Возможности повышения безопасности эксплуатации вертикальных стволов

УДК 622.258: 622.8 М.В. Прокопова

ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУА ТАЦИИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

~П ертикальные стволы относятся к наиболее ответственным

-Я-М подземным сооружениям, срок службы которых соизмерим со сроком службы всего горнодобывающего предприятия. В настоящее время вертикальные стволы в Донбассе сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных горно- и гидрогеологических условиях, усложняющихся с увеличением глубины разработки.

Усложнение гидрогеологических условий строительства, пересечения зон влияния старых горных работ, а также наличие в около-ствольном массиве пород тектонических полей начальных напряжений оказывает негативное влияние на крепь и армировку вертикальных стволов. Указанные факторы предъявляют повышенные функциональные, технические и экономические требования к надежности крепи и армировки стволов.

Наиболее распространенными являются монолитная бетонная и железобетонная крепи стволов, доля которых на горных предприятиях Донбасса составляет 97 % от общего объема крепления. В результате обследования 74 глубоких (свыше 600 м) вертикальных стволов Украинского и Российского Донбасса, закрепленных монолитной бетонной и железобетонной крепью, установлено, что более половины из них имеют повреждения крепи и армировки различной степени тяжести. Визуальные наблюдения за состоянием крепи и приконтурных пород во время прохождения и ремонта указанных стволов позволили выявить ряд количественных и качественных особенностей характера нарушений крепи.

Довольно значительную группу причин составляют нарушения технологии крепления и поддержания стволов, неудовлетворительное качество крепи, несоблюдение проектной толщины крепи и формы

сечения, обмерзание крепи в зимнее время, низкое качество бетона, несоответствие бетона условиям агрессивных шахтных вод (до 38 %) и др. Из общего количества анализируемых стволов 42 % имели существенные повреждения крепи.

Немаловажную роль в возникновении различного вида повреждений крепи и армировки стволов играют технологические нарушения, допускаемые как в период проходки и крепления ствола, так и во время эксплуатации подъемного комплекса. Кроме того, на несоответствие параметров монолитной бетонной крепи стволов проектным характеристикам, и как следствие на ухудшение качества крепи, оказывает влияние несовершенство самой технологии буровзрывных и бетонных работ в стволе (отклонение центра и стенок ствола от проектного положения, спуск бетона по трубам в глубоких стволах, неточная центровка и установка опалубки, износ опалубки, т.е. изменение ее проектной формы и размеров и др.).

Как показывает опыт проходки глубоких вертикальных стволов в Донбассе, с увеличением глубины повышаются значения радиальных отклонений контура крепи от проектного положения [1]. Это связано с неточностью центровки опалубки вследствие колебаний центрального отвеса, амплитуда которых увеличивается с глубиной. Кроме того, с увеличением количества циклов бетонирования, вследствие поочередных отрывов опалубки от бетона и ее монтажа на следующей заходке, опалубка деформируется и изменяет свою форму, вызывая тем самым изменения формы внутреннего контура крепи [2].

Все вышеописанные технологические нарушения и трудноустранимые погрешности, допускаемые при креплении стволов, значительно сказываются на несущей способности и, как следствие, на состоянии вертикальных стволов. В случае недопустимых деформаций или нарушений крепи требуются значительные затраты на ремонт и поддержание стволов, что в конечном итоге влияет на рентабельность всего горного предприятия.

По данным ВНИИОМШС, стоимость ремонта вертикальных стволов в зависимости от глубины, диаметра и горногеологических условий составляет от 20 до 37 % от стоимости их проходки, в том числе на глубинах более 500 м требует ремонта около 30 % крепи, что осложняет эксплуатацию и безопасность работы ствола. Кроме того, работы по ремонту крепи и армировки ствола, требуют значительного снижения производительности подъема или даже его полной остановки, что отрицательно сказывается на производственной мощности всего горного предприятия.

Резюмируя вышеизложенное, следует сделать вывод о высокой научной и практической значимости проблем крепления и безремонтного поддержания стволов в процессе эксплуатации. Это положение подтверждает значительный объем библиографических источников по проблеме крепления, охраны и поддержания вертикальных стволов.

Проектирование параметров крепи вертикальных стволов должно осуществляться с учетом всех горно-геологических, гидрогеологических, технических и технологических особенностей и условий проходки и крепления ствола, что позволит обеспечить требуемые прочность, долговечность, устойчивость и другие необходимые характеристики крепи.

В процессе изучения поставленного вопроса было выявлено, что максимальные радиальные отклонения крепи вертикальных стволов от проектного положения зависят от глубины и диаметра ствола, металлические опалубки в большинстве обследованных стволов (97 %) уже на первой заходке имеют отклонения от проектной формы, приобретая форму слабовыраженного овала, близкую к эллипсу. В процессе проведения ствола усиливается деформация формы его сечения в свету, при этом соотношение малой и большой осей Dmln/Dmax сечения ствола возрастает с глубиной. Вследствие указанных выше причин максимальные значения радиальных отклонений стенок крепи ствола от проектного положения при достижении глубины 500-600 м, в зависимости от диаметра ствола в свету, превышают допустимые нормами. Величины соотношения малых и больших осей овала зависят от глубины и диаметра ствола в свету, а их ориентация практически постоянна. Таким образом, толщина крепи ствола должна определяться с учетом средних для данной глубины и диаметра отклонений сечения в свету от проектного сечения круглой формы и возможного отклонения центрального отвеса на величину ±30 мм.

Величина снижения толщины крепи в опасном сечении зависит от степени эллиптичности опалубки, возрастающей с глубиной и диаметром, а также величины и направления отклонения центрального отвеса. Минимальная толщина крепи наблюдается в случае смещения отвеса в направлении большой полуоси ствола, при этом относительное снижение толщины крепи зависит от глубины и диаметра и при максимальных глубинах составляет 27,8-51,2 % в зависимости от диаметра ствола и проектной толщины крепи.

Допускаемые при креплении технологические отклонения крепи от проектных положения и формы негативно сказываются на ее напряженно-деформированном состоянии, и, как следствие, на несущей способности. Концентрации эквивалентных напряжений возникают в местах максимального утонения кольца крепи. В этих местах наиболее вероятны снижение несущей способности крепи и, как следствие, ее разрушение. Существенное влияние на увеличение напряжений в крепи ствола оказывает глубина. Максимальные смещения контура крепи возникают в направлении короткой полуоси эллипса, т.е. образующаяся в результате технологических погрешностей эллиптичность кольца крепи усиливается под действием внешних нагрузок со стороны вмещающего породного массива.

Результаты исследований позволяют утверждать, что расчет монолитной бетонной крепи должен производиться с учетом повышения максимальных напряжений в бетоне из-за технологических погрешностей возведения крепи. При этом в расчет параметров монолитной бетонной крепи стволов, должен включаться поправочный коэффициент, учитывающий изменение напряженно деформированного состояния от технологических погрешностей и зависящий от глубины и диаметра ствола, а также толщины крепи.

Согласно действующим нормативным документам, в расчете толщины монолитной бетонной и набрызгбетонной крепи вертикальной выработки с\, мм, повышение концентрации напряжений учитывается коэффициентом только для участков ствола, находящихся в районе (ближе 20 м) сопряжения, для прямолинейных же участков = 1, что соответствует нормальной работе крепи. При этом не учитываются возможные концентрации напряжений в местах максимального утонения крепи, которые формируются в результате изменения проектной формы опалубки и допустимого отклонения центрального отвеса.

Для учета этих факторов предлагается ввести поправочный коэффициент к^, который будет учитывать изменение напряженно-деформированного состояния крепи в результате технологических погрешностей при креплении. При этом формула расчета толщины крепи примет вид

(

Зк = ту Г

тб1тб3тб7

Л

тб1тб3тб7 Кпр - 2kрkтР

- 1

- ^пб:

где mу - коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным 1,25; г0 - радиус вертикальной выработки в свету, мм; mб\, mб3, mб7 - соответственно коэффициенты, учитывающие длительную нагрузку, условие для нарастания прочности и температурные колебания, принимаемые согласно СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций; Rпр - расчетное сопротивление бетона сжатию, кПа; - коэффициент концентрации напряжений в конструкции крепи, принимаемый равным 1 на протяженных участках ствола и равным (2 - 0,05г) в районе сопряжения, где г -расстояние от узла сопряжения до рассматриваемого сечения, м; к^ - коэффициент концентрации напряжений в крепи, возникающих в результате формирования кольца переменной толщины вследствие технологических погрешностей при креплении; Р - горизонтальное давление на крепь, кПа, определяемое как суммарное от давления пород Рп и подземных вод Рг; 5пб - толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы: для набрызгбетона принимаемая равной 50 мм, для остальных типов крепи - равной нулю.

Для инженерных расчетов значение коэффициента ^ с достаточной степенью точности может быть определено по полученным многофакторным зависимостям:

0,071Н - 0,1315 + 1,068 - для крепких пород (/ > 7); кт =<! 0,113Н -0,3415 + 1,16- для пород средней крепости (/ = 4-7);

^ 0,506Н + 0,00419Д - 0,135 + 1,053 - для слабых пород (/ = 2 - 3),

где Н - глубина участка ствола, км; 5 - толщина крепи, м; D - проектный диаметр ствола в свету, м.

Так как коэффициент к^ сам зависит от толщины крепи, то при определении 5, коэффициент к^ может быть рассчитан, исходя из предварительно принятой толщины крепи 5 = 300 мм, и в случае расхождения принятого и расчетного значений 5 более, чем на 10 %, коэффициент к^ должен быть откорректирован до достижения требуемого соответствия.

Увеличение толщины крепи благоприятно сказывается на ее напряженно деформируемом состоянии даже при наличии технологических погрешностей крепления.

Вследствие увеличения радиальных отклонений крепи, в глубоких стволах не всегда обеспечиваются нормативные величины заделки расстрелов в лунках. Фактическая величина заделки рас-

стрела зависит от глубины, диаметра ствола и угла сор между продольной осью расстрельной балки и нормалью к поверхности крепи ствола в месте заделки

Как показывают проведенные исследования [2], нормативные требования по величине регулирования длины расстрела полностью удовлетворяют фактическим условиям эксплуатации расстрелов только центральных расстрелов и хордальных, расположенных в центральной части ствола и отсекающих дугу по контуру крепи величиной не менее 120°, а величина регулирования в продольном направлении хордальных расстрелов с углами 30° < а>р < 60° является недостаточной, так как не обеспечивает компенсации фактических радиальных отклонений крепи ствола, что приводит к отказам армировки. По этой причине наблюдается более 67 % всех нарушений жесткой армировки.

В связи с этим расчет глубины заделки расстрела (консоли) в крепь должен производиться с учетом возможного радиального отклонения крепи ствола от проектного положения, при этом необходимый запас глубины заделки может выражаться поправочным коэффициентом, находящимся в пределах 1,06-1,56 и зависящим от глубины, диаметра ствола и угла сор. Величина регулирования в продольном направлении хордальных расстрелов с углами 30° < а>р < 60° в стволах глубиной свыше 1000 м (при Dсв = 6-7 м) и свыше 800 м (при Dсв = 8 м) должна быть увеличена по сравнению с нормативной в зависимости от глубины на 12-56% в стволах с Dсв = 6-7 м и на 20-74% - в стволах с Dсв = 8 м.

Отклонение крепи стволов на больших глубинах от проектного положения значительно сказывается на средней величине зазора между бетонной крепью ствола и наиболее выступающей частью подъемного сосуда. Вследствие нарушений проектного положения крепи с увеличением глубины и диаметра ствола зазор безопасности снижается и не обеспечивает соблюдения регламентируемого ПБ зазора Атт = 150 мм.

В практике проектирования расположения подъемных сосудов в сечении ствола с жесткой металлической армировкой расстояние между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и бетонной крепью принимается 150 + 50 = 200 мм, где 150 мм - регламентируемый Правилами безопасности минимальный зазор и 50

Рис. 1. Величина зазора между крепью и наиболее выступающей частью подъемного сосуда: а - проектная; б - фактическая

мм - допустимое минусовое радиальное отклонение стенок крепи ствола (рис. 1, а).

Для исследования возможности соблюдения этого зазора с учетом фактических радиальных отклонений ствола в процессе проходки (рис. 1, б), на основании данных по радиальным отклонениям крепи [1, 2], были определены фактические зазоры Афакт между крепью ствола и наиболее выступающей частью подъемного сосуда. Минимальная величина фактического зазора может быть выражена формулой

Афакт = Ашт “

где Аш1п - регламентируемый Правилами безопасности минимальный зазор, мм; Ясв - проектный радиус ствола в свету, мм; ^свш1п - ожидаемый радиус ствола в свету в направлении зазора, мм; 50 мм -регламентируемое отклонение крепи [3];

Результаты расчета по формуле (1) минимальных величин фактических зазоров для разных глубин и диаметров стволов приведены в таблице.

На основании анализа полученных данных сделаны следующие выводы:

• величина зазора между бетонной крепью ствола и наиболее выступающей частью подъемного сосуда, вследствие нарушений проектного положения крепи, снижается с увеличением глубины и диаметра ствола до 174-106 мм;

• принятое в практике проектирования расположения подъемных сосудов в сечении ствола с жесткой металлической армировкой расстояние между наиболее выступающими частями

Результаты расчета фактического зазора между крепью и наиболее выступающей частью подъемного сосуда

Диаметр ствола в свету, м

ствола, м 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0

Ксв., мм ^свлпт, мм Дфакт, мм Ксв., мм ^свлпт, мм Дфакт, мм Ксв., мм ^свлпт, мм Дфакт, мм Ксв., мм ^свлпт, мм Дфакт, мм Ксв., мм ^свлпт, мм Дфакт, мм

0 3000 2974 174 3250 3224 174 3500 3474 174 3750 3724 174 4000 3974 174

200 3000 2970 170 3250 3219 169 3500 3469 169 3750 3719 169 4000 3969 169

400 3000 2964 164 3250 3213 163 3500 3461 161 3750 3710 160 4000 3960 160

600 3000 2959 159 3250 3207 157 3500 3455 155 3750 3704 154 4000 3952 152

800 3000 2948 148 3250 3195 145 3500 3443 143 3750 3690 140 4000 3937 137

1000 3000 2937 137 3250 3183 133 3500 3431 131 3750 3678 128 4000 3925 125

1200 3000 2915 115 3250 3161 111 3500 3410 110 3750 3658 108 4000 3906 106

Примечание. Жирной линией выделена область возникновения недопустимых зазоров.

подъемных сосудов и бетонной крепью (200 мм) является заниженным для стволов всех диаметров при глубине 800 м и более, так как не обеспечивает требуемой Правилами безопасности минимальной величины зазора Аш1п = 150 мм;

• для обеспечения соблюдения регламентируемого ПБ зазора Аш1п = 150 мм, проектируемое расстояние между бетонной крепью ствола и наиболее выступающей частью подъемного сосуда должно быть увеличено относительно принятых в настоящее время норм, и составлять:

• при глубине ствола до 800 м - не менее 200 мм;

• при глубине 800 м и более - не менее 250 мм.

Таким образом, увеличение проектной толщины крепи на больших глубинах обеспечит необходимый запас прочности крепи, который учтет вероятность отклонения фактической толщины от проектной, а увеличение глубины заделки расстрелов благоприятно скажется на условиях эксплуатации армировки, что в свою очередь обеспечит безопасность и безремонтную эксплуатацию подъемного комплекса и бесперебойную работу всего горнодобывающего предприятия. Повышение проектного зазора безопасности на больших глубинах обеспечит безаварийную работу подъема даже при превышении допустимых отклонений крепи, которые наблюдаются на практике.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Левит В.В. Разработка и обоснование технологии и параметров армирования вертикальных стволов с применением расстрелов на анкерах: Дис... канд. техн. наук. -Днепропетровск: Гос. горн. акад. Украины, 1993. - 166 с.

2. Прокопова М.В. Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта: Дисс.канд. техн. наук. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004.- 139 с.

3. Инструкция по проектированию и монтажу армировки вертикальных стволов шахт с креплением элементов армировки на анкерах РД.12.18.089-90 -Харьков: ВНИИОМШС, 1990. - 83 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Прокопова М.В. - Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).