КОНСТРУКЦИЯ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ
DESIGN OF VERTICAL SHAFT SUPPORT WITH ADJUSTABLE MODE OF OPERATION

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к конструкциям крепи вертикальных стволов, и может быть использовано в стволах угольных шахт и рудников, а также вертикальных выработках подземной инфраструктуры городов.
Известна конструкция крепи с регулируемым режимом работы (наиболее близкая к предлагаемой [1]). Однако существующее решение имеет ряд недостатков. Не обеспечивается полная гидроизоляция ствола в период эксплуатации, крепь имеет низкую несущую способность, нет возможности управлять гидростатическим давлением подземных вод, под воздействием агрессивной среды, целостность металлической сетки, контроль за состоянием которой невозможен, может быть нарушена, а это увеличивает риск возникновения аварийных ситуаций.
Целью изобретения является создание конструкции крепи, позволяющей существенно увеличить надежность ее работы, исключить возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с нарушением сплошности стальной трубы и прорывом воды в ствол, обеспечить управляемый режим работы крепи, а также снизить ее стоимость.
Для достижения поставленной цели предлагается конструкция трехслойной крепи (см. фиг.1), включающая внутреннюю металлическую обечайку 3, слой высокопрочного фибробетона 2 с искусственно улучшенными водопроводящими свойствами, внешний слой из полимербетона повышенной плотности 1, контрольно-регулирующие элементы 4, а также систему отвода воды (см. фиг.2).
Металлическая обечайка выполняет двойную функцию: грузонесущую, в т.ч. восприятие части гидростатического давления и сдерживающе-накопительного экрана, что предопределяет возможность снижения ее толщины.
Наличие проводящего слоя позволяет исключить неравномерность давления воды по периметру выработки и соответственно обеспечить наиболее благоприятные условия работы, снизить перепады давления при сбросе воды, уменьшить количество необходимых контрольно-регулирующих элементов.
Внешний слой полимербетона в качестве составной части комбинированной крепи предназначен для восприятия давления со стороны пород и части напора подземных вод за счет регулируемого перепада гидростатического давления в массиве и на внутреннем контуре стальной обечайки, при этом он соответственно должен иметь низкую пропускающую способность, быть устойчивым к коррозии в агрессивной среде.
Контрольно-управляющий элемент представляет собой, в общем случае, закрепляемую в теле металлической обечайки конструкцию, обеспечивающую полную гидроизоляцию при давлении воды менее давления - сброса и пропускающую воду после его достижения. Данный элемент помимо управления режимом работы крепи обеспечивает также контроль за состоянием закрепного пространства и позволяет своевременно выявить, локализовать и принять меры по усилению крепи на ослабленных участках. Основными требованиями к конструкции контрольно-управляющего элемента являются: простота, надежность, возможность быстрого регулирования величины давления - сброса, низкая стоимость, ремонтопригодность и возможность замены рабочего элемента.
Система отвода воды (см. фиг.2) монтируется из резиновых шлангов 5, соединительных штуцеров 7 и устанавливаемых отдельно для каждого яруса контрольно-измерительных элементов счетчиков расхода воды 8, информация с которых поступает в поверхностный пункт управления. Из системы отвода вода подается в единый трубопровод 9, по которому откачивается на поверхность.
В зависимости от способа возведения связь металлической обечайки с внутренними слоями крепи обеспечивается либо приваренными к ее поверхности и замоноличиваемыми во внешний слой бетона короткими анкерами (см. фиг.1 позиция 6), либо длинными, пересекающими слой бетона и закрепляемыми в породе.
Принцип работы крепи предлагаемой конструкции заключается в следующем. Вода под давлением проникает через внешний слой 1 и попадает в слой бетона с искусственно повышенными фильтрующими свойствами 2, где равномерно распределяется, стремясь повысить гидростатическое давление до его величины в породном массиве. При достижении давлением значений, близких к критическим, срабатывают контрольно-регулирующие элементы, часть воды стравливается внутрь ствола, где стекает по системе шлангов 5, аккумулируется и по трубопроводу 9 выдается на поверхность. Таким образом, в предлагаемой конструкции благодаря возможности регулирования раздельного восприятия гидростатического давления слоем стали и бетоном реализуется принцип «управляемой работы крепи». При этом доля нагрузки, которую несет тот или иной слой, определяется выбором давления - сброса на контрольно-регулирующих элементах. Объем откачиваемой воды будет незначительным, ввиду мощности внешнего слоя бетона, его низкой фильтрующей способности, а также относительно небольшого перепада давлений.
Основные достоинства предлагаемой конструкции по сравнению с обычной двухслойной крепью, включающей металлическую обечайку и слой бетона, заключаются в следующем: значительно более высокое критическое давление; исключение возможности возникновения аварийных ситуаций, связанных с отрывом металлической обечайки от бетона и ее вспучиванием; обеспечение полной гидроизоляции; возможность снижения давления воды на стальной слой крепи, что необходимо при ведении ремонтных и профилактических работ, обеспечения постоянного контроля уровня гидростатического давления и уменьшения толщины стальной оболочки.
По сравнению с трехслойной крепью, включающей две металлические обечайки и слой бетона между ними, помимо перечисленных выше, преимуществом является существенное снижение стоимости за счет исключения внешней стальной оболочки, упрощение технологии работ по возведению крепи, снижение рисков, связанных с возможностью нарушения сплошности внешнего стального слоя и восприятия внутренним полного гидростатического давления.
Предлагаемая конструкция может использоваться как для крепления всего ствола, так и для отдельных его участков, пересекающих водоносные горизонты.
Литература
1. А.с. SU 1624168 A1, E21D 5/00. Способ крепления шахтного ствола в обводненных породах и гелеобразующий раствор на основе неорганического вяжущего для его осуществления / Д.И.Могилевский, П.П.Гальченко, Е.В.Новик, А.В.Моисеев, В.В.Левит (СССР) - Заяв. 20.09.88; Опубл. 30.01.1991. Бюл. №4.