Технология строительства вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях

Сооружение вертикальных стволов находится, как правило, на критическом пути строительства и реконструкции шахт и определяет сроки их ввода в эксплуатацию. Занимая в общем, объеме капитальных горных выработок 154−25%, продолжительность строительства стволов достигает 35*50% общей продолжительности строительства шахты.

Одним из технологически наиболее сложных этапов сооружения вертикальных стволов является их проходка в обводненных неустойчивых породах плывунного характера в контактных зонах, а также в зонах нарушений. Трудоемкость и продолжительность проходки в таких условиях достигает от 20 до 40% от общих трудовых затрат и продолжительности строительства всего ствола.

В этих условиях для ведения проходческих работ применяют специальные способы, направленные на предварительное упрочнение пород и гидроизоляцию забоя ствола.

Опыт проходки стволов в указанных условиях свидетельствует, что тип крепи, технология, и механизация ее возведения предопределяют скорость проходки и в значительной степени влияют на качество проходческих работ и производительность труда проходчиков.

В настоящее время наибольшее распространение для крепления стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях получили монолитная однослойная и двухслойная бетонная и железобетонная крепи и крепи из чугунных тюбингов.

Эти крепи имеют высокую стоимость трудоемкость, нетехнологичны при ведении работ в стволе и не всегда обеспечивают требуемое качество.

Применявшиеся ранее сборные крепи из железобетонных элементов в настоящие время не используются из-за выявленных существенных недостатков, несмотря на свою экономичность.

Вместе с тем накоплен значительный положительный опыт применения сборных крепей из железобетонных элементов при проходке горизонтальных выработок, который может быть использован при совершенствовании конструкций крепи и технологии ее возведения при проходке вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях.

Решению проблемы интенсификации строительства вертикальных стволов и снижения затрат, приобретающей особую актуальность в современных условиях, посвящена настоящая работа.

Цель работы — создание конструкции крепи и эффективной технологии проведения и крепления вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях.

Идея работы — повышение эффективности проходки и крепления вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях (в т.ч. контактных зонах) достигается путем применения сборной крепи из блоков железобетонных клиновидной формы, обеспечивающих предварительный распор в кольце, жесткость кольца, герметизацию швов и технологичность монтажных работ.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий системный анализ и обобщение современного состояния крепления вертикальных стволов, теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и расчет железобетонных элементов крепи, экспериментальные методы в лабораторных и производственных условиях.

Научные положения и их новизна:

— напряжения сжатия в круговой цилиндрической оболочке крепи ствола из клиновидных железобетонных блоков, в связи с наличием предварительного распора и смещения осей поворота блоков относительно друг друга, близки по величине напряжениям, возникающим в аналогичной цилиндрической оболочке из монолитного железобетона;

— одной из особенностей круговой цилиндрической оболочки из блоков клиновидных железобетонных является возникновение касательных напряжений на ее боковых гранях при работе крепи и монтаже замкового блока с созданием предварительного распора, достигающих максимальной интенсивности в окрестностях вершин и требующих армирования с расположением рабочих стержней вдоль боковых граней блоков;

— эффективность рекомендуемой технологии достигается совокупной реализацией конструктивных решений блоков железобетонных клиновидных, обеспечивающих предварительный распор в кольце крепи, герметизацию швов, высокую точность, качество монтажа, и вытекающих из них организации работ и средств механизации.

Полученные результаты исследований использованы для обоснования технологических схем крепления стволов блоками железобетонными клиновидными и разработки конструкторской документации на изготовление блоков и средств механизации работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается системным анализом литературных и проектных источников, опыта строительства стволов, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчетов (погрешность не более 7ч-10%) с данными экспериментальных исследований и полученными при креплении ствола с применением рекомендуемой технологии.

Научное значение работы заключается в установлении закономерности распределения напряжений в блоках с клиновыми боковыми поверхностями, положенных в основу расчета и конструирования блоков, а также технологии монтажа крепи.

Практическое значение работы заключается: в разработке и внедрении технологии крепления стволов в сложных горногеологических и гидрогеологических условиях сборной крепью из блоков клиновидных железобетонных, позволяющей повысить качество крепи, обеспечить ее герметичность, максимально механизировать работы, повысить производительность труда и снизить стоимость работ по сравнению с монолитной железобетонной крепью на 10% и 6 1,5 4-^5 РАЗАпо сравнению с крепью из чугунных тюбинговв разработке крепеукладчика, позволяющего максимально механизировать работы, повысить производительность труда и точность монтажа крепи.

Реализация результатов исследований. Результаты реализованы при реконструкции воздухоподающего ствола шахты № 3−2бис ШУ «Степановское» АО «Ростовуголь» и проекте проходки воздуховыдающего ствола блока № 1 ш. «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь».

Рекомендации и выводы работы использованы в ведомственном нормативном документе: «Технологические схемы крепления вертикальных стволов сборной крепью из блоков железобетонных клиновидных в условиях деятельности АО «Ростовшахтоетрой» (Ростовшахтострой, 1995 г.).

Фактический годовой эффект от реализации работы на стволе шахты № 3−2бис составил 76 тыс. руб. (в базовых ценах 1991 г.).

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-производственных конференциях «Пути сокращения сроков и повышения эффективности сооружения вертикальных стволов» (г. Шахты, 1996 и 1997 г), заседаниях технических советов «Ростовшахтостроя» (г. Шахты, 1992;1997 г), «Ростовгипрошахта» (г. Ростов-на-Дону, 1992;1997), на научно-технических конференциях кафедры строительства подземных сооружений и шахт «Шахтинского института Новочеркасского Государственного технического университета».

Публикации: по теме опубликовано 8 работ.

Объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 158 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 21 таблицу, список используемой литературы из 44 наименований и 11 приложений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И. А. Мартыненко, П. С. Сыркин, М. С. Данилкин, Е. М. Красунцев, В. й. Нечаенко Технология строительства наклонных выработок// Новочеркасск: НГТУ, 1994. — 124с.

2. П. С. Сыркин, Ф. И. Ягодкин, Й. А. Мартыненко, В. И. Нечаенко, М. С. Данилкин Технология оснащения вертикальных стволов для проходки // Новочеркасск: НГТУ, 1996. — 123с.

3. И. А. Мартыненко, В. В. Левит, В. И. Нечаенко Пути совершенствования последовательной схемы армирования вертикальных стволов. Сборник «Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок"// Новочеркасск: НГТУ, 1996. с. 10−17.

4. И. А. Мартыненко, Ф. И. Ягодкин, В. И. Нечаенко Исследование экономической эффективности армирования стволов одновременно с проходкой. Сборник «Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок"//Новочеркасск: НГТУ, 1996. с.24−26.

5. Ф. И. Ягодкин, И. А. Мартыненко, П. С. Сыркин, В. И. Нечаенко Технология армирования вертикальных стволов шахт. Учебное пособие// Новочеркасск: НГТУ, 1994. — 75с.

6. Ф. И. Ягодкин, И. А. Мартыненко, В. И. Нечаенко Научно-обоснованные технические решения — главное в проектировании строительства шахт//М.: Уголь, 1996. N12, с. 34−37.

7. П. С. Сыркин, В. И. Нечаенко, И. Г. Шинкарь Рекордная проходка вспомогательного ствола шахты «Обуховская № 1» темпами 162,7 м в месяц// М: Уголь, 1996. N12, с. 38−40.

8. В. И. Нечаенко Технология крепления вертикальных стволов железобетонными блоками трапециевидной формы. Тезисы докладов научно-производственной конференции г. Шахты «Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт"// Новочеркасск: НГТУ, 1997. с. 13.

9. В. Й. Нечаенко, С. Н. Горбунов Новая конструкция железобетонных блоков для крепления стволов в сложных геологических условиях // Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок: Межвуз. сб. научн.тр./ Новочерк. гос. техн ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1997. с.109−113.

10. В. И. Нечаенко, И. Г. Шинкарь Проходка вспомогательного ствола шахты «Обуховская № 1» //Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок: Межвуз. сб. научи. тр./ Новочерк, гос. техн ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1997. с.299−302.

11. П. С. Сыркин, Ф. И. Ягодкин, И. А. Мартыненко, В. И. Нечаенко Технология строительства вертикальных стволов// Москва: ОАО Йзд-во «Недра», 1997. 456 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная проблема технологии крепления вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях (в т.ч. контактных зонах) с применением сборной крепи из блоков железобетонных клиновидной формы, обеспечивающих требуемые эксплуатационные качества с повышением производительности труда при минимальных капитальных затратах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Выполнен системный анализ применяемых конструктивных и технологических решений по креплению вертикальных стволов и горизонтальных выработок в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях сборными крепями из железобетонных элементов, на основании которого предложена новая конструкция блока железобетонного клиновидной формы и технология крепления ими вертикальных стволов, обеспечивающие предварительный распор в кольце, жесткость в кольце, герметизацию швов и высокую технологичность монтажных работ.

2. Выполнен анализ особенностей напряженно-деформированного состояния блока при работе крепи и ее монтаже, на базе которого разработаны конструктивные решения блоков.

3. Разработаны методика и программа испытаний на круговом стенде. Проведены стендовые испытания крепи из блоков. Исследованы изменения контура крепи, косых стыков, контактные нагрузки на наружной и внутренней поверхности крепи, ее прочностные характеристики. Сделан вывод, что результаты стендовых испытаний в основном подтверждают основные расчетные положения.

4. Разработана ресурсосберегающая технология крепления вертикальных стволов в сложных гидрогеологических и горно-геологических условиях блоками железобетонными клиновидной формы.

5. Произведена опытно-промышленная проверка предложенной технологии при перекреплении воздухоподающего ствола шахты № 3−2 бис ШУ «Степановское». Всего было закреплено 554 м ствола и получен экономический эффект 76 тыс. руб. в ценах 1991 г.

6. На базе выполненного комплекса исследований разработан параметрический ряд блоков железобетонных клиновидной формы для условий проходки стволов в Восточном Донбассе. Блоки могут быть успешно применены и в других районах с аналогичными условиями.