СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ СБОРНО-МОНОЛИТНОЙ КРЕПИ СТВОЛА ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF PREFABRICATED-SOLID SUPPORT OF SHAFT OF MINING ENTERPRISE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к области горного дела и могут быть использованы при сооружении глубоких вертикальных шахтных стволов горных предприятий в сложных горно-геологических условиях, например в крутонаклонных, водонасыщенных, пластичных, податливых и т.п. породах.
Известна крепь шахтного ствола, возводимого в сложных горногеологических условиях, включающая несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку, разделенную ребрами жесткости с образованием вертикальных каналов, заполненных податливым вспененным материалом, анкерные стержни, закрепленные в массиве горных пород и соединенные с несущей железобетонной оболочкой, при этом анкерные стержни закреплены в массиве горных пород под острыми углами к стенкам шахтного ствола в вертикальной плоскости и соединены с несущей железобетонной оболочкой гибкими нитями (канатами, стержнями, тросами), размещенными в ребрах жесткости компенсационной оболочки, кроме этого, к анкерным стержням может быть прикреплена сетка временного крепления стенок шахтного ствола [Описание изобретения к патенту РФ №2110689 от 05.01.1996, МПК E21D 5/04, опубл. 10.05.1998]. Предлагаемая крепь шахтного ствола может возводиться как вслед за проходкой в нисходящем порядке, так и в восходящем порядке при пройденном участке ствола. Конструкция крепи и ее элементов в обоих вариантах крепления не имеют существенных отличий, кроме организации технологии ее возведения.
В описании настоящего изобретения подробно изложена технология сооружения крепи, которая сводится к бурению на пройденном участке ствола в его стенках множества наклонных шпуров, в которых устанавливают с невозможностью извлечения анкерные стержни, и последующему монтажу на подготовленном участке ствола компенсационной оболочки и монолитной кольцевой железобетонной оболочки, разделенных ребрами жесткости, при этом цилиндрическая форма железобетонной оболочки обеспечивается за счет использования скользящей опалубки с последующим бетонированием заопалубочного пространства, причем все необходимое оборудование подвешено на канате и опускается на очередной шаг по мере бетонирования очередного кольца. И такие технологические переходы повторяются до момента окончательного бетонирования по высоте всего ствола.
Для монтажа множества анкерных стержней требуется очень большой объем буровых работ, которые сложно выполнять в стесненных условиях шахтного ствола, а увязка анкерных стержней с заделанной в бетон сеткой требует большого объема ручных работ, следствием чего будут непроизводительные потери времени и снижение скорости возведения крепи. Анкерные стержни в момент установки в массив не натягиваются для создания предварительно напряженного состояния, а это значит, что при дальнейшем нагружении таких анкеров весом бетонной крепи будет происходить их упругая осевая деформация, что приведет к растяжению и трещинам основной бетонной крепи шахтного ствола.
В случае использования при проходке ствола технологии замораживания слабых обводненных пород после их оттаивания установленные таким образом анкерные стержни потеряют несущую способность и не будут выполнять свою функцию по поддержанию основной крепи ствола.
Известна крепь шахтного ствола, возводимого в соляных и соленосных породах, состоящая из несущей внутренней бетонной оболочки и внешней компенсационной оболочки из податливого вспененного материала, которая сформирована из пенополистирольных плит и размещена ровным слоем вокруг бетонной оболочки цилиндрической части ствола, при этом расстояние между опорными венцами определяют с учетом определяющих параметров, при этом опорные венцы из бетона усилены тюбинговыми кольцами и могут быть отделены от основной части бетонной крепи деформационными швами из дерева, а кроме этого, компенсационная оболочка из пенополистирольных плит прикреплена к породному массиву монтажными анкерыми [Описание изобретения к патенту РФ №2535554 от 11.10.2013, МПК E21D 5/11, опубл. 20.12.2014]. При сооружении этой крепи на себя обращает внимание необходимость установки множества монтажных анкеров.
Способ возведения настоящей крепи (см. описание изобретения) включает следующие стадии:
По данным бурения разведочных скважин, располагаемых в пределах контура будущего шахтного ствола, с учетом размеров опорных поверхностей опорных венцов, контактирующих с массивом, определяют предельный шаг установки и расположения опорных венцов для конкретных участков шахтного ствола. Затем возводят крепь шахтного ствола, которую в пределах участка между двумя опорными венцами формируют снизу вверх или сверху вниз, для чего первоначально возводят нижний опорный венец с расчетными параметрами для конкретных горно-геологических условий, после этого у стенки породного массива формируют внешнюю компенсационную оболочку из пенополистирольных плит, которые прикрепляют к стенке породного массива монтажными анкерыми и/или с использованием анкерной временной крепи. Затем в пространство между передвижной опалубкой и пенополистирольными плитами подают бетонную смесь, т.е. возводят несущую внутреннюю бетонную оболочку крепи ствола. По мере заполнения и схватывания бетонной смеси производят наращивание податливого слоя и передвижку подвешенной на канатах опалубки на следующий шаг. С целью обеспечения минимальных размеров опорных венцов, способных противостоять радиальным нагрузкам от воздействия окружающих пород в результате проявления горного давления, их усиливают тюбинговыми кольцами.
Настоящая схема возведения крепи ствола подразумевает параллельную схему ее сооружения, при которой непосредственно в забое возводится временная анкерная крепь, а на определенном расстоянии от забоя ствола восходящими заходками возводят постоянную крепь с использованием компенсационной оболочки. Возведение временной крепи в несолевых породах является существенным недостатком этой технологии, поскольку требуются значительные материальные и трудовые затраты на ее возведение. Кроме этого, в этой схеме неизбежно возникают пикотажные швы на границе двух заходок, а наличие компенсационной оболочки ввиду ее низкой механической прочности (как правило это плиты из полистирола) не обеспечивает требуемую силу сцепления крепи со стенками ствола и в этом случае всю весовую нагрузку обеспечивают только опорные башмаки, что увеличивает их размер и требует дополнительных затрат на их возведение. Применение анкеров является средством для временного крепления забоя и никак не влияет на прочность самой крепи.
Перечисленные недостатки более всего проявляют себя на стволах большой глубины - от 500 м и выше. В результате трудоемкая технология возведения крепи лишь частично решает проблему устойчивости крепи и только лишь на ограниченном этапе эксплуатации шахты.
Известно устройство для сооружения тюбинговой крепи ствола горного предприятия, а именно гидромеханизированная платформа, состоящая из металлических сегментов и содержащая совокупность подъемных гидродомкратов, средства гидравлического привода и средства ее подвески, при этом каждый подъемный гидродомкрат механически связан с опорными башмаками, конструкция которых обеспечивает возможность крепления на анкерных стержнях, заделанных в бетоне затюбингового пространства и пропущенных через отверстия в сегментах гидромеханизированной платформы [Описание полезной модели к патенту РФ №131811 от 26.02.2013, МПК E21D 1/08, опубл. 27.08.2013]. Опорные башмаки содержат отверстия под анкерные стержни и, совместно с каждым подъемным гидродомкратом, башмаком и парой соответствующих анкерных стержней, образуют компоновку - «коромысло».
Настоящее устройство (см. описание полезной модели) реализует способ сооружения тюбинговой крепи ствола горного предприятия, а именно технологию возведения крепи при подъеме гидромеханизированной платформы с опиранием на закладные элементы - анкерные стержни, - в котором после очередной углубки ствола гидромеханизированная платформа, при помощи канатов установленной на поверхности земли лебедки, опускается от нижнего кольца тюбинговой колонны на расстояние, превышающее высоту тюбингового кольца, при этом при помощи соединительных муфт производят наращивание закладных элементов - анкерных стержней, проходящих через платформу, и на выступающих частях которых попарно формируют опоры для гидродомкратов, затем на гидромеханизированной платформе собирают тюбинговое кольцо и стыкуют его с тюбинговой колонной при помощи оправок и системы гидродомкратов, опирающихся на закладные элементы, после чего выполняют болтовое соединение тюбингового кольца с колонной и производятя бетонирование затюбингового пространства. Бетонирование производят как после установки одного тюбингового кольца, так и после установки двух колец, в зависимости от устойчивости обнажений горных пород. После выполнения очередной стадии углубки ствола выбирается напуск канатов подвески гидромеханизированной платформы, гидродомкраты втягиваются и происходит подвешивание гидромеханизированной платформы на канатах, при этом демонтируют опоры гидродомкратов и гидромеханизированная платформа, при помощи канатов, опускается и технологические операции, указанные выше, повторяются.
Можно отметить следующие недостатки гидромеханизированной платформы и реализуемой ею технологии сооружения тюбинговой крепи.
Применяемые анкерные стержни используются только для удержания монтажной платформы в момент сборки на ней тюбингового кольца, а также для подъема и стыковки кольца с тюбинговой колонной. Размещаемые в бетоне затюбингового пространства анкерные стержни находятся в ненапряженном состоянии и их прочностные характеристики не предусматривают совместную работу с бетоном. При нисходящем монтаже комбинированной тюбингобетонной крепи происходит нарастающее увеличение ее веса, что приводит к росту растягивающих напряжений в крепи. При этом основным фактором, препятствующим осевой деформации крепи, являются упругие свойства бетона, чугунных тюбингов, а также сил сцепления бетона с вмещающими породами. В случае, если интервал крепления состоит из слабых вмещающих пород, силы сцепления породы с бетоном может не хватить для удержания крепи от осевой деформации растяжения, что приводит к образованию трещин в бетонной части крепи, так как показатели упругости бетона значительно меньше, чем металла. При проходке стволов в слабых водонасыщенных породах с использованием метода заморозки при заполнении затюбингового пространства бетоном, имеющим положительную температуру в процессе твердения, происходит оттаивание поверхности его контакта с породой и вытекания пограничного разжиженного слоя породы, что приводит к практически полному отсутствию сил сцепления бетона с породой. В этом случае особенно при большом интервале крепления прочности крепи не достаточно для удержания ее веса и может привести не только к трещинам в бетоне, но и к разрыву тюбинговой колонны. Кроме этого, сооружение тюбинговой комбинированной крепи известной платформой не учитывает свойства вмещающих пород - крепь по всей глубине ствола конструктивно одна и та же.
Также следует отметить, что подвеска и перемещение гидромеханизированной монтажной платформы на шаг крепления осуществляется на канатах тяговых лебедок, установленных на поверхности, при этом гидродомкраты используются только для удержания монтажной платформы в момент сборки на ней тюбингового кольца, а также для подъема и стыковки кольца с тюбинговой колонной. Данное устройство требует дополнительных лебедок на поверхности, что увеличивает количество подъемного оборудования и усложняет управление перемещением монтажной платформы.
Что касается опоры домкрата сразу же на два анкерных стержня через башмак-коромысло, то это имеет свои недостатки. Анкеры неизбежно имеют разницу в длине, поэтому неизбежно набегание разницы в длине соседних анкерных цепочек, что потребует дополнительной подгонки длины стержней, иначе приведет к перекосу башмака и поломке домкрата. Наращивание анкерных стержней представляет собой достаточно трудоемкую процедуру. Перед опусканием платформы на канатах на 1,5 м необходимо сначала ее вывесить на канатах подвески открутить муфты. После опускания платформы на канатах необходимо снизу платформы через отверстия в башмаках и сегментах платформы пропустить анкеры и с помощью муфт сверху платформы соединить их с анкерными стержнями, заделанными в бетон, а снизу накрутить на навернутые анкеры муфты, для этого потребуется минимум два человека сверху и снизу платформы. Применение обычных домкратов для перемещения гидромеханизированной платформы на таких анкерах затруднено, так как при высоте тюбингов 1,5 м требуется ход домкрата около 1,7 м, что соответствует габариту домкрата более 2 м, а это конструктивно увеличивает габариты и вес платформы. Кроме этого, анкерные стержни располагаются парами симметрично и в непосредственной близости от домкрата. Такое неравномерное расположение анкеров в толще бетона приводит к неравномерному изменению прочностных свойств крепи по ее окружности, а также неравномерному распределению нагрузок на платформу, что влечет за собой увеличение ее веса для обеспечения достаточной прочности.
Задача, решаемая группой изобретений и достигаемый технический результат, заключаются в повышении качества и надежности тюбинго-бетонной крепи, в первую очередь, глубоких стволов горных предприятий, расположенных в сложных горно-геологических условиях, при ее нисходящем возведении, в увеличении способности крепи противостоять разнонаправленным напряжениям, передающимся от пересекаемых пластов пород, уменьшении толщины ее стенок, а также снижении номенклатуры оборудования и его габаритов, и расхода материалов. Как следствие - уменьшение диаметра проходки ствола позволяет увеличить скорость его возведения и, соответственно, уменьшить сроки строительства горного предприятия. Кроме этого, возведение крепи представляет собой независимый от проходки ствола и использования специализированного грузоподъемного оборудования процесс.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия, включающем монтаж в стволе вертикального фрагмента тюбинговой колонны, крепление этого фрагмента к предыдущему с использованием размещенных в затюбинговом пространстве анкерных стержней, герметизацию стыка и заполнение затюбингового пространства смонтированного фрагмента тюбинговой колонны раствором бетона, при этом в стволе горного предприятия выделяют по меньшей мере один технологически заданный интервал, величина которого определяется суммарной длиной вертикальных фрагментов тюбинговой колонны, смонтированных в течение времени приобретения раствором используемого бетона заданных прочностных свойств бетонной составляющей сборно-монолитной крепи, а технологически заданный интервал разделяют на заходки, состоящие по меньшей мере из одного фрагмента тюбинговой колонны, причем перед заполнением затюбингового пространства каждой заходки раствором бетона производят натяжение анкерных стержней путем поджатая смонтированных фрагментов тюбинговой колонны к предыдущему ранее закрепленному фрагменту тюбинговой колонны с суммарным усилием равным, по крайней мере, суммарному весу всех вертикальных фрагментов тюбинговой колонны технологически заданного интервала и заливаемого в затюбинговое пространство бетона, после чего производят заполнение каждой заходки раствором бетона и удерживают натяжение анкерных стержней в течение времени, достаточного для набора бетоном прочности, обеспечивающей удержание натяжения анкерных стержней за счет их сцепления с монолитом бетона.
Кроме этого:
- каждую заходку разбивают на два условно горизонтально разделенных участка, из которых, по крайней мере, самый нижний заполняют раствором быстротвердеющего бетона в объеме, достаточном для удержания натяжения анкерных стержней за счет их сцепления с монолитом быстротвердеющего бетона, при этом схватывание быстротвердеющего бетона обеспечивают, по крайней мере, в течение интервала времени, необходимого для заполнения обычным бетоном участка заходки верхнего уровня;
- уровень начала крепления вертикальных фрагментов тюбинговой колонны, по крайней мере, части технологически заданных интервалов совмещают с предварительно сформированными в стенке ствола в области пресечения им участков наиболее прочных пород кольцевыми опорными башмаками.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в устройстве для сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия, включающем кольцевую монтажную раму с элементами бокового уплотнения по стенке ствола, по периметру которой размещены вертикальные окна для прохода анкерных стержней, закрепленных в бетоне затюбингового пространства, а на нижней стороне закреплены гидродомкраты, выполненные с возможностью фиксации штоков на анкерных стержнях, каждый из которых состоит из единичных наращиваемых в длину анкеров, соединенных между собой соединительными муфтами, при этом гидродомкраты выполнены с полым штоками и закреплены на монтажной раме соосно окнам для прохода анкерных стержней, каждый из которых проходит через полость своего штока и на своем конце содержит элементы крепления замкового упора, взаимодействующего с торцом полого штока гидродомкрата, причем гидродомкраты выполнены с возможностью предварительного натяжения анкерных стержней, по крайней мере, на время сборки очередного фрагмента тюбинговой колонны и бетонирования затюбингового пространства, и последующего перемещения совместно с монтажной рамой вдоль анкерных стержней.
Кроме этого:
- по крайней мере, из части анкерных стержней выделены, по крайней мере, две равномерно распределенные по окружности кольцевой монтажной рамы группы стержней, стыки которых смещены между собой и вдоль оси ствола на величину, равную частному от деления длины единичного анкеры на количество групп, а ход штоков гидродомкратов в выделенных группах равен сумме величины смещения анкерных стержней и технологического зазора, необходимого для сборки фрагмента тюбинговой колонны на монтажной раме;
- размещенные по периметру монтажной рамы вертикальные окна для прохода анкерных стержней снабжены уплотнителями анкерных стержней;
- замковый упор выполнен в виде вильчатой шайбы, ширина паза которой больше диаметра анкерного стержня, но меньше диаметра полого штока гидродомкрата.
Изобретения поясняются чертежами, где:
- на фиг. 1 показан общий вид сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия, оборудованной специализированным устройством для ее сооружения;
- на фиг. 2 - фрагмент устройства для сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия в увеличенном масштабе - поз. А фиг. 1;
- на фиг. 3 - поз. Б фиг. 2 - конструкция уплотнения анкерных стержней в вертикальных окнах монтажной рамы;
- на фиг. 4 показан вид В фиг. 2 - примерная конструкция замкового упора, взаимодействующего с торцом полого штока гидродомкрата;
- на фиг. 5 и фиг. 5' показана последовательная пошаговая схема перемещения устройства для сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия и натяжения анкерных стержней на примере двух групп анкерных стержней.
Устройство для сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия, включает кольцевую монтажную раму 1 с элементами бокового уплотнения 2 по стенке 3 ствола, по периметру которой размещены вертикальные окна 4 для прохода анкерных стержней 5, представляющих собой, предпочтительно, винтовую арматуру или арматуру с насечкой и резьбовыми концами, закрепленных в бетоне 6 затюбингового пространства, а на нижней стороне 7 рамы 1 закреплены гидродомкраты 8, выполненные с возможностью фиксации штоков 9 на анкерных стержнях 5, каждый из которых состоит из единичных наращиваемых в длину анкеров 5', соединенных между собой соединительными муфтами 10, при этом гидродомкраты 8 выполнены с полым штоками 9 и закреплены на монтажной раме 1 соосно окнам 4 для прохода анкерных стержней 5, каждый из которых проходит через полость своего штока 9 и на своем конце содержит элементы крепления замкового упора 11 (муфты 10 - их часть), взаимодействующего с торцом полого штока 9 гидродомкрата 8, причем гидродомкраты 8 выполнены с возможностью предварительного натяжения анкерных стержней 5, по крайней мере, на время сборки очередного фрагмента 12 (а это - очередное тюбинговое кольцо, состоящее из ряда единичных тюбингов 13, или несколько соединенных между собой тюбинговых колец - два, три и т.д.) тюбинговой колонны 14 и бетонирования затюбингового пространства, и последующего перемещения совместно с монтажной рамой 1 вдоль анкерных стержней 5. По крайней мере, из части анкерных стержней 5, а их количество определяется возможностью удерживать на весу монтажную раму 1 с комплектом тюбингов, а также сопутствующее оборудование (гайковерты, насадки для бетонирования и пр.), персоналом и комплектом единичных анкеров 5' с муфтами 10, выделены, как правило, две, три, максимум четыре равномерно распределенные по окружности кольцевой монтажной рамы 1 группы стержней 5, стыки которых смещены между собой и вдоль оси (тела или стенок 3) ствола на величину, равную частному от деления длины единичного анкеры 5' на количество групп, а ход штоков 9 гидродомкратов 8 в выделенных группах равен сумме величины смещения анкерных стержней 5 и технологического зазора Δ, необходимого для сборки фрагмента 12 тюбинговой колонны 14 (как правило - одного тюбингового кольца) на монтажной раме 1. В результате «теоретический» ход штока 9 гидродомкрата 8 уменьшается в два, три и более раз, что позволяет с помощью, например, двух групп, смещенных относительно друг друга стержней 5 и соответствующего количество гидродомкратов с уменьшенным в два раза ходом штоков 9 - (h+Δ)/2, или трех групп стержней и соответствующего количество гидродомкратов с уменьшенным в три раза ходом штоков 9 - (h+Δ)/3, и т.д., смещать вниз монтажную раму 1, не сразу на величину высоты h тюбингов 13 с технологическим зазором Δ на их сборку, а за два, три и т.д. приемов, что позволит использовать распространенные, более надежные и соответственно недорогие гидродомкраты 8 с уменьшенным ходом, а кроме этого, небольшие габариты гидродомкратов 8 позволяют выполнить более компактным устройство для сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия.
Если учесть, что по периметру затюбингового пространства может быть равномерно размещено, например, тридцать шесть анкерных стержней 5, способных выдержать при посредстве резьбовых муфт 10 вес монтажной рамы 1, фрагмента 12 тюбинговой колонны 14, состоящего, например, из пяти-десяти тюбинговых колец, и массы залитого в затюбинговое пространство бетона 6, то очевидно, что для перемещения монтажной рамы 1 с сопутствующим технологическим нагружением достаточно, по крайней мере, три равномерно распределенных по окружности анкерных стержня 5, однако, их берут в значительно большем количестве по окружности стенки 3 ствола, например, шесть-двенадцать, - достаточном для равномерного удержания рамы 1 в горизонтальном положении и с требуемым (гарантируемым) запасом прочности. После смещения монтажной рамы 1 на необходимый уровень и наращивания по ее периметру всех анкерных стержней 5 пропущенных через полые штоки 9 гидродомкратов 8 на нижних торцах всех стержней 5 на муфтах 10 закрепляют замковые упоры 11 для взаимодействия с торцами полых штоков 9 гидродомкратов 8 при их нагружении рабочим давлением для создания напряжений растяжения в анкерных стержнях 5 и формирующим впоследствии напряжения сжатия в сборно-монолитной бетонной крепи.
Размещенные по периметру монтажной рамы 1 вертикальные окна 4 для прохода анкерных стержней 5 снабжены их уплотнителями 15, выполненными, например, из эластичной полимерной композиции, взаимодействующей со стержнями анкеров, а замковый упор 11 выполнен, например, в виде вильчатой шайбы 16, ширина паза 17 которой больше диаметра анкерного стержня 5, но меньше диаметра полого штока 9 гидродомкрата 8.
Способ сооружения сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия включает монтаж в стволе вертикального фрагмента 12 тюбинговой колонны (тюбингового кольца) 14, крепление этого фрагмента 12 к предыдущему фрагменту 12 с использованием размещенных в затюбинговом пространстве анкерных стержней 5, герметизацию стыка 18 и заполнение затюбингового пространства смонтированного фрагмента 12 тюбинговой колонны 14 раствором бетона 6, при этом в стволе горного предприятия выделяют по меньшей мере один технологически заданный интервал, величина которого определяется суммарной длиной вертикальных фрагментов тюбинговой колонны (тюбинговых колец) 14, смонтированных в течение времени приобретения раствором используемого бетона заданных прочностных свойств бетонной составляющей сборно-монолитной крепи (или, другими словами, технологических свойств монолитного бетона 6), при этом технологически заданный интервал разделяют на заходки Н, состоящие по меньшей мере из одного фрагмента 12 тюбинговой колонны с высотой h - минимальной высотой одного тюбингового кольца, - и технологическим зазором Δ, необходимым для беспрепятственной сборки тюбингов 13 в тюбинговое кольцо, - а перед заполнением затюбингового пространства каждой заходки Н раствором бетона 6 производят натяжение анкерных стержней 5 путем поджатия смонтированных фрагментов 12 тюбинговой колонны (тюбингового кольца) 14 к предыдущему, ранее закрепленному фрагменту 12 тюбинговой колонны 14 с суммарным усилием равным, по крайней мере, суммарному весу всех вертикальных фрагментов 12 тюбинговой колонны (тюбинговых колец) 14 технологически заданного интервала и заливаемого в затюбинговое пространство бетона 6, или с несколько большим усилием, после чего производят заполнение каждой заходки Н раствором бетона 6 и удерживают натяжение анкерных стержней 5 в течение времени, достаточного для набора бетоном 6 прочности, обеспечивающей удержание натяжения анкерных стержней 5 за счет их сцепления с монолитом бетона 6. В результате готовая крепь ствола горного предприятия будет представлять собой прочную герметичную тюбинго-бетонную оболочку, армированную анкерными стержнями 5, создающими продольные сжимающие напряжения в сборно-монолитной бетонной крепи и предохраняющими монолитный бетон 6 затюбингового пространства от разрушения, что в итоге формирует конструкцию, способную эффективно противостоять собственному весу фрагментов тюбинго-бетонной колонны, давлению массива пород окружающих ствол и проникновению находящихся под высоким давлением подземных вод. В практике строительства глубоких вертикальных шахтных стволов горных предприятий, расположенных в сложных горно-геологических условиях, например, в водонасыщенных и/или текучих (податливых) породах, эта технология не применялась.
Максимально возможное теоретическое натяжение анкерных стержней 5 соответствует весу фрагментов 12 тюбинговой колонны 14, состоящих из нескольких тюбинговых колец и заливаемого в затюбинговое пространство бетона 6, при котором достигается предел текучести материала стержней 5. Однако, такой режим нагружения-натяжения на практике не применяют, поскольку это связано с усложнением технологии заливки бетона 6 в сверхглубокое затюбинговое пространство и тем самым нивелируются многие преимущества заявленной технологии.
Каждую заходку Н в стенках 3 ствола горного предприятия разбивают на два условно горизонтально разделенных участка 19 и 20, из которых, по крайней мере, самый нижний 19 заполняют раствором быстротвердеющего бетона 6' в объеме, достаточном для удержания натяжения анкерных стержней 5 за счет их сцепления с монолитом быстротвердеющего бетона 6', при этом схватывание быстротвердеющего бетона 6' обеспечивают, по крайней мере, в течение интервала времени, необходимого для заполнения обычным бетоном участка заходки Н верхнего уровня - 20. Быстротвердеющий бетон 6' выступает в качестве гарантированного искусственного поддона для запирания массы обычного бетона 6, который приобретает свои эксплуатационные свойства спустя некоторое время, идущее в счет повышения общей скорости возведения крепи. Кроме этого, уровень начала крепления вертикальных фрагментов 12 тюбинговой колонны 14, по крайней мере, части технологически заданных интервалов совмещают с предварительно сформированными в стенках 3 ствола в области пересечения им участков наиболее прочных пород кольцевыми опорными башмаками (венцами) 21. На чертежах опорные башмаки 21 случайно оказались нижними условно горизонтальными участками 19 заходок Н, которые заполнены раствором быстротвердеющего бетона 6' - это т.н. идеальный случай, - хотя на практике ими могут быть любые условно горизонтальные участки в пределах, как правило, особо длинных заходок Н.
Среди особенностей заявленных технических решений следует отметить следующие.
Повышение качества и надежности тюбинго-бетонной крепи глубоких стволов горных предприятий, расположенных в сложных горногеологических условиях, при ее нисходящем возведении обеспечивается тем, что предварительно напряженная конструкция крепи обеспечивает благоприятные условия работы бетонной части крепи как на растяжение, так и на сжатие, что обеспечивает ее гарантированную герметичность и позволяет ей успешно противостоять растягивающим усилиям собственного веса, особенно в период набора бетоном прочности, когда при его схватывании выделяется избыток тепла, сжимающим усилиям глубинных пород, а также сдвигающим и растягивающим усилиям подземных пластов. Первоначальное напряжение крепи происходит при последовательной сборке с поджатием первого тюбингового кольца, после чего осуществляют болтовое соединение сжатых колец, поджатие снимают, опускаются до возможности сборки следующего тюбингового кольца, собирают его и снова поджимают с тем же самым усилием к уже собранному фрагменту тюбинговой колонны 12 и так до тех пор, пока не выберут всю заходку Н, когда к собранному фрагменту колонны 12 поджимают последнее тюбинговое кольцо, после чего производят регламентированное натяжение всех анкерных стержней 5' и начинают заливку бетона 6 с удержанием натяжения. В результате получают фрагмент сборно-монолитной крепи ствола горного предприятия, в котором за счет натяжения равномерно расположенных по окружности крепи анкерных стержней 5 гарантированно поджаты друг к другу с одинаковым усилием множество тюбинговых колец. Напряженное состояние анкерных стержней 5 и тюбинговых колец максимально равномерно передается монолиту бетона 6 крепи, а от нее - к стенкам 3 ствола. После этого любые воздействия на сборно-монолитную тюбинго-бетонную крепь со стороны пластов породы и собственного веса никоим образом не оказывают существенного воздействия на ее эксплуатационные свойства.
Случайному разрыву бетонной части крепи от собственного веса, особенно в начальный период ее возведения, препятствует наличие в стенках 3 ствола в области пресечения им участков наиболее прочных пород кольцевых опорных башмаков (венцов) 21. Следует отметить, что конструкция крепи ствола проектируется и рассчитывается заранее на основании геологической карты ствола, которая составляется задолго до его проходки.
Общее увеличение прочности тюбинго-бетонной крепи не требует ее заведомо избыточного запаса, что позволяет уменьшить толщину стенок 3 бетонной части крепи при сохранении ее внутреннего диаметра по тюбингам 13. Уменьшение толщины стенок 3 позволяет, соответственно, уменьшить диаметр ствола при его проходке. Таким образом, происходит экономия бетона 6, как обычного, так и быстротвердеющего - 6', а уменьшение диаметра ствола позволяет существенно сократить объемы извлекаемой породы, что увеличит скорость проходки ствола и, соответственно, сократит сроки строительства горного предприятия. Уменьшение объемов работ и используемых материалов позволяет значительно экономить рабочий ресурс специализированного проходческого, монтажного, грузоподъемного и транспортного оборудования, а также сменного и быстроизнашиваемого инструмента.
Кроме этого, возведение тюбинго-бетонной крепи происходит независимо от проходки ствола, что позволяет говорить о наиболее производительном параллельном способе сооружения крепи ствола горного предприятия. Наибольший эффект от этого проявится именно при строительстве крепи глубоких стволов, расположенных в наиболее сложных горногеологических условиях, хотя ничто не препятствует использованию этой технологии и при возведении крепи любых других вертикальных стволов, расположенных в обычных условиях.
Таким образом, наличие в конструкции тюбинго-бетонной крепи особым образом установленных армирующих анкерных стержней 5 фактически обеспечивает одновременное и органичное решение ряда общественных потребностей.
Реализацию изобретений рассмотрим на следующих примерах.
Пример 1 - возведение герметичной нисходящей сборно-монолитной крепи глубокого вертикального шахтного ствола горного предприятия в обводненных породах.
В соответствии с геологической картой ствола - наличие водонапорных горизонтов, - предусмотрен способ проходки ствола с заморозкой на всю глубину проходки. Принимается решение параллельно с проходкой возводить герметичную нисходящую сборно-монолитную тюбинго-бетонную крепь. Рассчитывают натяжение анкерных стержней 5. За основу принимают условие, что, например, вес не набравшего достаточной прочности и сцепления со стенками ствола вследствие их оттаивания при контакте с «теплым» бетоном 6 и 6' фрагмента 12 тюбинговой колонны 14 до ближайшего кольцевого опорного башмака 21 с бетонной заливкой не будет превышать суммарное натяжение анкерных стержней 5. Это делается во избежание случайного механического разрыва сборно-монолитной бетонной крепи ствола с потерей ее герметичности в процессе ее возведения или эксплуатации.
Проходка ствола в забойной части ведется по параллельной схеме, например, с использованием стволопроходческого комбайна по отработанной технологии с использованием типового проходческого оборудования.
В монтажной камере технологического отхода (условно не показаны) шахтного ствола формируют выпуски анкерных стержней 5 по координатам гидродомкратов 8 монтажной рамы 1 и со смещением их высоты между собой и вдоль оси ствола на величину, например, половины высоты h тюбинга 13 и половины технологического зазора Δ - (h+Δ)/2, - необходимого для сборки фрагмента тюбинговой колонны 14 на монтажной раме 1 (далее по тексту упоминание поправки на технологический зазор Δ будут опущены из условия ее очевидности). После этого с минимальным использованием грузоподъемного оборудования на стартовом уступе монтажной камеры, со стороны выпусков анкерных стержней 5 на временных технологических стойках (условно не показаны) монтируют устройство для сооружения сборно-монолитной крепи с условием обеспечения возможности беспрепятственного прохода анкерных стержней 5' сквозь вертикальные окна 4 в монтажной раме 1 и, соответственно, через полые штоки 9 гидродомкратов 8. На выпуски анкерных стержней 5 в монтажной камере технологического отхода с помощью муфт 10 наращивают требуемое количество анкерных стержней 5'. На все свободные резьбовые участки анкерных стержней 5' наворачивают очередные, собственные муфты 10. На них укладывают элементы замковых упоров 11 - вильчатые шайбы 16, ширина паза 17 которых больше диаметра анкерных стержней 5', но меньше размера муфт 10 и диаметра полого штока 9 гидродомкрата 8. В итоге получается, что, например, нечетные анкерные стержни 5' смещены вниз относительно четных стержней 5' на половину высоты тюбинга 13. Т.е. у одних гидродомкратов 8 штоки 9 втянуты внутрь полостей, а у других - выдвинуты на всю длину. Монтажную раму 1 с помощью, по крайней мере, части наиболее благоприятно подключенных гидродомкратов 8, равномерно расположенных по ее периметру, опускают до контакта торцов штоков 9 гидродомкратов 8 с замковыми упорами 11 (вильчатыми шайбами 16) стержней 5'. После этого временные технологические стойки отсоединяют от монтажной рамы 1 устройства для сооружения сборно-монолитной крепи, которое дальше начинает работать в автономном режиме без использования какого-либо грузоподъемного оборудования.
Поскольку между верхней площадкой монтажной рамы 1 и стартовым уступом монтажной камеры обеспечено расстояние, необходимое для бесперепятственной сборки тюбинговой крепи, можно приступать к ее монтажу. Для начала кольцевые зазоры в вертикальных окнах монтажной рамы с анкерными стержнями уплотняют индивидуальными, например, разборными эластичными уплотнителями 15, а стенки 3 ствола уплотняются боковым уплотнением 2, которое может быть закреплено как непосредственно на монтажной раме 1, так и ниже нее, например, временной крепью типа сетки, набрызга бетоном и т.д.
С поверхности подают необходимое для одного кольца количество тюбингов 13 и из них монтируют самый первый фрагмент тюбинговой колонны 14 - первое тюбинговое кольцо. После монтажа тюбингового кольца включают гидродомкраты 8 и их штоки 9 начинают выбирать все технологические зазоры, а после этого начинается поджим тюбингового кольца к технологическому отходу с заданным (расчетным) усилием.
В затюбинговое пространство, ограниченное стенками 3 ствола, монтажной рамой 1 с элементами бокового уплотнения 2 ствола и анкерных стержней 5', собственно, тюбингового кольца заливают жидкий бетон 6 и дают время на его схватывание со стенками 3 ствола, анкерными стержнями 5 и тюбингами 13 с образованием сборно-монолитной конструкции, свойства которой соответствуют, по меньшей мере, минимальным паспортным данным крепи. За это время наращивают очередные анкерные стержни 5'.
В процессе приобретения жидким бетоном 6 требуемых прочностных свойств производят наращивание анкерных стержней 5' на высоту следующего тюбингового кольца. Торцы стержней 5' оснащаются очередными муфтами 10 и на них укладываются свои вильчатые шайбы 16.
После достижения ранее залитым бетоном 6 необходимых прочностных свойств производят смещение монтажной рамы 1 на очередной шаг, равный величине очередного тюбингового кольца - фрагмента 12 тюбинговой колонны 14. Для этого минимально выдвинутые штоки 9 втягиваются внутрь полостей. Вильчатые шайбы 16 снимаются с муфт 10. Втянутые штоки 9 выдвигаются наружу до контакта с вильчатыми шайбами 16, после чего, хотя бы частично, втягиваются максимально выдвинутые штоки 9. Также с сопрягаемых муфт 10 снимают свои вильчатые шайбы 16 и переставляются на один шаг вниз. После этого последние штоки 9 выдвигают на максимальный ход, а штоки 9 первых гидроцилиндров 8 освобождают от своих вильчатых шайб 16, которые переставляют на шаг ниже и выдвигают до очередного контакта с ними, при этом муфты 10, соединяющие анкерные стержни, свободно проходят сквозь полые штоки 9 гидродомкратов 8. При начале опускания монтажной рамы 1 разборные эластичные уплотнители 15 анкерных стержней 5 самопроизвольно выталкиваются за счет сил трения с анкерными стержнями 5 или механически извлекаются из вертикальных окон 4 (впоследствии они снова вставляются на свои места в вертикальные окна 4 монтажной рамы перед сборкой последнего тюбингового кольца монтируемого фрагмента 12 тюбинговой колонны 14 для уплотнения внутритюбингового пространства).
Последовательное (ступенчатое) смещение монтажной рамы 1 осуществляют до тех пор, пока не выберут высоту (h+Δ) необходимую для монтажа тюбингового кольца. Подают комплект тюбингов 13 для его сборки.
После сборки тюбингового кольца на монтажной раме 1 включают все гидродомкраты 8, полые штоки 9 упираясь в вильчатые шайбы 16 прижимают тюбинговое кольцо к ранее возведенной сборно-монолитной крепи, после чего давление в гидродомкратах 8 возрастает и анкерные стержни 5' - индивидуально, каждый своим гидродомкратом, - начинают растягиваться в пределах упругих деформаций и обеспечивать поджим тюбингового кольца к ранее возведенной, фактически стартовой, сборно-монолитной крепи, позволяющий обеспечить их качественную сборку при помощи множества болтов.
После этого давление в гидродомкратах 8 снимают и, как описывалось выше, монтажную раму 1 начинают смещать на анкерых 5' в глубину ствола до уровня, позволяющего произвести сборку следующего тюбингового кольца.
Таким образом, осуществляют последовательную сборку нескольких колец фрагмента 12 тюбинговой колонны 14 с уплотнением затюбингового пространства - вертикальные окна 4 с анкерными стержнями 5' уплотняются с помощью ранее использованных эластичных уплотнителей 15, а зазор между монтажной рамой 1 и стенками 3 ствола - стык 18, - с помощью бокового уплотнения 2.
Далее производят заливку бетоном 6 затюбингового пространства и дают возможность бетону 6 приобрести свойства монолита и сцепиться со стержнями 5 и стенками 3 ствола. За это время производят наращивание выступающих за пределы полых штоков 9 анкерных стержней 5' на очередной шаг.
При последовательной стыковке ряда анкерных стержней 5' неизбежно будет происходить разбежка высоты торцов соседних стержней 5'. Настоящий дефект сборки компенсируется в основном за счет запаса хода штоков 9 гидродомкратов 8, в исключительных случаях это можно сделать за счет обрезки «лишней» длины анкерных стержней 5 и т.д., и, в крайнем случае, использованием очередных анкерных стержней 5' нестандартной длины.
После того как сборно-монолитную тюбинговую крепь ствола нарастили на очередной фрагмент 12, она стала представлять собой монолитную напряженную конструкцию способную более успешно противостоять растягивающим, особенно в период набора прочности бетона 6, сжимающим и сдвигающим усилиям, передающимся от породы. Подобный эффект традиционно получали за счет увеличенного диаметра проходки ствола и, соответственно, увеличения толщины стенок 3 крепи.
По мере проходки ствола пересекают пласт наиболее прочных пород. В этом случае в стенке 3 ствола рекомендуется выполнить кольцевую нишу под опорный башмак 21. После заливки бетона 6 в затюбинговое пространство, ограниченное стенками 3 ствола, очередным фрагментом 12 тюбинговой колонны 14 и кольцевой монтажной рамой 1 с соответствующими уплотнениями 2 и 15, поджатыми друг к другу растянутыми анкерными стержнями 5 получают очередной участок сборно-монолитной крепи ствола, который в дополнение к собственному предварительно напряженному состоянию и сцеплению со стенками 3 ствола опирается на опорный башмак 21 в пересекаемом пласте прочных пород.
Для увеличения скорости сооружения крепи при заливке бетона 6 в затюбинговое пространство в качестве первой порции можно использовать быстротвердеющий бетон 6' в объеме достаточном для удержания натяжения анкерных стержней 5 за счет их сцепления с монолитом быстротвердеющего бетона 6', при этом по мере заполнения оставшейся полости затюбингового пространства обычным бетоном 6 происходит окончательное схватывание быстротвердеющего бетона 6'. В этом случае, не дожидаясь схватывания обычного бетона 6, приступают к возведению очередного фрагмента 12 тюбинговой колонны 14, включая наращивание анкерных стержней 5'.
В результате в течение времени, соразмерного достаточно высокой скорости проходки ствола горного предприятия, получают сборно-монолитную крепь повышенной прочности и надежности и меньшей материалоемкости.
Пример 2 - углубка вертикального ствола ранее построенного горного предприятия до нового горизонта.
По мере выработки всех ранее пересеченных горизонтов принимают решение о дальнейшей углубке вертикального ствола до нового горизонта. Расчеты показывают, что сборно-монолитная крепь ствола должна противостоять возможным растягивающим и сдвигающим воздействиям пересекаемых пород в краткосрочной и долгосрочной перспективе. К весу тюбинговой колонны 14 добавляют силу растяжения от пластов пересекаемых крутонаклонных пород, которую увеличивают на принятую при расчетах величину (коэффициент запаса прочности).
Ствол оснащают проходческим оборудованием с соответствующей инфраструктурой и специализированным устройством для сооружения сборно-монолитной бетонной крепи.
В нижней части ствола строят технологический отход с монтажной камерой. По координатам гидродомкратов 8 монтажной рамы 1 формируют выпуски анкерных стержней 5.
В остальном производят, например, все те действия, которые описаны в Примере 1, при этом проходку ствола ведут по отработанной технологии независимо от возведения крепи.
В результате получают компактную герметичную сборно-монолитную тюбинго-бетонную напряженную крепь, которая более уверенно противостоит воздействию, например, крутонаклонных пластов породы и другим внешним механическим факторам.
Изобретения могут быть проиллюстрированы также и другими примерами, отличительной особенностью которых будет использование вышеперечисленных существенных признаков в их разнообразных сочетаниях.
Следует отметить, что во всех случаях можно использовать гидродомкраты 8 с длиной хода штоков 9, равной высоте тюбингов 13. На практике высота h тюбингов 13 составляет, как правило, от 1 м до 2 м. Если высота используемых тюбингов 13 позволяет применить гидродомкраты 8 с соответствующим ходом штоков 9 (плюс технологический зазор Δ), то их и используют, если высота h тюбингов 13 достаточно большая, то применяют гидродомкраты 8 с ходом штоков 9, кратным их высоте h и технологическому зазору Δ, как правило, это соотношение 2:1 с двумя группами анкерных стержней 5, или 3:1 с тремя группами анкерных стержней 5. Во всех случаях прочность даже малой части анкерных стержней 5' одной группы обеспечивает возможность манипулирования монтажной рамой 1 при ее спуске на очередной уровень для сборки очередного фрагмента 12 тюбинговой колонны 14, при этом для натяжения анкерных стержней 5' одновременно используют все гидродомкраты 8 монтажной рамы 1.
В результате использования изобретений повысилось качество и надежность тюбинго-бетонной крепи, в первую очередь, глубоких стволов горных предприятий, расположенных в сложных горно-геологических условиях, при ее нисходящем возведении. Увеличилась способность крепи противостоять разнонаправленным напряжениям, передающимся от пересекаемых пластов пород и уменьшилась толщина ее стенок. Уменьшилась номенклатура используемого оборудования и его габариты, уменьшился расход материалов, появилась возможность уменьшить диаметр проходки ствола и увеличить скорость проходки.