Kniga2
.pdfА поскольку большинство факторов поддается регулированию, то появляется возможность не только технической, но и экономической оценки тех или иных инженерных решений, принятия наиболее оптимальных.
Важное место в решении задачи обеспечения стабильности устья ствола занимают вопросы определения величины давления на крепь.
Максимальное давление наносов на крепь устья будет, очевидно, в нижней его части, если предположить, а для этого есть все основания, что эпюра давления наносов на крепь имеет очертание, близкое к треугольному.
Вустье ствола могут быть два крайних типичных положения: первое
–внутри устья размещена плотная (твердеющая) закладка и второе – устье свободно. В первом положении снаружи на крепь устья ствола действует давление наносов и воды, а в обратном направлении – крепь и силы отпора закладки. С достаточной степенью уверенности можно предположить, что разность этих давлений мала и крепь устья напряжена слабо.
Второе положение дает значительно большую разницу между величиной внешнего давления и сопротивляемостью крепи и потому принимается в расчет при проверке прочности крепи устья на боковое давление наносов.
Давление наносов и воды на стенку устья ствола на уровне коренных пород можно выразить как
∑ |
PH = |
|
(ρH g − 10) tg 2 |
|
− |
h H |
45 |
||||
|
|
|
|
|
|
ϕ |
0 |
|
|
|
|
|
|
+ 10 |
, кН/м2, |
(4.36) |
|
|
2 |
||||
|
|
|
|
|
где ρH g – средний приведенный объемный вес наносов в пределах их
высоты, кН/м3; 10 – объемный вес воды, кН/м3; φ0- средневзвешенное значение угла естественного откоса наносов в тех же пределах, град.
Исследования показывают, что стабилизация давления на крепь ствола, находящуюся в наносных породах, подчиняется зависимости
∑ |
PH = |
|
(ρH g − 10) tg 2 |
|
− |
ϕ |
|
|
h H |
45 |
|
|
|||||
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
+ 10 |
1 |
− |
exp |
− |
λ |
|
|
, (4.37) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
где Н – текущая координата глубины по высоте наносов hH; R – гидрав-
лический радиус ствола, м, R = |
π DC2 |
= |
D |
, м; λ – коэффициент бокового |
||||||
4π Dc |
4 |
|||||||||
|
|
|
|
ν |
|
|
||||
давления пород наносов, |
λ |
= |
|
|
; ν – коэффициент Пуассона (для нанос- |
|||||
|
− |
ν |
||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
||||
ных пород ν =0,35, λ =0,54).
Вкачестве примера на рис. 4.29 приведены значения PH = f(H) при hH
=20 м, породы наносов обводнены, ñHg = 20 кН/м3, DC = 6…8 м.
122
Приведенные данные позволяют констатировать, что при потере определенной несущей способности крепи ствола вероятность его разрушения (без закладки) только за счет давления пород наносов велика. Как видно из графика 3 (рис.4.29) на определенной глубине (в нашем случае 12…15м) происходит стабилизация давления на крепь ствола. Однако это не означает, что с увеличением мощности наносов (в данном случае более 12…15м) наступают постоянные и относительно благоприятные условия сохранности крепи устья ствола.
Рисунок 4.29. Изменение давления на крепь устья вертикального ствола: 1 – гидростатическое давление; 2 – давление водонасыщенных наносных пород; 3 – суммарное давление на крепь ствола.
Надо иметь в виду, что разрушение крепи устья ствола наступает (происходит) не только под действием сил давления окружающих пород. Как свидетельствуют исследования, натурные наблюдения и опыт, на долговечность крепи стволов большое влияние оказывают внутренние физи- ко-механические процессы, происходящие в материале крепи под действием агрессивной внешней и внутренней среды. Происходит механический
123
износ бетона от стекающей по поверхности бетонной крепи воды, усталостный износ, износ под воздействием коррозии, колебания температур. Деструкция бетона зависит также от его пористости, которая приводит к инфильтрации воды. Образование дефектов ускоряется присутствием чистой воды, а также вод, содержащих углекислый газ и сульфаты. Опасны и ливневые воды, карбонизация, химическая агрессия, воздействие знакопеременных температур, кавитация. Участки разрушенного бетона, как правило, расположены вблизи водоносных горизонтов.
Количественный учет влияния каждого из названных факторов на долговечность крепи устья ствола, а тем более в их совокупности, представляет чрезвычайно сложную задачу. Во-первых, необходимы объективные и полные исходные данные по вышеперечисленным влияющим факторам. А, во-вторых, долговечность крепи, устойчивость устья ствола предопределяется и степенью обоснованности выбранной технологической схемы его ликвидации. Следовательно, подход к решению поставленной задачи должен быть комплексным, а меры по предотвращению разрушений устьев погашенных стволов необходимо рассматривать в двух направлениях. Первое – уменьшение давления на крепь устья ствола и снижение негативного на нее влияния со стороны окружающей среды. Второе – усиление повышение устойчивости собственно крепи устья ствола.
Первое направление нацелено главным образом на улучшение физи- ко-механических характеристик пород наносов путем их упрочнения и осушения, второе – на осуществление технико-технологических мер по усилению устойчивости крепи в период подготовки и в процессе производства ликвидационных работ.
Вобщем случае меры по увеличению долговечности крепи должны разрабатываться и реализовываться на основе детального изучения конкретных условий, в которых находится ствол, и собственных характеристик его крепи. Последнее осуществляется посредством диагностики состояния ствола при его эксплуатации. Трещины, расслоения, вывалы, раковины, солевые наслоения, ржавые пятна и полосы, установленные в результате визуального осмотра, свидетельствуют о начале процесса разрушения и необходимости проведения ремонтных работ. Использование неразрушающих (склерометрических) средств и методов (в частности ультразвуковых) контроля позволяет дать количественную оценку свойств материала. Прочностные показатели, модуль упругости, водопроницаемость
идр. устанавливаются путем извлечения кернов, а участки крепи, в которых предполагаются повреждения, проверяются с помощью ультразвука, путем просвечивания гамма – лучами или высверливанием образцов.
Вразличных условиях, с учетом степени негативного влияния конкретных факторов, увеличение долговечности крепи и устойчивости устьев стволов может быть достигнуто за счет применения тех или иных мер. В
124
частности, это может быть увеличение структурной плотности бетона, его водонепроницаемости, нанесение на поверхность крепи защитных покрытий, усиление участков крепи вблизи водоносных горизонтов (покрытие слоем железобетона, битуминозного материала или пластика; анкерование; применение лакокрасочных покрытий или многослойных покрытий эпоксидными смолами, анкерованных стеклотканью; тампонаж закрепного пространства). В определенных условиях эффективным может оказаться применение гидротехнического морозостойкого цементного бетона, высококачественного армированного торкретбетона (плотный, водонепроницаемый и весьма устойчивый к агрессивным воздействиям материал), а также сульфатостойкого портландцемента для предотвращения разрушения бетона растворами сульфатов или глиноземного цемента – при наличии кислот.
Целесообразно полное прекращение аэродинамических связей с действующими горными выработками, полная изоляция, исключение движения воздушного потока, в том числе через вентиляционные и другие каналы. Следует исключить чередование обмерзания и оттаивания бетона путем, например, создания специальной теплоизоляционной рубашки. На участке же промерзания рационально применение бетона с воздухововлекающими добавками, которые хорошо сопротивляются воздействиям солей.
Во всех случаях особое внимание следует уделять выбору местоположения и параметров полков перекрытия стволов, расчету их на прочность, жесткость и устойчивость.
Как уже отмечалось в соответствии с «Правилами…» железобетонный полок перекрытия ствола сооружается на глубине залегания коренных пород, но не менее 10 м от земной поверхности, и должен обеспечивать восприятие постоянной равномерно распределенной нагрузки от массы закладочного материала с коэффициентом запаса по нагрузке 2,0. Глубина заделок металлических балок в монтажные гнезда должна быть не менее 250 мм и определяется в зависимости от толщины крепи ствола и состояния коренных пород.
В рекомендациях немецких специалистов, которые используют только твердеющую закладку в стволе, перекрытия ствола также осуществляется железобетонной плитой, как правило, на уровне скальных пород (hH) , но не менее 7 м от поверхности, а глубина заделки принимается равной половине диаметра ствола (рис 4.30). В таких случаях поверхность рекультивируется.
Согласно английским предписаниям, перекрытие ствола после его засыпки должно осуществляться мощными железобетонными плитами, но только после
Рисунок 4.30. Перекрытие ствола
усадки закладочного материала. При небольшой мощности наносов (до 7м)
перекрытие ствола, как реко- |
|
|
||||
мендуют и немецкие специа- |
|
|
||||
листы, осуществляется пли- |
|
|
||||
той на этом уровне (рис.4.30), |
|
|
||||
при большой мощности нано- |
|
|
||||
сов (более 10м) перекрытие |
|
|
||||
ствола |
осуществляется |
на |
|
|
||
глубине около 10 м, но за- |
|
|
||||
кладка в устье только твер- |
|
|
||||
деющая (рис. 4.31). |
|
|
|
|||
Полки |
перекрытия |
|
|
|||
устьев стволов также не от- |
|
|
||||
личаются большим разнооб- |
|
|
||||
разием. В соответствии с |
|
|
||||
требованием |
в Украине |
по- |
Рисунок 4.31. |
Перекрытие ствола |
||
лок (рис. 4.8) должен обеспе- |
||||||
|
|
|||||
чивать |
восприятие времен- |
|
|
|||
ной распределенной нагрузки не менее 10 кПа, а в случаях, если предусматривается дозасыпка ствола – не менее 15 кПа. Английскими предписаниями предусматривается толщина перекрывающей плиты 450 мм, а несущая способность более 33 кПа.
В чешских инструкциях определены минимальные параметры перекрытия устья стволов железобетонными конструкциями (рис 4.32), но для конкретных условий уточняются расчетами.
Рисунок 4.32. Перекрытие устья ствола: 1 – плита перекрытия; 2 – бетонная опора; 3 – окно для дозасыпки в случае применения сыпучего материала; 4 – твердеющая закладка в случае применения сыпучего
126 материала; 5 – дегазационный трубопровод.
Впринципе конструктивно перекрытие устья ствола должно не только обеспечивать сохранность его и прилегающего к нему пространства, но и давать возможность контроля поведения закладки в стволе, дозасыпки, дегазации, водоотлива, рекультивации земли и др.
Таким образом, стабильное состояние устья ликвидированного ствола, а, следовательно, и устойчивость поверхности вблизи него, определяется рядом природных факторов и принятых инженерных решений, в их числе: мощностью наносов, их физико–механическими свойствами, гидрогеологией в районе ствола; устойчивостью крепи; видом закладки, полнотой заполнения ею устья ствола, а также местоположением, качеством перекрытия стволов и др.
Практика ликвидации вертикальных стволов свидетельствует, что большинство из названных факторов и степень их влияния поддаются регулированию, а инженерные решения могут максимально учитывать конкретные условия, обеспечивая при этом применение наиболее целесообразных из возможных решений.
На основании всего вышеизложенного, с учетом опыта ликвидации стволов в Англии, Германии, Чехии, Польше, других угледобывающих странах разработаны и на рис. 4.33 представлены варианты наиболее совершенных технологических схем, обеспечивающих устойчивое состояние устьев погашенных стволов.
Воснову при разработке вариантов технологических схем положена мощность наносов (до 15 м – рис 4.33 а,б,в и более 15 м – рис. 4.33 г,д), так как она, главным образом, предопределяет величину давления на крепь, диаметр опасной зоны сдвижения поверхности и глубину кратера.
Всвою очередь наносы характеризуются прежде всего углом сдвижения (обрушения) – φ, а устойчивость крепи устья ствола, при прочих равных условиях, зависит от вида закладки и качества закладочного материала: сухая закладка с инъектированием вяжущих (СЗИ), твердеющая закладка (ТЗ) или сухая сыпучая закладка (СЗ). Последняя приемлема при достаточно устойчивых верхних слоях коренных пород и отсутствии утечек закладки в сопрягающиеся со стволом выработки.
При слабых породах наносов небольшой мощности (hH ≤ 15), в условиях их значительного обводнения, когда φ < 35о и при достаточно креп-
ких верхних слоях коренных пород следует рекомендовать заполнение устья ствола твердеющими материалами (ТЗ) с расходом вяжущих до 3 м3 на 1 м мощности наносов. Ниже полка перекрытия в этом случае возможно использовать сухой закладочный материал с инъектированием недорогих вяжущих (СЗИ) (рис 4.33 а). Диаметр плиты перекрытия устья ствола при всех вариантах технологических схем целесообразно принимать не менее
2Dс. Это позволит упредить ее перекос еще на первоначальной стадии возможного сдвижения поверхности.
127
В подобных же условиях, но когда наносы подвержены сезонному обводнению, необходимо, прежде всего, осуществить упрочнение наносных пород путем инъектирования их через скважины (ИС), пробуренные вертикально или под углом φ (рис 4.33 б). Скважины при этом заполняются сухим инъектирующим вяжущим материалом. Количество рядов скважин и их глубина принимается в соответствии с прогнозными параметрами возможных сдвижений земной поверхности.
Вусловиях, когда hH < 15м, наносы слабо обводнены или при наличии водоотвоводящей канавы вокруг устья ствола, при φ > 35º и устойчивых коренных породах, подстилающих наносы, оптимальным вариантом обеспечения экологической безопасности в районе ликвидированного ствола следует считать устройство сооружения «стена в грунте» диамет-
ром не менее 2Dс (рис. 4.33 в), закладку устья ствола сухим материалом с последующим инъектированием вяжущими. С внешней стороны «стены в грунте» в пределах опасной зоны сдвижения поверхности целесообразна высадка растений, например, некоторых видов акаций, имеющих глубокие корни.
Наибольшую сложность в обеспечении устойчивости представляют
устья погашенных стволов, расположенных в большой мощности (hH> 15м) слабых обводненных наносов.
Вусловиях слабых, подверженных сезонному обводнению и имеющих гидравлическую связь с подземными водами наносов, когда угол
сдвижения φ сравнительно невелик (< 35° ), когда подстилающие коренные породы достаточно устойчивы, не подвержены размоканию, лучшим вариантом является бетонирование всего устья ствола (рис. 4.33 г). В центре устья ствола оставляется отверстие диаметром 1 м, используемое для дозасыпки ствола при понижении закладки. Сам ствол в этом случае вполне может быть заполнен только сыпучем материалом.
В аналогичных условиях, но при слабых подстилающих наносы коренных породах, более целесообразным является заполнение устья ствола твердеющей закладкой и возведение в пределах слабых коренных пород мощной бетонной перемычки (рис. 4.33 д). Ниже опоры размещается сухой инъектированный вяжущими веществами закладочный материал.
Поскольку, как следует из вышеизложенного, одним из наиболее негативно влияющих на стабильность устья ликвидированного ствола факторов является вода, то в условиях сильного обводнения стволов разумно рекомендовать устройство противофильтрационных завес. Они представляют собой ряды буровых скважин диаметром 45-76 мм, в которые под давлением в несколько мегапаскалей нагнетается чаще всего цементный раствор с добавками пластификатора. Последний заполняет поры и образует, таким образом, малопроницаемую или практически непроницаемую для воды преграду. В зависимости от конкретных условий это
128
291
Рисунок 4.33. . Варианты технологических схем погашения вертикальных стволов
могут быть завесы непосредственно у ствола, а могут и с оставлением между завесой и стволом породного целика. Глубина завесы зависит от условий обводнения устья ствола. Число рядов скважин, определяющих «толщину» завесы, устанавливается так, чтобы максимальный градиент фильтрации через завесу не превышал допустимой величины. Максимальный градиент фильтрации в теле завесы приближенно равен разности давлений фильтрационного потока перед и после завесы, деленной на толщину завесы. Расстояние между рядами и между скважинами в ряду обычно от 1,5-2 м до 3-4 м.
Таким образом, предлагаемые рекомендации являются достаточно обоснованными для существенного повышения устойчивости устьев погашенных стволов. При правильном применении эти способы и средства с большой вероятностью могут надежно защитить устья стволов от их разрушения под негативным влиянием внутренних процессов и факторов внешней среды.
С учетом изложенного, конкретных условий и с целью достижения устойчивого состояния погашенных стволов можно рекомендовать:
1. Опорный полок перекрытия ствола располагать в коренных породах, а его параметры рассчитывать не только на прочность и жесткость, но и устойчивость. Заделку и опоры (породы) рассчитывать на смятие и сдвиг. Участок ствола непосредственно ниже полка предпочтительно не оставлять свободными (без засыпки) даже в случаях, когда окружающие ствол породы достаточно устойчивы.
2.Если полок перекрытия располагается в наносах (с целью уменьшения, например, размеров потенциально опасной зоны), то ниже его (до коренных пород) должна быть твердеющая закладка, опирающаяся на сыпучую.
3.Между полками (перекрытия ствола и устья ствола на поверхности) обязательно должна быть закладка, максимально плотная, лучше твердеющая. В случае применения сыпучей закладки должна быть обеспечена возможность ее постоянной досыпки или инъектирования связующими материалами.
4.С целью уменьшения размеров опасной зоны и величины давления на крепь устья ствола следует применять меры (способы) влияния на улучшение физико-механических характеристик пород наносов (упрочнение, осушение, водопонижение, гидроизоляция и т.д. и т.п.)
Это, что касается устья ствола. В целом же установленные в разделах 4.1.3; 4.1.4; 4.15; 4.1.6 и 4.1.7. характеристики элементов геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол», качественные и количественные их взаимосвязи и взаимозависимости, выработанные рекомендации по усилению отдельных элементов и подсистем позволяют в конкретных условиях с достаточной обоснованностью конструктировать
130
надежные и в известной мере оптимальные схемы ликвидации вертикальных стволов, которые с большой вероятностью обеспечат их длительную устойчивость.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Каковы роль и место устья ствола в ГС «погашенный вертикальный ствол»?
2.Назовите особенности взаимодействия крепи устья ствола с окружающими породами.
3.Назовите и охарактеризуйте основные причины и условия возникновения провалов поверхности в районе устья ствола.
4.Какие факторы и в какой степени влияют на размер вероятной зоны опасных деформаций поверхности вокруг устья ствола?
5.Какова логика определения величин возможной глубины и диаметра провала поверхности в конкретных условиях разрушения устья ствола?
6.Назовите причины, и условия разрушения крепи устья ствола, изложите меры по увеличению ее долговечности.
7.Полок перекрытия ствола. Предъявляемые требования. Местоположение. Конструкция. Параметры.
8.Изобразите и кратко охарактеризуйте технологические схемы погашения устьев вертикальных стволов, обеспечивающие их устойчивое состояние.
4.1.8.Выбор и конструирование технологических схем ликвидации вертикальных стволов
Технологические схемы ликвидации стволов, способы и средства обеспечения их долговременной устойчивости предопределяются главным образом горно-геологическими, гидрологическими, горнотехническими, и организационными условиями.
Как следует из ранее изложенных материалов, единой однозначно надежной и приемлемой технологической схемы ликвидации стволов для различных условиях не существует, а используемые на практике схемы существенно разнятся и по сложности, и по материальным затратам.
Представляется целесообразным ликвидируемые вертикальные стволы разделить на категории по степени их экологической опасности.
131