Kniga2
.pdfНеобходимость классификации ликвидируемых вертикальных стволов, отнесения их к той или иной категории по степени экологической опасности диктуется, прежде всего, практическими соображениями – выбором конкретной технологической схемы ликвидации стволов. В основу классификации положена обоснованность затрат на ликвидацию стволов, соответствие величин этих затрат потребностям достижения необходимой в конкретных условиях их экологической безопасности в постликвидационный период.
При этом следует подчеркнуть, что принципиально концепция обеспечения безопасности ликвидируемых стволов не меняется. Меняется лишь общая характеристика объекта, а также технология ликвидационных работ и, как результат, характер и величина затрат в связи с принятием того или иного проекта.
Анализ произошедших аварий и их последствий, геомеханических процессов, протекающих в районе ликвидированных стволов в различных условиях, способов и средств обеспечения их долговременной устойчивости позволяет с достаточной обоснованностью разделить ликвидируемые стволы по степени их экологической опасности на три категории.
Первая – стволы, потеря устойчивости которых после ликвидации представляет особую опасность. В общем случае к этой категории следует относить стволы большой глубины и большого диаметра, имеющие многочисленные сопряжения с горизонтальными выработками, подверженные обводнению и влиянию агрессивных подземных и шахтных вод, устья которых расположены в слабых наносах большой мощности со значительными притоками грунтовых вод; группы стволов, близко расположенные на одной промплощадке; стволы в пределах населенных пунктов, вблизи ответственных зданий и сооружений, магистральных коммуникаций природных объектов, в зонах перспективного развития и т.д. и т.п.
Их долговременная устойчивость обеспечивается мерами в процессе и в период ликвидации. Затраты должны быть минимальными и единовременными в данных условиях, но они не должны ограничиваться на этапе погашения стволов.
Ко второй категории следует относить стволы сравнительно небольшой глубины и небольшого диаметра, имеющие, как правило, одно сопряжение с выработками околоствольного двора (одногоризонтная схема вскрытия), находящиеся в районе населенных пунктов, но на безопасном расстоянии от важных коммуникаций, устья которых расположены в маломощных и малообводненных породах. Их долговременная устойчивость обеспечивается мерами в процессе ликвидации, контролем и дополнительными технико-технологическими средствами в постликвидационный период, что потребует и дополнительных затрат в будущем.
К третьей категории следует относить стволы небольшой глубины, шурфы, проведенные в наносах небольшой мощности, расположенные вне
132
населённых пунктов, вдали от коммуникаций, в условиях, позволяющих осуществить их надёжное ограждение, установку опознавательных и предупреждающих знаков, а при необходимости и охрану. То есть те выработки, потеря устойчивости которых не создает опасности, а последствия обрушения поверхности в местах их расположения технологически легко устранимы. Их устойчивость обеспечивается мерами в процессе ликвидационных работ и постликвидационный период. Материально-финансовые расходы осуществляются в несколько этапов, как правило в два, но приведенные затраты минимальны, а их вложение эффективно.
Отнесение стволов к той или иной категории – задача социальноэкологическая и технико-экономическая. При ее решении следует пользоваться двумя основными критериями. Первый и главный для стволов всех категорий – безопасность. Второй важный для стволов второй и третей категорий – экономичность. В связи с чрезвычайно большим разнообразием горно-геологических, горнотехнических, технико-организационных, местных социальных условий, финансовых возможностей создать единую методику однозначного отнесения ликвидируемых стволов к той или иной категории весьма сложно. В основу можно только лишь положить приведенные выше соображения, но в каждом конкретном случае принимать решение должна специальная комиссия на основе укрупненных предпроектных и проектных проработок или аналогов. Во всех случаях ликвидируемый ствол следует рассматривать как геомеханическую систему во взаимосвязи и взаимовлиянии ее элементов с учетом основных влияющих факторов.
Отнесение ствола к определенной категории по степени их экологической опасности диктует и выбор соответствующей технологической схемы его погашения.
Технологические схемы ликвидации стволов всех категорий должны предусматривать безусловную устойчивость всех сопряжений с примыкающими к стволу выработками, исключающую вытекание в них закладочного материала и обрушающихся в ствол пород. В противном случае в поведении системы «ликвидированный ствол» в постликвидационный период возникнет непредсказуемость и неопределенность, что не позволит принимать эффективные меры по ее стабилизации, предусматриваемые для стволов второй и третьей категории. В остальном же возможны варианты и временнóй прогноз можно и следует вести по состоянию самого уязвимого в данных условиях элемента геомеханической системы.
Ликвидация стволов первой категории в конкретных условиях должна осуществляться по полной программе (диагностика крепи ствола и состояния окружающих его пород, выбор материала закладки с оптимальными его характеристиками, определение мест установки опорных сооружений в стволе и расчет их параметров, установление достаточных конструктивных элементов перекрытий устьев стволов).
133
Для стволов второй категории приемлема технологическая схема с полной их засыпкой рядовым закладочным материалом. В соответствии с этим проводится расчет параметров опор на спряжениях с околоствольным двором, а с учетом возможной усадки закладочного материала – объемы насыпных холмов над устьями ликвидированных стволов или переоборудованных в бункеры копров рис. 4.34. Как показывают расчеты и практика, полная стабилизация закладки в стволе произойдет максимум через 4-6 лет. После этого устье ствола перекрывается железобетонной плитой, что делает вероятность аварии ничтожно малой.
Выработки третьей категории, особенно если возле них нет складированной породы для засыпки, могут быть ликвидированы путем устройства перекрытий на уровне коренных пород и над устьем ствола, с заполнением его породой или без. Определяется величина (радиус) опасной зоны. Она ограждается и устанавливается систематическое наблюдение за состоянием перекрытий. В этом случае сохраняется вероятность разрушения со временем крепи ствола и обрушения пород, что в свою очередь приведет к нарушению устойчивости перекрытий и образованию кратера на поверхности. Но объем необходимой в будущем засыпки поддается прогнозному расчету и оценке.
Поскольку ликвидация стволов требует значительных материальных затрат, сравнение и оценка возможных вариантов производится по приведенным затратам, т.е. с учетом различий затрат единовременного характера и не одинакового распределения текущих затрат по годам.
Разумеется, что в каждом конкретном случае проект ликвидации вертикального ствола должен базироваться на объективных и полных исходных горно-геологических условиях, горнотехнических, техникотехнологических и других данных с обязательным и достоверным прогнозом изменения, прежде всего гидрогеологической ситуации в постликвидационный период. Принятая в проекте технологическая схема ликвидации ствола должна обеспечиваться оптимальными параметрами элементов геомеханической системы с учетом их взаимосвязей и взаимовлияния
134
(главным образом качеством и свойствами закладочного материала, устойчивостью крепи, опорных сооружений и устья ствола). Поэтому для принятия инженерных решений следует использовать материалы, изложенные в предыдущих разделах книги.
Однако при выборе и конструировании технологических схем ликвидации вертикальных стволов могут быть полезны и некоторые наиболее общие методические подходы и рекомендации, полученные на основе анализа и обобщения теоретических исследований и практического опыта.
С этих позиций ликвидируемый вертикальный ствол целесообразно разделить на три блока, имеющие определенные функциональные, геомеханические особенности и самостоятельность: устье ствола, линейный (протяженный) участок и сопряжение с выработками околоствольного двора и каждый из этих блоков рассматривать в диапазоне возможных изменений всех основных влияющих факторов, что позволит создать для соответствующих условий модули со своими параметрами и характеристиками.
1-й блок – устье ствола (рис. 4.35)
Исходное условие (критериальное требование) – стабильность при любом раскладе сил.
Для этого необходимо исследовать и предложить (разработать) решения при:
-различных породах наносов (с различными физикомеханическими свойствами и характеристиками, одного вида и перемежающихся, разной мощности);
-наносах обводненных и без обводнения;
-наличии агрессивных и не агрессивных, напорных и не напорных вод;
-размещении опорного перекрытия ствола на разных глубинах, в коренных породах и в наносах и др.
Визменяющихся условиях необходим расчет параметров конструкций 1 и 2, способности крепи (по толщине и материалу) воспринимать заданную конкретными условиями нагрузку во времени.
Конструкция 2 рассчитывается на прочность и жесткость, а 1 – на прочность, жесткость и устойчивость.
Вслучае подвижек наносов (разрушение крепи и уплотнение закладки при большой усадке последней и т.п.) учитывается дополнительное давление на конструкцию 1.
Для сохранение устья ствола возможна альтернатива: либо заполнить его твердеющей закладкой (сыпучая не обеспечивает должного отпора и возможна большая ее усадка), либо принять одно из возможных инженерных решений по его упрочнению с внешней стороны (сооружение системы «стенка-грунт», укрепление пород наносов инъектированием, возведение
135
Рисунок 4.35. Устье ствола: 1 – перекрытие ствола на уровне коренных пород; 2 – перекрытие устья ствола; 3 – крепь ствола; 4 – закладочный материал; 5 – силы давления наносов на крепь ствола; 6 – силы бокового отпора закладки; 7 – силы от веса закладочного столба; 8 – силы трения закладки о крепь ствола; 9 – силы реакции; 10 – силы от веса плиты.
бетонных сооружений вокруг устья ствола). Принятие конкретного варианта зависит от мощности и состава наносов, обводненности, наличия напорных вод, их химического состава, степени изношенности и старения крепи.
2-й блок – протяженный участок ствола (рис 4.36)
На протяженных участках ствола необходимо исследовать и предложить решение при: различных сочетаниях пород по крепости, по мощности, по глубине; обводненных и не обводненных породах; закладке сухой, обводненной, сыпучей, твердеющей, без закладки; давлении боковых пород на крепь ствола от практически нулевого (крепкие необводненные породы) до гидростического (да плюс еще возможная добавка от напорных вод); различных расстояниях между пробками (высоте засыпки); различных материалах закладки, ее характеристиках, включая гранулометрический состав;
136
а) Участок с перемежающейся крепостью боковых пород, с полной засыпкой при практическом отсутствии усадки закладки, с боковым отпором по всей глубине.
б) То же, но крепость пород уменьшается с глубиной. Породы под ствольной пробкой крепкие.
в) Участок с усадкой закладки и крепкими породами ниже ствольной пробки.
г) Участок с крепкими боковыми породами и без закладки.
д) Участок со слабыми породами под ствольной пробкой.
Рисунок 4.36. Линейный участок ствола: 1 – перекрытие ствола; 2 – ствольные «пробки»; 3 – сыпучая закладка; 4 – твердеющая закладка.
137
наличии оснастки и без оной; различных величинах отпора закладки в зависимости от высоты столба, материала закладки, обводненности и др.
Практическими предпосылками для решения этих задач являются: 1. Поиски потенциально возможной альтернативы: закладка – крепь –
опоры. Если возможно иметь (или достичь путем усиления) прочную крепь ствола, то возможна не слишком плотная закладка, можно допустить ее усадку. В противном случае опорные сооружения должны быть устойчивыми, закладка достаточно плотной, а ее усадка минимальной.
2. Ствольные «пробки» следует располагать на таком расстоянии одна от другой, чтобы давление на них не превышало допустимого. Саму же пробку следует размещать в крепких породах (5) (рис. 4.37), имеющих большие σсж и σсдв. Ниже пробки должны быть также крепкие породы (6) и мощность их не менее величины усадки закладочного материала на этом участке ствола.
Если мощность этого слоя меньше указанной величины, то следует осуществлять уплотнение закладки в период ее засыпки в ствол. Если боковые породы слабые на всем участке ниже пробки или усадка закладки все же остается большой, то следует использовать твердеющую закладку на всем участке опускания закладочного материала.
Слой (7) выше пробки может быть более слабым, но его давление на крепь ствола не должно превышать бокового отпора закладки. В случае же превышения и разрушения крепи надо учитывать дополнительное давление на нижнюю пробку.
Но разрушение крепи произойдет только на участке слабого слоя пород, (ствол заполнен закладкой), а не на всем участке между пробками, да и
то при разрушении пород этот участок ствола просто заполнится их разрыхленной фракцией. Давление на пробку временно возрастает, но затем снижается за счет увеличения бокового отпора и сил трения пород заклад-
138
ки о крепь. При этом боковые породы несколько подвинут крепь внутрь ствола, закладка уплотнится. Участок разрушения крепи не так велик и стабильность закладочного массива не нарушится.
В общем случае для снижения давления обводненной закладки на опоры ствола его следует секционировать уплотняющими водонепроницаемыми слоями, например, из глины. Если, к примеру, коэффициент фильтрации уплотненный глины Кф = 0,03·10-8 см/с (что вполне реально), то глиняная пробка высотой 5…6 м обеспечит водоупор на многие столетия, а ниже нее давление будет соответствовать давлению сухой прочной закладки либо нарастать до следующего водоупора как при обводненной закладке. Глиняный слой осуществляет, кроме того, и своеобразное инъектирование сыпучей закладки.
Следует заметить, что уплотняющий слой может выполнять и роль ствольной пробки. Но для этого он должен иметь соответствующую высоту (y), которая может быть определена из соотношения
РВ·R/2= у · РВ·ω. |
(4.38) |
oткуда |
|
у = R/2ω. |
(4.39) |
Устойчивость ствольных опор можно повысить путем их скрепления с окружающими породами цементацией, анкерованием и т.п.
Одним из важных при выборе технологической схемы ликвидации вертикального ствола является вопрос о том, засыпать ли весь ствол или только его часть, какой вид закладки при этом наиболее целесообразен. И это не только технико-технологическая, но и экономическая проблема.
В принципе возможны следующие варианты:
1) ствол остается «пустым», а его устье перекрывается железобетонной плитой;
2)ствол засыпается частично (верхняя часть), сыпучая закладка имеет опору (полок перекрытия ствола), устье перекрывается плитой;
3)ствол засыпается на всю глубину сыпучим материалом с герметизацией сопряжений с горными выработками;
4)ствол только частично (верхняя часть) заполняется твердеющей закладкой, устье ствола перекрывается плитой;
5)ствол заполняется твердеющей закладкой на всю глубину. Единого мнения на этот счет нет.
Немецкие исследователи, являясь сторонниками только твердеющей
закладки, допускают заполнение ствола как по всей глубине, так и только его верхней части. Все зависит от свойств вмещающих пород и надежно-
139
сти крепи. Если вмещающие породы крепкие и не предвидится изменения их физико-механических свойств, а крепь устойчива к коррозии, закладывается только верхняя часть ствола. Если экспертная оценка горногеологических, гидрогеологических и горнотехнических условий не дает гарантии устойчивости крепи и пород, ствол заполняется закладочным материалом на всю высоту.
В Англии на основании исследований и практики приняты более либеральные регламентации – материал закладки может быть и сыпучий, и твердеющий. Однако сыпучий материал инектируется растворами вяжущих веществ, а в устье используется только твердеющая закладка. Аналогично немецким подходам принимаемая схема ликвидации ствола базируется на результатах экспертной оценки конкретных условий.
В Украине в соответствии с методикой, изложенный в приложении В «Правил…», определяется категория устойчивости ствола по глубине на основе расчетных величин нагрузки на крепь.
Там, где максимальное горизонтальное давление не превышает 250 кН/м2 (критерий устойчивости ствола C<3), в качестве закладки возможно применение сыпучих материалов, которые создают достаточный отпор, предотвращая разрушение крепи под действием горного давления окружающих пород. При этом отдельные участки при отсутствии обводнения ствола можно не засыпать, но обязательно следует сооружать ствольные опоры. Величина этих участков должна быть такой, чтобы в случае разрушения крепи и обрушения в ствол пород, их объема было достаточно для подбучивания вышерасположенных опор.
При достаточно надежной диагностике устойчивости крепи подобное можно допускать и на участках средней устойчивости (С=3…6), где горизонтальное давление не превышает 350 кН/м2. На участках же третьей и четвертой категории устойчивости ствола (С=6…10 и С>10), которые приурочены, как правило, к верхней его части, горизонтальное давление достигает 700 кН/м2. Здесь при сыпучей закладке необходимо более частое секционирование ствола с устройством опор, либо применение твердеющей закладки. Последнее предпочтительней.
3-й блок – сопряжение с выработками околоствольного двора
(рис. 4.38)
На сопряжениях ствола с выработками околоствольного двора более или менее достоверно структурировать силовую систему, а тем более ее реализовать, практически невозможно. Поэтому этот блок опораоснование и окружающие ее породы следует рассматривать как одно целое, стабильное, незыблемое. Следовательно, по своим характеристикам материал опоры должен быть близок к характеристикам пород.
140
Параметры опор необходимо определять расчетом исходя из нагрузок на них, но величины l1 и l2 корректируются с учетом пересекаемых выработками пород, а вертикальная часть опоры-основания должна «пересечь» слабые слои пород и заканчиваться в крепких породах. Если это по каким то причинам невозможно, то над опорой следует располагать твердеющую закладку или устраивать водоупорную перемычку, имеющую анкерную связь с массивом пород. Расчет опорной конструкции ведется на прочность, жесткость и устойчивость. Прочностные характеристики опор должны соответствовать условиям максимально возможных проявлений динамических нагрузок.
Рисунок 4.38. Сопряжение ствола с горизонтальными выработками: 1 – опорное сооружение на сопряжении ствола с выработками ОД
Аналогичные решения принимаются и относительно опор на промежуточных горизонтах (рис. 4.39).
141