Результат интеллектуальной деятельности: КРЕПЬ ШАХТНОГО СТВОЛА

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при строительстве шахтных стволов в соляных и соленосных породах.

Известна двухслойная крепь с первоначальным креплением выработки анкерами, возведением слоя пеноматериала и слоя бетона (Заславский Ю.З. Крепление подземных сооружений / Ю.З. Заславский, В.М. Мостков - М., Недра, 1979. - С.138-146, рис.45).

Однако эта крепь предусматривает возведение податливого слоя из пенополистирола с применением метода набрызгивания или укладки пеноматериала с помощью опалубки. Способ также является весьма трудоемким и требует применения специального оборудования.

Наиболее близкой к предлагаемой является крепь шахтного ствола, которая включает несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку, заполненную податливым вспененным материалом, анкерные стержни, закрепленные в массиве горных пород и соединенные с несущей железобетонной оболочкой (Патент 2110689 РФ, МПК E21D 5/04, з. №96100254/03, заявлено 05.01.1996, опубл. 10.05.1998, Бюл. №13).

Однако эта крепь в условиях размещения ствола в соляных породах будет «сползать» вниз. Для устранения этого недостатка в ней применяется система гибких связей, что достаточно сложно в практическом применении.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности крепления шахтного ствола за счет обеспечения безаварийной работы бетонной части крепи шахтного ствола, располагаемой в солевых породах, обладающих ползучестью, в течение расчетного срока службы, а также исключения применения крепления шахтных стволов в солевых породах дорогостоящей чугунной тюбинговой крепью.

Указанный технический результат достигается тем, что крепь шахтного ствола, состоящая из несущей внутренней бетонной оболочки и внешней компенсационной оболочки из податливого вспененного материала, при этом компенсационная оболочка сформирована из пенополистирольных плит и размещена ровным слоем вокруг бетонной оболочки цилиндрической части ствола, при этом расстояние между опорными венцами определяют по формуле

где H - предельный шаг установки опорных венцов, м;

π - число 3,14;

C_дл - длительное сцепление каменной соли, МПа;

R₁ и R₂ - внутренний и внешний радиусы границ контакта опорного венца с каменной солью, м;

R - внутренний радиус ствола, м;

n - коэффициент запаса (для капитальных сооружений n=4-5);

P_з - вес опорного венца, МН;

γ - удельный вес бетона, МН/м³;

h_c - толщина бетонной крепи ствола, м.

Опорные венцы из бетона усилены тюбинговыми кольцами и отделены от основной части бетонной крепи деформационными швами из дерева, а компенсационная оболочка из пенополистирольных плит прикреплена к породному массиву монтажными анкерами.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Традиционно вертикальные горные выработки (или их часть), расположенные в соляных породах крепят бетонной крепью с компенсационной оболочкой, примыкающей к соляной породе, т.е. возводят двухслойную крепь. Компенсационная оболочка удерживает ствол от разрушения, но не удерживает бетонную оболочку ствола от сползания. Для предотвращения этого процесса в приконтурном соляном массиве создают опорные венцы (промежуточные опоры) из монолитного бетона, препятствующие сползанию крепи вниз по стволу, т.е. они выполняют функцию удержания бетонной оболочки крепи.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - параллельная схема крепления шахтного ствола; на фиг.2 - схема опорного венца.

На чертежах обозначены: 1 - опорный венец; 2 - временная анкерная крепь; 3 - передвижная опалубка; 4 - внешняя компенсационная оболочка из податливого вспененного материала; 5 - несущая внутренняя бетонная оболочка крепи ствола; 6 - деформационный шов; 7 - тюбинговые кольца, R - внутренний радиус ствола; R₁ и R₂ - внутренний и внешний радиусы границы контакта опорного венца с каменной солью; H - предельный шаг установки опорных венцов.

Пример крепления шахтного ствола приведен для условий Верхнекамского месторождения калийных солей при параллельной схеме сооружения стволов, когда проходку и крепление производят одновременно.

По данным бурения разведочных скважин, располагаемых в пределах контура будущего шахтного ствола (т.н. стволовых скважин), с учетом размеров опорных поверхностей опорных венцов, контактирующих с массивом (в пределах внутренний и внешний радиусы границы контакта опорного венца с каменной солью R₁ и R₂), по вновь разработанной формуле определяют предельный шаг установки опорных венцов для конкретных участков шахтного ствола

где Н - расстояние между опорными венцами, м;

π - число 3,14;

C_дл - длительное сцепление каменной соли, МПа;

R₁ и R₂ - внутренний и внешний радиусы границ контакта опорного венца с каменной солью, м;

R - внутренний радиус ствола, м;

n - коэффициент запаса (для капитальных сооружений n=4-5);

P₃ - вес опорного венца, МН;

γ - удельный вес бетона, МН/м³;

h_c - толщина бетонной крепи ствола, м.

На основании рассчитанных величин H определяют места расположения опорных венцов 1. При необходимости изменения шага H корректируют значения R₂ в большую или меньшую сторону.

Затем возводят крепь шахтного ствола, которую в пределах участка между двумя опорными венцами формируют снизу вверх (фиг.1). Для этого первоначально возводят нижний опорный венец с расчетными параметрами, для конкретных горно-геологических условий, внутреннего и внешнего радиусов границ контакта опорного венца с каменной солью (R₁, R₂) и внутреннего радиуса ствола (R).

После этого у стенки породного массива формируют внешнюю компенсационную оболочку из пенополистирольных плит 4 с обеспечением одинаковой ее толщины на протяжении всего участка.

Плиты пенополистирола прикрепляют к стенке породного массива монтажными анкерами и/или с использованием анкерной временной крепи 2.

Затем в пространство между передвижной опалубкой 3 и пенополистирольными плитами 4 подают бетонную смесь, т.е. возводят несущую внутреннюю бетонную оболочку крепи ствола 5. По мере заполнения и затвердевания бетонной смеси производят наращивание податливого слоя и передвижку опалубки.

Бетонные венцы возводят периодически на определенном расстоянии друг от друга. Предпочтительно опорные венцы располагать в однородных и наиболее прочных слоях каменной соли.

После осуществления возведения двухслойной крепи на расчетном участке цикл повторяют на нижележащем или вышележащем участках в зависимости от схемы строительства шахтного ствола.

С целью обеспечения минимальных размеров опорных венцов, способных противостоять радиальным нагрузкам от воздействия окружающих пород в результате проявления горного давления, их усиливают, например, тюбинговыми кольцами 7. В опорном венце применяют 1-2 тюбинговых кольца (фиг.2).

Для снижения напряжений в крепи опорные венцы 3 отделяют от несущей внутренней бетонной оболочки 5 деформационным швом 6, выполненным, например, из дерева.

Последовательность возведения участков двухслойной крепи по глубине шахтного ствола может быть как сверху вниз, так и снизу вверх.

Предлагаемый способ позволяет отказаться от применения сплошной дорогостоящей тюбинговой крепи из чугуна и обеспечит безаварийный расчетный срок службы бетонной части крепи шахтного ствола, располагаемой в солевых породах, обладающих ползучестью.