интенсивная тектоническая нарушенность массива горных пород.
Отличаясь своей уникальностью и важностью в производственном комплексе горнодобывающего предприятия, вертикальные стволы требуют постоянного поиска и разработки эффективных решений по интенсификации их строительства и безремонтной эксплуатации [2], что, в свою очередь, является актуальной научно-технической проблемой развития горнорудной промышленности России. Особый интерес вызывают вопросы, касающиеся причин возникновения нарушений устойчивости крепи вертикальных стволов шахт.
Имевшие место случаи нарушения устойчивости крепи стволов на рудниках ЗФ ОАО ГМК “Норильский никель” обусловливаются наличием в пересекаемой стволами толще многолетнемерзлых пород соляных пластов, агрессивных и напорных подземных вод, сильно трещиноватых и склонных к набуханию пород. Все это связано со значительной тектонической нарушенностью массива и особенностями процесса сдвижения горных пород под сильным влиянием очистных работ, ведущихся в пределах околоствольных предохранительных целиков [3].
На рудниках ЗФ ОАО ГМК “Норильский никель” наиболее распространенной является монолитная бетонная крепь. Но в осложненных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях (в верхней части) ствола крепились комбинированной тюбинго-бетонной крепью. Такая же крепь применена в некоторых стволах на больших глубинах (шахта “Маяк”) и в сложных геологических условиях (шахта “Скалистая”).
В период проходки стволов происходили вывалы сильно трещиноватых пород, достигавшие, как например, в Западном закладочном стволе шахты “Комсомольская”, глубины 2–3 м в интервале глубин 307–319 м в переслаивающихся трещиноватых алевролитах, песчаниках и долеритах. После закрепления участка нарушений устойчивости крепи не происходило. Повреждения крепи вертикальных стволов на рудниках района, требовавшие периодических ремонтов, наблюдались большей частью в районах пересечения крупных тектонических нарушений. В различных местах отмечалась коррозия крепи и её разрушение, особенно в районах технологических швов [3].
В клетевом стволе шахты “Комсомольская” в месте пересечения соляного пласта в интервале глубин 593–608 м образовались обширные закрепные пустоты, начиная со времени проходки ствола (1966–1970 гг.), и это несмотря на периодический тампонаж этих пустот. По мнению ВНИМИ происходит постепенное вымывание соли водой, поступающейиз трещиноватых вмещающих солевой пласт пород и, возможно, за счет утечек технической воды на вышележащем горизонте. Наблюдения свидетельствуют о медленном и немонотонном нарастании деформаций бетонной крепи как в радиальном, так и в вертикальном направлениях.
Возможные причины нарушения устойчивости крепи стволов в районе следующие:
- несоответствие монолитной бетонной крепи конкретным сложным горно-геологическим условиям;
- технологические причины: отсутствие надлежащей гидроизоляции технологических швов между заходками крепи; крепь малой толщины в местах недоборов пород; сейсмическое воздействие взрывов шпуров в забое на свежеуложенный бетон;
- факторы, обусловленные горно-геологической обстановкой в местах сооружения стволов; разрушение доломитизированных мергелистых пород под действием воды, проникающей в породу через крепь по естественным и технологическим трещинам; снижение прочности породы “в куске”; набухание пород при контакте с водой; снижение сцепления по трещинам и сползание отдельных блоков по наклонным плоскостям в сторону ствола (долериты); развитие технологической трещиноватости и изменение механических свойств породы в результате действия взрыва; геологические нарушения в толще осадочных пород, в пределах которых породы вторично изменены, отличаются раздробленностью и низкой прочностью; коррозия бетона под действием агрессивных примесей в составе воды, стекающей по стволу.
Из этого следует, что в большинстве описанных случаях имеет место несоответствие проектных решений и применяемых технологий строительства сложным горно-геологическим и горнотехническим условиям возведения вертикальных стволов. Другими словами, усложнение горно-геологических и горнотехнических условий требует разработки дополнительных мероприятий, позволяющих повысить безотказность системы «массив-крепь», т.е. повысить надежность как отдельных технологических операций, так и всей технологии строительства в целом.
Устойчивость крепи рассматривается в зависимости от числа отказов и относится к формальной математической теории надежности. Учитываются факторы, влияющие на тот или иной вид отказа: требуется построение математической модели надежности горной выработки, для оценки состояния исследуемого объекта и особенностей его функционирования при исследовании состояния выработки и ее надежности [4].
Исследование вопроса устойчивости крепи в зависимости от вероятностных значений прочности материалов крепи и внешних нагрузок относится к математической теории надежности, обеспечения нормальной эксплуатации подземного сооружения приминимальных затратах. Здесь учитываются как технологические факторы строительства выработки, так и горнотехнические и экономические параметры.
Указанные факторы и параметры по своей природе являются случайными величинами и могут быть определены только с некоторой степенью достоверности.
При выборе типа крепи исходят из значений величины горного давления, горно-технологических условий строительства подземного сооружения и механики взаимодействия породы и крепи.
Повышение надежности при строительстве вертикального ствола и возведения крепи связано с ростом капитальных затрат из-за дополнительных мероприятий, обеспечивающих увеличение срока безремонтного поддержания выработки. Это ведет к уменьшению продолжительности ремонтных работ, повышает вероятность устойчивости крепи, снижает эксплуатационные затраты по ее содержанию. Расчеты показывают, что при увеличении показателя надежности крепи от 0,5 до 0,7 затраты снижаются на 20 % и в дальнейшем увеличиваются на 30 % при надежности 0,9.
1. Дипломное проектирование: учеб. пособие / М. С. Скачков и др.; Норильский индустр. инт. – Норильск: НИИ, 2007. – 266 с
2. Борщевский С. В. Современное направление развития технологии сооружения вертикальных стволов шахт // Сб. научн. трудов НГУ. – № 17.– Т.1 – Днепропетровск: РИКНГУ, 2003. – С. 406-412.
3. Урбаев Д. А., Сураев В. А. Разработка мероприятий по увеличению срока службы крепи вертикальных стволов в условиях рудников Норильского промрайона // Молодежь и наука: материалы конф. – Красноярск: СФУ, 2011 – С. 173-175.
4. Вохмин С. А., Иванов Г. Н., Зайцева Е. В., Иванов Д. Г. Обеспечение безопасных условий строительства подземных сооружений на основе теории надежности // В мире научных открытий: материалы конф. – № 6.1. – Красноярск: НИЦ, 2010. – С. 145-147.
5. Иванов Г. Н. Определение оптимальной производительности добычного блока с использованием теории надежности: Автореф. дис… канд. техн. наук. – Красноярск, 2000. – 20 с.