Перспективы применения сталебетонной крепи для вертикальных стволов в сложных горно- геологических условиях соляных месторождений

Одной из характерных особенностей современного подземного строительства является увеличение глубины месторождений, и, как следствие, усложнение горно-геологических условий, что, в свою очередь, сопряжено с увеличением глубины вскрытия неустойчивых обводненных пород, отработки залежей в районах распространения вечной мерзлоты, в зонах геологических нарушений. Поэтому особое значение приобретает вопрос надежности и долговечности крепи вертикальных стволов.

Наиболее распространенная крепь из монолитного бетона и железобетона в сложных гидрогеологических условиях, характерных для месторождений каменной соли, не обеспечивает ни достаточной несущей способности, ни необходимой водонепроницаемости.

Ведущая немецкая шахтостроительная фирма Thyssen Schachtbau GmbH , занимающаяся вопросами проектирования крепи, предлагает для крепления стволов, проходимых способом замораживания, комбинированную сталебетонную крепь.

В данной статье я хочу привести результаты аналитического обзора применения сталебетонной крепи в зарубежной практике и рассмотреть возможность применения сталебетонной крепи для наших условий.

Стальная крепь впервые была применена в 1892 г. при бурении стволов по способу Хонигмана. В дальнейшем такая крепь применялась в Европе при бурении стволов небольшой глубины. В СССР стальная крепь применялась с 1938 г. при бурении вентиляционных и вспомогательных стволов.

Голландские и немецкие шахтостроители применяют сталебетонную крепь не только в стволах, проходимых способом бурения, но и при проходке стволов с применением искусственного замораживания. Такого рода крепь была применена при проходке стволов шахты «Беатрикс», на стволе «Рейнберг», один из последних примеров - пройденный в 2003-2004 гг. ствол Konradsberg предприятия по добыче каменной соли Heilbron. Стале- бетонная крепь также была использована для восстановления крепи ствола №2 шахты по добыче каменной соли Pugwash компании Canadian Satt Company Limiied (CSCL) расположенной в восточноканадской провинции Nova Scotia.

Рассмотрим подробнее технологию возведения сталебетонной крепи. В общем случае подобная крепь представляет собой сложную конструкцию, состоящую из внешнего слоя – чаще всего бетонные блоки с уплотняющими прокладками из мягкой древесины, слоя асфальта толщиной 1530 см, уплотнительного слоя стали, и основной несущей конструкции, например, из сталебетонных колец либо стальной обечайки и монолитного бетона.

Ствол проходится на временной крепи из железобетонных блоков или монолитного бетона толщиной 400-500 мм на проектную глубину. Затем снизу вверх возводится постоянная крепь. Толщина стенок внутреннего и внешнего стальных цилиндров изменяется от 10 до 35 мм, что вызвано увеличением нагрузок на крепь с глубиной (рис.1).

Рис. 1. Схема скользящей крепи ствола Рейнберг.

Для увеличения сцепления между бетоном и внутренним стальным цилиндром к внешней его поверхности привариваются специальные якоря в виде изогнутых в дугу стальных полос с приваренными на концах план- ками. Связь между наружным стальным цилиндром и бетоном обеспечивается за счет сил трения. Следует отметить наиболее важное допущение в расчетах сталебетонной крепи: давление со стороны пород заменено давлением внесенного в кольцевой зазор между временной и постоянной крепью слоя битума. Таким образом, сталебетонная конструкция использует два способа обеспечения надежной связи между элементами конструкции: связь с помощью дополнительных якорей и трение. Усилие, которое возникает на контакте между внутренним стальным цилиндром и бетоном, воспринимается якорями, а усилия, которые могут появиться между наружным цилиндром и бетоном, воспринимаются за счет трения.

Также следует отметить, что водонепроницаемость сталебетонной крепи обеспечивается высококачественной сваркой отдельных сегментов крепи между собой. При этом свариваются элементы как внутреннего, так и внешнего цилиндра. В случае нарушения внешней оболочки для повышения сопротивления внутреннего цилиндра крепи давлению воды служат якоря. Кроме того, в каждом кольце внутреннего цилиндра существует вмонтированный патрубок с пробкой ( по одному на сегмент), открывая который можно выпустить воду и этим снять гидростатическое давление на внутренний цилиндр.

Монтаж крепи состоит из двух самостоятельных видов работ, проводимых параллельно: сборки на поверхности элементов крепи из сегментов, поступающих с завода, в кольца высотой 3 м, и монтажа в стволе опускаемых с поверхности колец крепи в единую цельную колонну.

На поверхности сборка элементов крепи в кольца производится в надшахтном здании, специально оборудованном для производства этих работ, куда сегменты внутренней и внешней колонн крепи доставляются попарно на специальных платформах, вкатываемых внутрь здания. Сегменты крепи разгружаются с помощью специального крана, передвигающегося вдоль портальной рамы, и устанавливаются на платформу, состоящую из трех раздвижных секторов. Раздвижная платформа вместе с неподвижной, расположенной ниже первой платформой, перекрывают кольцевой зазор между крепью форшахты и специальным шлюзом, внутри которого находятся бадьевой подъем и канаты подвесного полка. Шлюз отделяет на поверхности ту часть ствола, над которой производятся работы по монтажу сегментов крепи в кольца, и от центральной части ствола, через которую происходи сообщение с рабочим полком.

После установки сегментов крепи на раздвижные секторы платформы все три части ее сдвигаются и перекрывают ствол. Сначала соединяют в кольца сегменты внутренней, а затем наружной колонны крепи и сваривают их между собой. Сварка производится с помощью сварочных аппаратов, подвешиваемых к портальной раме. Сварные швы в каждом случае проверяются изотопным детектором. На этом работы по монтажу элементов крепи на поверхности заканчиваются.

Все работы в стволе производятся с шестиэтажного подвесного полка. Во время работы полок с помощью выдвижных кулаков устанавливается на специальные консоли, привариваемые к крепи.

Наиболее ответственной работой в стволе, от которой зависит прочность и герметичность крепи, является сварка колец крепи. Для обеспечения высокого качества сварочных работ каждый горизонтальный шов сначала сваривается вручную со строгими соблюдениями непрерывности сварного шва и только после этого окончательно сваривается автоматическим сварочным аппаратом. На каждый горизонтальный стык накладывается 16 швов. Все горизонтальные швы контролируются ультразвуковым методом.

В устойчивых породах, ниже зоны обводнения пород, закладывается железобетонный башмак, рассчитываемый следующим образом:

На нижнюю (опорную) часть крепи действует вес крепи n, изгибающий момент m, возникающий вследствие деформации крепи под действием горизонтальных нагрузок, и сила q, смещающая основание крепи в горизонтальной плоскости. В связи с тем, что величина изгибающего момента, действующего на основание крепи, зависит от жесткости закрепления основания, принимаются меры для снижения вероятности возникновения этой нагрузки – внизу к крепи приваривают кольцевую плиту толщиной 40мм. Между этой плитой и опорным фундаметом прокладывают по кольцу стальной лист толщиной 1 мм и свинцовую плиту, находящуюся в непосредственном контакте с крепью. Свинцовая плита служит для уменьшения изгибающего момента, так как вследствие небольшого предела текучести свинца, соединение нижнего конца крепи с опорным фундаментом становится менее жестким. Поверхность соприкосновения свинцовой плиты и стального основания крепи для снижения трения смазывается смесью графита с маслом, что дает уменьшение коэффициента трения до 0,1.

Для предотвращения вытекания битума в нижней части крепи кольцевой зазор на высоту 1,8 м заполняют бетоном, над которым устанавливается уплотняющая манжета высотой 3м из пластического материала, укладываемого в сухом состоянии с хорошей трамбовкой, назначение которой- предотвращать вытекание битума в зазор, который может образоваться между постоянной крепью и бетоном в связи с возможной деформацией крепи под давлением битума. Величина зазора может быть до 2,5 мм (рис. 2).

Рис. 2.

При расчете крепи использовалась модель Амштутца (1969 г.) и Линка (1986 г.) (рис. 3). При этом существующая бетонная крепь должна воспринимать давление со стороны пород, а стальная оболочка - гидростатическое. С учетом рисков обусловленных расчетной схемой несущая способность сталебетонной оболочки дополнительно повышалась в 1,5 раза. В конечном варианте толщина стальной оболочки изменялась от 16 мм в устье, до 38 мм на глубине 80 м.

Рис. 3.Схема нагрузок на крепь ствола по Линку.

Возведение сталебетонной крепи требует меньшего количества оборудования, что существенно разгружает сечение ствола и позволяет выполнять работы более гибко (например, при восстановлении крепи без полной остановки эксплуатации), повысить долю механизации. Однако реальное выполнение проходки со сталебетонной крепью требует огромных складских площадок для размещения готовых внутренних и наружных обечаек, что не всегда приемлемо. При проходке стволов необходимо ис- пользовать постоянные копры, вентиляторные, калориферные, постоянные подъемные машины, проходческие лебедки грузоподъемностью 25, 45 и более тонн, а также 6-8 этажные проходческие полки. Замораживание пород при проходке со сталебетонной крепью придется вести через удаленные замораживающие колонки, расположенные по диаметру 18-24 метра, сроки активного замораживания возрастут от 240 до 360 суток, а проходка ствола должна будет вестись без последующего оттаивания ледопородного цилиндра. Кроме того закрепление пластически деформирующихся соляных массивов сталебетонной крепью практически невозможно из-за коррозии стали, поэтому вызывает сомнение устойчивость незакрепленных дозаторных камер и сопряжений, перекачных камер, а также способ герметизации зумпфовых камер.

Из проанализированных источников не ясно, как планируется проводить вальцовку обечаек толщиной более 50 мм, а также коробление обечаек при наварке анкеров.

Применение сталебетонной крепи для строительства стволов на соляных рудниках России будет иметь следующие экономические и технические особенности:

• -    потребуется применение специального копра , завода по изготовлению сегментов обечайки, расширенной строительной площадки для сборки и хранения обечаек;

• -    потребуется специальный шестиэтажный полок;

• -    производство электросварочных работ в стволе потребует повышенной безопасности и квалификации персонала;

• -    общая скорость проходки ствола в пределах 15-20 м/месс. Что значительно ниже установленных СНиПом;

• -    установка опорного башмака, который должен выдержать вес всей колонны крепи в соляной зоне достаточно рискованна, так как соль может деформироваться под действием таких нагрузок.

В целом проведенный анализ свидетельствует о том, что, несмотря на большой комплекс исследований в области применения сталебетонной крепи, известные конструктивные, технологические разработки нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

На наш взгляд перспективы повышения эффективности крепления глубоких стволов в целом, прежде всего, связаны с использованием высокоэффективных материалов крепи, современных средств упрочения крепи и массива, а также с переходом к инновационным технологиям крепления, основанным на комплексном учете влияющих факторов и условий. Сама технология работ должна рассматриваться с позиций обеспечения оптимального режима последующей эксплуатации крепи, а, в свою очередь, обоснование параметров крепи невозможно в отрыве от технологической реализации принятых решений.

Betrieb seigerer Grubenräume. – TU Clausthal. – S. 478.