Опорные сооружения, их конструкции и параметры

Краткие сведения о проектах ликвидации стволов и содержании ликвидационных работ

Анализ иностранных и отечественных публикаций показал, что со­держание проектов ликвидации вертикальных стволов имеет много обще­го, а сами проекты достаточно апробированы на практике.

Проект состоит из двух основных частей: предварительные изыска­ния и проектные работы по ликвидации ствола.

Следует особо отметить, что правильность последующих технологи­ческих решений зависит от обоснованности, уровня детализации, качества и полноты предварительных изысканий. Речь идет об изучении геологиче­ской и гидрогеологической ситуации в регионе, что должно обеспечить полноту сведений о составе, структуре и текстуре наносов и коренных по­род, пересекаемых стволом, достоверный прогноз возможного затопления ствола и его уровень, сведения о зонах выхода воды на земную поверх­ность, качестве подземных вод (химическом составе, агрессивности, со­держании токсичных и потенциально токсичных элементов).

Важное место при обосновании проекта занимает всесторонняя оценка газовой обстановки, прогнозирование и расчет выхода метана на поверхность при остановке вентилятора главного проветривания, при из­менениях атмосферного давления, перепадах температур, подъеме уровня шахтных вод, при сдвижениях массива пород и т.д.

Поскольку метан дренирует не только по закладочному массиву, но и по пустотам на контакте «порода - крепь ствола», оценивается также ус­тойчивость крепи и возможное набухание пород. Важным этапом предпроектной проработки является изучение возможного мульдообразования на поверхности, установление опасных зон.

Таким образом, на этапе предварительных изысканий и предпроектных проработок рассматривается широкий круг вопросов, в комплексном изуче­нии которых необходимо участие технологов, гидрогеологов, работников геолого-маркшейдерских служб шахт и объединений, экологов, специалистов по аэрологии и геомеханике. При этом должны использоваться самые совре­менные методы исследований: инженерный анализ, расчеты, физическое, ма­тематическое, компьютерное моделирование и др. Координацию работ целе­сообразно поручать представителям проектной организации.

В самом проекте определяются проектные глубины засыпки стволов, объемы закладки в стволах и примыкающих выработках, места сооруже­ния опорных конструкций и перемычек на спряжениях с выработками околоствольных дворов, опор в стволах, перекрытий, приводятся расчеты их параметров.

На основании лабораторных исследований и экологической экспер­тизы даются характеристики материалов закладки (слеживаемость, пустотность, кусковатость, склонность к размоканию, вступлению в химиче­ские реакции, образованию токсичных веществ), делаются выводы о воз­можности их использования. С учетом оптимальной скорости подачи за­кладки в ликвидируемый ствол выбирается трасса подвоза и средства дос­тавки закладочного материала от места его расположения. В соответствии с ранее проведенными исследованиями путей и объема миграции метана определяются места, средства и периодичность контроля его концентрации в стволе и на поверхности. Показываются границы зон безопасного веде­ния закладочных работ, средства их оконтуривания и освещения. Устанав­ливается периодичность контроля стабильности закладки в стволе, содер­жания метана в его окрестности и формы организации этой работы.

В экологическом отношении для конкретных условий проектом пре­дусматриваются реальные меры по предупреждению опасных сдвижений поверхности, провалов, нарушений ответственных зданий и сооружений.

Эти и некоторые другие вопросы, связанные с выбором оптимальных параметров технологических схем, более детально изложены в последую­щих подразделах, посвященных ликвидации вертикальных стволов.

Следует только добавить, что к проектным разработкам целесооб­разно привлекать подрядные организации, которые будут выполнять лик­видационные работы. Особое внимание в проектах должно быть уделено двум вопросам: обеспечению технологической безопасности в период лик­видации стволов и обеспечению экологической безопасности на длитель­ную перспективу.

Зарубежный и отечественный опыт ликвидации вертикальных ство­лов показывает, что весь технологический цикл можно разделить на пять основных этапов: подготовка ствола к засыпке; определение и оконтуривание границ зон опасного ведения закладочных работ; подготовка по­верхности к засыпке; собственно засыпка ствола и выполнение заключи­тельных работ.

Подготовка ствола к засыпке.

Этому этапу следует уделить большое внимание. Оставленные в стволе канаты, проводники, расстрелы, лестничные отделения и другое оборудование могут вызвать образование пустот при засыпке.

Самые жесткие немецкие инструкции предусматривают полную очи­стку ствола на всю глубину от шахтного оборудования. В других странах выполняется только частичная очистка. Однако устье ствола на глубину не менее 20 м освобождается от внутренних конструкций и оборудования, но с обеспечением устойчивости крепи. При использовании твердеющей за­кладки с засыпкой по центру армировка ствола может не извлекаться.

Проводится проверка состояния крепи ствола по всей его глубине и в необходимых случаях осуществляется ее ремонт и укрепление.

При подготовке стволов к засыпке из непросадочного материала сооружаются устойчивые опорные основания - перемычки на спряжениях с горизонтальными выработками. При недостаточной их устойчивости воз­можно «вытекание» закладки в примыкающие к стволу выработки, обна­жение и разрушение крепи ствола, что, в конечном счете, приведет к об­рушению поверхности в районе его устья.

Согласно «Правилам...» в местах сопряжения стволов с горными выработками, пройденными с углом подъема от ствола 10° и более, и на скиповых стволах - в местах расположения загрузочных камер, перемычки не предусматривается. При наличии в стволах сопряжений с выработками четырех и более технологических горизонтов опорные основания из не­просадочного материала следует предусматривать в сопряжениях с гори­зонтальными выработками, как правило, в пределах нижних трех горизон­тов, а для заполнения вышерасположенной части ствола можно использо­вать породу отвалов.

Определение границ зон опасного ведения закладочных работ.

На практике устанавливают (выделяют) зону возможных деформа­ций земной поверхности вблизи устья ствола и зону, опасную по скопле­нию и взрыву вытекаемого из шахты метана.

В нормативных документах Германии указывается, что радиус зо­ны опасных деформаций R=20+0,5d (d - диаметр ствола в свету, м); в Чехии считают, что зона опасных деформаций поверхности распростра­няется примерно на 20 м от внешнего контура ствола, в Украине радиус зоны опасных деформаций определяется «Правилами...» и уточняется проектом.

Согласно «Правилам...» зона постоянного контроля ограничивается окружностью радиусом R0=20 м от центра ствола при мощности наносов h_H≤ 20 м; если h„> 20м, то радиусом R0=h_H, но не более 40 м.

Зона же газового режима при ликвидации стволов на шахтах, опас­ных по газу, устанавливается на земной поверхности в радиусе не менее 25 м от оси ликвидируемого ствола. Опасность выхода метана здесь велика, особенно в связи с колебаниями атмосферного давления. Для предотвра­щения скопления метана, его воспламенения яли взрыва поверхность в ок­рестностях ствола должна быть расчищена и зыравнена.

Исходя из вышеизложенного при определении и оконтуривании гра­ниц опасных зон необходимо учитывать:

- местоположение устья ствола относительно открытого проветри­ваемого пространства;

- виды проводимых работ (сварка, закладка и др.);

- вид транспорта по доставке закладочного материала (автомо­бильный, конвейерный и др.);

- потребность ведения взрывных работ по разрушению надшахт­ных зданий, сооружений;

- характер застройки над стволом и возле ствола;

- необходимость работ по дегазации, откачке воды и др. Подготовка юсверхности к засыпке ствола.

Если шахта не опасна по взрыву метана и проведена полная очистка ствола (убрана его оснастка), то допускается высыпание закладочного ма­териала из автомобилей непосредственно в ствол. При этом следует преду­сматривать меры безопасности по предотвращению падения автомашин в ствол и меры контроля устойчивости устья ствола.

В Англии при доставке закладочного материала автомашинами у устья устраивается бункер-накопитель с наклонным заездом и желобом, что гарантирует устойчивость устья и предотвращает разрушение крепи ствола. В Германии бункер-накопитель оборудуется вне опасной зоны, а подача закладочного материала в ствол осуществляется конвейером. Эта же технологическая схема принята за основу и в Украине.

Если оснастка сзола не убрана или убрана не полностью, то засыпка ведется только по центру, причем предусматривается установка грохота перед конвейером, чтобы исключить попадание в ствол крупных (более 250 мм в поперечник кусков.

Однако по опыт-" угледобывающих стран Европы предельный размер кусков закладочного материала следует ограничивать 180-200 мм. Здесь учитывается не только опасность искрообразования и разрушение крепи вообще, но, что более вероятно, разрушение крепи в местах заделки рас­стрелов, лишая их при этом функции распорных конструкций. Подобное, «удаление» расстрелов ведет к общему ослаблению ствола.

Если же из ствола при его подготовке к засыпке, удалена вся оснаст­ка, то можно использозать материал с поперечником любого размера. Но, при небольшом диаметре ствола и значительном угле естественного относа закладочного материала следует рассчитывать силу удара крупных кусков о крепь ствола. Она может быть значительной, а в местах с плохо запол­ненным (по различным причинам) закрепным пространством даже разру­шительной.

Засыпка ствола.

При засыпке особо важное место занимает контроль качества закла­дочного материала (кусковатость, плотность и др.) и его объем. При при­менении твердеющей закладки вопросы контроля этих параметров стано­вятся центральными.

В целях предотвращения скопления и взрыва метана в стволе необхо- дамо, чтобы процесс закладки происходил непрерывно с небольшой скоро­стью. С этой точки зрения лучшим средством закладки является конвейер, обеспечивающий достаточно медленное и равномерное поступление мате­риала, его уплотнение и взаимодействие с крепью. При закладке твердеющи­ми материалами пульпа подается в ствол по трубам диаметром 150-200 мм.

Выполнение заключительных работ.

На заключительном этапе работ после усадки закладочного материа­ла производится перекрытие устья ствола. В мировой практике чаще всего устье ствола перекрывается железобетонной плитой с упором на крепь или сваи, забитые до коренных пород. Конструкция плиты, её толщина, попе­речные размеры, несущая способность определяется практикой и расчета­ми. При неудовлетворительном прогнозе устойчивости устья необходимо предварительно укреплять окружающие его горные породы. Для исключе­ния возможности поступления ливневых и паводковых вод в ликвидиро-ванный ствол через устье, последнее ограждается не менее чем в 2,5 м во­доотводной канавой сечением 0,5 м². Если отведение ливневых и паводко-вых вод путем сооружения канавы трудно осуществимо, то предусматри-вается глиняный изолирующий экран толщиной 1 м и площадью в 1,5 раза большей сечения ствола.

Окончанием работы по погашению ствола является ликвидация всех подходов к нему (каналов вентилятора, калорифера и др.). В дальнейшем согласно проекту постоянно контролируется оседание закладки и метано-выделение через покрывающую устье плиту.

После очистки и рекультивации территории проводится маркшей­дерская съемка промплощадки шахты. На плане показывается устье лик­видированного ствола, границы опасных зон по возможным провалам зем­ной поверхности и взрыву метана, все сохранившиеся здания и сооруже­ния, а также все находящиеся вблизи устья подземные коммуникации, по которым возможно проникновение метана на поверхность в случае разру­шения (со временем) крепи ствола.

Законченные ликвидационные работы оформляются актами приемки работ в установленном порядке.

4.1.2. Технологические схемы и технологии ликвидации стволов

В оборудованных лестничными отделениями вертикальных стволах, кик уже было сказано, до начала засыпки производится демонтаж отшивки лестничных отделений по всей их глубине. Демонтируются также стволо-вые кабели, трубопроводы d<100 мм, клети, скипы, противовесы, неис­пользуемые металлоконструкции нулевых площадок; производится раз-Лорка проемов в стенах надшахтного здания (в отшивке копра) для про­пуска привода скребкового конвейера и трубопроводов вентиляции, пыле-подавления, сжатого воздуха.

Параллельно с этими работами монтируется конвейер для засыпки ствола, устраивается бункер над конвейером и разгрузочный желоб в устье ствола, выполняется специальное ограждение рабочей зоны конвейера и

опасной зоны вокруг ствола. Ограждение ствола со ствольными дверьми сохраняется существующее.

Для монтажа временного оборудования используется автомобиль­ный кран КС-3571 грузоподъемностью 10 тонн.

Для предотвращения расползания засыпаемого в ствол материала в сопряжениях ствола с горизонтальными выработками возводятся опоры-перемычки (упорные слои) из бетона или путем заполнения свободного объема ствола и части примыкающих выработок неразмокаемым, непроса-дочным щебнеподобным материалом прочностью не менее 15-20 МПа (рис. 4.1). Объем заполнения и абсолютные отметки упорного слоя опре­деляются проектом. Параметры опоры (упорного слоя) рассчитываются по методике приведенной в приложение Г «Правил...».

В общем случае высота упорного слоя по разрезу ствола от подошвы сопрягающейся выработки определяется по формуле

h_y.c= h₀+5, м, (4.1)

где h_y.c - высота упорного слоя, м, h_0K - высота окна сопряжения, м.

При соответствующем техническом и экономическом обосновании возможны и другие инженерные решения по предотвращению расползания (ухода) закладочного материала в местах сопряжения ствола с горными выработками, в частности путем возведения сооружений из твердеющей закладки.

При ликвидации затопленных выработок засыпка ствола в районе сопряжения должна производиться неразмокаемым материалом. Запреща­ется использовать для засыпки шлакоблок (от разборки зданий) из-за его токсичности.

К моменту начала работ по засыпке стволов подъемы останавливают и спуск-подъем людей, оборудования и материалов прекращается.

При засыпке стволов шахтной породой ее извлечение из породного отвала выполняется в соответствии с «Инструкцией по предупреждению самовозгорания, тушению и разборке породных отвалов». Выбор отвала определяется комиссией, создаваемой заказчиком проекта ликвидации. В случае отсутствия очевидных признаков перегоревшей породы (краснова­тый цвет породы, наличие золыгастых шлаковых включений) для опреде­ления степени пожароопасности предполагаемой для использования поро­ды отвала привлекаются специализированные организации.

Транспортирование породы к стволу чаще всего производится авто­самосвалами КамАЗ-5511, погрузка в них экскаваторами ЭО-3325, Э-1001Д с емкостью ковша 0,5 м³, а доставка породы в зону действия экска­ватора - скреперной установкой 17ЛС2СМ к бульдозером ДЗ-116В. Пода­ча породы непосредственно в ствол ведется скребковым конвейером типа СР-70,1СК-38м или СП-202 через перегрузочyый желоб.

В местах установки скребкового конвейера площадка выравнивается, подсыпается, чтобы положение рештачного лава в вертикальной плоско­сти изменялось не более чем на 0,5 м на длине 30 м.

Для того чтобы исключить попадание з ствол вместе с закладкой ме­таллических предметов, которые могут вызвать искрообразование при ударе о проводники и расстрелы, над конвейером устанавливается элек­тромагнит.

Погрузка породы в бункер, расположенный над конвейером, выпол­няется породопогрузочный машиной ШНБ-2 или экскаватором ЭО-3322 с емкостью ковша 0,5 м³, а в зону действия погрузочной машины - бульдо­зером ДЗ-116В (Д—271) (рис. 4.2). Изменение схемы доставки закладочно­го материала и его засыпки в ствол в процессе ведения работ возможно по согласованию с МакНИИ и УкрНИМИ.

Описанная выше схема доставки закладочного материала и его за­сыпки в ствол является наиболее типичной. В практике же ликвидации вертикальных стволов специалистами ОАО «Донецкшахтострой» исполь­зовалась несколько отличная схема засыпки стволов (рис. 4.3), когда в зоне

примыкания вентиляционного канала под углом в 45" был выполнен про­ем, в котором смонтирована труба диаметром 1000 мм. Верхняя ее часть соединялась с приемным бункером, расположенным за пределами над­шахтного здания, а нижняя часть опускалась на почву вентиляционного канала с выходом в сечение ствола. Такое техническое решение позволило исключить из технологической схемы установку и длительное обслужива­ние скребкового конвейера и вести засыпку ствола непосредственно само­свалами. В результате достигнуто снижение стоимости закладочных работ. Вместе с тем при такой технологической схеме соблюдение требований техники безопасности представляется более сложным, здесь необходимы дополнительные специальные мероприятия.

Все оборудование и машины, предназначенные для работы в опасной зоне (зоне газового режима - согласно «Правил...» в радиусе не менее 25 м от ствола) должны быть во взрывобезопасном исполнении.

Пульты управления выносятся за пределы зоны. Допускается веде­ние огневых работ в пределах зоны газового режима при соблюдении мер безопасности, согласованных с МакНИИ. Нахождение людей в опасной зоне во время работы механизмов по засыпке ствола не допускается.

Пылеподавление осуществляется дренчерными (разбрызгивающими) форсунками. Трубопровод пылеподавления устанавливается над устьем ствола на высоте 2,5 м и крепится к металлоконструкциям копра хомутами.

Подвод воды - по гибкому резиновому рукаву от существующего трубо­провода водоснабжения. Расход воды составляет 50 л на 1 м³ закладочного материала.

В процессе засыпки стволов ведется постоянный контроль качества закладочных работ - уровень засыпки ствола измеряется не реже, чем че­рез каждые 50 м заполнения ствола, а также при перерывах в закладке свыше 1 недели. Фактический объем засыпки не должен превышать рас­четный более чем на 20%. При уходе закладочного материала в примы­кающие выработки и внезапных оседаниях по вертикали на глубину 20 м (при несовершенном контроле соответствия уровня закладки объему засы­панного материала и другим причинам) работы по заполнению ствола приостанавливаются, технология дальнейшего ведения ликвидационных работ уточняется на основании рекомендаций специализированных орга­низаций (УкрНИМИ, МакНИИ и др.).

Если в процессе заполнения обводненных стволов над закладочным ма­териалом скапливается вода, то при достижении уровнем закладочного мате­риала отметки сооружения полка перекрытия ствола, производят откачку воды и организованное направление ее в очистные сооружения через устье ствола.

При ликвидации шахты с полным затоплением горных выработок под­земными водами устанавливается (определяется) их статический уровень. Если отметка устьев стволов ниже прогнозируемого статического уровня, то в полках предусматриваются трубы для организованного выпуска воды на поверхность.

Во время ведения закладочных работ запрещается нахождение лю­дей в горных выработках ближе 300 м от ликвидируемого ствола. Для это­го все подходы к ликвидируемому стволу со стороны действующих выра­боток заблаговременно перекрываются путем установки (сооружения) глу­хих изолирующих перемычек. Если действующие горные выработки рас­положены на расстоянии менее 300 м от ликвидируемого ствола, подхо­дящие к стволу неиспользуемые выработки должны быть погашены на длине 30-50 м с извлечением крепи и обрушением кровли. Для перепуска воды на погашенном участке по почве выработки прокладывается сталь­ной трубопровод диаметром не менее 100 мм.

Засыпка ствола производится до отметки полка перекрытия ствола, который выполняется с применением тяжелого конструкционного бетона в виде железобетонной плиты (диафрагмы), опирающейся по контуру с по­мощью металлических балок на коренные породы (песчаники, известняки, сланцы) или на крепь ствола, если она обладает достаточной несущей спо­собностью и долговечностью (рис. 4.4). Глубина заделки металлических балок в монтажные гнезда должна быть не менее 200 мм и определяться в зависимости от толщины крепи ствола и состояния коренных пород. Полок предназначен для обеспечения долговременного квазистатического равновесия вышележащих пород и подземных сооружений и должен обеспечи­вать восприятие постоянной равномерно распределенной нагрузки от массы закладочного материала с коэффициентом запасы по нагрузке 2. Полок рас­полагается на глубине коренных пород, но не ближе 10 м от поверхности. В полке закладывается труба диаметром 100 мм дляперепуска воды в ниж­нюю часть ствола. При ликвидации стволов с башенными копрами полки перекрытия располагаются в местах фундаментной плиты копра.

До начала работ по сооружению полка перекрытия временно уста­навливаются: передвижная проходческая установка типа ЛППР-6,3 (с ис­пользованием копрового шкива), вентилятор местного проветривания ВМ-6 с гибким трубопроводом диаметром 600 мм, трубопровод сжатого возду­ха, бетоносмеситель, предохранительной полок, зременная металлическая лестница по стволу для спуска рабочих к мест) сооружения полка пере­крытия и выхода на поверхность. Налаживается двухсторонняя связь между забоев в стволе и поверхности. При наличие в стволе лестничного отделения его часть (выше места установки полка перекрытия) сохраняется и демонтируется перед засыпкой верхней части ствола от полка перекрытия до поверхности.

Лунки разделывают отбойными молотками типа МО-7П. Сжатый воздух - от предвижного компрессора ЗИФ-ВКС-6.Бетон для устройства полка перекрытия спускается с поверхности в бадье или по бетонопроводу диаметром 100мм. При сооружении полкаиспользуется бетоноукладчик КУК-3 Учитывая, что в большинстве своем подземные воды агрессивны к металлам, а по содержанию сульфатов - и к бетоннам, полок перекрытия следует возводить на сульфатостойком цементе. Клаасс бетонна В-12,5.Особое внимание с позиции безопасности работ при сооружении полка перекрытия (настила) с использованием индивидуальных поясов безопасности. Но как показывает практика, исследования и расчеты, в местах заделки плоского полка перекрытия испытывает интенсивные растягивающие напряжения.

При таких параметрах мембраны вертикальные напряжения концентрируются со стороны торцов мембраны и направлены вглубь мас­сива. Горизонтальные напряжения остаются сжимающими, в целом мембрана находится в состоянии сжатия, что способствует ее дли­тельной устойчивости.

Но для реализации положи­тельного действия мембраны необходимы активная ее пригрузка и распор крепи в окрестности заделки мем­браны. Пригрузку можно создать засыпкой мембраны на высоту 20-30 м.

При использовании в качестве полка перекрытия распорной парабо­лической перемычки технология ее возведения (из опыта ликвидации ствола шахты им. Ф.Кона) такова. На расстрелах ствола сооружается опор­ная плита из балок №36, которые заводятся в заранее подготовленные вру­бы глубиной 0,5 м. Для возможной дозасыпки в перемычку по центру ствола устанавливается труба диаметром 219 мм. Труба закрывается за­глушкой. Сверху на балки укладывается опалубка из досок толщиной 20 мм. Опалубка крепится к опорной плите проволокой 4-6 мм. Производится выемка вруба глубиной 0,5 м по периметру ствола высотой 1,75 м. Затем осуществляется насыпка породной подушки (холма) высотой 1,5 м из мел­ких фракций. После уплотнения подушки и придания ее поверхности фор­мы параболоида вращения на породу сверху укладывается строительная сетка. Сетка укладывается сегментами внахлестку, сегменты между собой скрепляются проволокой 4-6 мм. Бетон наносится на поверхность холма с помощью установки для набрызгбетона типа «Монолит», расположенной на поверхности у ствола. В процессе набрызга установку обслуживают два специально обученных рабочих. Укладку бетона производится слоями по 10—20 мм. Набрызг начинается от основания холма и постепенно перехо­дит к вершине. Водоцементное соотношение для качественного покрытия ВЦ=0,4 - 0,5. Цемент марки 300. В качестве добавок - ускорителей схваты­вания и твердения используется жидкое стекло, а заполнителей бетона -песок, дробленый щебень, природный гравий и шлак с максимальными размерами зерен не более 20 мм. Для приготовления смеси цемент, песок и гравий должны быть сухими. Бетонная смесь подается к соплу равномерно без перерывов и пульсаций. Подача воды к соплу осуществляется под дав­лением на 0,1-0,12 МН/м² больше давления воздуха в машине и регулиру­ется специальным вентилем. Шланги и сопло перед началом работы про­дуваются сжатым воздухом.

Контроль состояния стенок (крепи) ствола ниже распорной парабо­лической перемычки может, при необходимости, осуществляться через трубу для дозасыпки основной части ствола при ее усадке с помощью спе­циальных приборов, в частности подземной телекамеры.

Согласно «Правилам...» сооружение полка перекрытия не преду­сматривается в следующих ситуациях:

• при ликвидации стволов глубиной до 60м;

• в стволах, пройденных в наносах (песок, гравий, галечник, глина, суглинок и т.п.) и неустойчивых породах, имеющих распростране­ние на глубину более 25 м от земной поверхности;

• в технологических скважинах большого диаметра (0,5 м и более), закрепленных стальными трубами;

• в стволах, закрепленных деревянной крепью, крепью из штучного строительного материала;

• при ликвидации стволов, имеющих сопряжения с выработками че­тырех и более технологических горизонтов (за исключением случая, когда ликвидация ствола выполняется без полной его засыпки на ос­новании заключения УкрНИМИ и согласия органов Госнадзоро-хрантруда).

Принимаемые в указанных случаях технологические решения долж­ны обеспечивать возможность дозасыпки ствола. Дозасыпка технологиче­ских скважин диаметром 1 м и менее не требуется.

Одновременно с засыпкой ствола и возведением полка перекрытия монтируется стальной газоотводящий трубопровод диаметром» не менее 100 мм с толщиной стенки не менее 4 мм на проектную высоту (рис. 4.6). Нижний перфорированный (20 отверстий диаметром 20 мм на 1м трубы) конец трубопровода длиной 5 м располагается ниже полка перекрытия ствола.

Верхний конец трубопровода высотой 3 м над уровнем поверхности заваривается металлической сеткой с ячейками 0,35x0,35 мм и оборудуется дефлектором. На расстоянии 1 метр от верхнего конца трубы устанавлива­ется огнепреградитель типа ОПС. Для контроля выхода газа, отбора проб газа на трубопроводе на высоте 1,5 м имеется штуцер или закрываемые за­глушками отверстия диаметром 12мм.

Плеть газоотводящего газопровода собирается над стволом методом наращивания с помощью зажимного устройства и по мере наращивания опускается в ствол на глубину установки. Спуск газопровода, как и мате­риалов для сооружения полка перекрытия ствола, осуществляется пере­движной проходческой лебедкой ЛППР-6,3. До окончания засыпки ствола «свеча» газоотводящего трубопровода с помощью временного трубопро­вода отводится от ствола в безопасное место и ограждается. Перед демон­тажем копра газоотводящий трубопровод также отводится в безопасную зону.

Для отвода газа допускается использование имеющихся в стволе тру­бопроводов, если они удовлетворяют изложенным выше требованиям.

По окончании сооружения полка перекрытия ствола и монтажа газо­отводящего трубопровода лестничное отделение выше полка перекрытия (если оно сохранилось) демонтируется, вентиляционный канал перекрыва­ется глухой перемычкой. К этому времени на поверхности разбираются надствольные сооружения (надшахтное здание, копер), настил нулевой площадки. Производится засыпка ствола до верхней части устья. Засыпан­ная порода с целью уменьшения ее усадки в ряде случаев тампонируется глиноцементным раствором. Для этой цели монтируется тампонажно-растворный узел. Возможно получение закладки большой плотности в

процессе ее возведения путем одновременной подачи в ствол рядовой по­роды и материала мелких фракций, например песка (рис. 4.7).

Как было отмечено ранее, во время работы механизмов по засыпке ствола нахождение людей в опасной зоне исключается. Это требование отменяется лишь после засыпки ствола до отметки верхнего полка пере­крытия устья и монтажа газоотводящего трубопровода на проектную вы­соту.

После полной засыпки ствола демонтируется используемое для этого обо­рудование, демонтируется ограждение опасной зоны, сооружается полок перекрытия устья ствола, «свеча» газоотводящего трубопровода устанав­ливается в проектное положение.

На постоянном месте «свеча» газоотводящего трубопровода на поверх­ности ограждается навысоту 2,5 м. Площадка вокруг газоотводящей трубы размером 4x4 м должна иметь твердое покрытие. Ее ограждение на высоту 2 м выполняется из сборных железобетонных конструкций (панелей) без устрой­ства входных проемов. На каждой стороне ограждения газоотводящей трубы ликвидированных вертикальных, крутых, круто наклонных стволов вывеши­ваются металлические щиты (таблички) с предупреждающей надписью: «Внимание!!! Зона постоянного контроля! Применение открытого огня, дви­жение транспорта, прокладка коммуникаций, строительство опасно!».

После выполнения всех этих работ действие зоны газового режима распространяется только на участок земной поверхности внутри огражде­ния газоотводящей трубы.

Полок перекрытия устья ствола (рис. 4.8) выполняется с применени­ем тяжелого конструкционного бетона в виде монолитной железобетонной плиты, опирающейся по контуру, как правило, на крепь ствола или грунт в случае недостаточной несущей способности крепи ствола. Полок обеспе­чивает изоляцию и исключает возможность доступа в ликвидированную выработку, а также служит площадкой для установки долговременных от­личительных знаков реперов, газоотводящих труб.

Рекомендуемая нормативная несущая способность полка от времен­но равномерно распределенной нагрузки не менее 10 кПа. В случаях, пре­дусматривающих дозасьптку ствола, нормативная нагрузка на полок пере­крытия устья ствола принимается не менее 15 кПа.

Для дозасыпки ствола в полке предусматривается люк площадью 0,3-0,5 м², герметически закрывающийся металлической крышкой (рис. 4.9).

Для обеспечения возможности контроля уровня закладки в стволе крышка люка снабжается патрубком диаметром не менее 100 мм с герме­тически завинчивающейся пробкой. Съем крышки при засыпке выполня­ется с использованием расположенных по ее. диагонали двух подъемных петель. С целью исключения случайного (не санкционированного) досту­па к люку проем накрывается тяжелой железобетонной плитой, смещение которой невозможно без применения средств механизации. Элементы люка защищаются от коррозии асфальтовой мастикой.

Одновременно с возведением полков перекрытия устанавливается репер для определения перемещения полков (рис. 4.8). Очерчивается и ограждается потенциально опасная зона. Её радиус определятся в каж­дом конкретном случае, но в средних условия может быть принят рав­ным 20-25 м.

Опасные зоны после ликвидации шахты становятся объектами осо­бого внимания правопреемника.

• Таковы в основе своей технологические схемы и технологии работ по ликвидации вертикальных стволов угольных шахт, принятые в боль­шинстве угледобывающих стран Европы. Однако техногенные аварии и катастрофы в виде внезапных провалов земной поверхности, разрушений зданий и сооружений подобно той, что показана на рис. 4.10, происходят также в большинстве европейских стран и свидетельствуют о том, что эти технологии несовершенны, требуют более глубокого научного анализа, осмысления и на этой основе выработки дополнительных рекомендаций.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

/. Какими нормативными документами пользуются при разра­ботке технических решений по ликвидации горных выработок?

2. Какие условия должны соблюдаться при ликвидации горных выработок?

3. Как осуществляется проветривание шахты в подготови­тельный период?

4. На какие группы подразделяются выработки, имеющие выход на дневную поверхность, по углу наклона?

5. Что включает в себя понятие «ликвидация вертикального ствола»?

6. Всегда ли стволы ликвидируются путей их полной засыпки? В каких условия допускаются отступления от этого правила?

7. Из каких основных частей состоит проект ликвидации верти­кально ствола? Изложите кратко их сущность и содержание.

8. Что представляют собой опасные зоны в районе ликвидации вертикальных стволов?

9. Из каких основных этапов состоит весь технологический цикл ликвидации вертикальных стволов:? Изложите кратко содержание каждого из них.

10. Перечислите и кратко охарактеризуйте элементы техноло­гической схемы ликвидации вертикального ствола.

11. Какие машины и оборудование используется при доставке закладочного материала к стволу и засыпке его в ствол? Требование к ним?

12. Назовите основные меры безопасности при засыпке ствола.

13. Что представляет собой полок перекрытия ствола? Назна­чение, технология возведения? В каких условиях возведение полка не предусматривается.

14. Газоотводящии трубопровод. Назначение, характеристики и технология монтажа?

15. Полок перекрытия устья ствола, его назначение, конструктивные и другие характеристики.

4.1.3. Причины техногенных аварий и концепции долговременной устойчивости погашенных стволов

Анализ известных техногенных аварий и катастроф в угледобываю­щих странах Европы (табл. 4.1) показывает, что основными причинами стали: незаполненные или плохо закрытые устья стволов, разрушение под действием горного давления крепи линейных частей стволов при отсутст­вии в них закладки или чрезмерной ее усадке, разрушение перекрытий стволов или опор на спряжениях ствола с выработками околоствольного двора, утечка закладки из ствола в примыкающие к нему выработки.

Дальнейший анализ и некоторые обобщених позволяют заключить, что в общем и целом аварии были предопределены чрезмерным (выше до­пустимого) горным давлением на крепь ствола ее стороны окружающих его пород, недостаточной в конкретных условиях сопротивляемостью кре­пи ствола, низким качеством закладки, нарушением устойчивости опорных сооружений в стволе и стабильности собственно устьев стволов. При этом влияющие факторы проявляются раздельно или в различных сочетаниях, но все они безусловно взаимосвязаны и во многом взаимообусловлены. То есть вырисовывается некая геомеханическая система (ГС), которую можно представить в виде взаимовлияющих элементов, в конечном счете, опреде­ляющих устойчивость погашенного (ликвидированного) вертикального ствола (рис. 4.11).

В данном случае под геомеханической системой «ликвидированный вертикальный ствол» следует понимать совокупность элементов ее со­ставляющих: вмещающие ствол породы - крепь сгвола - закладка - опор­ные сооружения в стволе и на спряжениях с горизонтальными выработка­ми - устье ствола, объединенных временным и пространственным взаимо­действием и взаимовлиянием.

Под долговременной устойчивостью погашенных стволов, обеспечи­вающей технологическую и экологическую безопасность (устойчивость земной поверхности в районе ликвидированных ств:люв), следует понимать

такое состояние геомеханической системы, когда все ее элементы будут уравновешены и это равновесие не нарушится даже при изменении гидро­геологической и сейсмической ситуации. Эта концепция долговременной устойчивости ликвидированных стволов рассматривает систему взаимосвя­занных элементов, в которой любой отдельно выделенный элемент нельзя рассматривать и анализировать его влияние в отрыве от иных. Другое дело, что роль и сила влияния каждого элемента могут быть различными в кон­кретных условиях, однако качественные и количественные связи между ни­ми существуют объективно.

Имеются и другие концептуальные подходы к проблеме долговре­менной устойчивости погашенных стволов, когда каждый элемент изуча­ется хоть и в увязке с другими элементами, но вне единой геомеханиче­ской системы. Здесь речь идет о поиске лучших и даже в какой то мере oптимальных параметров каждого отдельного элемента и на этой основе дос­тижения максимально возможного срока устойчивого состояния ствола (с момента его ликвидации до провала поверхности). Но такое представление о долговременной устойчивости ликвидированного ствола вполне кор­ректно лишь при условии, что погашенный (законсервированный) ствол

через какой-то наперед заданный промежуток времени либо подлежит окончательной ликвидации, либо заново будет использован по своему прямому назначению, или, например, в качестве хранилище.

Как свидетельствует практика эти варианты скорее исключение, чем правило, хотя в определенных условиях могут быть оправданы.

В предлагаемой же редакции речь идет о полной и окончательной ликвидации стволов закрываемых шахт. В связи с этим концепция долго­временной устойчивости погашенного ствола на основе единой геомеха­нической системы, когда ее элементы уравновешены и образуют единый массив близкий к природному, представляется более привлекательной как с теоретической так и практической точек зрения.

Из представленной схемы (рис. 4.11) видно, что все элементы геомеханической системы оказывают прямое влияние на ее устойчивость.

По числу взаимовлияющих связей лидирующее место занимает устье ствола (4 связи), по 3 связи имеют опорные сооружения, крепь ствола и за­кладка. Это позволяет в определенной степени судить об «ответственности» соответствующего элемента за судьбу системы, ее устойчивость.

С позиции влияния на устойчивость геомеханической системы целе­сообразно рассматривать как единое целое - закладочный массив, состоя­щий из закладки и опорных сооружений. В этом случае, как следует из приведенной схемы (и практика тому подтверждение), его роль значитель­но возрастает.

Прямые и обратные связи, существующие между отдельными эле­ментами системы (крепь ствола - закладка, закладка - опорные сооруже­ния), потенциально позволяют находить альтернативные решения путем усиления одного элемента при ослаблении другого.

Кроме прямых (односторонних и двухсторонних) связей между влияющими факторами следует обращать внимание на возможное появле­ние связей опосредованного влияния, например окружающих ствол пород на закладку.

Решение проблемы долговременной устойчивости вертикальных стволов, а, следовательно, и поверхности возможно только на основе ис­пользования системного подхода к решению комплекса вопросов, связан­ных с конкретным влиянием каждого элемента как во времени так и в про­странстве.

Поэтому необходимо должным образом изучить конкретные свой­ства каждого элемента геомеханической системы, установить их качест­венные и количественные характеристики, параметры, более глубоко понять и уяснить взаимосвязи элементов, поскольку они оказывают ре­шающие влияние при проектировании технологических схем ликвида­ции вертикальных стволов, а также на планирование ликвидационных работ в целом.

Чрезвычайно важно и то обстоятельство, что исследование элемен­тов системы позволяет определить возможности изменения их характери­стик путем принятия и реализации соответствующих технико-технологических и организационных решений.

Критерием при выборе параметров всей геомеханической системы является обеспечение равновесного силового взаимодействия ее элемен­тов. В таких условиях наиболее целесообразно использовать моделирова­ние и оценку отдельных подсистем с последующей интеграцией в них но­вых элементов: «вмещающие породы - крепь ствола», «вмещающие поро­ды - крепь ствола - закладка», затем с учетом опор в стволе и на сопряже­ниях с горизонтальными выработками и т.д., что в конечном итоге позво­лит сконструировать технологическую схему ликвидации ствола при оп­тимальных параметрах элементов геомеханической системы..

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите основные принципы техногенных аварий в районе по­гашенных вертикальных стволов.

2. Что дает основание говорить об объективном существовании ГС «погашенный вертикальный ствол»?

3. Назовите основные элементы ГС «погашенный вертикальный ствол», изобразите их взаимосвязи.

4. Что следует понимать под долговременной устойчивостью ликвидированного ствола? В чем принципиальное отличие это­го понимания от других концепций долговременной устойчиво­сти погашенного ствола?

4.1.4. Окружающие ствол породы - крепь ствола

Равновесное состояние этой подсистемы зависит от соотношения сил давления окружающих ствол пород и несущей способности (сопротивляемости) крепи. И пока горное давление не превышает сопротивляемость крепи, ствол находится в устойчивом состоянии.

Но это общая постановка вопроса об устойчивости ствола, которая закладывается на стадиях его проектирования и сооружения в конкретных горно-геологических условиях. В период эксплуатации ствола осуществляется постоянный контроль за состоянием его крепи, при необходимости производится ее ремонт, усиление, частичная замена и др.

Известно, что величина горного давления на крепь главным образом зависит от физико-механических характеристик окружающих ствол пород. Чем слабее породы, тем больше давление. Прочностные же характеристи­ки пород зависят не только от литологического состава, но и от обводненности пород. Поэтому на этапе строительства стволаи его эксплуатации принимаются меры по упрочнению слабых слоев пород, гидроизоляции отдельных участков ствола и т. п.

После же ликвидации ствола описанные выше мероприятия по со­хранению его устойчивости практически исключаются. Происходит посте­пенное разрушение крепи ствола под действием давления окружающих ствол горных пород, напорных и безнапорных подземных вод, других при­родных процессов, а также естественное разрушение крепи вследствие ее «старения» (эрозия, коррозия бетона, выщелачивание и др.).

Таким образом, с достаточной уверенностью можно утверждать, что в условиях крепких монолитных слабо обводненных пород устойчивость ствола определяется временем несущей способности крепи до ее естест­венного разрушения, а в слабых обводненных породах разрушение крепи ускоряется за счет роста на нее горного давления, то есть время устойчиво­го состояния подсистемы «окружающие ствол породы - крепь ствола» (в дальнейшем «порода - крепь») определяется прежде всего скоростью «старения» крепи и характером изменения горного давления во времени.

Однако это главным образом качественная характеристика происхо­дящих процессов. На деле давление на крепь изменяется во времени не­равномерно и зависит от многих факторов (неоднородности физико-механических свойств пород, способа проходки ствола, гидрогеологии) и носит неопределенный характер.

Потеря или снижение несущей способности крепи ствола также не поддается точной количественной оценке в связи с тем, что крепь одного и того же ствола возводилась в различных конструктивных вариантах, из не­однородных материалов, в разных вмещающих погодах, в местах с различ­ными гидрологическими условиями. Процессы фильтрации, инфильтрации, выщелачивания, биохимические и другие также труднопрогнозируемы.

Складывается некая неопределенно-вероятностная система, состоя­ние которой можно прогнозировать только с определенным риском. По­этому для объяснения потери устойчивости ствола принята подтвержден­ная практикой, логически понятная и физически объяснимая гипотеза: не­сущая способность крепи (К) снижается во временя (t) вследствие ее «ста­рения» и, в конечном счете, крепь разрушается без внешнего воздействия, а давление окружающих ствол пород (П) на крепь ствола увеличивается или в определенных условиях стабилизируется.

Однако, как было сказано ранее, разрушение крепи может произойти и без влияния потного давления, а в силу ее «старения», т.е. в силу того. что после ликвицации ствола происходит непрерывное снижение несущей способности крепи вплоть до ее естественного разрушения.

И эта закономерность может быть представлена в виде экспонентального распределения (рис. 4.12).

Линию развития тенденции (тренда) 2 можно представить в виде экспоненты

где Кн - начальная несущая способность крепи ствола (на момент окон­чания его эксплуатации). Определяется опытным путем;

β, — коэффициент временной интенсивности снижения несущей спо­собности крепи, численно равен tg<p.

Величина φ определяется по результатам периодической диагности­ки состояния крепи ствола в различные периоды его эксплуатации (глав­ным образом перед ремонтными работами) и на заключительном этапе пе­ред его ликвидацией. Экспериментальные данные по диагностике coстояния бетонной крепи стволов позволяют заключить, что в первом приближении tg φ =0,016.

Рост горного давления на крепь зависит от деформируемости окру­жающего ствол массива, которая происходит даже при постоянных напря­жениях в связи с угеличением зоны разрушения пород. А так как напряжения в массиве пород, непосредственно контактирующих с крепью ствола, пропорциональны скорости его деформации, то рост нагрузки на крепь бу­дет подчиняться этому же закону, т.е.

(4.3)

где ПН - начальное давление окружающих ствол пород. Определяется экспериментально.

β_п - коэффициент временной интенсивности роста горного давления. В первом приближении

β_п = Ε/η. (4.4)

Коэффициент η называется коэффициентом динамической вязкости. Чем больше η, меньше скорость деформации при постоянных напряжениях (более крепкие породы), тем медленнее растет нагрузка на крепь ствола. В гаком смысле геомеханическую подсистему «порода-крепь» можно счи­тать реологической, когда напряженно деформированное ее состояние из­меняется во времени.

Значения Ε, η и β_п приведены в таблице 4.2

В соответствии с принятой рабочей гипотезой временное развитие тенденции изменения несущей способности крепи ствола и изменения гор­ного давления на крепь представим следующим образом (рис. 4.13). На графике можно выделить три области состояния подсистемы «порода -крепь». Первая К - Π > 0 - система устойчива, разрушения крепи не про­исходит. Вторая К - Π < 0 - крепь будет разрушаться под действием гор­ного давления. Третья, где даже при формальном К - Π >0 (при отсутствии горного давления) произойдет естественное разрушение крепи в силу ее «старения» (К_кр).

Таким образом, разрушение крепи ствола может происходить на ак­тивных стадиях роста горного давления и снижения несущей способности

крепи (точка А), это, во-первых, во-вторых, когда давление горных пород возрастает, стабилизируется и «поджидает» момент снижения несущей способности крепи до определенного уровня (точка Б), и, в-третьих - разрушение крепи ствола происходит без участия горного давления за счет «старения» крепи и взаимодействия с окружающей средой (точка В).

Из уравнений (4.2 и 4.3) можно найти время нарушения устойчивого равновесия подсистемы «порода-крепь» под влиянием горного давления и снижения несущей способности крепи ствола в соответствии с временными тенденциями изменения К и П.

Расчеты показывают, что в идеальных усредненных условиях, когда крепь ствола сохраняет (не меняет) свою несущую способность, ствол (участки ствола) при соотношении Кц/П, -10 сохраняет свою устойчи­вость: в песчаниках - в течение 250 лет, в алевролитах - 200 лет, в аргил­литах - 150 лет. В условиях же «старения» крепи (наиболее характерная ситуация) эти величины будут равны 100, 80, и 70 годам соответственно.

Полученные расчетные данные следует рассматривать лишь как ори­ентировочные, максимально возможные, поскольку значения всех входя­щие в формулу (4.5) параметров по объективным причинам имеют сравни­тельно невысокую достоверность. Кроме того характеристики одних и тех

же по литологическому составу пересекаемых стволом пород, а также материала крепи по глубине ствола меняются в значительном диапазоне.

Следует заметить, что существуют и другие методики определения времени устойчивости подсистемы «порода- крепь», но все они сложны, а получаемые результаты вряд ли более достоверны.

Итак, достижение стабильности подсистемы «порода-крепь» и на этой основе долговременной устойчивости ствола может идти по двум направлениям: снижение горного давления окружающих ствол пород и повышение несущей способности крепи ствола.

Первое направление менее перспективно. Совершенно очевидно, что на окружающие ствол породы повлиять трудно. Их упрочнение или мало эффективно, или слишком трудоемко и дорого. Обводненность же пород, что при «мокром» способе закрытия шахт случается непременно, сказывается серьезно: уменьшается крепость, снижается устойчивость, увеличивается давление на крепь.

Второе направление имеет более широкие возможности, но здесь временные ограничения весьма существенны. Крепь ствола можно усилить после ее диагностики перед ликвидацией ствола.

В настоящее время методы диагностики достаточно совершенны, а способы усиления крепи сравнительно эффективны. В частности методом электрометрии возможна оценка состояния приконтурной зоны породного массива, качества различных видов крепи, качественного распределения напряжений на сопряжениях ствола с горизонтальными выработками. Этот метод позволяет оценить не только асимметрию формирования зоны неупругих деформаций, но и косвенно определить неравномерность распределения нагрузок на крепь ствола со стороны перемещающегося массива. С использованием метода регистрации естественного электромагнитного излучения материала, находящегося в напряженном состоянии, возможно бесконтактное выявление наиболее напряженных участков поверхности ствола.

При использовании виброакустического метода возможна оперативная оценка степени механического контакта крепи окружающим массивом.

В качестве мер, направленных на стабилизацию подсистемы «порода-крепь» в конкретных условиях, используются ремонтно-профилактические работы, работы по усилению сопряжений, ремонт и замена крепи; цементация, бетонизация или битумизация закрепного пространства, заделка швов крепи и др.

Обследование стволов показало, что нарушение крепи чаще всего происходит на участках пересечения стволом прослойков и слоев глинистых сланцев, когда они залегают между мощными слоями более крепких пород. Особо опасными являются узлы сопряжений стволов с примыкающими выработками. Там напряжения вдвое больше, чем на обычных (протяженных, линейных участках ствола, так как под влиянием ствола крепь сопряжений испытывает повышенное давление пород. Кроме того, нарушение крепи горизонтальной выработки на участке сопряжения, как правило, влечет за собак нарушение крепи ствола. И уж особую опасность в отношении нарушения подсистемы «порода-крепь» представляют устья стволов, расположенные в большинстве своем в слабых и сильно обводненных породах.

Понимание и учет сказанного позволяет принимать обоснованные инженерные решения лри подготовке стволов к ликвидации.

Однако вышеизложенное свидетельствует и о том, что обеспечить абсолютную надежность подсистемы «порода-крепь» невозможно ни с теоретической, ни с тактической точек зрения. Раньше или позже наступит такой момент, когда эта подсистема неизбежно выйдет из равновесия, а это повлечет за собой нарушение устойчивости всей геомехапнической системы «погашенный вертикальный ствол», что в итоге приведет к провалу земной поверхности в его окрестностях.

Повысить же вероятность достижения долговременной устойчивости погашенного вертикального ствола во многом по большому счету может закладка, создающая стпор крепи и уравновешивающая силовое взаимодействие «порода - крепь».

А поскольку загладка является не только важнейшим элементом, определяющим устойчивость геомеханической системы

«ликвидированный вертикальный ствол», но и, как никакой другой, поддается учету, расчету, инженерно-техническому регулированию, оптимизации и экономической оценке, то она и подлежит более углубленному рассмотрению.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ /. От чего зависит равновесное состояние подсистемы «окружающие ствол породы - крепь ствола»? Какие факторы оказывают на это влияние?

2. Назовите основные причины роста горного давления на крепь ствола и потери ее несущей способности.

3. Какая рабочая гипотеза принята для объяснения потери устойчивости системы «порода-крепь»?

4. Как представляется временное развитие тенденций изменения несущей способности крепи ствола и изменения горного давления на крепь в соответствии с принятой рабочей гипотезой?

5. Назовите и охарактеризуйте основные направления повышения стабильности подсистемы «порода-крепь». Какие практические меры позволяют это осуществить?

4.1.5 Закладка и ее роль в достижении стабильности геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол»

Как было отмечено ранее, «Правила безопасности в угольных шахтах» при ликвидации вертикального ствола требуют полного его заполнения (засыпки) негорючим, неразмокаемым, нерастворимым и нетоксичным материалом. Материал, которым заполняется ствол, получил название закладочного, а размещенный в стволе - закладки.

По своему агрегатному состоянию различают закладку сыпучую и твердеющую, а по гидрологическим условиям ее нахождения в стволе -сухую и обводненную. Все виды закладок имеют свои особенности, рабочие характеристики, которые следует учитывать при оценке степени их влияния на уровень стабильности геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол».

Закладка в стволе, и это ее главная задача, призвана максимально усилить подсистему «порода-крепь» за счет бокового отпора крепи, повысить сопротивляемость крепи горному давлению со стороны окружающих ствол пород.

И эту функцию закладка может выполнить лишь при условии, что она будет обладать нужными качествами, которые зависят прежде всего от характеристик закладочного материала и технологии закладочных работ.

Важнейшими характеристиками и свойствами закладочного материала являются: минеральный состав, механическая прочность, структура (кусковатость, форма частиц, фракционность - гранулометрический состав), величина сцепления частиц - сопротивление сдвигу, связность, компрессионные свойства, величины сил внешнего и внутреннего трения; деформационные характеристики, другие физико-механические свойства, которые в основном определяют плотность, кусковатость и, в конце концов, усадку закладки.

Усадка же закладки определяет величину обнажения крепи ствола, возможное ее разрушение с последующими деформациями ствола и окружающих его пород вплоть до земной поверхности.

Именно вид закладочного материала, прежде всего, определяет основные характеристики закладки и поэтому требует более детального рассмотрения.

В практике ликвидации вертикальных стволов в качестве закладочного материала широко используется карбоновые горные породы. В большинстве своем ориентируются на породы из рядом расположенных шахтных отвалов. И если всесторонний лабораторный анализ этих пород не подтверждает возможных ограничений (горючесть, способность к образованию вредных испарений и токсичных веществ при выщелачивании в условиях затопления (обводнения) ствола, в том числе высокоминерализиро-ванными, афессивными шахтными водами), то эта порода и используется для засыпки стволов.

Оценивая ситуацию в Украине, следует отметить, что и на ближайшую перспективу в качестве закладочного материала будут использоваться породы отвалов угольных шахт. Закладка из этих пород обладает достаточно хорошей водо- и газопропускной способностью. Сухой закладочный материал породных отвалов имеет еще одно положительное свойство -при падении дробиться и самоуплотнятся. Большая привлекательность использования этого закладочного материала объясняется и незначительным удалением его запасов от ликвидируемых стволов, сравнительно малой стоимостью. Кроме того «разборка» породных отвалов улучшает экологическую ситуацию в районе их размещения.

В тоже время следует иметь ввиду, что для пород отвалов характерно присутствие в них большого количества тонкодисперсных глинистых частиц. А это значит, что при значительном обводнении, при наличии фильтрации и инфильтрации воды в стволе они склонны к размоканию и вытеканию в сопрягающиеся со стволом выработки.

В практике ликвидации стволов используются и материала карьеров -щебень, песок, гравий, а также быстроохлажденые металлургические шла ки, которые обладают высокой механической прочностью, узкофракцион-ностью, неразмокаемостью, малой усадкой. Но они дороги.

Диспергированный материал - золы и шлаки электростанций, доменные шлаки, отходы цементных заводов и'др. - однородны по гранулометрическому составу, способны при определенных условиях переходить в твердое агрегатное состояние и «связать» более крупные частицы, но в тоже время и образовывать суспензию, способную вытекать из ствола в примыкающие к нему выработки.

Вышеназванные материалы представляют собой дискретные с определенными формами и размерами физические тела, которые могут, в большей или меньшей мере, претерпевать изменения под воздействием внешних сил - механических, гидродинамических, горного давления, а также физико-химических процессов.

Важнейшими рабочими характеристиками сыпучего закладочного материала является его гранулометрический состав (размеры частиц) и форма частиц. И та и другая характеристики оказывают существенное влияние на процесс укладки материала, который определяет плотность закладки и, в конечном счете, скорость и величину ее усадки в фракционном составе материала плотность закладки становится максимальной, а пустотность - минимальной (рис. 4.14). Из рисунка следует, что при наличии в закладке только крупных (например, более 80 мм в поперечнике) фракций ее пустотность может

достигнуть 20-25%. А это значит, что с течением некоторого времени усадка закладки в стволе глубиной, к примеру 500 м может в принципе достигнуть 100м и более. На этом участке превзойдет обнажение крепи, что серьезно ослабит подсистему «порода - крепь. Но не следует ориентироваться и на закладку, состоящую исключительно из мелких фракций. Во-первых, получение мелкофракционного состава требует значительных средств на дробление закладочного материала. А, во-вторых, и это может оказаться самым существенным, мелкие фракции в большей степени, чем крупные размокают, частично растворяются, выщелачиваются, усиливая нередко при этом агрессивность водной среды, а затем либо вытекают из ствола, либо образуют непроницаемый массив для воды и газа. Следовательно, речь должна идти об оптимальном фракционном составе в конкретных условиях.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что наиболее оптимальным гранулометрическим составом закладочного материала, подготовленного на поверхности, являются смеси, содержащие примерно 40% кусков с диаметром 250...80 мм, 200 — с диаметром 0...30 мм, 15%-30... 15 мм и 25% - с диаметром менее 15 см.

Английскими предписаниями на основании опробованных исследований регламентируется такой состав подготовленной на поверхности смеси: 250..20 мм >80%, 20 мм и менее <20%. При этом фракция до 1 мм не

должна превышать 5 %. Чешские исследователи считают, что плотность закладки будет максимальной, если состав фракции 250...80 мм занимает 74%, 80..50 мм - 7%. менее 50 мм - 19%. Ситовый анализ пород отвалов шахт Донбасса покизывает, что гранулометрический состав многих из них близок к оптимальному и может быть приемлем для засыпки стволов при условии дополнительного дробления на мелкие фракции кусков пород с поперечными размерамий более 180 мм (примерно 15% объема).

Надо иметь в виду, что гранулометрический состав закладки в стволе отличается от подгодхаленного на поверхности. При засыпке ствола кинетическая энергия падающего закладочного материала переходит в потенциальную энергию деформации (процесс дробления, уплотнения) особенно на контакте с жесткой опорой. В результате падения материала в ствол количество крупных фракций (более 25 мм) уменьшается в среднем на 10%, на эту же величину возрастает процентное содержание более мелких фракций. С ростом высоты столба закладки влияние кинетической энергии падающего материала на нижележащие слои закладки уменьшается вследствие появления эффекта «подпружинивания», вязкости и пластичности. Понятно, что степень дробления и уплотнения закладочного материала, а, следовательно, плотность и пористость закладки, зависит от физико-механических свойств материала, крупности кусков и высоты их падения в ствол.

Состояние закладки в стволе можно характеризировать двумя основными временными периодами: во время засыпки и после ликвидации (засыпки) ствола. В первом периоде проявляются динамические нагрузки на закладку в результате самого процесса свободного падения материала. Во втором - закладка населится в статическом состоянии, приобретает как бы свойства вязко-пластического материала с определенными вертикальными и горизонтальными составляющими давления по всей глубине ствола.

Характеристика закладки, определяющая степень ее уплотнения по отношению к плотности подготовленного на поверх