Расчёт крепи шахтных стволов

Обрушится ствол шахты или нет, во многом зависит от правильного расчёта и выбранного типа крепи. Эффективное управление состоянием пород подразумевает минимальное воздействие на горный массив.

Что следует применять при проектировании охранной конструкции — точный анализ или творческую смекалку? Об этом мы поговорили с генеральным директором ООО «Горные системы и технологии» Никитой Орловым.

— Некоторые эксперты считают, что при расчёте крепи нужно отходить от шаблонных решений, а творчески анализировать ситуации, и принимать нестандартные решения. Разделяете ли вы эту точку зрения и почему?

— Да, разделяем. Подход к проектированию и возведению крепей стволов шахт должен учитывать и глобальные, и локальные свойства горных пород. Это залог долгой и надёжной службы крепей.

— Какие существуют методы расчёта крепи, которые учитывают эти свойства?

— Существуют аналитический и численный методы. Первый базируется на эмпирике процесса проявления и распределения горного давления с учётом особенностей места заложения ствола, свойств и нарушенности горных пород по его длине и глубине.

Численный же метод основан на законах механики сплошной среды и даёт общее представление о нагруженности крепи. На наш взгляд, целесообразно на первом этапе провести расчёт крепи численными методами. Затем на основе геологической и эксплуатационной разведки свойств горных пород, учитывая опыт эксплуатации крепей в различных условиях, внести коррективы в расчёт крепи на отдельных участках ствола.

— Как можно уменьшить воздействие на горный массив?

— Комбайновый способ проходки стволов не воздействует динамически на массив горных пород, в отличие от буровзрывного. Он предпочтительней, если его применение допустимо по свойствам горных пород.

Что касается буровзрывного способа, он характеризуется развитием трещиноватости в обнажаемых горных породах и, как следствие, увеличением давления на крепь.

Для снижения воздействия взрывных работ на развитие трещиноватости следует уменьшить расход взрывчатых веществ и повысить коэффициент использования шпура.

И то, и другое приведёт к уменьшению количества циклов буровзрывных работ.

— Можно ли избежать ошибки в расчётах с учётом того, что на-бор прочности бетонной смеси происходит в призабойном пространстве во время перераспределения горного давления и интенсивного смещения породных стенок?

— Ошибки в расчётах можно избежать, если учитывать смещение или деформации с развитием трещиноватости породы с момента её обнажения до возведения постоянной крепи.

При возведении постоянных крепей следует применять бетоны с ускорителями схватывания и набора прочности.

Для этих целей хорошо подходят армированные торкретбетоны: в качестве временной крепи при проведении вертикальных стволов, в качестве постоянной крепи  — для наклонных. Возведение торкреткрепи можно включать в проходческий цикл как при комбайновой, так и буровзрывной проходке. Торкрет специального состава ShotRock за счёт гидродинамических свойств торкретбетона глубоко проникают в трещины горных пород, образуя бетонопородную крепь, до нескольких раз превышающую толщину торкретбетона.

При этом необходимо рассматривать применение специальных типов торкретсмесей, подходящих под конкретные условия ведения работ.

Например, торкретсмеси ShotRock производятся в гидро- и сульфатостойких вариантах, а также с высокой маркой по водонепроницаемости. При возведении тюбинговых или рамных крепей следует применять бетонный тампонаж закрепного пространства: для рамной крепи следует заторкретировать ЖБ затяжки или устанавливать армированную ткань. Закрепное пространство необходимо тампонировать специальными высокопроницаемыми бетонными составами с быстрым схватыванием и набором прочности. Это позволит равномерно нагрузить тюбинги и рамы крепи при твердении состава и будет препятствовать развитию смещений уже в процессе тампонажа за счёт гидростатического давления тампонажного состава.

— Зависит ли выбор укрепления от того, на-сколько разведаны нарушенные участки при проектировании ствола?

— В тех случаях, когда нарушенные участки не были разведаны при проектировании ствола, а выявились при его проходке, необходимо применять смолоинъекционное упрочнение при небольшой величине раскрытия трещин горных пород.

Если же нарушенные участки разведаны заранее, имеют большую протяженность, а раскрытие трещин превышает 0,1 мм, следует применять предварительное упрочнение составами на цементной основе с заранее заданными свойствами. Для этого подходит, например, сухая расширяющаяся смесь для упрочения и гидроизоляции породных массивов StrongRockMass.

Это технологичней, производительней, дешевле и более безопасно с точки зрения санитарно-гигиенического воздействия на организм человека. Для упрочнения трещиноватых пород уже проведённого ствола при раскрытии трещин менее 0,1 мм следует применять смолы, а при раскрытии более 0,1 мм — составы на цементной основе.

— Какие крепи устанавливают как постоянные, а какие — как временные?

— Деревянная крепь может применяться в качестве временной. Постоянная деревянная крепь в стволах запрещена правилами безопасности. Сталеполимерные или железобетонные штанги ЖБШ (анкера), закреплённые минеральными ампулами для крепления анкеров МСС с подхватами (верхняками) в качестве постоянной крепи может использоваться только на наклонных стволах. При проведении вертикальных стволов сталеполимерные или железобетонные штанги можно применять только в качестве временной крепи.

— Как правильно рассчитать крепь с учётом нагрузки?

— Бетонная крепь хорошо работает в условиях равномерного нагружения. Если же в крепи возникают изгибающие или срезывающие нагрузки, следует применять железобетонные крепи.

Беседовала: Надежда Гесс