Методические положения оценки технического состояния вертикальных шахтных стволов после длительной консервации

УДК 622.222.2

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ КОНСЕРВАЦИИ

В.В. Тарасов, И.А. Афанасьев, В.С. Пестрикова

Приведены результаты натурного обследования крепи вертикального ствола № 4 СКРУ- 3 компании «Урал-калий», лабораторных исследований чугуна тюбингов, анализа и обобщения базы данных по проекту, технологии проведения и консервации ствола, а также математического моделирования напряженно-деформированного состояния крепи. Анализируются прогнозные оценки горного давления и физико-механических свойств существующей крепи, и конструкции крепи ствола. Обоснована возможность завершения строительства ствола № 4 и предложены технические решения по обеспечению его длительной эксплуатации.

Ключевые слова: вертикальный ствол, тюбинг, чугун, напряженно-деформированное состояние, горное давление, конструкция крепи.

Методические положения оценки технического состояния вертикальных шахтных стволов после длительной консервации рассмотрим на конкретном примере. Скиповой воздухоподающий ствол № 4 рудника СКРУ-3 (Пермский край, г.Соликамск) диаметром в свету 7 м и проектной глубиной 468,18 м был начат проходкой в ноябре 1979 г. под защитой ле-допородного ограждения, образованного системой замораживающих скважин, пробуренных до глубины 230 м. В соответствии с проектом ниже «технологического отхода» с глубины 42,5 м проходка ствола производилась с передовым бетонным креплением при помощи призабойной секционной опалубки высотой 4,2 м и установкой полимерного экрана и возведением чугунной тюбинговой крепи снизу вверх тюбингами завода «Доза-мет» ПНР высотой 1,5 м.

Из 23 шахтных стволов, проходку которых производили под защитой ледопородного ограждения, ствол № 4 рудника СКРУ-3 занимает особое место. Особенности геологического строения выщелачивание верхней части переходной пачки и ряд других факторов способствовали тому, что темпы проходки ствола были значительно ниже проектных. Непреодолимым для проходки стал интервал верхней оставшейся части переходной пачки. В результате этого по достижении глубины 216,3 м проходка ствола была задержана на 8 лет. Ствол трижды был затоплен: первый раз - в сентябре 1981 г., второй - в декабре 1983 г. и третий в мае-июне 1985 г. При затоплениях дебит водопритока достигал 240...900 м/час. Глубина поверхности водяного столба в стволе соответственно составляла 77,65; 74,7 и 78,2 м. Глубина забоя ствола при первом затоплении составляла 216,3 м [1-4].

Возобновить проходку ствола удалось лишь в сентябре 1989 года, после бурения дополнительного (второго) ряда замораживающих скважин по кольцу диаметром 17 м на глубину 241 м и замораживания пород интервала верхней части переходной пачки. Затем при установке тюбингового кольца № 134 на глубине 217,9 м при возведении тюбинговой колонны сверху вниз было обнаружено смещение тюбинговых колец № 121-125, что привело к разборке их и перемонтажу. В результате этого между тюбинговыми кольцами № 121 и 122 вынужденно был выполнен 30 мм дополнительный пикотажный шов. В верхней части ПКС на глубинах 285,95 и 288,07 м установлены два кейлькранца.

В августе 1990 г. ствол был переведен на режим оттаивания, а с октября этого же года проведены работы по контрольной гидроизоляции. К концу марта 1992 г. ствол был пройден до глубины 356,3 м и закреплен тюбингами до глубины 353,1 м (тюбинговое кольцо № 222).

С началом процесса оттаивания ледопородного ограждения были начаты работы по устранению водопроявлений (контрольная гидроизоляция) через тюбинговую крепь ствола. Эти работы с перерывами велись практически с 1990 до 1992 гг.

В связи с ограничением сбыта готовой продукции в 1992 году работы по проходке ствола № 4 СКРУ-3 были временно приостановлены на глубине 356,6 м. После выполнения ряда мероприятий, призванных обеспечить безопасность работы рудника и сохранность пройденной части ствола, в сентябре 1993 г. ствол перевели в режим временной консервации. Из ствола полностью демонтировано проходческое оборудование. Для проведения различного рода профилактических мероприятий для поддержания ствола на период консервации в устье ствола сохранены перекрытие и копер.

После остановки проходки ствола в течение 1992-2011 гг. периодически проводились тампонажные работы с целью сохранения герметичности тюбинговой колонны и снижения суммарного водопритока до допустимого по нормативным документам предела.

В 2011 году руководством ОАО «Уралкалий» решено возобновить проходку шахтного ствола № 4 рудника СКРУ-3.

До начала углубки и перед возобновлением проходки была разработана и утверждена программа обследования шахтного ствола.

В соответствии с утвержденной программой в состав работ по обследованию стола входили следующие мероприятия:

- визуальный осмотр состояния крепи ствола. При осмотре фиксируются вид крепи, характер и размеры нарушений, толщина крепи, технологические разрывы между заходками, дефекты различного характера;

- оценка герметичности тюбинговой колонны и оценка состояния крепи за тюбинговой колонной. Оценка проводилась на основании

анализа исполнительной документации по сооружению гидроизоляционных устройств - кейлькранцев и анализа выполненных гидроизоляционных работ в районе кейлькранцев и работ связанных с восстановлением устойчивости тюбинговой крепи ниже кейлькранцев;

- определение фактических параметров крепи. Выполняется с целью установления фактических размеров ребер, фланцев и болтов тюбинговой крепи, по возможности сбору маркировочных данных;

- ультразвуковая толщинометрия стенок тюбинговой крепи, выполняется на предмет коррозионного износа чугунных тюбингов;

- инструментальные маркшейдерские замеры, которые включают в себя проверку вертикальности ствола, а также наличие вертикальных и горизонтальных деформаций;

- определение прочностных характеристик материала крепи ствола в лабораторных условиях. Лабораторные исследования включали в себя отбор образцов чугуна из полок в виде призм.

Из отобранного образца чугуна в специализированной лаборатории проводились следующие исследования:

1) металлографический анализ;

2) испытание на прочность при растяжении и сжатии.

Специалистами горной лаборатории ОАО «Галургия» выполнено

визуальное обследование железобетонной конструкции устья ствола,

узлов сопряжений с вентиляционной камерой и технологическим каналом, мест установки анкерных болтов для опорной части станка копра, а также подземная галерея-форшахты для размещения колонок замораживающих скважин.

В результате выполненных работ по обследованию установлено, что устье ствола имеет сложную специальную конструкцию диаметром 21100 мм с установленной на глубине до 3 м подземной галереей для размещения замораживающих скважин. Подземная галерея отделена от ствола бетонным воротником толщиной 800 мм. Состояние бетонных перемычек и бетонного воротника было оценено как удовлетворительное. Ниже подземной галереи расположена крепь постоянного устья ствола, которая выполнена из железобетона. Также в результате обследования бетонной крепи устья ствола установлено, что значительная часть бетона подверглась поверхностной коррозии, которая проявляется в виде выкрашивания, трещин отслоения, вывалов и, как следствие, приводит к уменьшению стенок бетона от 70 до 200 мм. Суммарная площадь участков с глубиной выкрашивания от 100 до 200 мм составляет 77,5 м2 .

Таким образом, учетом длительного срока службы, наличия значительного количества дефектов и снижения прочностных характеристик крепи бетона был сделан вывод о невозможности дальнейшей эксплуатации устья ствола без выполнения ремонтно-восстановительных работ капитального плана.

В результате проведенного обследования тюбинговой крепи ствола установлено, что тюбинговая колонна начиная с т.к. № 1 вниз до т. к. № 222 сохранила свою герметичность, водо- и рассолопроявлений на этом участке крепи ствола не зафиксировано. Вдоль этого участка крепи отмечаются лишь неувлажненные известковистые налеты, которые располагаются в основном на различных элементах конструкции тюбинговой крепи (тампонажные пробки, внутренние полки тюбингов и соединительные швы между тюбингами). По всей длине шахтного ствола фиксируются незначительные повреждения в виде овальных сколов на ребрах жесткости в тюбинговых сегментах, (всего зафиксировано 13 сколов). Обнаруженные сколы, по данным специалистов рудника, образовались в результате обрыва и падения в зумпф ствола металлической трубы. Этот факт подтверждает то, что останки трубы были обнаружены при разборке «соляной подушки», выполненной в зумпфе ствола. Из-за незначительной площади повреждения горизонтальных ребер тюбинговых сегментов и локального распространения по высоте ствола выявленные повреждения не смогут повлиять на устойчивость тюбинговой крепи вертикального ствола.

Водо- и рассолопроявления из закрепного пространства через соединительные швы и тампонажные отверстия отсутствуют. Однако из-за образования конденсата на стенках тюбинговой крепи в зумпфовой части ствола стоит редкий капеж. Конденсационные воды в зумпф попадают как по стенкам тюбинговой крепи, так и с поверхности передвижного полка. По этой причине в зумпфе постоянно скапливается вода. В целом, состояние тюбинговой крепи на этом интервале ствола оценивается как удовлетворительное.

Для оценки состояния крепи за тюбинговой колонной в соответствии с рекомендациями ОАО «Галургия» специализированной службой рудника СКРУ-3 была проведена проверка затюбингового пространства ствола в интервалах тюбинговых колец № 109-177. Проверка состояния крепи в затюбинговом пространстве в интервале тюбинговых колец № 109-177 не обнаружила наличия влагопроявлений в закрепном пространстве. Материал закрепного пространства чаще всего представлял из себя «сухой, крепкий, бетон».

Таким образом, отсутствие влагопроявлений в интервале заложения кейлькранцев в стволе, а также отсутствие значительных водопритоков из закрепного пространства ствола позволяют сделать вывод о том, что тюбинговая крепь ствола № 4 СКРУ-3 сохранила свою герметичность.

В районе предполагаемых полостей размыва соляного массива появившихся за период консервации, в интервале тюбинговых колец № 183222 было пробурено свыше 200 разведочных шпуров через бетонную крепь. В результате бурения выявлено наличие карстовых пустот в закреп-ном пространстве ствола глубиной до 2,5 м, появившихся в результате не-

однократного подтопления зумпфа. Обнаруженные полости и пустоты были погашены тампонажным материалом.

Определение фактических геометрических параметров тюбинговой крепи выполнялось при помощи штангенциркуля. Кроме того, была уточнена маркировка тюбинговых колец.

Результаты проведенных измерений выявили соответствие фактического крепления ствола № 4 СКРУ-3 данным проекта Р-2163 в интервале тюбинговых колец № 1-121. Далее в соответствии с проектными данными ствол закреплен тюбингами с маркировкой «7-50» до тюбингового кольца № 137 и с маркировкой «7-60» до тюбингового кольца № 179. Ниже тюбингового кольца № 179 в интервале тюбинговых колец № 180-198 и №200-218 установлены тюбинговые кольца с маркировкой «7-40». Кроме того, в тюбинговом кольце № 200 были установлены как тюбинги с маркировкой «7-40», так и «7-60». Сходная ситуация наблюдается в тюбинговых кольцах № 219 (сочетание тюбингов типа «7-40» и «7-50») и № 220222 (сочетание тюбингов типа «7-50» и «7-60»).

Кроме того, для определения остаточной толщины стенок тюбингов в стволе № 4 СКРУ-3 управлением мониторинга, наладки и экспертизы ОАО «Уралкалий» была проведена ультразвуковая толщинометрия (УЗТ) тюбинговой крепи ствола № 4 СКРУ-3. Измерения толщины стенки тюбингов проводились ультразвуковым дефектоскопом, тюбинговая крепь ствола была обследована в 60 точках контроля по всей глубине ствола. Исследуемые интервалы тюбинговой крепи были приурочены к креплению ствола разного типа тюбингов.

Результаты исследований выявили незначительное утонение стенки тюбинговой крепи на всем исследуемом интервале, максимальное выявленное значение утонения составило 18 % от проектной толщины стенки тюбинга.

Таким образом, в результате выполненных замеров геометрических параметров тюбинговой крепи установлено, что в стволе № 4 СКРУ-3 были установлены тюбинговые кольца Польского завода «Доза-мет», с толщиной спинки тюбинга от 40 до 60 мм и толщиной по фланцу от 180 до 200 мм.

Результаты проведенных исследований по определению остаточной толщины стенки тюбинговой крепи позволяют сделать вывод о незначительном утонении стенок тюбингов, которые не могут оказать негативного влияния на устойчивость и герметичность существующей тюбинговой крепи ствола № 4.

Инструментальная проверка вертикальности ствола производилась отделом капитальных маркшейдерско-геодезических работ маркшейдерского управления ОАО «Уралкалий». Профилировка выполнена от направляющих канатов подъемного сосуда (бадьи). Съемка стенок ствола была выполнена от специального шаблона с подвижной платформой, на

которой закреплена лазерная рулетка, центр вращения платформы геометрически привязан к направляющим канатам. За исходное направление принято положение направляющих канатов.

В результате маркшейдерских замеров установлено, что величина отклонений вертикальных стенок шахтного ствола, закрепленного тюбингами - кольцами, имеет отклонения как в сторону сжатия, так и в сторону растяжения. Причем искривления стенок ствола в сторону сжатия, как например, на глубине 88 м, меняются в сторону растяжения на глубине 81 и 96 м, а максимальные растяжения стенок ствола, зафиксированные на глубине 119 м, уже на глубинах 103 и 128 м вертикальное положение стенок ствола выходят на проектную величину.

Таким образом, деформации стенок ствола имеют знакопеременный характер с некоторым преобладанием сжатий (-) над растяжениями (+). Максимальные значения приурочены к местам стыка двух заходок на величину до 90 мм (т.к. № 4-5, № 109-110 и т.к. № 121-122). При этом внешних признаков деформирования и повреждения тюбинговой крепи шахтного ствола не обнаружено. Так как признаков повреждения тюбинговой крепи не выявлено, то плавные искривления стенок ствола в пределах максимальных значений не влияют на устойчивость двухслойной чу-гунно-бетонной крепи шахтного ствола.

Определение прочностных характеристик материала крепи ствола проводилось в испытательном лабораторном центре ТулГУ.

Объектом испытаний являлись образцы, вырезанные из кусков чугунных тюбингов крепи шахтного ствола №4 СКРУ - 3, материал - серый чугун (точная марка материала неизвестна). Целью испытаний являлось определение предела прочности при растяжении, а также относительного удлинения и предела прочности при сжатии серого чугуна. Испытания проводились на соответствие серого чугуна ГОСТу 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки». Методика испытаний соответствует требованиям ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний».

Программа испытаний заключалась в следующем. В соответствии с ГОСТ 27208-87 из куска чугунного тюбинга крепи шахтного ствола изготовлены образцы для испытания на растяжение и сжатие. Для первой серии испытаний было изготовлено по 2 образца. Для определения предела прочности при растяжении образец подвергали растяжению под действием плавно возрастающего усилия до разрушения. Наибольшее усилие растяжения, предшествующее разрушению образца, принималось за усилие, соответствующее временному сопротивлению на растяжение. При определении предела прочности при растяжении б р скорость деформирования была не более 10 МПа/с.

Для определения предела прочности при сжатии серого чугуна образец нагружали осевым сжимающим усилием до разрушения. Наиболь-

шее усилие сжатия, предшествующее разрушению образца, принималось за усилие, соответствующее временному сопротивлению на сжатие. Перемещение подвижной траверсы обеспечивало скорость нагружения образца не более 20 МПа/с.

В качестве средства испытаний использована испытательная машина Р-5ПК (свидетельство о поверке № 4307/10-2 до 29.11.2014 г.). Штангенциркуль тип II № В167227 (свидетельство о поверке № 1833/10-4, действительно по 14 мая 2014 г.).

По результатам проведенного химического анализа можно сделать вывод, что состав исследуемого образца чугуна соответствует химическому составу чугуна марки СЧ 30.

Кроме того, специалистами Тульского государственного университета была определена реальная расчета схема крепи ствола и выполнен поверочный расчет существующей конструкции тюбинговой крепи шахтного ствола № 4. Результаты выполненного расчета крепи показали, что несущая способность существующей чугунно-бетонной крепи шахтного ствола № 4 с учетом разной толщины стенок тюбингов и после выполнения ре-монтно-восстановительных мероприятий по замене деформированных тюбингов, способна обеспечить безопасную и безаварийную эксплуатацию шахтного ствола на весь срок деятельности горнодобывающего предприятия.

Также проведена оценка сейсмической опасности района расположения СКРУ - 3 [5-8]. Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей (ВКМКС) занимает площадь 3640 км и расположено в северовосточной части Пермского края в пределах Александровского, Добрян-ского, Красновишерского, Соликамского, Чердынского и Усольского районов. Оно вытянутого в меридиональном направлении на 140 км при ширине до 42 км и ограниченного отрезками долин рек Кама, Вишера, Язьва, Глухая Вильва и Яйва, относящимся к бассейну среднего течения р. Камы.

Интенсивность сотрясений согласно картам ОСР-97 на данном участке может составлять 6 баллов по шкале МБК-64, а интенсивность сотрясений согласно картам ОСР-2012 на данном участке может составлять уже 6,5 баллов по шкале МБК-64 (рисунок). Из таблицы видно, что сейсмичность в районе месторождения не превышала 4,5 балла по шкале МБК-64. Строительство рудника производилось, исходя из действующего на тот момент СНиП П-А.12-69*.

Максимальное количество баллов для данного региона равно 5 по шкале МБК-64.

Учитывая тот факт, что уровень сейсмичности пересматривается в большую сторону, важным является мониторинг уровня сейсмической опасности, и определения возможных величин дополнительных напряжений в крепи стволов. Оценка технического состояния железобетонной конструкций устья ствола и двухслойной чугунно-бетонной крепи проведена

на основании выявленных дефектов и повреждений, анализа качества строительных материалов и определена по категориям обозначенным РД 03-422-01.

Сейсмическое районирование территории РФ согласно

карте ОСР 2012

Таблица

Уточнение интенсивности сотрясений Верхнекамского месторождения

Географические Максималь- Максималь- Максималь- Максимальная

координаты ная зафикси- ная интен- ная интен- интенсивность

участка рованная ин- сивность по сивность по по шкале

тенсивность шкале МБК- шкале МБК-64

по шкале 64 МБК-64 согласно карте

МБК-64 в пе- согласно согласно ОСР - 2012

Широта, град Долгота, град риод с 1725 по 2011гг. карте ОСР - 78 карте ОСР - 97

СНиП II-А12-69* СНиП 11-781*

59,25 56,47 4,5 5 А В С А В С

- - 6 - 6,0 6,5

Таким образом, учитывая результаты выполненных исследований состояния крепи шахтного ствола № 4 и в соответствии с требованиями РД 03-442-01, существующие элементы конструкции крепи шахтного ствола № 4 можно отнести к следующим категориям:

- железобетонное устье ствола относится к 4-й категории. Этот элемент конструкции крепи непригоден для дальнейшей эксплуатации

ствола, в дальнейшем, перед началом углубки, требуется его полное перекрепление.

- двухслойная чугунно-бетонная крепь относится к 3-й категории и требует проведения частичного ремонта - замены деформированных тюбинговых колец.

В целом, после выполнения вышеперечисленных рекомендаций по обеспечению устойчивости конструкции крепи можно приступать к работам, связанным с углубкой и дальнейшей эксплуатацией шахтного ствола № 4рудника СКРУ-3.

Комплексные исследования, включавшие натурное обследование крепи вертикального ствола № 4 СКРУ - 3, лабораторные исследования чугуна тюбингов, анализ и обобщение базы данных по проекту, по технологии проведения и консервации ствола, а также математическое моделирование напряженно-деформированного состояния крепи позволили уточнить закономерности проявлении горного давления и обосновать параметры крепления вертикального ствола № 4. Получены прогнозные оценки горного давления, обоснована расчетной схемы многослойной крепи ствола, проведена оценка физико-механических свойств существующей крепи и конструкции крепи ствола. Обоснована возможность завершения строительства ствола № 4 и предложены технические решения по обеспечению его длительной эксплуатации.

Список литературы

1. Горно-геологические особенности реконструкции вертикальных стволов на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей / Н.М. Качурин и [др.] // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014. Вып. 4. С. 79-85.

2. Натурные исследования фактического состояния крепи реконструируемого ствола №4 рудника СКРУ - 3 ОАО «Уралкалий» и оценка ее несущей способности / Н.М. Качурин и [др.] // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014. Вып. 4. С. 85-100.

3. Исследования геометрических параметров и прочностных характеристик материала тюбингов ствола № 4 СКРУ - 3 / Н.М. Качурин и [др.] // Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2014. Вып. 4. С. 100-109.

4. Качурин Н.М., Афанасьев И.А. Определение вероятности геодинамического риска для подземного сооружения // Известия ТулГУ. Сер: Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 262-268.

5. Афанасьев И. А. Адаптация метода "Гусеница" - ББЛ для работы в автономном режиме при прогнозировании сейсмособытий // Известия ТулГУ. Сер. Естественные науки. 2010. Вып. 2 . С. 150-155.

6. Афанасьев И. А. Концепция прогнозирования сейсмособытий на основе экспериментальных данных различной природы // Известия ТулГУ. Сер. Естественные науки. 2009 . Вып. 2 . С. 147-158.

7. Качурин Н.М., Афанасьев И.А., Лукашин С.Б. Определение вероятности сейсмического риска для подземного сооружения // Известия ТулГУ. Сер. Естественные науки. 2012 . Вып. 1, ч.2 . С. 159-164.

8. Афанасьев И. А. Анализ геодинамических сигналов с целью прогнозирования землетрясений // Международная научная конференция «Современные проблемы математики, механики и информатики»: материалы конференции / ТулГУ. Тула, 2008. С. 347-349

Тарасов Владислав Викторович, горный инженер, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»

Афанасьев Игорь Александрович, канд. техн. наук, ассист., nivas57@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пестрикова Варвара Сергеевна, горный инженер, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Пермь, ОАО «Галургия»

METHODICAL REGULATIONS BY EVALUATING TECHNICAL CONDITION OF VERTICAL SHAFTS AFTER LONG-TERM CONSERVATION

V.V. Tarasov, I.A. Afanasiev, V.S. Pestricova

Results of full-scale investigating vertical shaft N4 SKRU-3 Company "Ural-kaliy", laboratory researching cast iron of tubing, analyzing and generalizing data base on the project, technology of shaft sinking and shaft conservation and mathematical modeling mode of deformation of lining were submitted. Forecasting evaluations of underground pressure and physical-mechanical properties of existing lining and lining construction of the shaft were analyzed. Possibility of finishing shaft N4 sinking was substantiated and proposals by technical solutions of providing their long-term exploitation were proposed.

Key words: vertical shaft, tubing, cast iron, mode of deformation condition, underground pressure, lining construction.

Tarasov Vladislav Victorovich, Mining Engineer, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Perm, Company of the "Galurgiy",

Afanasiev Igor Alexandrovich, Candidate of Science, Assistant Professor, nsb@,sps.tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pestricova Varvara Sergeevna, Mining Engineer, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Perm, Company of the "Galurgiy"