СПОСОБ ЗАКЛАДКИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ
METHOD OF VERTICAL MINE BACKFILLING

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при ликвидации вертикальных горных выработок как на действующих, так и на ликвидируемых горных предприятиях.
При закрытии и реконструкции угольных шахт согласно требованию нормативных документов [Отраслевая инструкция о порядке ликвидации и консервации предприятий по добыче угля (сланца) / И.Ф.Петров, В.С.Зимич, А.М.Навитний и др. - М.: ИПКОН РАН, 1997. - 27 с.; Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опасных производственных объектов, связанных с пользованием недрами. - М.: Госгортехнадзор РФ, 1999. - 25 с.] необходимо производить закладку ликвидируемых вертикальных вскрывающих горных выработок водоупорным безусадочным материалом для предотвращения фильтрации воды между водоносными горизонтами, выхода рудничного газа из выработанного пространства на поверхность горного предприятия и просадки земной поверхности на участке, прилегающем к вертикальной выработке.
В последние годы в Российской Федерации проводятся интенсивные исследования по разработке эффективных технических и технологических решений закладки горных выработок угольных шахт. При этом разработаны способы послойной закладки твердеющими смесями вертикальных горных выработок. Для создания безусадочного и водоупорного закладочного массива в данных способах применяются дорогие твердеющие смеси на основе отходов горнорудной, теплоэнергетической и металлургической промышленностей, содержащие большое количество цементного или известкового вяжущего и специальных добавок [Корнеева Е.В. Композиционное бесцементное вяжущее из промышленных отходов и закладочная смесь на его основе / Е.В.Корнеева, С.И.Павленко. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2009. - 139 с.].
В строительной и горнорудной отраслях наряду с применением монолитного бетона широко используется и сборный бетон.
Использование сборного бетона для закладки вертикальных горных выработок взамен монолитного позволит сократить сроки закладки и сразу получить в вертикальной выработке водоупорный безусадочный закладочный массив с необходимыми свойствами на более дешевых, содержащих меньшее количество вяжущего и специальных добавок бетонных смесях.
Известно, что при автоклавной обработке твердеющих смесей автоклавного типа твердения значительно улучшаются физико-механические свойства бетона. При этом себестоимость автоклавных материалов на 15-35% ниже бетона с аналогичными свойствами [Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.]. Применительно к закладке вертикальных выработок путем автоклавной обработки закладочной смеси можно сразу получить водоупорный безусадочный закладочный массив с необходимыми свойствами на более дешевых, содержащих меньшее количество вяжущего и специальных добавок закладочных смесях из отходов промышленности.
Известен способ возведения закладочного массива с крупными пустотами, включающий возведение ограждения в выработанном пространстве, подачу в верхнюю часть выработанного пространства закладочного материала, при этом ограждения возводят с размещением их в выработанном пространстве в шахматном порядке (патент РФ №2013564, кл. Е21F 15/00, опубликованный 30.05.1994).
Однако получаемый в данном случае закладочный массив не отвечает требованиям, предъявляемым к закладочному массиву в вертикальной горной выработке по безусадочности и водоупорности, к тому же ограждения в выработанном пространстве в данном способе возводятся из деревянных элементов, которые подвержены гниению.
Наиболее близок по технической сущности способ закладки вертикальной горной выработки, включающий послойное формирование закладочного массива из сыпучей закладочной смеси, состоящий из горелой породы и известково-породного вяжущего (патент РФ №2290513, кл. Е21F 15/00, опубликованный 27.12.2006. Бюл. №36).
Однако применение данного способа требует большого количества портландцемента, извести и специальных добавок. Процесс закладки вертикальной горной выработки весьма продолжителен, т.к. после укладки каждого слоя необходим технологический перерыв на его пропитку водой. Кроме этого, при применении этого способа закладочный массив становится водоупорным и безусадочным только после полной гидратации компонентов вяжущего, т.е. через 8-12 месяцев. Поэтому после закладки ствола закладочный массив может еще длительное время фильтровать через свою толщу воду и давать усадку, что, как следствие, приводит к дополнительным затратам на мониторинг и дозакладку вертикальной выработки.
Технический результат - создание водоупорного и безусадочного закладочного массива в вертикальной горной выработке к моменту окончания ее закладки, сокращение срока закладки, снижение расхода вяжущего и специальных добавок.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе закладки вертикальной горной выработки, включающем послойное заполнение горной выработки закладочным материалом, согласно изобретению закладочный слой в виде цилиндрического бетонного блока изготавливают на поверхности в автоклавной камере, радиус цилиндрического бетонного блока принимают меньше радиуса вертикальной выработки минимум на 4 размера максимального куска крупного заполнителя бетонной смеси, применяемой для замоноличивания зазора между стенками ствола и цилиндрического бетонного блока, установку цилиндрических бетонных блоков в стволе производят на гидроизоляционную мастику, верхнюю и нижнюю поверхности цилиндрических бетонных блоков выполняют скошенными, на верхней поверхности цилиндрического бетонного блока по центру располагают цилиндрическую выемку, диаметр которой в цилиндрических бетонных блоках возрастает по длине ствола в направлении снизу вверх.
Поверхность стенок вертикальной горной выработки имеет множество неровностей, к тому же при спуске цилиндрического бетонного блока по стволу к месту установки необходим зазор между цилиндрическим бетонным блоком и стенками ствола для пропуска воздуха, поэтому цилиндрические бетонные блоки следует изготавливать диаметром, меньшим, чем диаметр ствола, и заполнять образовавшийся промежуток твердеющей бетонной смесью с требуемыми физико-механическими свойствами, причем зазор между стенками цилиндрических бетонных блоков и стенками выработки должен быть больше диаметра бетонопровода и минимум в 4 раза превосходить размер максимального куска крупного заполнителя бетонной смеси, принятой для замоноличивания зазора между стенками ствола и цилиндрического бетонного блока. (Согласно СНиП 3.03.01-87 «Несущие и ограждающие конструкции» наибольшая крупность заполнителей для тонкостенных конструкций должна быть не более 1/3-1/2 толщины изделия и не более 0,33 внутреннего диаметра трубопровода. С учетом того, что наружный диаметр трубопровода должен быть меньше зазора между цилиндрическим бетонным блоком и стенками выработки, необходимо, чтобы этот зазор минимум в 4 раза превосходил размер максимального куска крупного заполнителя бетонной смеси.) Так как закладочный массив должен быть водоупорным, необходимо минимизировать фильтрацию воды через поверхности соприкосновения цилиндрических бетонных блоков, для этого на верхнюю поверхность цилиндрического бетонного блока наносят гидроизоляционную мастику.
Для предотвращения смещения цилиндрических бетонных блоков относительно друг друга в случае значительного бокового давления, а также для центровки цилиндрических бетонных блоков при их установке, верхняя и нижняя поверхности цилиндрического бетонного блока выполняются скошенными.
Создание в цилиндрическом бетонном блоке цилиндрической выемки обусловлено необходимостью сокращения затрат на закладочные материалы и веса цилиндрического бетонного блока для облегчения его транспортирования и спуска в вертикальную выработку.
Так как давление на цилиндрический бетонный блок возрастает с глубиной выработки, нижние цилиндрические бетонные блоки должны обладать большей прочностью, чем вышележащие, этого достигают уменьшением размеров цилиндрической выемки в нижних цилиндрических бетонных блоках по сравнению с ее размерами в верхних цилиндрических бетонных блоках, причем в наносах до коренных пород необходимо применять цилиндрические бетонные блоки без цилиндрических выемок. Диаметр цилиндрической выемки в цилиндрических бетонных блоках (толщину стенки) определяют на основе прочностного и фильтрационного расчетов.
Для обеспечения устойчивости стенок цилиндрического бетонного блока и повышения его водоупорности целесообразно заполнять цилиндрические полости нетоксичными, негорючими отходами промышленности, которые необходимо утилизировать (например, топливные золошлаковые смеси). Применение токсичных и горючих отходов исключается, так как в случае тектонического нарушения эти отходы могут попасть в окружающую среду и нанести значительный экологический вред.
Изобретение поясняется чертежами, где показана схема закладки вертикальной горной выработки (ствола) (фиг.1), вид цилиндрического бетонного блока сверху (фиг.2) и вертикальный разрез цилиндрического бетонного блока (фиг.3).
Способ закладки вертикальной горной выработки осуществляют следующим образом (фиг.1). Производят закладку выработок шахтных горизонтов 1 на участках их сопряжений с вертикальной выработкой 2 путем возведения изолирующих перемычек 3. К устью выработки доставляют и складируют цилиндрические бетонные блоки 4 (далее - блоки). Опускают определенное количество блоков в ствол, затем по бетонопроводу 5 подают расчетное количество бетонной смеси 6 и блоки замоноличивают. После установки блока приступают к установке следующего. Перед спуском блока в ствол на его верхнюю поверхность наносят слой гидроизоляционной мастики.
Реализация способа поясняется на примере закладки вертикальной выработки безусадочными и водонепроницаемыми блоками, изготовленными из смеси автоклавного типа твердения на основе горелых пород, извести и двуводного гипса [Книгина Г.И. Строительные материалы из горелых пород. - М.: Стройиздат, 1966. - 206 с.].
Для расчетов параметров закладки принимают следующие исходные данные:
наименование горной выработки
ствол
глубина ствола
500 м
диаметр ствола
6,0 м
мощность наносов
50 м
Конструкция блока приведена на фиг.2 и 3.
Диаметр выемки в блоках и ее глубину определяют следующим образом.
1
Диаметр выемки (d) определяют из условия
прi
где d - диаметр выемки i-го блока из условия обеспечения его требуемой прочности на вертикальное сжатие, м;
вн
d - диаметр выемки из условия обеспечения требуемой водонепроницаемости блока, м.
где D - диаметр блока, м;
i
Р - давление вышележащих блоков, Н;
з
k - коэффициент запаса, принимают равным 3;
сж
R - предел прочности бетона при сжатии, МПа.
i
где δ - толщина стенки блока, м.
где J - гидравлический градиент, определяют экспериментально, для используемого бетона он равен 0,1;
-3
- требуемый коэффициент фильтрации закладочного блока, составляет 1,0·10 м/сут;
-6
- коэффициент фильтрации бетона блока, для принятого состава составляет 6,0·10 м/сут.
Глубину выемки определяют по формуле (5)
где h - глубина выемки, м;
Н - высота блока, м;
дн
дн
i
H - толщина дна блока, м (толщину дна блока принимают из условия H=δ,).
Параметры блоков меняют через каждые 100 м глубины ствола, они приведены в таблице.
ТаблицаПараметры блоков, используемых при закладке
Параметр
Значение на глубине (м)
0-50
50-100
100-200
200-300
300-400
400-500
Высота, м
1,0
Диаметр D, м
5,7
Предел прочности бетона при сжатии R<sub>сж</sub>, МПа
15
Марка бетона по водонепроницаемости
В2
Диаметр цилиндрической полости d, м
0,00
5,30
5,00
4,40
0,00
0,00
Глубина цилиндрической полости, м
0,00
0,80
0,65
0,35
0,00
0,00
Объем бетона в одном блоке, м<sup>3</sup>
25,50
7,86
12,75
20,19
25,50
25,50
Масса блока, кг
51000
15720
25500
40380
51000
51000
Объем полости, м<sup>3</sup>
0,00
17,64
12,76
5,32
0,00
0,00
Объем полости, % от объема блока
0,00
69,17
50,02
20,86
0,00
0,00
Масса горелой породы в одном блоке, кг
40066
12350
20033
31723
40066
40066
Масса извести в одном блоке, кг
3590
1107
1795
2842
3590
3590
Масса двуводного гипса в одном блоке, кг
1353
417
677
1071
1353
1353
Плотность бетона, кг/м<sup>3</sup>
2000
В результате расчета параметров закладки получают, что для закладки ствола бетонными блоками необходимо: 16,43 тыс. т горелой породы, 1,47 тыс. т извести и 0,55 тыс. т двуводного гипса.
Блоки изготавливают на поверхности в автоклаве. Параметры автоклавной обработки принимают по пиковому режиму стандартными согласно рекомендациям [Боженов П.И. Технология автоклавных материалов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. - 368 с.]: максимальное давлении водяного пара 2,1 МПа; продолжительность предавтоклавной выдержки 4 часа; продолжительность подъема давления водяного пара 1 час; продолжительность выдержки при максимальном давлении 0 часов и продолжительность спуска давления 7 часов.
Спуск блоков в ствол осуществляют краном КС-8362. Перед спуском блока в ствол на верхнюю поверхность блока наносят гидроизоляционную мастику, например битумную.
Для замоноличивания блоков принимают безусадочную и водоупорную закладочную смесь.
Заявленный способ позволяет обеспечить сохранность надшахтного комплекса на весь охраняемый период, обеспечить благоприятную экологическую обстановку на прилегающих территориях (предотвращение образования провалов земной поверхности, образования гидравлической связи между водоносными горизонтами, выхода рудничных газов на земную поверхность и т.д.) за счет создания в вертикальной горной выработке водоупорного и безусадочного закладочного массива к моменту окончания ее закладки и снизить при этом срок его возведения, расход закладочных материалов, вяжущих и специальных добавок.