Результаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1» и рекомендации по проектированию их реконструкции

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 314-321

= НАУКИ о ЗЕМЛЕ

УДК 622.258: 622.012

Результаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1» и рекомендации по проектированию их реконструкции

М.В. Прокопова, В.Л. Склепчук, К.Э. Ткачева

Аннотация. Представлены результаты обследования состояния крепи главного, вспомогательного и вентиляционного вертикальных стволов шахты «Обуховская №1». Проанализированы основные виды нарушений крепи стволов и даны рекомендации по проектированию их реконструкции.

Ключевые слова: вертикальный ствол, крепь, водоприток, реконструкция.

Строительство вертикальных стволов шахты «Обуховская №1» велось в 1996-97 гг. силами ОАО «Ростовшахтострой». Блок №1, подлежащий отработке в первую очередь, вскрывался тремя вертикальными стволами, проходимыми с одной промплощадки, расположенной в центре участка.

Главный ствол был пройден спецспособом и закреплен монолитным сульфатостойким бетоном класса В25 толщиной 300 мм в течение полутора лет. Для спуска и подъема людей, материалов и оборудования, подачи свежей струи воздуха был пройден вспомогательный ствол, также закрепленный монолитным бетоном класса В25 толщиной 300 мм. Оборудован ствол клетями 1КНА-5,2 с двумя подъемными машинами 1-6,3x4,2/0,63. Ствол был пройден за год и один месяц.

Основной вентиляционной артерией является вентиляционный ствол с вентиляторной установкой ВЦ-31,5м. Ствол был пройден за год и закреплен монолитным сульфатостойким бетоном класса В25 толщиной 300 мм из-за агрессивности подземных вод.

При сооружении стволов шахты «Обуховская №1» ввиду обводненности горных пород был принят специальный метод работ — предварительный тампонаж обводненных горных пород с поверхности. Водоотлив из забоя при проходке осуществлялся проходческими бадьями.

Во время сооружения вспомогательного ствола шахтостроителями ОАО «Ростовшахтострой» были установлены всероссийские рекорды темпов про-

ходки: в апреле 1996 года — 162,7 м ствола, затем в июле — 211,7 м и в сентябре — 233,7 м [1, 2]. Был побит рекорд, продержавший 26 лет, установленный в январе 1970 года коллективом Новокузнецкого шахтостроительного управления комбината «Кузбассшахтострой» (143,4 м/мес.) [2].

Характеристика стволов шахты «Обуховская №1» приведена в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика вертикальных стволов шахты «Обуховская №1»

Показатели Главный Вспомогатель- ный Вентиляционный №1

Абсолютная отметка устья ствола; м +254,0 +254,0 +254,0

Глубина ствола, м 905 922 919

Глубина зумпфа, м — 16 12

Диаметр ствола в свету, м 7 7 6

Площадь сечения ствола в свету, м2 38,5 38,5 28,3

Крепь ствола монолитный бетон монолитный бетон монолитный бетон

Толщина крепи ствола, мм 300 300 300

Длина устья ствола, м 40 40 53,0

В силу ряда объективных причин, вызванных сложившимся в 1998 г. финансово-экономическим положением в стране, шахта «Обуховская №1» не была сдана в эксплуатацию в проектные сроки. Дальнейшее сооружение и оборудование стволов (армирование, монтаж постоянных копров и подъемных машин, навеска скипов и клетей и т.д.) было заморожено. В течение 1998 — 2010 гг. была пройдена часть выработок околоствольного двора и построены отдельные объекты шахтной поверхности. В стволах продолжал действовать только бадьевый подъем и водоотлив. В 2010 г. сотрудниками Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ) и ОАО «Ростовшахто-строй» было выполнено обследование состояния крепи стволов шахты «Обуховская №1».

В результате обследования установлено следующее:

— во всех стволах наблюдаются остаточные водопритоки, проявляющиеся как в виде непрерывных струй подземных вод по стенкам крепи практически по всему его периметру, так и в виде капежа в сечении ствола. Интенсивность капежа существенно возрастает с глубиной и в направлении от центра ствола к его стенкам. В отдельных местах стыков бетонной крепи наблюдаются интенсивные потоки агрессивных вод, имеющих характерную бурую окраску вследствие коррозии (рис. 1, а).

Около 80 % вывалов крепи наблюдается в местах стыков (рис. 1,б). На этих же участках наиболее интенсивны водопритоки в ствол.

а б

Рис. 1. Нарушения крепи вспомогательного вертикального ствола шахты «Обуховская №1»: а — прорыв агрессивных подземных вод; б — вывалы

бетона на стыках крепи

Более 60 % стыков в исследуемых стволах имеют наплывы бетона, некачественное оштукатуривание и гидроизоляцию. Это связано с высокими темпами проходки ствола и недостаточным вниманием к качественной заделке стыков.

Нарушения крепи стволов проявляются, в виде отдельных трещин, систем пересекающихся трещин, отслоений, заколов, вывалов крепи, обрушений участков крепи до вмещающих пород, изменения формы поперечного сечения ствола и т.п. В связи с этим производится определение 5 категорий технического состояния ствола [3]:

I — в крепи отсутствуют нарушения, которые вызваны геомеханически-ми воздействиями, имеются волосяные трещины в бетоне, на поверхности крепи, следы коррозии бетона на глубину не более 15-20 мм, отсутствуют дефекты и нарушения, свидетельствующие о снижении несущей способности и эксплуатационной пригодности крепи и армировки (недеформирующийся массив);

II — на поверхности крепи имеются прокоррозировавшие слои, вздутия и высыпания бетона, поверхность бетона прокоррозирована более чем на 20-50 мм, имеются отверстия в крепи технологического характера, коррозийный износ расстрелов и проводников, не превышающий предельной величины особенно в верхней части ствола, некачественные заделки отдельных концов расстрелов. Существующие повреждения свидетельствуют о частичном снижении несущей способности и эксплуатационной пригодности крепи и армировки, но на момент обследования не угрожают безопасной работе в стволе (недеформирующийся массив);

III — имеются в крепи повреждения, связанные с геомеханическим воздействием массива, трещины с раскрытием до 1-2 см, имеющие диагональ-

ное, вертикальное и горизонтальное распространение на 3-4 м, одну заходку и более. В бетонной крепи имеются трещины со смещением, заколы на одном локальном участке, одиночные вывалы крепи площадью 1-5 м2 по всей толщине крепи без выпуска породы. Расстрелы и проводники деформированы. Зазоры между крепью, армировкой и подъемными сосудами не выходят за пределы ПБ. Существует опасность пребывания людей ниже нарушений, требуются мероприятия по обеспечению безопасного ведения работ по ремонту и дальнейшей эксплуатации стволов. Необходим значительный объем закладки сопряжений горизонтов (деформирующийся массив);

IV — имеют место вывалы крепи, система пересекающихся трещин различной ориентации на значительной площади поверхности крепи, превышающей 20-30 м2. Происходят обрушения вмещающих пород, деформация расстрелов и крепи, связанная с нарушением допустимых зазоров между расстрелами и крепью, с одной стороны, подъемными сосудами и противовесами — с другой. Имеется повышенный (выше допустимого) износ расстрелов и проводников на большом протяжении. Деформации массива, крепи и армировки происходят активно: имеют место значительные притоки воды в ствол с погашенных горизонтов (деформирующийся массив);

V — искривление ствола, препятствующее нормальной работе подъемов (деформирующийся массив).

По результатам визуального осмотра и инструментального контроля состояния крепи и армировки принимаются меры по ликвидации выявленных нарушений. В зависимости от того, к какой категории относится техническое состояние ствола, разрабатываются конструктивно-технологические решения по ремонту или реконструкции крепи и армировки.

Анализ результатов замеров по величине вывалов в стволах шахты «Обуховская №1» позволил сгруппировать их в вариационный ряд и построить гистограмму (рис. 2), характеризующую распределение вывалов крепи по площади. Как следует из рис. 2, наибольшее количество вывалов имеет небольшую площадь (до 0,5 м2) и существенно не сказывается на снижении несущей способности крепи.

Размеры имеющихся вывалов и трещин в монолитной бетонной крепи позволяют отнести стволы шахты «Обуховская №1» в соответствии с классификацией [3] ко II категории технического состояния, поэтому до начала их армирования и ввода в постоянную эксплуатацию скипового и клетевых подъемов необходимо спроектировать и реализовать мероприятия по реконструкции стволов.

При проектировании реконструкции вертикальных стволов необходимо учитывать ряд особенностей, связанных с ведением горно-строительных работ по ремонту, восстановлению, усилению, частичной или полной замене крепи и армировки:

— напряженно-деформированное состояние (НДС) нарушенного массива, вмещающего реконструируемый ствол, существенно отличается от НДС массива, возникающего при новом строительстве, поэтому при проектировании

30

25

0-0.1 0.1-0.3 0.3-0.5 0.5-0.7 0.7-0.9 более 0.9

Площадь вывалов, м2

Рис. 2. Распределение вывалов бетонной крепи по площади

реконструкции ствола следует рассчитывать крепь и армировку на воздействие нагрузок со стороны уже нарушенного массива;

— в зависимости от свойств боковых пород и типа крепи ствола, НДС массива и крепи может существенно изменяться с течением времени, поэтому при проектировании крепи реконструируемого ствола следует учитывать реологические свойства пород и период предыдущей эксплуатации ствола, а также проектируемый период эксплуатации ствола после реконструкции;

— при проектировании реконструкции воздухоподающих стволов (на шахте «Обуховская №1» его роль играет вспомогательный ствол) необходимо учитывать фактический температурный режим их эксплуатации [4, 5], в частности, при перекреплении или ремонте крепи стволов, в которых наблюдалось обледенение устьев, следует предусматривать применение морозостойких бетонов и податливых узлов крепления элементов армировки;

— проектируемые методы реконструкции должны приниматься в зависимости от условий дальнейшей эксплуатации ствола с учетом оценки влияния очистных работ, агрессивных вод, сложных горно-геологических условий и т.д. Например, если известно, что ствол в будущем будет подвергаться повторному воздействию очистных выработок, недопустимо устройство так называемых «латок», т.е. заполнения бетоном отдельных участков с оборкой разрушенной крепи. «Латки» являются более слабым участком, чем окружающая крепь, так как по их контуру сцепление с неповрежденной крепью и сопротивление на отрыв значительно меньше, чем у материала крепи. Как показывает опыт поддержания вертикальных стволов в Донбассе [6], при влиянии очистных выработок, деформации крепи, как правило, возникают в ранее отремонтированных местах;

— поскольку нарушения крепи наиболее часто возникают в местах пересечения ствола слабыми слоями пород и у сопряжения с другими выработками, деформационные швы следует располагать в пластах угля, глинистых сланцах и зонах, ослабленных геологическими нарушениями, а также непосредственно над сопряжениями с околоствольными дворами и под ними;

— при проектировании технологии и организации ведения работ по ремонту или замене крепи следует учитывать такие особенности, как: индивидуально-типовой характер производства работ, большую долю маломеханизированных процессов в общей трудоемкости работ, стесненные условия работ при отсутствии стационарного места, необходимость проведения ремонта в кратчайшие сроки вследствие снижения интенсивности эксплуатации подъемных комплексов, переменную интенсивность выполнения работ на отдельных видах оборудования, рассредоточенность объемов ремонтных работ по глубине ствола и др.

Так как во всех трех стволах предстоит монтаж жесткой армировки, а крепь уже имеет вывалы и трещины, образовавшиеся в течение 14 лет «простоя», то дальнейшее ослабление крепи лунками под расстрелы необоснованно и опасно. В соответствии с этим рекомендуется использовать хорошо апробированный на шахтах Донбасса способ крепления расстрелов анкерами. При этом в местах вывалов, трещинообразования и в случаях попадания яруса на стыки между заходками крепи целесообразно использовать анкеры-инъекторы, конструкция и технология установки которых подробно описана в [7]. Они позволяют упрочнять крепь и породный массив путем инъецирования цементного раствора. Новизной способа является использование в качестве анкера винтовой арматуры, которая одновременно является буровой штангой. Такой тип анкера может применяться не только в скальных, но и в неустойчивых породах.

Учет перечисленных особенностей позволит в полной мере оценить состояние массива пород, характер распределения напряжений вокруг ствола, проанализировать особенности эксплуатации ствола после реконструкции и принять обоснованные решения по технологии и организации реконструкции крепи стволов.

Список литературы

1. Сыркин П.С., Нечаенко В.И., Шинкарь И.Г. Рекордная проходка вспомогательного ствола шахты «Обуховская №1» темпами 162,7 м в месяц // Уголь. 1996. №12. С.38-40.

2. Официальный сайт ЗАО «ОШК Союзспецстрой» — http://www.souzspecstroy.ru

3. РД 03-422-01 «Методические указания по проведению экспертных обследований шахтных подъемных установок». Утв. постановлением Госгортехнадзора России от 26.01.2001 № 23. М.: Промышленная безопасность, 2001.

4. Борщевский С.В., Прокопов А.Ю., Кулинич К.В. Дослщження теплового режиму пов1тряподаючих ствол1в шахт Донбассу // Проблемы горного дела и

экологии горного производства: матер. IV междунар. науч.-практ. конф. / Донецк: Вебер, 2009. С.97-105.

5. Прокопов А.Ю. Причины и последствия возникновения экстремальных температурных воздействий на крепь и жесткую армировку воздухоподающих стволов в Донбассе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. №3. С.89-92.

6. Манец И.Г, Грядущий Б.А., Левит В.В. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. Донецк: Юго-Восток, Лтд, 2008. 586 с.

7. Прокопов А.Ю, Прокопова М.В., Богомазов А.А. Комбинированное использование анкерных конструкций для крепления элементов армировки и упрочнения бетонной крепи ствола // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006. Спец. выпуск. Совершенствование техники и технологии угледобычи. С.63-66.

Прокопова Марина Валентиновна (sun210872@yandex.ru), к.т.н., доцент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Склепчук Вячеслав Леонидович, горный инженер, зам. главного инженера ОАО «Ростовшахтострой», ассистент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Ткачева Карина Эдуардовна, ассистент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтин-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Inspectional results of vertical shafts at mine «Obuhovskaya №1» and recommendations in order to make design for reconstruction

M.V. Prokopova, V.L. Sklepchuk, K.E. Tkacheva

Abstract. Inspectional results of main, auxiliary and ventilation vertical shafts support at mine «Obuhovskaya №1» were represented. Analyses of basis breach of shafts support was given. Recommendations in order to make design for reconstruction were given.

Keywords: vertical shafts, support, influx of water, reconstruction.

Prokopova Marina (sun210872@yandex.ru), candidate of technical sciences, associate professor, department of underground, industrial, civil construction and

building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Slepchuk Vjacheslav, mining engineer, vice main engineer, Open Joint-Stock Company «Rostovshakhtostroy», assistant, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Tkacheva Karina, assistant, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).

Поступила 23.05.2010