Pезультаты обследования вертикальных стволов шахты

Известия Тульского государственного университета
Естественные науки. 2010. Вып. 2. С. 314–321
Науки о земле
УДК 622.258: 622.012
Pезультаты обследования вертикальных
стволов шахты «Обуховская №1»
и рекомендации по проектированию
их реконструкции
М.В. Прокопова, В.Л. Склепчук, К.Э. Ткачева
Аннотация. Представлены результаты обследования состояния
крепи главного, вспомогательного и вентиляционного вертикальных
стволов шахты «Обуховская №1». Проанализированы основные виды
нарушений крепи стволов и даны рекомендации по проектированию
их реконструкции.
Ключевые слова: вертикальный ствол, крепь, водоприток, реконструкция.
Строительство вертикальных стволов шахты «Обуховская №1» велось в
1996-97 гг. силами ОАО «Ростовшахтострой». Блок №1, подлежащий отработке в первую очередь, вскрывался тремя вертикальными стволами, проходимыми с одной промплощадки, расположенной в центре участка.
Главный ствол был пройден спецспособом и закреплен монолитным сульфатостойким бетоном класса В25 толщиной 300 мм в течение полутора лет.
Для спуска и подъема людей, материалов и оборудования, подачи свежей
струи воздуха был пройден вспомогательный ствол, также закрепленный
монолитным бетоном класса В25 толщиной 300 мм. Оборудован ствол клетями 1КНА-5,2 с двумя подъемными машинами 1-6,3×4,2/0,63. Ствол был
пройден за год и один месяц.
Основной вентиляционной артерией является вентиляционный ствол с
вентиляторной установкой ВЦ-31,5м. Ствол был пройден за год и закреплен
монолитным сульфатостойким бетоном класса В25 толщиной 300 мм из-за
агрессивности подземных вод.
При сооружении стволов шахты «Обуховская №1» ввиду обводненности
горных пород был принят специальный метод работ — предварительный
тампонаж обводненных горных пород с поверхности. Водоотлив из забоя при
проходке осуществлялся проходческими бадьями.
Во время сооружения вспомогательного ствола шахтостроителями ОАО
«Ростовшахтострой» были установлены всероссийские рекорды темпов про-
Pезультаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1»
315
ходки: в апреле 1996 года — 162,7 м ствола, затем в июле — 211,7 м и в
сентябре — 233,7 м [1, 2]. Был побит рекорд, продержавший 26 лет, установленный в январе 1970 года коллективом Новокузнецкого шахтостроительного управления комбината «Кузбассшахтострой» (143,4 м/мес.) [2].
Характеристика стволов шахты «Обуховская №1» приведена в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика вертикальных стволов шахты «Обуховская №1»
Показатели
Абсолютная отметка
устья ствола; м
Глубина ствола, м
Глубина зумпфа, м
Диаметр ствола в свету, м
Площадь сечения ствола
в свету, м2
Крепь ствола
Толщина крепи ствола,
мм
Длина устья ствола, м
Главный
Вспомогательный
Вентиляционный
№1
+254,0
+254,0
+254,0
905
—
7
922
16
7
919
12
6
38,5
38,5
28,3
монолитный
бетон
монолитный
бетон
монолитный
бетон
300
300
300
40
40
53,0
В силу ряда объективных причин, вызванных сложившимся в 1998 г.
финансово-экономическим положением в стране, шахта «Обуховская №1» не
была сдана в эксплуатацию в проектные сроки. Дальнейшее сооружение и
оборудование стволов (армирование, монтаж постоянных копров и подъемных машин, навеска скипов и клетей и т.д.) было заморожено. В течение
1998 — 2010 гг. была пройдена часть выработок околоствольного двора и
построены отдельные объекты шахтной поверхности. В стволах продолжал
действовать только бадьевый подъем и водоотлив. В 2010 г. сотрудниками
Шахтинского института (филиала) ЮРГТУ(НПИ) и ОАО «Ростовшахтострой» было выполнено обследование состояния крепи стволов шахты «Обуховская №1».
В результате обследования установлено следующее:
— во всех стволах наблюдаются остаточные водопритоки, проявляющиеся
как в виде непрерывных струй подземных вод по стенкам крепи практически
по всему его периметру, так и в виде капежа в сечении ствола. Интенсивность
капежа существенно возрастает с глубиной и в направлении от центра ствола
к его стенкам. В отдельных местах стыков бетонной крепи наблюдаются
интенсивные потоки агрессивных вод, имеющих характерную бурую окраску
вследствие коррозии (рис. 1, а).
316
М.В. Прокопова, В.Л. Склепчук, К.Э. Ткачева
Около 80 % вывалов крепи наблюдается в местах стыков (рис. 1, б). На
этих же участках наиболее интенсивны водопритоки в ствол.
Рис. 1. Нарушения крепи вспомогательного вертикального ствола шахты
«Обуховская №1»: а — прорыв агрессивных подземных вод; б — вывалы
бетона на стыках крепи
Более 60 % стыков в исследуемых стволах имеют наплывы бетона, некачественное оштукатуривание и гидроизоляцию. Это связано с высокими темпами проходки ствола и недостаточным вниманием к качественной заделке
стыков.
Нарушения крепи стволов проявляются, в виде отдельных трещин, систем пересекающихся трещин, отслоений, заколов, вывалов крепи, обрушений участков крепи до вмещающих пород, изменения формы поперечного
сечения ствола и т.п. В связи с этим производится определение 5 категорий
технического состояния ствола [3]:
I — в крепи отсутствуют нарушения, которые вызваны геомеханическими воздействиями, имеются волосяные трещины в бетоне, на поверхности
крепи, следы коррозии бетона на глубину не более 15-20 мм, отсутствуют
дефекты и нарушения, свидетельствующие о снижении несущей способности
и эксплуатационной пригодности крепи и армировки (недеформирующийся
массив);
II — на поверхности крепи имеются прокоррозировавшие слои, вздутия и
высыпания бетона, поверхность бетона прокоррозирована более чем на 20-50
мм, имеются отверстия в крепи технологического характера, коррозийный
износ расстрелов и проводников, не превышающий предельной величины
особенно в верхней части ствола, некачественные заделки отдельных концов расстрелов. Существующие повреждения свидетельствуют о частичном
снижении несущей способности и эксплуатационной пригодности крепи и
армировки, но на момент обследования не угрожают безопасной работе в
стволе (недеформирующийся массив);
III — имеются в крепи повреждения, связанные с геомеханическим воздействием массива, трещины с раскрытием до 1-2 см, имеющие диагональ-
Pезультаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1»
317
ное, вертикальное и горизонтальное распространение на 3-4 м, одну заходку
и более. В бетонной крепи имеются трещины со смещением, заколы на одном
локальном участке, одиночные вывалы крепи площадью 1-5 м2 по всей толщине крепи без выпуска породы. Расстрелы и проводники деформированы.
Зазоры между крепью, армировкой и подъемными сосудами не выходят за
пределы ПБ. Существует опасность пребывания людей ниже нарушений,
требуются мероприятия по обеспечению безопасного ведения работ по ремонту и дальнейшей эксплуатации стволов. Необходим значительный объем
закладки сопряжений горизонтов (деформирующийся массив);
IV — имеют место вывалы крепи, система пересекающихся трещин различной ориентации на значительной площади поверхности крепи, превышающей 20-30 м2 . Происходят обрушения вмещающих пород, деформация
расстрелов и крепи, связанная с нарушением допустимых зазоров между
расстрелами и крепью, с одной стороны, подъемными сосудами и противовесами — с другой. Имеется повышенный (выше допустимого) износ расстрелов и проводников на большом протяжении. Деформации массива, крепи и
армировки происходят активно: имеют место значительные притоки воды в
ствол с погашенных горизонтов (деформирующийся массив);
V — искривление ствола, препятствующее нормальной работе подъемов
(деформирующийся массив).
По результатам визуального осмотра и инструментального контроля состояния крепи и армировки принимаются меры по ликвидации выявленных
нарушений. В зависимости от того, к какой категории относится техническое
состояние ствола, разрабатываются конструктивно-технологические решения по ремонту или реконструкции крепи и армировки.
Анализ результатов замеров по величине вывалов в стволах шахты «Обуховская №1» позволил сгруппировать их в вариационный ряд и построить гистограмму (рис. 2), характеризующую распределение вывалов крепи
по площади. Как следует из рис. 2, наибольшее количество вывалов имеет
небольшую площадь (до 0,5 м2 ) и существенно не сказывается на снижении
несущей способности крепи.
Размеры имеющихся вывалов и трещин в монолитной бетонной крепи
позволяют отнести стволы шахты «Обуховская №1» в соответствии с классификацией [3] ко II категории технического состояния, поэтому до начала
их армирования и ввода в постоянную эксплуатацию скипового и клетевых
подъемов необходимо спроектировать и реализовать мероприятия по реконструкции стволов.
При проектировании реконструкции вертикальных стволов необходимо
учитывать ряд особенностей, связанных с ведением горно-строительных работ по ремонту, восстановлению, усилению, частичной или полной замене
крепи и армировки:
— напряженно-деформированное состояние (НДС) нарушенного массива,
вмещающего реконструируемый ствол, существенно отличается от НДС массива, возникающего при новом строительстве, поэтому при проектировании
318
М.В. Прокопова, В.Л. Склепчук, К.Э. Ткачева
Рис. 2. Распределение вывалов бетонной крепи по площади
реконструкции ствола следует рассчитывать крепь и армировку на воздействие нагрузок со стороны уже нарушенного массива;
— в зависимости от свойств боковых пород и типа крепи ствола, НДС
массива и крепи может существенно изменяться с течением времени, поэтому
при проектировании крепи реконструируемого ствола следует учитывать
реологические свойства пород и период предыдущей эксплуатации ствола, а
также проектируемый период эксплуатации ствола после реконструкции;
— при проектировании реконструкции воздухоподающих стволов (на
шахте «Обуховская №1» его роль играет вспомогательный ствол) необходимо учитывать фактический температурный режим их эксплуатации [4,
5], в частности, при перекреплении или ремонте крепи стволов, в которых
наблюдалось обледенение устьев, следует предусматривать применение морозостойких бетонов и податливых узлов крепления элементов армировки;
— проектируемые методы реконструкции должны приниматься в зависимости от условий дальнейшей эксплуатации ствола с учетом оценки влияния
очистных работ, агрессивных вод, сложных горно-геологических условий
и т.д. Например, если известно, что ствол в будущем будет подвергаться
повторному воздействию очистных выработок, недопустимо устройство так
называемых «латок», т.е. заполнения бетоном отдельных участков с оборкой
разрушенной крепи. «Латки» являются более слабым участком, чем окружающая крепь, так как по их контуру сцепление с неповрежденной крепью
и сопротивление на отрыв значительно меньше, чем у материала крепи. Как
показывает опыт поддержания вертикальных стволов в Донбассе [6], при
влиянии очистных выработок, деформации крепи, как правило, возникают
в ранее отремонтированных местах;
Pезультаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1»
319
— поскольку нарушения крепи наиболее часто возникают в местах пересечения ствола слабыми слоями пород и у сопряжения с другими выработками, деформационные швы следует располагать в пластах угля, глинистых
сланцах и зонах, ослабленных геологическими нарушениями, а также непосредственно над сопряжениями с околоствольными дворами и под ними;
— при проектировании технологии и организации ведения работ по ремонту или замене крепи следует учитывать такие особенности, как: индивидуально-типовой характер производства работ, большую долю маломеханизированных процессов в общей трудоемкости работ, стесненные условия
работ при отсутствии стационарного места, необходимость проведения ремонта в кратчайшие сроки вследствие снижения интенсивности эксплуатации подъемных комплексов, переменную интенсивность выполнения работ
на отдельных видах оборудования, рассредоточенность объемов ремонтных
работ по глубине ствола и др.
Так как во всех трех стволах предстоит монтаж жесткой армировки,
а крепь уже имеет вывалы и трещины, образовавшиеся в течение 14 лет
«простоя», то дальнейшее ослабление крепи лунками под расстрелы необоснованно и опасно. В соответствии с этим рекомендуется использовать хорошо
апробированный на шахтах Донбасса способ крепления расстрелов анкерами. При этом в местах вывалов, трещинообразования и в случаях попадания
яруса на стыки между заходками крепи целесообразно использовать анкерыинъекторы, конструкция и технология установки которых подробно описана
в [7]. Они позволяют упрочнять крепь и породный массив путем инъецирования цементного раствора. Новизной способа является использование в
качестве анкера винтовой арматуры, которая одновременно является буровой штангой. Такой тип анкера может применяться не только в скальных,
но и в неустойчивых породах.
Учет перечисленных особенностей позволит в полной мере оценить состояние массива пород, характер распределения напряжений вокруг ствола,
проанализировать особенности эксплуатации ствола после реконструкции и
принять обоснованные решения по технологии и организации реконструкции
крепи стволов.
Список литературы
1. Сыркин П.С., Нечаенко В.И., Шинкарь И.Г. Рекордная проходка вспомогательного ствола шахты «Обуховская №1» темпами 162,7 м в месяц // Уголь. 1996.
№12. С.38–40.
2. Официальный сайт ЗАО «ОШК Союзспецстрой» — http://www.souzspecstroy.ru
3. РД 03-422-01 «Методические указания по проведению экспертных обследований
шахтных подъемных установок». Утв. постановлением Госгортехнадзора России от 26.01.2001 № 23. М.: Промышленная безопасность, 2001.
4. Борщевский С.В., Прокопов А.Ю., Кулинич К.В. Дослiдження теплового режиму повiтряподаючих стволiв шахт Донбассу // Проблемы горного дела и
320
М.В. Прокопова, В.Л. Склепчук, К.Э. Ткачева
экологии горного производства: матер. IV междунар. науч.-практ. конф. / Донецк: Вебер, 2009. С.97–105.
5. Прокопов А.Ю. Причины и последствия возникновения экстремальных температурных воздействий на крепь и жесткую армировку воздухоподающих стволов в Донбассе // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2007. №3. С.89–92.
6. Манец И.Г., Грядущий Б.А., Левит В.В. Техническое обслуживание и ремонт
шахтных стволов. Донецк: Юго-Восток, Лтд, 2008. 586 с.
7. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Богомазов А.А. Комбинированное использование анкерных конструкций для крепления элементов армировки и упрочнения бетонной крепи ствола // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2006.
Спец. выпуск. Совершенствование техники и технологии угледобычи. С.63–66.
Прокопова Марина Валентиновна (sun210872@yandex.ru), к.т.н., доцент,
кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского
государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Склепчук Вячеслав Леонидович, горный инженер, зам. главного инженера ОАО «Ростовшахтострой», ассистент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский
институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Ткачева Карина Эдуардовна, ассистент, кафедра подземного, промышленного, гражданского строительства и строительных материалов, Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического
университета (Новочеркасского политехнического института).
Inspectional results of vertical shafts at mine «Obuhovskaya
№1» and recommendations in order to make design for
reconstruction
M.V. Prokopova, V.L. Sklepchuk, K.E. Tkacheva
Abstract. Inspectional results of main, auxiliary and ventilation vertical shafts
support at mine «Obuhovskaya №1» were represented. Analyses of basis breach
of shafts support was given. Recommendations in order to make design for
reconstruction were given.
Keywords: vertical shafts, support, influx of water, reconstruction.
Prokopova Marina (sun210872@yandex.ru), candidate of technical sciences,
associate professor, department of underground, industrial, civil construction and
Pезультаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1»
321
building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian State Technical
University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Slepchuk Vjacheslav, mining engineer, vice main engineer, Open Joint-Stock
Company «Rostovshakhtostroy», assistant, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute (branch) of
South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Tkacheva Karina, assistant, department of underground, industrial, civil construction and building materials, Shakhty Institute (branch) of South-Russian
State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Поступила 23.05.2010