1 Общие представления о реструктуризации угольной промышленности Каждая шахта проектируется на определенный, конкретный срок ее службы

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Установить срок их действия до 1997 года, 832.25kb.
• Забастовки в угольной промышленности, 4834.25kb.
• Постановления Правительства Российской Федерации) в угольной промышленности завершаются, 111.6kb.
• Утверждено Постановлением Госгортехнадзора России от 04. 04. 2000 n 14 Срок введения, 2461.4kb.
• Ми и осуществляющее всю подготовительную работу для заключения брокером договоров, 1347.64kb.
• Перечень групп управленческих должностей, на которые формируется муниципальный резерв, 56.45kb.
• Розділ 3 Економіка підприємства та організація виробництва, 292.16kb.
• Квалификационные требования к группам управленческих должностей, на которые формируется, 171.1kb.
• Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №3(15), 153.72kb.
• Утверждено Постановлением Госгортехнадзора России n 16 от 24 марта 1998 г. Срок введения, 979.62kb.

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 со-• пряжениях стволов с горизонтальными выработками, упорные перемычки в примыкающих к стволу горизонтальных выработках, опорные пробки в стволе.

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.

Опорные «пробки» (ствольные опоры) секционируют ствол, снижя. ют давление столба закладки на опору-основание, а также обеспечивают равномерную усадку закладки по высоте ствола, что благоприятно сказы­вается 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 площадки всего ствола или возводиться и на промежуточных сопряжениях.

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 / из неразмокаемых крупнофракционных материалов.

В варианте «б» используется также насыпной материал того же качества, но с целью уменьшен. длины насыпи и предотвращения утечек закладки предлагается ус­тановка в горизонтальных выра­ботках упорных перемычек на рас­стоянии 5-Ю 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 заклю чить 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 нецелесо­образна 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) породы 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.




Горизонтальная сила давления на насыпь определяется из выражения



Силы давления в элементарном сечении горизонтальной выработки можно определить по формуле



а силы трения в этом же сечении



Следует учитывать и силы реакции от веса закладки в насыпи




Решение системы уравнений в условиях равенства сил давления и сопротивления позволяет определить длину насыпки 1, выдерживающую силы горизонтального давления закладки Рг.


В варианте «б» используется также насыпной материал того же качества, но с целью уменьшен. 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 заклю чить 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 нецелесо­образна или в силу ее проницаемо-


сти не эффективна. Вариант же «в», несмотря на свою (на первый взгляд) привлекательность, следует использовать с большой осторожностью. Об­рушенные (разрушенные взрывом) породы обладают значительной пус-тотностью 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 мате-, риал 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.





Горизонтальная сила давления на насыпь определяется из выражения



Силы давления в элементарном сечении горизонтальной выработки можно определить по формуле




а силы трения в этом же сечении




Следует учитывать и силы реакции от веса зажладки в насыпи



Решение системы уравнений в условиях равенства сил давления и сопротивления позволяет определить длину насыпки 1, выдерживающую силы горизонтального давления закладки Р_г.




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 Η при обводненной закладке следует рассчитать по формуле



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

S_c - площадь поперечного сечения ствола в свету, м ;

П_с - периметр ствола в свету, м.

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



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.

С
ооружение 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-оснований (рис 4.19).

Д
лина опоры в горизонтальной выработке (l_on )определяется по формуле:


где σ_ρ - характеристика материала опоры на растяжение и сдвиг, кН/м2.

В
ысота опоры-основания (h_on )прочностью не менее прочности окружающих пород, выполненной из твердеющего материала (если бетон, то не менее марки В15), определяется по формуле:

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

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 столь 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 0,2DC), 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 предусматривается отверстия для фильтрации метана.

Общим недостатков описанных форм и конструкций опор является отсутствие конкретных 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.

К
ак 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).

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 глубину заделки по формуле (4.29)



где: В_кр - толщина крепи ствола, м .

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 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.

4.1.7 Устья 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 его 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, взаимозависимые 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 смс-1), пористостью до 60%, эффициентом 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 временном 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 300-350 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.

Если обозначить угол сдвига через φ а угол внутреннего трения -φ, то для сыпучих наносов (например, песка) в сухом состоянии удельная сила сцепления равна нулю, a tg φ_Μ= tg_cp.

Но в грунтах, обладающих сцеплением, величина угла наклона к горизонту естественного откоса наносов, как правило, превышает угол трения φ в зависимости от высоты откоса наносов. При этом угол наклона у верхнего края естественного откоса наносов, обладающих сцеплением, будет близок к прямому (φ_сд =90°), но чем ниже, тем угол (φ_сд будет меньше, приближаясь к величине угла трения - φ (рис. 4.22).

Однако в связи с означенной выше неопределенностью, реально большой высотой наносов - до 60 м, сравнительно небольшим различием углов сдвижения пород и углов естественного откоса (3-8°) (табл. 4.5), приближением со временем и под влиянием обводнения величины угла обрушения (сдвижения) кратера к величине угла естественного откоса



правомерно в дельнейших расчетах пользоваться последним. Это запас надежности определения величины опасной зоны вокруг ликвиди ванного ствола и давления наносов на крепь устья ствола.




Максимальный (критический) диаметр опасной зоны в этом случае может быть определен по формуле



где h„ - высота наносов, м; φ - угол естественного откоса (средневзвешенный) пород наносов, град.; Dc - диаметр ствола, м.

Исследование степени влияния факторов, в пределах реального изменения их параметров, на размеры опасной зоны показало, что наибольшее влияние оказывают: высота (мощность) наносов (увеличение мощности наносов на 1м дает добавку 9 м опасной зоны), угол естественного откоса (в среднем 8м на 1°). Диаметр ствола существенно на величину опасной зоны не влияет, но при отсутствии закладки в стволе может быть определяющим. Разумеется, что на величину D_кр.max оказывает влияние и нагруженность участка поверхности вблизи ствола. Поэтому установленные «Правилами...» размеры зон опасных деформаций с радиусом 20...40 м (в зависимости от мощности наносов) можно рассматривать как ориентировочные, чаще минимальные.

Численные значения величин (диаметров) опасной зоны при углах естественного откоса различных пород наносов (таб. 4.5) и типовых диаметрах стволов круглой формы приведены в таблице 4.6 (при h_н = 20м.)




При неблагоприятных условиях (наносы - 60 м, средневзвешенный угол естественного откоса – 33) диаметр опасной зоны может достигать 180 м, и даже при h_н = 20 м, что наиболее характерно, этот показатель может превышать 60 м.

В связи с этим важно проанализировать причины и условия возникновения провалов на поверхности.

Наиболее вероятные из возможных причин - это взаимосвязанная цепочка причин: потеря устойчивости (возможно и разрушение полка перекрытия ствола из-за недостаточной его прочности, перекоса, среза или смятия опоры и ухода закладки из устья в ствол при отсутствии закладки в стволе или ее чрезмерной усадке), р
азрушение крепи устья ствола под действием сил давления наносов и воды (рис. 4.23).

Достаточно убедительным является пример образования на земной поверхности кратера диаметром около 400м при разрушении полка перекрытия при неполной засыпке ствола на шахте «Фучик» (Чехия, 1973г.)

Диаметр воронки на поверхности определяется средневзвешенным углом естественного откоса пород наносов и их высотой, если полок перекрытия находится на уровне коренных пород, а глубина - высотой наносов или объемом свободной от засыпки части ствола ниже полка перекрытия. Дальнейшее увеличение диаметра воронки если и будет происходить . (коренные породы в верхней части обрушаются в ствол, как бы искусственно увеличивая его диаметр), то незначительно.

Вторая аварийная ситуация может сложиться, если полок перекрытия ствола размещен не в коренных породах, а в наносах (при большой вы соте наносов) в 10-15 метрах от поверхности (рис. 4.24). В этом случае возможно разрушение крепи устья ствола ниже полка перекрытия под действием наносов и воды, если в этой части либо отсутствует закладка вообще, либо произойдет ее большая усадка, либо закладка имеет недостаточную плотность и, как следствие, малый отпор.

С
итуация, показанная на рис. 4.25, может произойти и в том случае, если коренные породы на контакте с наносами слабые, набухающие, склонные к вытеканию. И условий для возникновения подобных ситуаций достаточно много. Ведь в 25% случаев подстилающие коренные породы карбона представлены небольшими по мощности (до 4...6 м) слоями слабых осадочных материалов с незначительной сопротивляемостью сжатию, склонных к размоканию и набуханию. КГ тому же при длительном обводнении сопротивление сжатию у них значительно снижается (у алевролитов, например, на 40%, а у аргиллитов - на 50%).


В
первых двух случаях произойдет обрушение полка перекрытия ствола, уход закладки и сдвижение наносов. В последнем - полок потеряет уcтойчивость, во всяком случае - свою несущую способность. А далее вероятна подвижка закладки, размещенной между полками, если закладка ниже полка перекрытия (опорного полка) будет уплотняться вследствие усадки.

Возможна ситуация, когда опорный полок перекрытия ствола устойчив, а происходит разрушение крепи устья ствола под действием давления пород наносов и воды (при отсутствии закладки между полком перекрытия ствола и полком перекрытия устья ствола на поверхности, или при ее наличии, но большой усадок или малой плотности). Произойдет сдвиг пород наносов внутрь ствола (больший - при полном отсутствии закладки, меньший - при ее усадке) опускание поверхности в окрестности ствола. В конечном итоге подвижения наносов произойдут под углом естественного откоса, но на высоте меньше высоты наносов, ибо при отсутствии закладки уплотняются обрушившиеся в ствол породы, а при наличии закладки -произойдет ее уплотнение в нижней части устья ствола.

В каждом конкретней случае расчет следует вести следующим образом. Определяется объем усеченного конуса с высотой, равной высоте наносов за вычетом свободной полости устья ствола. Затем, с учетом коэфициента разрыхления этого объема пород, но уже при заполненной ранее свободной полости ствола, определяется высота заполнения, а по разности высот - величина опускания поверхности вокруг устья ствола.

Аналогична и логика нахождения величины опускания поверхности в том случае, если произойдет разрушение опорного полка перекрытия, «уйдет» закладка, размещенная между полками, но не вся сползающая порода наносов с учетом их разрыхления разместится в свободной от закладки чисти ствола.

Исходным в любом случае, является то обстоятельство, что при сдвижении наносов и обрушении их в свободную часть ствола образуется воронка в виде усеченного конуса, угол наклона поверхностей которого (угол сдвижения наносов) в предельном состоянии равен средневзвешенному углу естественного откоса наносных пород, а его высота - мощности наносов. При отсутствии сдвижения наносов конусная воронка не образуется. Другие случаи - промежуточные.

На основе этой посылки расчетная схема определения параметров деформации земной поверхности представлена на рисунке 4.26.

В общем случае объем пород наносов в массиве в усеченном конусе определяется как




где V_ук - объем усеченного конуса, м³,

V_c ' (h_н) - объем ствола по высоте наносов, м³.





После преобразования с учетом угла сдвижения φ и коэффициента разрыхления пород наносов К_р имеем




Объём ствола, который будет заполнен этими породами



Из приведенного выражения следует, что при глубине свободной части ствола равной Ні, его заполнят обрушенные наносы высотой (Hj - h_HI),a при больших значениях Ні произойдет обрушение наносов на большую высоту вплоть до h_HI с образованием (достижением) с течением времени на поверхности кратера с максимальным значением его диаметра. В тех случаях, когда часть ствола заполнена закладкой на величину Нi, или на этой высоте сооружена стволовая опора-перемычка, величина обрушения наносов уменьшится до какого-то значения h_HI . И только, при условии полной засыпки ствола, отсутствии усадки закладочного материала в стволе и его утечек в примыкающие выработки h_HI будет равна нулю. Последнее достигается путем применения специальных мер..

Реально же возможны три варианта соотношений Н, и h_HI :

первый - ствол не заполнен закладкой (пустой), т.е. Ні = Нс и h_HI