Kniga2

4.Изложите кратко влияние гранулометалического и петрографического состава закладочного материала на поведение закладки в стволе.

5.Охарактеризуйте коэффициенты заполнения и уплотнения закладки в стволе.

6.Чем отличается поведение обводненной сыпучей закладки от необводненной? По каким причинам не следует допускать даже частичного растворения закладочного материала?

7.От чего зависит величина усадки закладки в стволе? Какие характеристики и параметры (качественные и количественные) оказывают наибольшее влияние на величину усадки? Какие практические выводы можно сделать из познания этих показателей?

8.Что представляет собой твердеющая закладка, ее состав, свойства и характеристики?

9.Каковы пути повышения качества твердеющей закладки и снижения ее стоимости?

4.1.6.Опорные сооружения, их конструкции и параметры

Опорные сооружения предназначены для удержания закладки в стабильном состоянии и подразделяются на три вида: опоры-основания на сопряжениях стволов с горизонтальными выработками, упорные перемычки

впримыкающих к стволу горизонтальных выработках, опорные «пробки»

встволе.

Графическое изображение, поясняющее принятые термины представлено на рис. 4.16.

По функциональным признакам к опорным сооружениям относятся и полки перекрытия вертикальных стволов. Но в силу специфики их роли и места в обеспечении устойчивости всей геомеханической системы они будут рассмотрены при изложении способов и средств предотвращения разрушений устьев ликвидированных стволов. Тем более, что полки перекрытия стволов занимают там ведущее положение.

Итак, опоры-основания воспринимают давление вышерасположенного столба закладки и предотвращают возможную ее утечку из ствола в горизонтальные выработки.

Упорные перемычки сооружаются в горизонтальных выработках на границах опоры-основания, служат ее усиливающими элементами, а также препятствуют утечке мелкофракционного состава закладки в случае его фильтрации через опору-основание.

102

Опорные «пробки» (ствольные опоры) секционируют ствол, снижают давление столба закладки на опору-основание, а также обеспечивают равномерную усадку закладки по высоте ствола, что благоприятно сказы-

Рисунок 4.16. Схема размещения опорных сооружений: 1 – опора-основание; 2 – упорная перемычка; 3 – опорная «пробка» (ствольная опора)

вается на его устойчивости.

Опоры-основания сооружаются из сыпучего прочного одномерного крупнофракционного неразмокаемого материала (песчаник, щебень, гравий) или из нерастворимых твердеющих материалов, близких по прочности к бетону. Они могут сооружаться на нижних горизонтах и служить основанием закладки всего ствола или возводиться и на промежуточных сопряжениях.

103

Рисунок 4.17. Конструктивные варианты опор

Из анализа проектных решений и опубликованных по этому вопросу работ можно заключить, что в практике используются и предлагаются к использованию главным образом три конструктивных варианта этих опор (рис. 4.17). Все они выполняют роль непросадочного упорного слоя.

В варианте «а» предлагается охрана закладки в стволе от усадки и «растекания» в примыкающие выработки насыпью длиной l из неразмокаемых крупнофракционных мате-

риалов.

В варианте «б» используется также насыпной материал того же качества, но с целью уменьшения длины насыпи и предотвращения утечек закладки предлагается установка в горизонтальных выработках упорных перемычек на расстоянии 5-10 м от сопряжения ствола.

Вариант «в» предполагает обеспечение отпора насыпи, помимо установки перемычек, путем принудительного обрушения пород в горизонтальной выработке с использованием, например, БВР.

Более внимательное рассмотрение описанных конструкций опор-оснований позволяет заключить следующее. Поскольку длина насыпки (вариант «а») зависит от многих факторов (свойств и характеристик материала закладки, его обводненности и др.), то она в определенных условиях должна быть значительной. В этом случае технология возведения насыпи усложняется. Сооружению упорных перемычек (вариант «б») следует отдавать предпочтение, если длина насыпи по варианту «а» с технологической точки зрения нецелесо-

образна или в силу ее проницаемости не эффективна. Вариант же «в», несмотря на свою (на первый взгляд) привлекательность, следует использовать с большой осторожностью. Обрушенные (разрушенные взрывом) по-

104

роды обладают значительной пустотностью и если взрывом обнажается слой слабых размокаемых пород, то при обводнении возможно их вытекание. А это приведет к разрушению крепи ствола и утечке закладки.

Таким образом, во всех случаях вид (конструкцию) опоры, ее материал следует принимать с учетом конкретных горно-геологических и гидрологических условий, а конструктивные параметры определять соответствующими расчетами.

Расчетная схема для определения геометрических параметров насыпной опоры-основания приведена на рисунке 4.18.

Рисунок 4.18. Расчетная схема определения параметров насыпной опоры на сопряжении ствола с горизонтальной выработкой

Горизонтальная сила давления на насыпь определяется из выражения

W = Pr·π·r2,	(4.19),
Pr = Pв·ω.	(4.20)

Силы давления в элементарном сечении горизонтальной выработки можно определить по формуле

W1 = dPr·π·r2 ,

(4.21),

a силы трения в этом же сечении

105

W2 = Pr·μ·dl·2π·r	(4.22)
Следует учитывать и силы реакции от веса закладки в насыпи
W3 = ρ·g·dl·π·r2.	(4.23)

Решение системы уравнений в условиях равенства сил давления и сопротивления позволяет определить длину насыпки l, выдерживающую силы горизонтального давления закладки Pr.

	r		2μ ω P
.l =		ln(	B	+ 1) .	(4.24)
	2μ		ρ g r

Длина насыпи зависит от давления, производимого закладкой и водой, свойств и характеристик закладочного материала, размеров выработки. Увеличение влажности закладки потребует увеличения и длины насыпи.

Из формулы (4.24) следует, например, что при глубине ствола 400 м, радиусе горизонтальной выработки 3 м, использовании нерастворимого закладочного материала длина насыщенной водой насыпи l = 17 м. Такая длина насыпи достаточна для удерживания веса столба закладки. Но из практических соображений насыпь должна оканчиваться изолирующей перемычкой, которая бы предотвращала вытекание мелких фракций закладки через опору-основание, сооруженную из сыпучего материала. В этом случае над верхней частью опоры помещается слой водонепроницаемого материала, например, пластичной глины. В особо сложных гидрогеологических условиях могут быть использованы оба способа изоляции одновременно.

Высоту опоры в стволе Н при обводненной закладке следует рассчитать по формуле

H = 6,25	∑ PB		SC	,	(4.25)
	C		ПС

где С – сцепление обводненных пород основания закладки на сопряжении ствола с горизонтальными выработками (С ≈ 2000 кН/м2);

Sc – площадь поперечного сечения ствола в свету, м2; Пс – периметр ствола в свету, м.

Формула (4.25) получена из уравнения равенства сил давления и сопротивления

H C μ Пс ω = ∑ Pb Sc .

(4.26)

106

При возведении упорных перемычек в примыкающих к стволу выработках они рассчитываются на усилие, равное разности величин горизонтального давления и сопротивления перемещению насыпи. Чем ближе к стволу сооружается перемычка, тем больше должна быть ее прочность.

Сооружение насыпной опоры-основания требует больших объемов специального закладочного материала, а процесс возведения опоры технологически сложен и трудно контролируем, хотя сама опора при качественном выполнении работ достаточно надежна. Как показывают исследования и практика, более технологично сооружение бетонных опор-

Рисунок 4.19. Опоры на сопряжениях ствола с горизонтальными выработками: а) комбинированная опора; б) опора из твердеющих материалов; 1 – сухой закладочный материал; 2 – опора из твердеющих материалов; 3 – трубы различного назначения.

оснований (рис 4.19).

Длина опоры в горизонтальной выработке (lon) определяется по формуле

lоп =	∑ Pr		Son	,	(4.27)
	σp		Пon

где σр – характеристика материала опоры на растяжение и сдвиг, кН/м2. Высота опоры-основания (hon) прочностью не менее прочности ок-

ружающих пород, выполненной из твердеющего материала (если бетон, то не менее марки В15), определяется по формуле

h оп =	∑ PВ		Sс	≥ Dс ,	(4.28)
	σсж		Пс

где σсж- – предел прочности материала опоры на сжатие, кН/м2.

107

Во избежание чрезмерных нагрузок на опоры-основания (большая глубина ствола, полное его обводнение), больших обнажении крепи вследствие усадки закладки производится секционирование ствола по его глубине путем возведения опорных «пробок» (ствольных опор).

На рис. 4.20 представлены опорные «пробки» различных форм и конструкций, каждая из которых имеет сравнительные достоинства и недостатки, а также условия эффективного применения.

Клиновидная опора «а» является одной из наиболее распространенных, но уступает цилиндрической опоре «б» по надежности и несущей способности (устойчивости), хотя и более проста в возведении. Еще более простая в сооружении цилиндрическая по диаметру ствола опора «в». Но она должна работать в условиях заданных сил трения, а это достаточно неопределенно (возможны обводнение, сейсмика и др.). Эта конструкция является не столько опорной, сколько распорной и ее следует возводить в местах слабой крепи ствола.

Хорошими рабочими характеристиками обладает железобетонная опора «г». Она отличается высокой несущей способностью и устойчивостью, но весьма трудоемка в сооружении. Видимо ее надо использовать в наиболее ответственных местах, например, для перекрытия ствола.

Сводчатая форма опоры «д» наименее затратная по расходу материалов (ее толщина примерно равна 0,2Dс), обладает наибольшей несущей способностью. Но сложна в сооружении, а сравнительно небольшая площадь опоры за пределами ствола требует для своей устойчивости примерно одинаковой по всему периметру прочности пород. А это, как известно, бывает не часто.

Опора «е» может быть использована в качестве основания для закладки на промежуточных горизонтах.

В большинстве случаев в опорах конструктивно предусматриваются отверстия для фильтрации метана.

Общим недостатков описанных форм и конструкций опор является отсутствие конкрет-

108

Рисунок. 4.20. Формы опорных «пробок» в вертикальном стволе

ных методов расчета их геометрических параметров. Они попросту регламентируются. В большинстве случаев высота опор должна быть равна диаметру ствола, а величина боковой заделки равна 1м. Но эти параметры следует рассматривать как ориентировочные. В конкретных же условиях их следует принимать с учетом предполагаемых нагрузок, прочности крепи ствола, характеристик окружающих ствол пород (прочность, деформации сдвига, среза, смятия) в местах заделки опоры, прочности собственно опоры и др.

Как свидетельствует мировой опыт ликвидации вертикальных стволов, наиболее надежной и технически доступной в осуществлении является конструкция опоры «прямой клин» с углом укоса ≈ 80° (рис.

4.21).

Рисунок 4.21. Клиновая опора и кинематическая схема ее работы: 1 – нагрузка от закладки; 2 – вертикальная реакция; 3 – составляющая боковых реакций; 4 – силы трения.

глубину заделки по формуле (4.29)

Устойчивость клиновой опоры обеспечивается вертикальной реакцией 2, горизонтальными составляющими 3 и силами трения на контакте клина с боковыми породами 4. Величина этих сил возрастает с увеличением вертикальной нагрузки 1 от веса закладки. Такая «пробка» не теряет контакт с боковыми породами даже в случае некоторого ее перекоса и снижения прочностных характеристик самой опоры.

Практика подтверждает, что высоту такой опоры можно определять по формуле (4.28), а

B =	∑ Pr		Sc	+ Вкр , м,	(4.29)
	σсж		Пс

где: Вкр – толщина крепи ствола, м .

Из опыта B ≥ D4с .

Таким образом, приведенные в этом подразделе сведения об опорных сооружениях позволяют с достаточной обоснованностью выбирать их конструкцию, материалы и параметры для любого вида закладки, что с большой вероятностью обеспечит ее стабильное состояние и в конечном

109

счете долговременную устойчивость ликвидированного ствола. Но это может быть только при одном непременном условии – собственно устье ствола должно быть незыблемым.

А поскольку устье ствола представляет собой в известной мере отдельную, замкнутую и в то же время самую уязвимую подсистему геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол», то оно подлежит особому, специальному и непременно комплексному рассмотрению.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите виды опорных сооружений и кратко охарактеризуйте их назначение.

2.Из каких материалов сооружаются опоры–основания и каковы их конструктивные варианты? Назовите основные параметры опор. Кратко изложите условия примечания различных вариантов опор-оснований.

3.Какие формы и конструкции имеют опорные «пробки» в стволе? Изложите кратко их достоинства, недостатки, условия применения.

4.1.7Устья стволов. Способы и средства достижения их устойчивости

Как было отмечено в 4.1.3 все элементы геомеханической системы «ликвидированный ствол» ответственны за долговременную устойчивость погашенного ствола, но устье ствола (пятый элемент геомеханической системы) имеет особый статус уже только потому, что обладает наибольшим числом взаимосвязей с другими элементами системы (рис. 4.11). Устье ствола занимает особое положение и в силу геомеханических особенностей взаимодействия его крепи с окружающими породами, причем это взаимодействие носит более сложный, а главное – более неопределенный характер хотя бы вследствие неустойчивости гидрогеологической системы. И эта неопределенность принуждает принимать решения по устойчивости устьев стволов с определенным запасом.

Первая особенность связана с неопределенностью и изменчивостью (в отличие от коренных пород, окружающих ствол) физико-механических свойств и характеристик разрушенных (при сооружении устоев) горных пород (нескальных наносов). Для оценки их поведения необходимо знать, прежде всего, физические характеристики наносов.

Говоря о подлежащих учету основных влияющих факторах на устойчивость устьев стволов, следует подчеркнуть, что их нестабильные, взаи-

110

мозависимые и труднопрогнозируемые характеристики колеблются в широком диапазоне. В пределах угольного Донбасса высота наносов достигает 60 м, но примерно в половине случаев она не превышает 15 м. Наносные породы, как правило, конгломераты с переменным содержанием гравийно- песчано-глинистых компонентов в самой различной пропорции. Такие породы характеризуются достаточно высокой водопроницаемостью (коэффициент фильтрации в пределах 0,3…0,6 см·с-1), пористостью до 60%, коэффициентом внутреннего трения 0,2…0,7, незначительным коэффициентом сцепления (0,1…0,5)·10-3 МПа, модулем деформации 5…50 МПа и коэффициентом Пуассона 0,25…0,40.

Вторая. Если на протяженных (линейных) участках ствола давление горных пород на крепь проявляется только при их временнóм разрушении, то на крепь устья ствола давление проявляется под действием сползания наносов (особенно при увеличении их влажности).

Третья. Если величина горного давления на крепь протяженных участков ствола зависит от крепости (устойчивости) пород, ползучести и глубина особого влияния не оказывает, то величина давления на крепь устья ствола зависит от многих свойств наносов (объемного веса, нормального давления к плоскости сдвига, угла внутреннего трения, удельной силы сцепления, угла сдвига), а также их высоты (мощности).

Четвертая. Если на протяженных участках ствола на глубинах 300350 м обводненность снижается, а на глубинах более 600 м практически отсутствует (если нет гидравлической связи с водоносными горизонтами верхней части ствола), то устья стволов чаще всего сильно обводнены, а водотоки имеют гидравлическую связь с шахтными и подземными водами.

Пятая. Если обводнение протяженных участков ствола только ослабляет породы и ослабление при этом поддается учету, поскольку известны исходные характеристики пород, то обводнение устья оказывает более широкое воздействие: во-первых, меняет величину сцепления, а, во-вторых, ослабление пород идет путем перехода их от хрупкого состояния – через пластичность к текучести. Кроме того, влияние воды не всегда однозначно. К примеру, сцепление в сухом песке равно нулю, небольшое его увлажнение ведет к увеличению сил сцепления, а при большом обводнении песок становится текучим.

Поэтому необходимо, прежде всего, спрогнозировать и рассчитать два важнейших параметра, связанных с влиянием наносов на устье погашенного ствола – размер вероятной опасной зоны сдвижения земной поверхности и величину давления на крепь ствола.

При разрушении крепи устья ствола и «уходе» в ствол сползающих наносов на поверхности образуется воронка (кратер). Ее очертание и параметры зависят от физико-механических характеристик наносов и их мощности.

111