Конструкции крепей из искусственно-упрочненных пород.

Породные грузонесущие конструкции. Перспективным направлением дальнейшего совершенствования способов и средств обеспечения устойчивого состояния капитальных горных выработок, особенно в сложных горно-геологических условиях, является максимальное использование несущей способности породного массива. Одним из эффективных способов повышения несущей способности массива является нагнетание в него под давлением цементно-песчаных, химических и других вяжущих растворов с целью образования вокруг выработки толщи из упрочненных пород (упрочнение массива) или создание специальных искусственных породных конструкций (типа крепи «Монолит»).

Упрочняющий раствор, проникая в трещины (природные и образующиеся в результате разрушения пород), скрепляет отдельные куски и блоки породы в единое целое. Образующаяся при этом

толща упрочненных пород 1 (рис. 9.43, а) в сочетании с крепью выработки 2 представляет собой единую систему крепь—упрочненный массив. Внешний элемент этой системы — упрочненная толща пород препятствует развитию деформаций породного массива вокруг выработки и тем самым значительно улучшает условия работы внутреннего элемента системы — крепи.

Наиболее распространенным вариантом такой комбинированной конструкции является сочетание упрочнения породного массива с металлической арочной податливой крепью.

Нагнетание раствора в массив производится через скважины 1 (рис. 9.43, б), пробуренные на глубину упрочнения (1,5—2,5 м) и оборудованные кондукторами 2. Скважины бурят по периметру выработки в радиальном направлении. Для нагнетания растворов используются растворонасосы типа НГР-250/50, ГР-16/40, СО-10. Давление нагнетания до 1 МПа. Применяются чисто цементные растворы с водоцементным отношением от 1 : 2 в начале нагнетания до 1 : 1 в конце. Цементный раствор, проникая в трещины в массиве, скрепляет отдельные куски 3 и блоки 4 породы между собой, образуя мощную несущую оболочку. Прочность упрочненных пород в зависимости от применяемых растворов достигает 0,6—1,0 их прочности в ненарушенном массиве. Экономический эффект от применения крепи с упрочнением породного массива по сравнению с применяемой в этих условиях металлобетонной крепью составляет около 60—80 руб. на 1м выработки.

Однако, наряду с неоспоримым достоинством такой крепи с высокой несущей способностью, она обладает рядом недостатков:

необходимость заделки стыков и швов между затяжками и затяжкой и металлическими арками с целью недопущения проникновения тампонажного раствора в выработку;

необходимость заполнения пустот закрепного пространства, что значительно увеличивает расход тампонажного раствора (до 2—3 м3 на 1м выработки);

при совместной работе двух конструкций с различной жесткостью (металлокрепь и упрочненное кольцо пород) не может быть достигнуто использование максимальной несущей способности каждой из них.

Поэтому более прогрессивными являются следующие конструкции крепей, использующих несущую способность упрочненного массива пород, разработанные в МакИСИ. Одна из таких конструкций (рис. 9.44) состоит из оболочки 1, разрушенных пород приконтурной зоны, упрочненных цементно-песчаным раствором, выполняющей функции основной несущей конструкции, и облицовочной оболочки 2, образуемой раствором, изливающимся из трещин в породе в процессе упрочнения за щиит-опалубку 3, предохраняющей породы от воздействия внешних агентов, а также снижающей аэродинамическое сопротивление вы­работки. Устанавливаемые в забое секции щита-опалубки выпол­няют функции временной крепи и изолирующего элемента при там-понажных работах. После выполнения работ по упрочнению сек­ции щита-опалубки демонтируются и устанавливаются в забое выработки.

Широкий практический опыт применения крепей с упрочнением вмещающего массива пород накоплен в ФРГ. Основным изолирую­щим элементом в применяемых конструкциях является набрызгбетон. В одном из вариантов по периметру выработки раскаты­вается металлическая сетка и с помощью набрызга по длине выра­ботки выполняются бетонные утолщения в виде арок. В промежут­ках между арками наносится тонкий слой набрызгбетона. Затем с отставанием бурят шпуры в кровле и стенках выработки, в них устанавливаются кондуктора и через них производится нагнетание в породный массив цементно-песчаного раствора.

Большой интерес представляет разработанный в Коммунарском горно-металлургическом институте способ образования в массиве монолитных породных конструкций. Сущность способа состоит в следующем. Сначала вокруг выработки образуют область искусст­венной трещиноватости (она, как было показано в п. 2.4, является деконцентратором напряжений) и таким образом разгружают при-контурную часть массива. Размеры этой области определяются расчетом, а форма выбирается в соответствии с формой попереч­ного сечения выработки. Затем в разгруженную область массива, которая представляет собой естественную строительную конструк­цию типа блочной кладки, нагнетают раствор, скрепляющий от дельные блоки. В результате образуется мощная породная кон­струкция, получившая название «Монолит» и выполняющая роль грузонесущей крепи.

Последовательность образования крепи «Монолит» следующая (рис. 9.45). Горная выработка проводится под защитой крепи опа­лубки /, в которой предусмотрены направляющие отверстия для бурения шпуров 2. В этих шпурах размещаются камуфлетные за­ряды.

Заряд ВВ выбирают таким образом, чтобы обеспечить образо­вание трещин, отделяющих разгруженную зону от массива 3, не допуская выброса пород в выработку. Взрывание ВВ совмещают во времени со взрыванием шпуров в забое выработки, причем раз­меры поперечного сечения выработки вчерне делают на 0,05—0,1 м больше ее размеров в свету. Зазор между крепью-опалубкой и по­родным контуром заполняется разрыхленной после взрыва и смес­тившейся породой.

Для упрочнения образовавшейся в результате взрыва области пород, разгруженных от напряжений 4, через отверстия в крепи - опалубке в ранее - оставшиеся или вновь пробуренные скважины устанавливают инъекторы 5, соединенные шлангами 6 с тампонаж-ным насосом 7, и производят нагнетание растворов, приготовляе­мых на основе цемента, эпоксидных смол, пенополиуретана или других специальных материалов.

Раствор, проникая в трещины, заполняет их, двигаясь из глу­бины массива к контуру выработки. После схватывания раствора в массиве образуется монолитная породная конструкция 8. Исполь­зование различных добавок позволяет в широких пределах менять свойства скрепляющего раствора (прочность, сроки схватывания и твердения и пр.). Расход раствора предопределяется объемом трещинной пустотности в разгруженной зоне. После начала схва­тывания раствора опалубку можно снова передвинуть на новую заходку, где цикл работ повторяется.

Расчет технико-экономических показателей крепи «Монолит» подтвердил ее высокую эффективность. Отношение несущей спо­собности крепи к ее стоимости составляет 0,04—0,08 МПа/руб, а у обычных крепей он не выше 0,02—0,03 МПа/руб. Малые трудо­емкость и материалоемкость, высокая механизация возведения, несущая способность, доходящая до 5 МПа и более, обосновывают перспективность использования искусственных породных конструк­ций для крепления выработок.

Несмотря на очевидную эффективность комбинированных кре­пей, сочетающих обычные виды крепи с искусственными пород­ными конструкциями, они на сегодняшний день широкого распро­странения в отечественной практике не получили.

Причинами, сдерживающими широкое внедрение этих конструк­ций, являются отсутствие рациональной технологии их возведе­ния, недостаточность и неукомплектованность средств механиза­ции для упрочнения пород, низкие темпы упрочнения по сравнению с темпами сооружения выработок, а также недостаточно четко опре­деленные области их эффективного применения.

2. Технологические схемы строительства вертикальных стволов.

Технологическая схема сооружения ствола — совокупность производст­венных процессов по выемке породы, возведению постоянной крепи и армированию ствола, выполняемых в определенной последовательности во времени и пространстве.

В практике строительства стволов применяют различные технологи­ческие схемы с последовательным, параллельным (одновременным) или частично совмещенным выполнением производственных процессов. В зависимости от последовательности работ по выемке породы и возведению постоянной крепи различают последовательную, параллельную и совме­щенную схемы. В зависимости от последовательности работ по выемке породы и монтажу постоянной армировки различают технологическую схему с последующим армированием ствола после его проходки на пол­ную глубину и с параллельным армированием во время проходки.

Основные технологические процессы можно выполнять в одном призабойном звене или в двух смежных звеньях — призабойном и верхнем, примыкающем к нему. Эти процессы можно выполнять одновременно, последовательно или с частичным совмещением.

Технологические схемы подразделяют также по способу возведения постоянной крепи — сверху вниз или снизу вверх, с применением вре­менной крепи или без нее.

Каждую технологическую схему применяют в определенных геологи­ческих условиях.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА. При проходке ствол по всей глубине делят на звенья. Выемку породы и возведение постоянной крепи при последовательной схеме осуществля­ют в одном призабойном звене последовательно. По окончании выемки породы на принятую высоту звена сооружают опорный венец и далее снизу вверх отдельными заходками возводят постоянную крепь до слияния ее с крепью верхнего смежного звена. Возведение крепи осущест­вляют с подвесного полка. Высота звена зависит от устойчивости боковых пород и их угла падения. Средняя высота звена в практике строительства стволов при наличии устойчивых пород и пологом залегании составляет 30—40 м, в породах средней устойчивости и крутом залегании 15—20 м. В устойчивых породах проходку ствола по этой схеме можно вести без применения временной крепи.

Достоинствами этой схемы являются простая организация работ, ми­нимальная потребность в оснащении ствола проходческим оборудовани­ем. К недостаткам относят низкую скорость проходки из-за периодичес­кой остановки работ по выемке породы и возведению крепи, значитель­ные затраты времени на возведение, а затем на демонтаж временной крепи, потери времени на выполнение вспомогательных работ, связанных с откачкой воды, непрерывными переходами от выемки породы к возве­дению крепи и т.д. В связи с отмеченными недостатками, применяют в основном при строительстве устьев ство­лов, технологических отходов, а также стволов в неустойчивых водонос­ных породах с применением специальных способов и стволов небольшой глубины (до 100 м) главным образом в городском подземном строитель­стве.

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ СХЕМА. При параллельной схеме строительства стволов выемку породы и возве­дение постоянной крепи осуществляют одновременно в двух смежных зве­ньях, т.е. крепь возводят с отставанием от забоя на одно звено.

Параллельную схему применяют в двух вариантах: со сборно-разбор­ной временной крепью из швеллерных колец и со щитом-обо­лочкой. По первому варианту работы выполняют в следующей последовательности: на стыке двух звеньев монтируют натяжную раму, к которой крепят направляющие канаты. Раму перекрывают глухим на­стилом, он служит одновременно предохранительным полком, предохра­няющим рабочих, которые заняты в забое. В нижнем призабойном звене осуществляют выемку породы и возведение временной крепи. В смежном звене снизу вверх возводят постоянную крепь. Демонтаж временной крепи и возведение постоянной выполняют с двухэтажного подвесного полка. Для обслуживания работ в верхнем и нижнем звеньях ствол ос­нащают двумя независимыми подъемами.

Проходку ствола по этой схеме организуют так, чтобы к моменту окон­чания выемки породы в нижнем звене была закончена работа по возве­дению постоянной крепи в верхнем звене.

Достоинством этой схемы является то, что работы по выемке породы и возведению постоянной крепи совмещаются, что обеспечивает увели­чение средней скорости проходки на 20-25% по сравнению с этой ско­ростью при использовании последовательной схемы.

Недостатки схемы — сложная организация работ одновременно на двух уровнях в стволе, что связано с возникновением дополнительной опасности при выполнении операций; частые перерывы в работе во время перемещения подвесного полка по стволу; наличие в стволе натяжной рамы с перекрытием и подвесного полка осложняет проходческий подъем и тахограмму подъема. В настоящее время объем строительства стволов по этой схеме не­значителен и равен 5—8% общего объема.

Параллельная схема, представленная на рис. 5.3, характеризуется тем, что функцию временной крепи в призабойном звене выполняет щит-оболочка. В забое ствола осуществляют выемку породы, а над щитом с подвесного трехэтажного полка возводят постоянную крепь. Для этого выше щита устанавливают поддон с пикетажной перемычкой, опускают на него опалубку, укладывают за опалубку бетонную смесь и уплотняют ее погружными вибраторами. Опалубку и поддон подвешивают на самостоятельных канатах и цент­рируют в стволе с помощью направляющих втулок на опалубке.

Постоянную крепь возводят отдельными заходками высотой 3—4 м с последующей заделкой холодного шва между новой и ранее закрепленной заходками.

Все работы в стволе ведут под защитой щита-оболочки и подвесного полка. Высота щита-оболочки составляет 15 — 25 м и выбирается в за­висимости от принятой высоты звена и для обеспечения безопасности при производстве взрывных работ. Достоинствами данной схемы являются обеспечение полной незави­симости работ по выемке породы и возведению постоянной крепи, без­опасность работ, сокращение числа вспомогательных операций по срав­нению с предыдущей схемой, обеспечение высокого уровня механизации наиболее трудоемких процессов проходки.

К недостаткам схемы относят усложнение подвесною проходческою оборудования, наличие большого числа лебедок на поверхности и подвесных канатов в стволе, возможность применения этой схемы только для устойчивых пород, вероятность зажима щита-оболочки при отслое­нии пород в стенках ствола.

Параллельно-щитовую схему применяют обычно при строительстве глубоких (800-1500 м) стволов в устойчивых породах.

СОВМЕЩЕННАЯ СХЕМА. Совмещенная схема строительства стволов (рис. 5.4) предусматривает выполнение операций по выемке породы и возведению постоянной крепи последовательно или с частичным совмещением в призабойной части ство­ла на высоте одной заходки (3-5 м). Проходку ствола ведут без применения временной крепи. Работы в забое выполняют в следующем порядке: бурят и заряжают шпуры, поднимают полок и другое проходческое оборудование на без­опасную высоту, взрывают, проветривают, приводят забой в безопасное состояние, опускают полок, убирают породу на высоту, равную высоте опалубки, оставшуюся породу разравнивают, опускают и центрируют опалубку, укладывают за нее бетонную смесь. После этого убирают оставшуюся породу в забое. В дальнейшем все операции повторяют в такой же последовательности.

При проходке стволов по этой схеме с применением в качестве постоянной крепи тюбингов породу в забое убирают отдельными заходками на высоту тюбинга (1 — 1,5 м) и поочередно сверху вниз монтируют тюбинговые кольца.

Достоинством совмещенной схемы является то, что все работы про водят непосредственно в забое ствола, поэтому упрощается организация и повышается безопасность работ, обеспечивается высокая механизация основных процессов проходки и упрощается оснащение ствола.

К недостаткам этой схемы относят увеличение числа «холодных швов» при возведении постоянной крепи отдельными заходками, вследствие чего повышается водопроницаемость крепи. Кроме того, при этой схеме отсутствует полное совмещение работ по выемке породы и возведению постоянной крепи.

Совмещенную схему в настоящее время получила широкое распространение. Свыше 95% всех стволов строят по этой схеме.

СТРОИТЕЛЬСТВО СТВОЛОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ АРМИРОВАНИЕМ. Строительство стволов с параллельным армированием может быть приме­нено при использовании всех рассмотренных технологических схем.

Эта схема предусматривает совмещение работ по проходке ствола и монтажу постоянной армировки — установке расстрелов, навеске про­водников и устройству лестничного отделения.

При последовательной и параллельной схемах проходки стволов мон­таж постоянной армировки осуществляют в пределах каждого звена после возведения постоянной крепи. При совмещенной схеме ствол уг­лубляют на 3—4 м, работы по выемке породы останавливают и произ­водят монтаж одного яруса армировки. Навеску провод­ников выполняют по мере уг­лубления забоя ствола на длину звена проводников. Для монтажа армировки в стволе предусматривают специально оборудованный подвесной полок, с которого долбят лунки, устанавлива­ют расстрелы, подвешивают проводники и осуществляют монтаж лестничного отделе­ния.

Преимуществом этой схе­мы является сокращение переходного периода от про­ходки ствола к проведению горизонтальных выработок, кроме того, упрощается ос­нащение ствола благодаря использованию постоянных армировки и подъема для проходки ствола.

К недостаткам схемы от­носят усложнение организа­ции и снижение безопаснос­ти работ, снижение скорости проходки до 20—25 м/месс.

Выбор той или иной технологической схемы строительства осуществляют на основании сравнения вариантов по затратам времени и средств на соору­жение ствола.

3. План ликвидации аварий: назначение, основные части.

План ликвидации аварий (ПЛА) — документ, который преду­сматривает мероприятия, осуществляемые немедленно при об­наружении аварии, по спасению людей, застигнутых аварией в шахте, а также определяющий действия инженерно-технических работников, рабочих, членов ВГС и ВГСЧ при возникновении аварии. ПЛА составляют для каждой эксплуатируемой, реконструи­руемой и строящейся шахты. Необходимость составления ПЛА определяется особой важ­ностью четких согласованных действий всех работников шахты и ВГСЧ в начальный период развития аварии, когда время для принятия решений крайне ограничено, когда возможно прояв­ление растерянности и паники, отсутствие на месте руководи­телей шахты и т.п. ПЛА, подготавливаемый заблаговременно на основе всестороннего анализа возможных аварийных ситуа­ций с учетом современных методов и средств борьбы с авария­ми, инженерного опыта и особенностей шахты, позволяет избе­жать ошибок при спасении людей и ликвидации аварий.

ПЛА разрабатывают главный инженер шахты и командир обслуживающего шахту военизированного горноспасательного взвода (ВГСВ) на каждые 6 месяцев. Он согласовывается с ко­мандиром военизированного горноспасательного отряда (ВГСО) и утверждается руководителем (главным инженером) выше­стоящей организации (АО, концерна и т.п.), главным инжене­ром комбината, треста, рудоуправления за 15 дней до ввода плана в действие. ПЛА изучают лица инженерно-технического надзора до его ввода в действие. Рабочие знакомятся с той ча­стью плана, которая относится к их местам работы, с располо­жением запасных выходов и правилами поведения при аварии. Ответственность за правильное составление ПЛА несут глав­ный инженер шахты и командир ВГСВ.

Регулярный (через 6 месяцев) пересмотр ПЛА диктуется изменением условий работы в шахте. Изменения и дополнения в ПЛА вносят в течение суток, если введен новый или ликвиди­рован отработанный участок, изменены схемы вентиляции или пути вывода людей.

ПЛА находится у горного диспетчера (дежурного по шахте) и в обслуживающем шахту ВГСВ.

Ответственным руководителем работ по ликвидации аварии является главный инже­нер шахты, а до его прибытия — горный диспетчер (ответствен­ный дежурный по шахте). Руководителем горно­спасательных работ является командир взвода, обслуживающего шахту, или в случае необходимости командир отряда, если он прибыл на шахту.

ПЛА составляют для всех видов и всех возможных мест аварий в шахте. Для удобства каждому месту аварии присваи­вают номер (позиция)1, который наносят на схему вентиляции шахты, начиная с поверхности по движению свежей струи (над­шахтное здание, ствол, околоствольный двор и т.д.).

ПЛА состоит из оперативной части, правил поведения ра­ботников шахты при авариях, списка должностных лиц и учре­ждений, которые должны быть немедленно извещены об ава­рии. Оперативная часть ПЛА включает в себя меро­приятия по спасению людей и ликвидации аварий, описания маршрутов движения и задания отделениям ВГСЧ для каждой позиции аварии. К оперативной части плана прилагают схему вентиляции шахты и схему горных выработок с указанием мест расположе­ния всех противопожарных средств и установки телефонов, средств спасения работающих при авариях. При составлении ПЛА должны быть тщательно продуманы пути выхода людей. Во избежание недоразумений пути выхода людей необходимо указывать для каждого места работы и каж­дого случая аварии. Следует иметь в виду, что при взрывах газа или угольной пы­ли, в случае реверсирования главных вентиляторов, а также при пожарах в шахтах, имеющих только два выхода на земную по­верхность, должен быть предусмотрен вывод из шахты всех лю­дей. При взрывах газа и пыли возможны разрушения вентиля­ционных сооружений, выход из строя вентиляторов и как следст­вие серьезные нарушения вентиляции в целом. При реверсиро­вании вентиляции существенно осложняется аэрологическая об­становка в шахте: уменьшается поступление воздуха в выработ­ки, в выработках, ранее омывавшихся свежей струей, может появиться метан, возможны образование опасных скоплений ме­тана, вынос воздуха с низким содержанием кислорода и др. Эти изменения распространяются на выработки, где находится ос­новное число трудящихся (очистные и проходческие забои, отка­точные горизонты), которые таким образом оказываются в опас­ной ситуации. Поэтому целесообразен их вывод из шахты. При пожарах в шахтах, имеющих только два выхода на поверхность, один из них всегда оказывается загазированным пожарными га­зами и не может нормально эксплуатироваться. Таким образом, на шахте остается фактически один выход, что противоречит тре­бованиям Правил безопасности. Пребывание людей в шахте в та­ких условиях связано с повышенной опасностью, поэтому в дан­ной ситуации людей также необходимо вывести на поверхность. Однако при пожарах в шахте, имеющей более двух выходов на поверхность, и сохранении нормального режима вентиляции вывод людей на поверхность не обязателен. В этом случае вывод людей предусматривается только из выработок, где могут появиться про­дукты горения, а также из выработок, имеющих только один вы­ход.

При выходе людей с загазированных участков необходим расчет времени выхода для решения проблемы устройства пунктов замены самоспасателей и для организации спасатель­ных работ ВГСЧ.

При спасении людей очень важное, а в ряде случаев ре­шающее значение имеет правильный выбор вентиляционных режимов при авариях (см. разд. 18.4).

Оперативную часть ПЛА составляют в виде таблицы, в ко­торой указывают позицию аварии, мероприятия по спасению людей и ликвидации аварии, ответственных лиц и исполните­лей. Пример оперативной части ПЛА приведен в табл. 18.1 применительно к схеме, изображенной на рис. 18.8, и пожару, взрыву метана или пыли в восточной лаве № 1.