БЛОЧНАЯ КРЕПЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА
MODULAR SUPPORT OF VERTICAL SHAFT

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к конструкциям крепи вертикальных стволов, и может быть использовано при строительстве стволов угольных шахт и рудников, а также - вертикальных выработок подземной инфраструктуры городов, возводимых в слабых, обводненных, склонных к ползучести, породах.
Известны конструкции блочной крепи вертикального ствола [1-3]. Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является крепь из опалубочных блоков с выступами на внешней стороне [4], позволяющая:
- исключить необходимость применения опалубки;
- крепить ствол небольшими заходками;
- использовать/сочетать на внешнем контуре крепи материалы с отличающимися свойствами;
- повысить безопасность ведения работ;
- гарантированно выдерживается необходимая минимальная толщина заблочного заполнения;
- гладкая внутренняя поверхность позволяет существенно снизить аэродинамическое сопротивление ствола и, соответственно, уменьшить расходы на вентиляцию по сравнению с тюбинговыми крепями.
Однако предлагаемое решение имеет ряд недостатков:
1. Блоки имеют максимальную толщину (выступ) по середине, в то время как, внутренние напряжения в их материале достигают максимума по краям, а именно по вертикальным стыкам.
2. В силу конструктивных особенностей блоков, возведение крепи возможно только заходками в направлении снизу вверх.
3. Сложность, трудоемкость, большая доля тяжелого ручного труда при монтаже.
4. Высокая жесткость - выступы блока, по мысли автора, должны соприкасаться с породой, а бетонное заполнение не позволяет породам смещаться в пространство между выступами.
5. Отсутствие возможности регулировать режим работы крепи.
6. В условиях наличия высокого гидростатического давления вода, просачиваясь через материал блоков, разрушает их структуру, что приводит к деформациям и нарушениям крепи.
Целью изобретения является создание конструкции блочной крепи, позволяющей более рационально использовать ресурсы ее материалов, возводить крепь в направлении сверху-вниз, снизить трудоемкость монтажа, создать зоны с регулируемой деформацией при воздействии давления со стороны пород, обеспечить управляемый режим работы крепи при воздействии повышенного гидростатического давления.
На фиг.1 изображена блочная крепь вертикального ствола; на фиг.2а изображен вид на конструкцию блока сверху, на фиг.2б вид на конструкцию спереди; на фиг.3а изображен общий вид соединения блоков, на фиг.3б изображена соединительная шпилька для крепления блоков.
Для достижения поставленных целей предлагается конструкция блочной крепи, включающая (см. фиг.1) железобетонные блоки с выступами на внешней стороне (поз.5), смесь, укладываемую в пространство между внешними выступами блоков (поз.2) из активированных хвостов обогащения руды, вспененного полистирола с размерами гранул до 3 мм и щебня размером до 20 мм, а также систему сбора и отвода воды, расположенную в теле крепи, регулирующие клапаны.
По сравнению с аналогом, крепь имеет следующие конструктивные усовершенствования:
1. Утолщения, внешние выступы (поз.5) располагаются по краям блоков, как это показано на фиг.1.
Это позволяет снизить напряжения в наиболее опасных сечениях крепи - вертикальных торцевых поверхностях блоков.
2. В арматурный каркас по торцам блока вводятся дуговые трубки (фиг.3б, поз.19), позволяющие осуществлять крепление блоков между собой шпильками (поз.20).
3. В арматурный каркас вводятся монтажные проушины из арматурной стали по две с каждой стороны и по четыре в верхнем и нижнем сечении (фиг.2б, поз.7-18).
4. Состав, предназначенный для заполнения пустот за блоками, включает: активированные в дезинтеграторе хвосты обогащения руды первой и второй очереди обработки, вспененный полистирол с размерами гранул до 3 мм и крупный заполнитель размером до 20 мм.
5. На этапе монтажа арматурного каркаса в блок включается горизонтальный отрезок трубы с резьбой, предназначенный для последующей установки регулирующего клапана (фиг.1, поз.3).
6. С внешней стороны каждого блока монтируется отрезок перфорированной трубы, заполненной дренирующим материалом (фиг.1, поз.6).
Изменения конструкции, отмеченные в пунктах 2 и 3, позволяют максимально механизировать процесс монтажа, а также возводить крепь в направлении сверху вниз. С учетом предлагаемых усовершенствований, монтаж осуществляется в следующем порядке. Блок крепи опускается в ствол в проходческой бадье / на канате подъемной машины в забой, где через проушины 7 и 8 (фиг.2б) подцепляется к подвесному устройству стволовой погрузочной машины, с помощью которой и перемещается к месту установки. Там блок отцепляют, заводят тросы подвесного устройства в проушины 13 и 14 верхнего кольца и вновь прицепляют к проушинам 7 и 8 монтируемого блока. Далее, поднимая блок, помещают его в проектное положение, корректируя процесс установки забивкой оправок через проушины 9, 10, 11, 12, 17, 18 монтируемого и соседних блоков. После установки в проектное положение блок соединяют с соседними дугообразными шпильками (поз.20, фиг.3б). Далее, если кольцо последнее в заходке, подсыпают породу и заливают заполнитель. Если нет - начинают очередной цикл проходческих работ.
Модификация, отмеченная в п.4, является ключевым новшеством, позволяющим получить желаемые свойства крепи.
При правильном ведении взрывных работ и монтаже крепи выступы на внешней стороне блоков по мере конвергенции пород достаточно быстро вступают в работу и не позволяют массиву смещаться чрезмерно. Заполнитель предложенного состава обладает уникальными свойствами [5, 6]. Смесь хвостов обогащения руды, активированная в дезинтеграторе первой и второй очереди обработки, имеет повышенные реологические свойства, при медленном нарастании нагрузок деформируется без нарушения сплошности, фильтрует воду лучше, чем обычный бетон. Крупный заполнитель размером не более 20 мм и гранулы вспененного полистирола позволяют создать среду с повышенной «распределенной» пористостью, что, в сочетании со свойством активно деформироваться под нагрузкой без разрыва сплошности, придает конструкции секционную податливость и позволяет разгружать прилегающий породный массив в процессе работы крепи. Третьим, важнейшим, достоинством данного заполнителя является устойчивость состава к воздействию влаги, т.е. данный материал может долгое время фильтровать жидкость в одном режиме, не увеличивая сечений каналов фильтрации.
Особой проблемой для бетонных крепей является неконтролируемая фильтрация воды через материал бетона и стыки отдельных заходок. Наиболее остро она стоит для монолитной бетонной крепи, возводимой в забое ствола. Сложные условия, стесненность, загроможденность сечения, необходимость укладывать бетон заходками глубиной до 4 м за опалубку, не позволяют получить достаточно плотный, водонепроницаемый бетон. В результате, под воздействием длительной фильтрации, происходит нарушение структуры материала, в крепи появляются зоны ослабления. В связи с этим, в особо ответственных вскрывающих выработках, на предприятиях, предназначенных к долговременной эксплуатации, например на алмазо- и рудодобывающих рудниках «Мир», «Удачный», «Интернациональный», «Скалистый», стволы на всю глубину крепят чугунными тюбингами. В местах, где гидростатическое давление и давление со стороны пород имеет незначительные величины, используют тюбинги с небольшой толщиной стенки (20 мм). Это приводит к значительному увеличению стоимости строительства и часто не дает положительного результата. Гидростатическое давление, полностью восстанавливаясь на внешней границе водонепроницаемой тюбинговой колонны, выдавливает свинцовые прокладки, ведет к образованию течей по стыкам тюбингов, в местах болтовых соединений. Повторный тампонаж дает лишь временный эффект. По мнению авторов, в указанных условиях тюбинги с толщиной стенки 20, 30 мм могут быть заменены значительно более дешевой крепью из железобетонных блоков предлагаемой конструкции.
В описываемой крепи данная проблема решается управлением режима ее работы под воздействием гидростатического давления. Вода, поступающая через породы к контуру крепи, за счет разницы коэффициентов фильтрации бетона блоков и заполнителя предложенного состава, дренируется вертикальными каналами и далее поступает через расположенные в них отрезки перфорированных труб в систему отвода воды. При этом вертикальные каналы, т.е. заполненные предложенным составом ниши, образуемые внешними выступами блоков, аккумулируют жидкую фазу и понижают ее давление с минимумом у внешнего края блоков. Величина указанного минимума может регулироваться с помощью клапанов, пропускающих воду только по достижению выбранного давления. Выбор давления должен осуществляться исходя из условия «нулевой фильтрации» через материал блоков. Из регулирующих клапанов вода поступает в систему отвода воды и перекачивается на поверхность.
Особо нужно отметить, что предлагаемая конструкция может использоваться как для крепления всего ствола, так и для отдельных его участков, пересекающих водоносные горизонты.
Литература
1. Авторское свидетельство №1659664 A1 SU, E21D 5/04, «Крепь шахтного ствола».
2. Патент №488522 DE, E21D 5/04, «Betonformstein fur den Schachtausbau»
3. Патент №1090608 DE, E21D 5/04, «Betonformsteinausbau für Untertageräume»
4. Патент №445759 DE, E21D 5/04, «Schachtausbau»
5. Страданченко С.Г. Отчет о НИР по теме: «Снижение риска и уменьшения последствий техногенных катастроф путем создания экологически безопасных технологий разработки техногенных месторождений с добычей из них полезных компонентов методами механохимической активации» (промежуточный этап №2). Наименование этапа: «Обоснование технологий ликвидации техногенных месторождений» / ГК №14.740.11.0427, № госрегистрации 01201065283 / С.Г.Страданченко, В.И.Голик, С.А.Масленников и др. 2011 г. - 92 с.
6. Страданченко С.Г. Отчет о НИР по теме: «Снижение риска и уменьшение последствий техногенных катастроф путем создания экологически безопасных технологий разработки техногенных месторождений с добычей из них полезных компонентов методами механохимической активации» (промежуточный этап №3). Наименование этапа: « Обоснование технологий ликвидации техногенных месторождений (стадия 2)» / ГК №14.740.11.0427, № госрегистрации 01201065283 / С.Г.Страданченко, В.И.Голик, С.А.Масленников и др. 2011 г. - 101 с.