КОНСТРУКЦИЯ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА С РЕГУЛИРУЕМЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ
LINING OF VERTICAL SHAFT WITH CONTROLLED OPERATING CONDITIONS

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к конструкциям крепи вертикальных стволов, и может быть использовано в стволах угольных шахт и рудников, а также в 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.
Указанная конструкция крепи не обеспечивает оптимального режима использования материалов, так как перераспределение гидростатического давления происходит преимущественно между слоями самой крепи. Бетон, обладая низкой водопроницаемостью, оказывает значительное сопротивление фильтрации воды, но большую часть нагрузки передает на внутренний водонепроницаемый слой. Причиной служит то, что в комбинированной крепи смещениям бетона в радиальном направлении препятствует жесткий внутренний слой водонепроницаемой оболочки, модуль упругости материала которого (сталь, чугун) в десятки раз больше длительного модуля деформации бетона. А так как возникновение напряжений и, соответственно, восприятие нагрузок пропорционально реализуемым деформациям (согласно закону Гука), то в крепи с регулируемым режимом работы бетон лишь передает напряжения на слой стали более равномерно, чем если бы гидростатическое давление восстанавливалось на контуре водонепроницаемого слоя и передавалось на бетон через замоноличенные в нем анкеры. С крепи в регулируемом режиме снимается только та часть нагрузки, которая воспринимается породным массивом (радиус влияния дренажа выработки). Помимо этого фильтрация значительных объемов воды через основной грузонесущей слой бетона ведет к необходимости применения более дорогих его разновидностей с полимерными добавками. Это удорожает строительство, но не гарантирует его от постепенного разрушения и снижения прочности, что не может быть признано рациональным.
Целью изобретения является создание конструкции крепи, позволяющей существенно снизить нагрузку на внутреннюю стальную оболочку и слой бетона, исключающей фильтрацию значительных объемов воды через слой грузонесущего бетона, уменьшив за счет этого материалоемкость и стоимость крепи, увеличив долговечность и надежность.
Для достижения поставленной цели предлагается конструкция крепи с регулируемым режимом работы, включающая (см. фиг.1) внутреннюю металлическую обечайку (1), грузонесущий слой из бетона с вяжущим на основе активированных в дезинтеграторе хвостов обогащения (2), слой фибробетона с пористым заполнителем и искусственно улучшенными водопроводящими свойствами (3), слой затампонированных пород (4), систему анкеров (8), контрольно-регулирующие элементы (7), а также систему отвода воды.
Для увеличения доли гидростатического давления, воспринимаемого вмещающим массивом пород, было предложено внести следующие изменения в конструкцию аналога:
- за крепью создать зону качественно затампонированных пород. Это увеличивает сопротивление фильтрации воды, уменьшает объемы ее поступления в систему отвода;
- в породные стенки устанавливать анкеры, создавая дополнительные радиальные связи, что препятствует смещениям пород и увеличению давления на внутренние слои крепи, а также более равномерно распределяет воспринимаемую породами нагрузку вглубь массива. При этом из предусмотренных в аналоге двух вариантов соединения стальной оболочки: к внутренним слоям крепи короткими анкерами (6) или к внутренним слоям и породам длинными анкерами, должен использоваться только первый вариант;
- водопроводящий слой размещать не между слоем бетона и стальной оболочкой, а наносить непосредственно на обнаженные породные стенки. Это позволяет снизить величину гидростатического давления на стальную оболочку, бетон и поддерживать его постоянным, а также предотвращает фильтрацию значительных объемов воды через грузонесущий слой бетона;
- патрубки (9) выполнить большей длины так, чтобы они пересекали слой бетона крепи, а их концы находились в водопроводящем слое бетона;
- патрубки, принимающие воду, должны выполняться сплошными в зоне пересечения бетонной крепи и иметь перфорацию только в зоне водопроводящего слоя;
- в бетон водопроводящего слоя добавлять помимо фибры пористый заполнитель (гранулы вспененного полистирола), увеличивающий его способность деформироваться под нагрузкой без разрушений. Это обеспечивает восприятие массивом большей доли нагрузки.
Благодаря снижению нагрузки на слой бетона оказывается возможным частично заменить стандартное вяжущее активированными в дезинтеграторе хвостами обогащения, сокращение использования портландцемента при этом может достигать 80%. Такой подход особо актуален при строительстве стволов в районах крайнего севера, где доставка материалов возможна только в летние месяцы и требует значительных финансовых затрат.
Принцип работы предложенной конструкции заключается в следующем. Вода фильтруется через породу (5) в зоне, размеры которой определяются радиусом влияния дренажа выработки, далее через затампонированный массив попадает в водопроводящий слой бетона, откуда, по достижению давления сброса, отводится через контрольно-регулирующие элементы в систему отвода воды. Давление на водонепроницаемую оболочку будет равно в этом случае давлению сброса и может изменяться с помощью контрольно-регулирующих элементов.
В системе отвода должен проводиться периодический мониторинг объемов поступления воды на различных участках ствола. Рост притока означает, что в зоне затампонированных пород на данном участке возникли размывы и необходимо провести повторный тампонаж. Эти работы могут быть проведены без нарушения целостности крепи через отверстия, предназначенные для размещения контрольно-регулирующих элементов.
Основные достоинства предлагаемой конструкции по сравнению с аналогом заключаются в следующем: снижается нагрузка на внутреннюю стальную оболочку и грузонесущий слой бетона, благодаря этому уменьшается количество используемых дорогостоящих материалов; вместо бетона на портландцементе можно использовать бетон с активированными отходами обогащения в качестве вяжущего, что снижает стоимость крепи; исключается фильтрация значительных объемов воды через слой грузонесущего бетона, это увеличивает надежность и долговечность крепи; в предложенной конструкции породы, затронутые фильтрационными процессами на значительную глубину, выступают в качестве полноценной грузонесущей составляющей крепи. Это подтверждается и расчетами, выполненными по методике проф. Булычева [2].
Предлагаемая конструкция может использоваться как для крепления всего ствола, так и для отдельных его участков, пересекающих водоносные горизонты.
Литература
1. Пат. 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 Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. - 270 с.