Некоторые аспекты проектирования строительства вертикальных шахтных стволов способом искусственного замораживания

© И М. Паланкоев, 2013

УДК 622.234.3 (047) И.М. Паланкоев

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ СПОСОБОМ ИСКУССТВЕННОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ

Рассмотрены основные аспекты эффективного строительства вертикальных шахтных стволов. Отмечена необходимость более полного учета некоторых технологических факторов, таких как ограниченное пространство забоя ствола, разрешенная высота подъема бадей без направляющих. Сформулированы необходимые требования к проектированию механизированных комплексов для строительства вертикальных стволов в городских условиях..

Ключевые слова: вертикальный ствол, чугунно-бетонная крепь, крепление ствола, коллектор, тоннель метрополитена, бадьевой подъем, направляющие канаты, крепление ствола

Процесс создания ледопород-ного ограждения вокруг строящегося ствола включает в себя бурение замораживающих скважин, в процессе которого скважина, как правило, разбуривается на значительно больший диаметр, чем предусматривалось в проекте, а в неустойчивых породах имеет место осыпание пород, поэтому фактический объем скважины часто бывает больше расчетного. Особенно неблагоприятны в этом отношении слабые породы, плывуны и породы, растворимые в воде (каменная соль, соляные глины). Этот эффект впервые отмечен Папазовым H.A., который установил, что при бурении замораживающих скважин происходит ослабление массива окружающих пород вследствие вымывания значительного объема горной массы. К сожалению, этот факт практически не освещается в современной технической литературе.

Проанализировав экспериментальные данные по бурению замораживающих скважин (накопленные в ЗАО «ОШК «Союзспецстрой»), можно сде-

лать вывод о том, что в процессе бурения весь водонепроницаемый породный массив полностью нарушается скважинами, а затем испытывает последующее разрушение вследствие пучения пород в процессе замораживания, что привдит к осложнениям процесса замораживания, особенно в начальный момент, когда рассол еще имеет температуру -5 °С ^ -10 °С. При этом воды верхнего горизонта или высоконапорного нижнего горизонта часто перетекают по замораживающим скважинам. Последнее приводит к тому, что процесс замораживания массива начинается значительно позже расчетного срока, и к заданному сроку толщина ледопородно-го ограждения недостаточна, что и приводит к разрушению ледопород-ного ограждения. Известны случаи прямого затопления стволов по указанной причине в Соликамске и в Китае.

В настоящее время ледопородное ограждение рассматривается в виде однородного цилиндра замороженных пород, в котором имеется разли-

Г - ( ГЛ 5 X £ (т^ /\ \ \ \

1 VУ \ $ 1 1 Ш 1

II III 1_

Рис. 1. Расчетная схема создания ледопородного ограждения

чие по температурам в главной и замковой плоскостях. При этом, в главной плоскости наблюдается самая низкая температура возле «впаянной в массив» замораживающей колонки. Естественно, самая большая прочность замороженной породы должна быть так же в этой плоскости.

Прочность замороженных пород в значительной степени зависит от величины температуры. В этой связи приобретает большое значение решение вопроса о распределении отрицательных температур в ледо-породном ограждении.

Теоретически характер распределения температур в любой точке ледопородного ограждения не зависит от теплофизических свойств пород и описывается уравнением вида

Существующие расчетные схемы определения прочности ледопород-ного ограждения не учитывают факта вымывания породного массива вокруг замораживающей скважин.

Температуру в любой точке ле-допородного ограждения принято рассчитывать по известным формулам:

М =

1п £ 1п2г01п -

_Г + ( _^

£ ^ 10

1п

1п2£1п £

где 1(г) -температура в любой точке радиусом г в замороженной зоне, 0С; 1ст- температура поверхности замораживающей трубы, 0С; постоянная естественная температура окружающей породы до начала заморажива-ния,0С; г- расстояние рассматриваемой точки от оси замораживающей трубы, м; радиус промерзания ледопородного цилиндра, м; г0-внешний радиус замораживающей колонки, м.

В том случае, если температура льдообразования ^ равна 00С, формула преобразиться в вид:

£

1п

((Г) = (с Г

1п

£

Г0

Тогда температура в любой точке ледопородного ограждения однородного цилиндра (от одиночной замораживающей колонки)может быть определена по вышеприведенной фор-

г,

0

муле. После смыкания ледопородного цилиндра характер распределения температур будет принимать более сложный характер. По методике, предложенной проф. Н.Г. Трупаком в 1954 г., рассматриваются три характерные плоскости ледопородного ограждения; осевая, главная и замковая

В главной плоскости температура вычисляется по формуле:

1

1п

^г ^ СП

У

1п

1

В замковой плоскости температура

1п

с = у

+ 52

1п 1

где 1г - температура в главной плоскости, 0С; 1з - температура в замковой плоскости, 0С; у - расстояние рассматриваемой точки от осевой плоскости, м; Б - расстояние между смежными замораживающими колонками, м.

Тогда принимаются следующие допущения распределения температуры;

1) в главной плоскости - самая низкая температура возле «впаянной в массив» замораживающей колонки. Отсюда, самая большая прочность замороженной породы должна быть так же в этой плоскости.

2) в замковой плоскости, между двумя замораживающими колонками температура в начальный период смыкания ледопородного ограждения составляет 0,3-0,4г0т , затем, при нарастании расчетной толщины, температура в замковой плоскости может понизиться до 0,7 - 0,8. Таким об-

разом, согласно методике Н.Г. Тру-пака, замковая плоскость является самой надежной.

Если же исходить из фактического состояния ослабления породного массива при бурении замораживающих скважин, то замораживающая колонка (источник минимальной температуры), не впаяна в породный массив, а отделена буровой скважиной (обычно диаметром 200 мм) от массива. Вокруг колонки находится не порода, а буровой раствор, прочность которого при замораживании всегда ниже, чем прочность замороженного массива пород. При температуре до -10 °С прочность льда вообще не принимается в расчет [ ВСН189-78 ],а при температуре -20 °С (обычное замораживание) прочность льда не превышает 1,8 МПа. Для сравнения - прочность песка в аналогичных условиях 14 МПа, а глин 7 МПа.

Необходимо учитывать, что сжимающие напряжения в замороженном цилиндре в зависимости от внешней радиальной нагрузки, то в замковой плоскости они будут расчетные, а на контуре кольцевого ослабления буровой скважиной в главной плоскости следует учитывать коэффициент концентрации напряжений около отверстия равный 2.

При рассмотрении монолитного цилиндра в главной плоскости по существующей расчетной схеме, прочность в песке составляет 14 МПа при температуре -20 °С. В реальной практике, на контуре ослабления скважины, прочность составляет 4,6 МПа, что обязательно нужно учитывать при исследовании возможности разрушения замораживающих колонок под действием БВР. Предлагаю рассмотреть принципиально новую расчетную схему ослабленного массива (рис. 2).

и

2

Рис. 2. Предлагаемая расчетная схема ледопородного ограждения: Р - нагрузка 0'егз - верхнее напряжение в главной плоскости; (Ггн - нижнее напряжение в главной плоскости; из верхнее напряжение в замковой плоскости; -нижнее напряжение в замковой плоскости

По температурным показателям в однородном замороженоном массиве возможно расчитать пределы прочности в различных плоскостях ледо-продного ограждения. Возможно описать состояние ледопородного ограждения путем наблюдения за значениями допустимого предела прочности на одноосное сжатие и введенно искусственно значением приведенного напряжения.

Тогда состояние ледопородного ограждения возможно описать разницей между допустимым пределом прочности и приведенным. Если эта разница больше 0, то ЁПО находится в надежном состоянии, если меньше о, - в опасном.

Предлагаемая схема учитывает распределение температур в замковой и главной плоскости сечения намороженного цилиндра, а также тот факт, что на контуре буровой скважины концентрация напряжений превышает расчетные в 3 раза.

В связи с вышеизложенным необходимо разработать мероприятия по повышению прочности замороженных пород на контуре замораживающих скважин.

Нами разработан способ повышения прочности бурового раствора путем введения в него синтетической фибры армирования из полиолефина (БагСЫр 48 компании «ЕРС») и подана заявка на патент № 2013135660 «Способ проходки вертикальных

Результаты исследования фиброраствора на прочность

Глинистый буровой раствор, укрепленный фиброй Пределы прочности темпе при сжатии (в МПа) при ратуре, °С

От-1 до-5 От-5 до-10 0т-10 до-15 От-15 до-20

Содержание фибры 8-9 % 0,7-0,85 1,1-2,2 2,1-2,8 2,9-3,4

Содержание фибры 10-12 % 1,1-1,6 1.8-2,8 3,1-4,2 4,2-5,1

Содержание фибры 13-15 % 1,5-1,8 1.9-3,0 3,2-4,4 4,5-5,5

водонепроницаемость

Рекомендуемое содержание фиброволокна 10-13% 0.05 0.1-0.2 0.26-0.34 0.34-0.38

шахтных стволов в неустойчивых и обводненных породах». Способ заключается в следующем: бурение замораживающей скважины происходит согласно проекту до конечной глубины скважины. Одновременно полимерную фибру в разлагающихся мешках помещают в пустой бак и перемешивают в течение 5 мин с небольшим количеством воды.

При достижении скважиной проектной глубины, через сопло бурового инструмента, подается растворенные фиброволокна. Волокна фибры легко проходят через отверстия диаметром 50 мм. С буровым раствором фиброволокна поднимаются в верх по замораживающей скважины. Зазор между породными стенками и замораживающей колонкой 250-144=105. Площадь зазора 1268 мм2. Средняя скорость восходящего потока глинистого раствора = 0,3 см/с.

Используется глинистый раствор на основе тонкодисперсных высокопластичных монтмориллонитовых глин. Вязкость до 20 МПа, плотность 1,05-1,12 г/см3. После проведенной процедуры, в скважины опускают замораживающую колонку. Часть глинистого раствора выливается из скважины, оставшаяся часть раствора, армированная фиброволокном, при замораживании обладает значитель-

ной прочностью (4,5-6,0 МПа). После окончания процесса замораживания и подачи в замораживающие колонки подогретого рассола, мерзлый глинистый раствор размораживается и колонки становятся доступны для извлечения их из скважин.

Нами проведены исследования прочности образцов глинистого раствора, укрепленного фиброволокном. Исследования образцов проводились на образцах размером 7х7х7 см на сжатие и на изгиб по ГОСТ 10180. Для испытаний было изготовлено семь серий контрольных образцов.

Затвердевший раствор с фиброй на 5 сутки имел водонепроницаемость 10-6 см/с, модуль деформации Е< 100 МПа, сцепление 1,5, прочность на одноосное сжатие от 0,7 до 2,5. Получены следующие результаты (таблица).

Заключение

Предложена авторская расчетная схема прочности ледопородного ограждения, отличающаяся от используемой на практике схемы тем, что в ней учитывается ослабление прочности ледопородного ограждения на контуре скважины. Предложен метод контроля прочности в замковой части ледопородного ограждения, который позволит обоснованно корректировать сроки подготовки массива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Корчак A.B. Методология проектирования строительства подземных сооружений. Москва «Недра коммюникейшинс ЛТД» 2001.

2. Крюков Г.М., Глазков Ю.В. Феноменологическая квазистатическо-волно-вая теория деформирования и разрушения материалов взрывом зарядов про-

мышленных ВВ. - М.: Издательство МГГУ, 2003.

3. Насонов И.Д., Шуплик М.Н. Закономерности формирования ледопородного ограждения при сооружении стволов шахт. - М.: Недра, 1976.

4. Тру пак Н.Г. Замораживание пород при сооружении вертикальных стволов шахт. - М.: Недра, 1983. ГТТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Паланкоев Ибрагим Магомедович - аспирант кафедры СПСиШ, Московский государственный горный университет, «Президент компании, Объединенной шахтостроительной компании «СОЮЗСПЕЦСТРОЙ». oshk@souzspecstroy.ru

А

ГОРНАЯ КНИГА

Физико-технический контроль и мониторинг при освоении подземного пространства городов: Учебник для вузов.

А.З. Вартанов 2013

УДК 53.08.088:622 ISBN 978-5-98672-243-6

Приведены основные цели и задачи, решаемые физико-техническими методами контроля и мониторинга при строительстве и эксплуатации подземных сооружений в условиях крупных городов и мегаполисов. Рассмотрены основные геофизические методы для изучения структуры, свойств и состояния геологической среды в зоне строительства, описаны методы и средства контроля и мониторинга соответствующих технологических процессов, а также эксплуатационный контроль подземных сооружений. Изложены базовые сведения о методах и средствах экологического контроля при освоении подземного пространства городов.

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства» направления подготовки «Физические процессы горного или нефтегазового производства». Может быть полезно также студентам, аспирантам, научным и инженерно-техническим работникам, сфера деятельности которых связана с освоением подземного городского пространства.