КРЕПЬ ЗАГЛУБЛЕННОГО СООРУЖЕНИЯ
SUPPORT FOR SUBMERGED STRUCTURE

Изобретение относится к подземному строительству, в частности к конструкциям крепи выработок, и может быть использовано в стволах шахт и рудников, а также в вертикальных выработках подземной инфраструктуры городов.
Природный массив в естественном состоянии в том или ином количестве имеет трещины. При проведении горных выработок с применением взрывных работ вокруг них дополнительно образуется зона искусственной трещиноватости, в прочных породах распространяющаяся на 2-2,5 м от контура выработки. В зависимости от величины раскрытия трещин и химического состава подземных вод для их тампонажа используют различные материалы. Общим для них является изменение свойств во времени, что приводит к росту водопритока при эксплуатации. Также к росту проницаемости породного массива ведет его сдвижение в результате подработки, осушения и действия других факторов. Увеличение раскрытия трещин со временем и разрушение тампонажных материалов обуславливает проникновение подземных вод из напорных горизонтов в выше- и нижележащие слои пород. В скальном массиве обводнение ранее сухих участков не приводит к негативным последствиям, но в массивах, имеющих включения растворимых минералов, проникновение воды ведет к образованию пустот в закрепном пространстве, нарушению нагрузки на крепь и ее деформациям вплоть до разрушения. Особую опасность данному явлению придает скрытый характер происходящих процессов.
Возможным решением существующей проблемы является применение в конструкции крепи гидрозатвора, состоящего из вязкой жидкости. Она, в свою очередь, находится под давлением, превышающим давление подземных вод.
Прототипом является конструкция крепи, описанная в а.с. SU №972109, 07.11.1982. Но предлагаемое решение имеет ряд недостатков:
- чугунные тюбинги, составляющие внешнюю оболочку крепи, корродируют под воздействием агрессивной шахтной воды, что с учетом отсутствия возможности контроля ее состояния ведет к потере несущей способности и разрушению;
- в момент возведения крепи, еще до начала ее нагружения, давление от жидкости гидрозатвора, превышающее давление подземных вод, полностью воспринимается внутренней оболочкой. В период развития деформаций породного массива внешняя оболочка деформируется, приводя к дополнительному повышению давления жидкости гидрозатвора и вызывая рост нагрузки на внутренний слой, что создает значительный перерасход материалов на его возведение;
- высока опасность применения данной крепи в массиве, содержащем растворимые минералы. Отсутствие утечек через крепь внутрь ствола приводит к тому, что гидростатическое давление по поверхности гидроизолирующей оболочки будет равно давлению в массиве, в результате растет риск проникновения напорных подземных вод из водоносного горизонта по закрепному пространству в выше- и нижележащие слои пород, до этого не обводненные. Растворение отдельных минералов, механический вынос частиц приводят в результате к образованию пустот в закрепном пространстве, неравномерности нагрузки на крепь, и, как следствие, к ее разрушению. Подобное явление широко наблюдается на калийных рудниках.
Задачей изобретения является создание конструкции крепи, позволяющей избежать проникновения воды по плоскости соприкосновения крепи с массивом, а также по зоне нарушенных в ходе БВР пород в ранее не обводненные слои, повысить эффективность использования материалов крепи и за счет этого снизить ее стоимость и материалоемкость.
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция крепи заглубленного сооружения, включающая (см. фиг. 1) обделку из слоя стали 1 и железобетона 2, гидрозатвор 3 в виде незатвердевающей вязкой жидкости, находящейся под давлением, превышающим давление подземных вод, а также зону искусственно упрочненного с помощью анкеров 4 породного массива, металлическую сетку 5, две кольцевые противофильтрационные завесы 6 выше и ниже горизонта напорных подземных вод, систему мониторинга, состоящую из: датчика давления жидкости в гидрозатворе 7, датчиков смещения породного массива 8, датчиков давления и скорости фильтрации воды 9.
С увеличением глубины разработки отмечается рост прочности вмещающего породного массива, что, с учетом его дополнительного упрочнения анкерованием, дает возможность использовать его в качестве одной из составляющих крепи, воспринимающей часть давления от пород. Это позволяет существенно сократить материалоемкость крепи. Для исключения вывалов породы в область гидрозатвора на анкеры 4 навешивается металлическая сетка 5.
В месте пересечения напорного слоя породные стенки дополнительно разбирают без применения БВР на глубину наиболее интенсивного развития искусственной трещиноватости. Далее в массив устанавливают анкеры 4, навешивают сетку 5, размещают датчики смещения породного массива 8. Выше и ниже напорного слоя бурят систему шпуров, через которые осуществляют тампонаж, формируя противофильтрационные завесы 6, также бурят ряд скважин и размещают в них датчики давления и скорости фильтрации 9. После этого монтируют слой стали 1 оболочку, крепят ее с помощью анкеров 4 к породному массиву, зазор между стальным листом и породой заполняют герметиком. На следующем этапе в направлении снизу вверх на всем участке возводят железобетонную крепь, в соответствующие отверстия устанавливают датчики давления и систему подачи жидкости 10, после чего заполняют зону гидрозатвора, доводя давление жидкости до требуемого уровня. Наличие системы датчиков позволяет осуществлять постоянный мониторинг состояния крепи и вмещающего породного массива. На основе анализа получаемой информации давление жидкости в гидрозатворе меняют. В случае роста деформаций заанкерованного породного массива давление жидкости повышают, перераспределяя часть напряжений на внутреннюю оболочку. В случае превышения напряжениями во внутренней оболочке максимально допустимых величин она может быть своевременно усилена. Наличие датчиков давления и фильтрации воды позволяет контролировать состояние тампонажного раствора и раскрытия трещин. В случае необходимости через оставленные отверстия в стальной оболочке шпуры разбуривают и осуществляют повторный тампонаж.
Расположение гидрозатвора за контуром крепи, в непосредственном соприкосновении с породным массивом ведет к закупориванию открытых трещин, препятствует проникновению воды по закрепному пространству в зоны ранее не обводненных пород. Также важным достоинством предлагаемой конструкции является возможность регулирования восприятия нагрузки от пород и от подземных вод внутренней оболочкой и упрочненным породным массивом.