Kniga2

Чрезвычайно важно и то обстоятельство, что исследование элементов системы позволяет определить возможности изменения их характеристик путем принятия и реализации соответствующих техникотехнологических и организационных решений.

Критерием при выборе параметров всей геомеханической системы является обеспечение равновесного силового взаимодействия ее элементов. В таких условиях наиболее целесообразно использовать моделирование и оценку отдельных подсистем с последующей интеграцией в них новых элементов: «вмещающие породы – крепь ствола», «вмещающие породы – крепь ствола - закладка», затем с учетом опор в стволе и на сопряжениях с горизонтальными выработками и т.д., что в конечном итоге позволит сконструировать технологическую схему ликвидации ствола при оптимальных параметрах элементов геомеханической системы.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите основные принципы техногенных аварий в районе погашенных вертикальных стволов.

2.Что дает основание говорить об объективном существовании ГС «погашенный вертикальный ствол»?

3.Назовите основные элементы ГС «погашенный вертикальный ствол», изобразите их взаимосвязи.

4.Что следует понимать под долговременной устойчивостью ликвидированного ствола? В чем принципиальное отличие этого понимания от других концепций долговременной устойчивости погашенного ствола?

4.1.4.Окружающие ствол породы – крепь ствола

Равновесное состояние этой подсистемы зависит от соотношения сил давления окружающих ствол пород и несущей способности (сопротивляемости) крепи. И пока горное давление не превышает сопротивляемость крепи, ствол находится в устойчивом состоянии.

Но это общая постановка вопроса об устойчивости ствола, которая закладывается на стадиях его проектирования и сооружения в конкретных горно-геологических условиях. В период эксплуатации ствола осуществляется постоянный контроль за состоянием его крепи, при необходимости производится ее ремонт, усиление, частичная замена и др.

Известно, что величина горного давления на крепь главным образом зависит от физико-механических характеристик окружающих ствол пород. Чем слабее породы, тем больше давление. Прочностные же характеристики пород зависят не только от литологического состава, но и от обводнен-

82

ности пород. Поэтому на этапе строительства ствола и его эксплуатации принимаются меры по упрочнению слабых слоев пород, гидроизоляции отдельных участков ствола и т. п.

После же ликвидации ствола описанные выше мероприятия по сохранению его устойчивости практически исключаются. Происходит постепенное разрушение крепи ствола под действием давления окружающих ствол горных пород, напорных и безнапорных подземных вод, других природных процессов, а также естественное разрушение крепи вследствие ее «старения» (эрозия, коррозия бетона, выщелачивание и др.).

Таким образом, с достаточной уверенностью можно утверждать, что в условиях крепких монолитных слабо обводненных пород устойчивость ствола определяется временем несущей способности крепи до ее естественного разрушения, а в слабых обводненных породах разрушение крепи ускоряется за счет роста на нее горного давления, то есть время устойчивого состояния подсистемы «окружающие ствол породы – крепь ствола» (в дальнейшем «порода – крепь») определяется прежде всего скоростью «старения» крепи и характером изменения горного давления во времени.

Однако это главным образом качественная характеристика происходящих процессов. На деле давление на крепь изменяется во времени неравномерно и зависит от многих факторов (неоднородности физикомеханических свойств пород, способа проходки ствола, гидрогеологии) и носит неопределенный характер.

Потеря или снижение несущей способности крепи ствола также не поддается точной количественной оценке в связи с тем, что крепь одного и того же ствола возводилась в различных конструктивных вариантах, из неоднородных материалов, в разных вмещающих породах, в местах с различными гидрологическими условиями. Процессы фильтрации, инфильтрации, выщелачивания, биохимические и другие также труднопрогнозируемы.

Складывается некая неопределенно-вероятностная система, состояние которой можно прогнозировать только с определенным риском. Поэтому для объяснения потери устойчивости ствола принята подтвержденная практикой, логически понятная и физически объяснимая гипотеза: несущая способность крепи (К) снижается во времени (t) вследствие ее «старения» и, в конечном счете, крепь разрушается без внешнего воздействия, а давление окружающих ствол пород (П) на крепь ствола увеличивается или в определенных условиях стабилизируется.

Тогда временнáя устойчивость ствола может быть выражена в виде:

Р[Kf(t) ≥ Пf(t)]; Р – знак вероятности.

Отрицательное значение Kf(t) – Пf(t) свидетельствует о том, что горное давление превысило сопротивляемость крепи и крепь ствола разрушится.

83

Однако, как было сказано ранее, разрушение крепи может произойти и без влияния горного давления, а в силу ее «старения», т.е. в силу того, что после ликвидации ствола происходит непрерывное снижение несущей способности крепи вплоть до ее естественного разрушения.

И эта закономерность может быть представлена в виде экспоненциального распределения (рис. 4.12).

Рисунок 4.12. Временнáя тенденция изменения несущей способности крепи вертикального ствола: 1 – во время эксплуатации; 2 – после его ликвидации

Линию развития тенденции (тренда) 2 можно представить в виде

экспоненты
K t = K H e− βk ti ,	(4.2)

где КН – начальная несущая способность крепи ствола (на момент окончания его эксплуатации). Определяется опытным путем;

βк – коэффициент временнóй интенсивности снижения несущей способности крепи, численно равен tgφ.

Величина φ определяется по результатам периодической диагностики состояния крепи ствола в различные периоды его эксплуатации (главным образом перед ремонтными работами) и на заключительном этапе перед его ликвидацией. Экспериментальные данные по диагностике состояния бетонной крепи стволов позволяют заключить, что в первом прибли-

жении tgφ =0,016.

Рост горного давления на крепь зависит от деформируемости окружающего ствол массива, которая происходит даже при постоянных напряжениях в связи с увеличением зоны разрушения пород. А так как напряже-

84

ния в массиве пород, непосредственно контактирующих с крепью ствола, пропорциональны скорости его деформации, то рост нагрузки на крепь будет подчиняться этому же закону, т.е.

Пt = ПН eβП ti ,

(4.3)

где ПН – начальное давление окружающих ствол пород. Определяется экспериментально.

βпкоэффициент временнóй интенсивности роста горного давления.

В первом приближении
βп = Е/η.	(4.4)

Коэффициент η называется коэффициентом динамической вязкости. Чем больше η, меньше скорость деформации при постоянных напряжениях (более крепкие породы), тем медленнее растет нагрузка на крепь ствола. В таком смысле геомеханическую подсистему «порода-крепь» можно считать реологической, когда напряженно деформированное ее состояние изменяется во времени.

Значения Е, η и βп приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2. Деформационные характеристики горных пород Донбасса.

Порода	Предел	Модуль	η,	βп=Е/η
	прочности,	деформации,	МПа·год	1/год
	σсж, МПа	Е, МПа, 1·10-3	1·10-6
Песчаник	60…140	25…70	5,33	0,009
Алевролит	25…100	15…50	2,7	0,012
Аргиллит	10…50	5…30	1,2	0,015

В соответствии с принятой рабочей гипотезой временнóе развитие тенденции изменения несущей способности крепи ствола и изменения горного давления на крепь представим следующим образом (рис. 4.13). На графике можно выделить три области состояния подсистемы «порода - крепь». Первая К – П ≥ 0 – система устойчива, разрушения крепи не происходит. Вторая К – П < 0 – крепь будет разрушаться под действием горного давления. Третья, где даже при формальном К – П >0 (при отсутствии горного давления) произойдет естественное разрушение крепи в силу ее

«старения» (Ккр).

Таким образом, разрушение крепи ствола может происходить на активных стадиях роста горного давления и снижения несущей способности

85

Рисунок 4.13. Временные тенденции изменения К и П

крепи (точка А), это, во-первых, во-вторых, когда давление горных пород возрастает, стабилизируется и «поджидает» момент снижения несущей способности крепи до определенного уровня (точка Б), и, в-третьих – разрушение крепи ствола происходит без участия горного давления за счет «старения» крепи и взаимодействия с окружающей средой (точка В).

Из уравнений (4.2 и 4.3) можно найти время нарушения устойчивого равновесия подсистемы «порода-крепь» под влиянием горного давления и снижения несущей способности крепи ствола в соответствии с временными тенденциями изменения К и П.

tкр =	1	ln	Кн	.	(4.5)
	βк + βп
			Пt

Расчеты показывают, что в идеальных усредненных условиях, когда крепь ствола сохраняет (не меняет) свою несущую способность, ствол (участки ствола) при соотношении КН/Пt ≈ 10 сохраняет свою устойчивость: в песчаниках – в течение 250 лет, в алевролитах – 200 лет, в аргиллитах – 150 лет. В условиях же «старения» крепи (наиболее характерная ситуация) эти величины будут равны 100, 80, и 70 годам соответственно.

Полученные расчетные данные следует рассматривать лишь как ориентировочные, максимально возможные, поскольку значения всех входящие в формулу (4.5) параметров по объективным причинам имеют сравнительно невысокую достоверность. Кроме того характеристики одних и тех

86

же по литологическому составу пересекаемых стволом пород, а также материала крепи по глубине ствола меняются в значительном диапазоне.

Следует заметить, что существуют и другие методики определения времени устойчивости подсистемы «породакрепь», но все они сложны, а получаемые результаты вряд ли более достоверны.

Итак, достижение стабильности подсистемы «порода-крепь» и на этой основе долговременной устойчивости ствола может идти по двум направлениям: снижение горного давления окружающих ствол пород и повышение несущей способности крепи ствола.

Первое направление менее перспективно. Совершенно очевидно, что на окружающие ствол породы повлиять трудно. Их упрочнение или мало эффективно, или слишком трудоемко и дорого. Обводненность же пород, что при «мокром» способе закрытия шахт случается непременно, сказывается серьезно: уменьшается крепость, снижается устойчивость, увеличивается давление на крепь.

Второе направление имеет более широкие возможности, но здесь временные ограничения весьма существенны. Крепь ствола можно усилить после ее диагностики перед ликвидацией ствола.

Внастоящее время методы диагностики достаточно совершенны, а способы усиления крепи сравнительно эффективны. В частности методом электрометрии возможна оценка состояния приконтурной зоны породного массива, качества различных видов крепи, качественного распределения напряжений на сопряжениях ствола с горизонтальными выработками. Этот метод позволяет оценить не только асимметрию формирования зоны неупругих деформаций, но и косвенно определить неравномерность распределения нагрузок на крепь ствола со стороны перемещающегося массива. С использованием метода регистрации естественного электромагнитного излучения материала, находящегося в напряженном состоянии, возможно бесконтактное выявление наиболее напряженных участков поверхности ствола.

При использовании виброакустического метода возможна оперативная оценка степени механического контакта крепи с окружающим массивом.

Вкачестве мер, направленных на стабилизацию подсистемы «породакрепь» в конкретных условиях, используются ремонтно-профилактические работы, работы по усилению сопряжений, ремонт и замена крепи; цементация, бетонизация или битумизация закрепного пространства, заделка швов крепи и др.

Обследование стволов показало, что нарушение крепи чаще всего происходит на участках пересечения стволом прослойков и слоев глинистых сланцев, когда они залегают между мощными слоями более крепких пород. Особо опасными являются узлы сопряжений стволов с примыкающими выработками. Там напряжения вдвое больше, чем на обычных (про-

87

тяженных, линейных) участках ствола, так как под влиянием ствола крепь сопряжений испытывает повышенное давление пород. Кроме того, нарушение крепи горизонтальной выработки на участке сопряжения, как правило, влечет за собой нарушение крепи ствола. И уж особую опасность в отношении нарушения подсистемы «порода-крепь» представляют устья стволов, расположенные в большинстве своем в слабых и сильно обводненных породах.

Понимание и учет сказанного позволяет принимать обоснованные инженерные решения при подготовке стволов к ликвидации.

Однако вышеизложенное свидетельствует и о том, что обеспечить абсолютную надежность подсистемы «порода-крепь» невозможно ни с теоретической, ни с практической точек зрения. Раньше или позже наступит такой момент, когда эта подсистема неизбежно выйдет из равновесия, а это повлечет за собой нарушение устойчивости всей геомехапнической системы «погашенный вертикальный ствол», что в итоге приведет к провалу земной поверхности в его окрестностях.

Повысить же вероятность достижения долговременной устойчивости погашенного вертикального ствола во многом по большому счету может закладка, создающая отпор крепи и уравновешивающая силовое взаимодействие «порода - крепь».

А поскольку закладка является не только важнейшим элементом, определяющим устойчивость геомеханической системы «ликвидированный вертикальный ствол», но и, как никакой другой, поддается учету, расчету, инженерно-техническому регулированию, оптимизации и экономической оценке, то она и подлежит более углубленному рассмотрению.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. От чего зависит равновесное состояние подсистемы «окружающие ствол породы – крепь ствола»? Какие факторы оказывают на это влияние?

2.Назовите основные причины роста горного давления на крепь ствола и потери ее несущей способности.

3.Какая рабочая гипотеза принята для объяснения потери устойчивости системы «порода-крепь»?

4.Как представляется временное развитие тенденций изменения несущей способности крепи ствола и изменения горного давления на крепь в соответствии с принятой рабочей гипотезой?

5.Назовите и охарактеризуйте основные направления повышения стабильности подсистемы «порода-крепь». Какие практические меры позволяют это осуществить?

88

4.1.5Закладка и ее роль в достижении стабильности геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол»

Как было отмечено ранее, «Правила безопасности в угольных шахтах» при ликвидации вертикального ствола требуют полного его заполнения (засыпки) негорючим, неразмокаемым, нерастворимым и нетоксичным материалом. Материал, которым заполняется ствол, получил название закладочного, а размещенный в стволе – закладки.

По своему агрегатному состоянию различают закладку сыпучую и твердеющую, а по гидрологическим условиям ее нахождения в стволе – сухую и обводненную. Все виды закладок имеют свои особенности, рабочие характеристики, которые следует учитывать при оценке степени их влияния на уровень стабильности геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол».

Закладка в стволе, и это ее главная задача, призвана максимально усилить подсистему «порода-крепь» за счет бокового отпора крепи, повысить сопротивляемость крепи горному давлению со стороны окружающих ствол пород.

И эту функцию закладка может выполнить лишь при условии, что она будет обладать нужными качествами, которые зависят прежде всего от характеристик закладочного материала и технологии закладочных работ.

Важнейшими характеристиками и свойствами закладочного материала являются: минеральный состав, механическая прочность, структура (кусковатость, форма частиц, фракционность – гранулометрический состав), величина сцепления частиц – сопротивление сдвигу, связность, компрессионные свойства, величины сил внешнего и внутреннего трения; деформационные характеристики, другие физико-механические свойства, которые в основном определяют плотность, кусковатость и, в конце концов, усадку закладки.

Усадка же закладки определяет величину обнажения крепи ствола, возможное ее разрушение с последующими деформациями ствола и окружающих его пород вплоть до земной поверхности.

Именно вид закладочного материала, прежде всего, определяет основные характеристики закладки и поэтому требует более детального рассмотрения.

В практике ликвидации вертикальных стволов в качестве закладочного материала широко используется карбоновые горные породы. В большинстве своем ориентируются на породы из рядом расположенных шахтных отвалов. И если всесторонний лабораторный анализ этих пород не подтверждает возможных ограничений (горючесть, способность к образованию вредных испарений и токсичных веществ при выщелачивании в ус-

89

ловиях затопления (обводнения) ствола, в том числе высокоминерализированными, агрессивными шахтными водами), то эта порода и используется для засыпки стволов.

Оценивая ситуацию в Украине, следует отметить, что и на ближайшую перспективу в качестве закладочного материала будут использоваться породы отвалов угольных шахт. Закладка из этих пород обладает достаточно хорошей водо- и газопропускной способностью. Сухой закладочный материал породных отвалов имеет еще одно положительное свойство – при падении дробиться и самоуплотнятся. Большая привлекательность использования этого закладочного материала объясняется и незначительным удалением его запасов от ликвидируемых стволов, сравнительно малой стоимостью. Кроме того «разборка» породных отвалов улучшает экологическую ситуацию в районе их размещения.

Втоже время следует иметь ввиду, что для пород отвалов характерно присутствие в них большого количества тонкодисперсных глинистых частиц. А это значит, что при значительном обводнении, при наличии фильтрации и инфильтрации воды в стволе они склонны к размоканию и вытеканию в сопрягающиеся со стволом выработки.

Впрактике ликвидации стволов используются и материала карьеров – щебень, песок, гравий, а также быстроохлажденые металлургические шлаки, которые обладают высокой механической прочностью, узкофракционностью, неразмокаемостью, малой усадкой. Но они дороги.

Диспергированный материал – золы и шлаки электростанций, доменные шлаки, отходы цементных заводов и др. – однородны по гранулометрическому составу, способны при определенных условиях переходить в твердое агрегатное состояние и «связать» более крупные частицы, но в тоже время и образовывать суспензию, способную вытекать из ствола в примыкающие к нему выработки.

Вышеназванные материалы представляют собой дискретные с определенными формами и размерами физические тела, которые могут, в большей или меньшей мере, претерпевать изменения под воздействием внешних сил – механических, гидродинамических, горного давления, а также физико-химических процессов.

Важнейшими рабочими характеристиками сыпучего закладочного материала является его гранулометрический состав (размеры частиц) и форма частиц. И та и другая характеристики оказывают существенное влияние на процесс укладки материала, который определяет плотность закладки и, в конечном счете, скорость и величину ее усадки в вертикальномПриопределенномство . фракционном составе материала плотность закладки становится максимальной, а пустотность – минимальной (рис. 4.14). Из рисунка следует, что при наличии в закладке только крупных (например, более 80 мм в поперечнике) фракций ее пустотность может

90

Рисунок 4.14. Зависимость плотности закладки и ее пустотности от фракционного состава: 1 – процент заполнения (плотность закладки), %; 2 – пустотность закладки, %.

достигнуть 20-25%. А это значит, что с течением некоторого времени усадка закладки в стволе глубиной, к примеру, 500 м может в принципе достигнуть 100м и более. На этом участке произойдет обнажение крепи, что серьезно ослабит подсистему «порода - крепь». Но не следует ориентироваться и на закладку, состоящую исключительно из мелких фракций. Во-первых, получение мелкофракционного состава требует значительных средств на дробление закладочного материала. А, во-вторых, и это может оказаться самым существенным, мелкие фракции в большей степени, чем крупные размокают, частично растворяются, выщелачиваются, усиливая нередко при этом агрессивность водной среды, а затем либо вытекают из ствола, либо образуют непроницаемый массив для воды и газа. Следовательно, речь должна идти об оптимальном фракционном составе в конкретных условиях.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что наиболее оптимальным гранулометрическим составом закладочного материала, подготовленного на поверхности, являются смеси, содержащие примерно 40% кусков с диаметром 250…80 мм, 20% – с диаметром 0…30 мм, 15% – 30…15 мм и 25% – с диаметром менее 15 мм.

Английскими предписаниями на основании опробованных исследований регламентируется такой состав подготовленной на поверхности смеси: 250..20 мм ≥ 80%, 20 мм и менее ≤ 20%. При этом фракция до 1 мм не

91