КРЕПЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА
VERTICAL STEM LINING

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 [1], обеспечивающая полную гидроизоляцию вертикального ствола и снижение давления на внутреннюю стальную оболочку. Однако существующее решение имеет ряд недостатков.
Конструкции крепи вертикальных стволов, включающие слой стали, в опыте шахтного строительства СССР и РФ нашли применение только при сооружении стволов бурением. Причинами этого служит то, что:
- стальная обечайка под действием гидростатического давления теряет устойчивость до достижения напряжением в материале крепи предельных значений, так называемое критическое давление [2]. Его величина интенсивно снижается с ростом диаметра ствола, а при сооружении бурением - диаметр не превышает 2-4 м;
- при сооружении стволов бурением крепь на этапе возведения испытывает значительные монтажные нагрузки, часто превышающие эксплуатационные. Применение в этих условиях чугуна, материала хрупкого, плохо воспринимающего растягивающие напряжения, часто оказывается нерациональным.
На основе опыта возведения и эксплуатации стальной крепи за рубежом можно выделить следующие ее недостатки:
- высокая стоимость;
- чувствительность к наличию агрессивных вод, активно развиваются коррозионные процессы;
- сложность и трудоемкость монтажа. Соединение отдельных секцией сваркой при бурении стволов можно осуществлять на поверхности, а крепь опускать с помощью грузоподъемных механизмов. При использовании буровзрывной технологии такая возможность отсутствует;
- при ведении сварочных работ в стволе сложно обеспечить высокое качество швов;
- соединение отдельных секций крепи сваркой намного более трудоемко, чем, например, соединение тюбингов сболчиванием. При этом с увеличением толщины стальной оболочки трудоемкость сварочных работ резко возрастает, и этот процесс может превзойти по продолжительности все остальные технологические процессы в сумме.
Перечисленные недостатки стальных крепей послужили причиной широкого распространения в шахтном строительстве России чугунно-бетонной крепи. Ее отличает:
- высокая несущая способность благодаря наличию внутренних ребер;
- сцепление с затюбинговым бетоном, обеспечиваемое внешними ребрами;
- более высокая устойчивость к коррозии, по сравнению со сталью;
- простота монтажа и относительно невысокая трудоемкость возведения.
Такая крепь нашла применение в условиях калийной, алмазо- и рудодобывающих отраслей. В крупнейших проектах последних лет - строительство самого глубокого, на настоящий момент, в РФ и Евразии вентиляционного ствола (ВС-7) на реконструируемом руднике «Таймырский», пяти стволов на рудниках «Мир» и «Удачный» компании «Алроса», вертикального ствола ш. «Северная Вентиляционная №2» Гайского ГОКа, находящихся на стадии строительства скипового и клетьевого стволов на Гремячинском месторождении калийных солей компании ОАО Еврохим, подготовленного к проходке вентиляционного ствола рудника «Скалистый» ГМК «Норильский Никель», двух стволов, являющихся частью проекта строительства пятого калийного рудника ОАО «Уралкалий», на Усть-Яйвинском участке Верхнекамского месторождения калийных солей - для крепления стволов на полную глубину или в зоне покрывающих пород используют чугунные тюбинги.
Главными ее недостатками является сложность обеспечения полной водонепроницаемости ввиду значительной длинны швов, высокая стоимость и возможность потери устойчивости при высоком гидростатическом давлении. Перечисленные недостатки могут быть полностью или частично устранены применением принципа управляемости.
Целью изобретения является создание конструкции крепи, позволяющей существенно снизить трудоемкость возведения, стоимость, повысить несущую способность и надежность крепи с управляемым режимом работы.
Для достижения поставленной цели предлагается конструкция крепи с регулируемым режимом работы, включающая (см. фиг.1) внутреннюю колонну крепи из чугунных тюбингов (поз.1), слой высокопрочного фибробетона (поз.2) с искусственно улучшенными водопроводящими свойствами, внешний слой из твердеющей смеси (поз.3) с вяжущим на основе активированных в дезинтеграторе хвостов обогащения, крупным и мелким заполнителем в виде классифицированных отходов горного производства, систему анкеров (поз.4), связывающих слой из твердеющей смеси (поз.3) и вмещающие породы (поз.5), контрольно-регулирующие элементы (поз.6), а также систему отвода воды.
Использование в качестве гидроизолирующего слоя чугунных тюбингов вместо стали позволяет повысить несущую способность крепи, снизить трудоемкость и продолжительность ее возведения. Слой фибробетона с искусственно улучшенными водопроводящими свойствами вместе с контрольно-регулирующими элементами обеспечивает поддержание давления за колонной тюбингов в требуемых пределах, препятствует выдавливанию прокладок и нарушению герметичности. Контрольно-регулирующие элементы располагают в отверстиях тюбингов (см. фиг.2), предназначенных для проведения тампонажа (поз.7).
Замена в применяемом бетоне портландцемента и обычных заполнителей на активированные в дезинтеграторе хвосты обогащения и классифицированные отходы горного производства позволяет реализовать ресурсосберегающие технологии, использовать дешевые местные материалы и снизить давление на окружающую среду накопленных на поверхности земли отходов горного производства. Ресурсосбережение приобретает особое значения для районов Крайнего Севера, малозаселенных регионов, удаленных от крупных промышленных центров. В этих случаях бесперебойное обеспечение строительства привозными материалами представляет сложную логистическую задачу и приводит к значительному удорожанию строительства.
Принцип работы предложенной конструкции заключается в следующем.
Вода фильтруется через породу (поз.5) в зоне, размеры которой определяются радиусом влияния дренажа выработки, далее, проникая через твердеющую смесь (поз.3), попадает в слой фибробетона (поз.2), откуда, по достижению давления сброса, отводится через контрольно-регулирующие элементы в систему отвода воды. Давление воды на тюбинги будет равно в этом случае давлению сброса и может регулироваться на управляющих элементах. Система анкеров (поз.4) передает часть давления воды, воспринимаемого слоем твердеющей смеси, на вмещающий породный массив. Эффект от их установки растет по мере увеличения модуля упругости пород.
Предлагаемая конструкция может использоваться как для крепления всего ствола, так и отдельных его участков, пересекающих водоносные горизонты.
Литература
1. Патент  2433269 Российской Федерации, МПК E21D 5/11. Конструкция крепи вертикальных стволов с регулируемым режимом работы / Страданченко С.Г., Масленников С.А., Шинкарь Д.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)». №2009142187/03; заявлено 16.11.2009; опубл. 10.11.2011, бюл. №15.
2. Булычев И.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. - 270 с.