Причины деформаций крепи вертикальных стволов и методы их предотвращения
Проблема сохранения устойчивости крепи вертикальных стволов становится определяющей при отработке глубоких горизонтов и ведении очистных работ вблизи охранных целиков. Анализ деформаций на действующих рудниках позволяет систематизировать причины нарушений и выработать меры по обеспечению длительной безопасной эксплуатации.
Основные факторы, влияющие на устойчивость крепи
На основе обследований стволов, эксплуатирующихся в различных горно-геологических условиях, выделяются три группы причин, приводящих к разрушению крепи.
Горно-геологические факторы включают превышение расчётных нагрузок от горного давления с увеличением глубины, наличие тектонических нарушений и зон дробления пород, а также реологические процессы в соленосных и глинистых толщах. Неравномерные смещения массива за крепью, вызванные анизотропией свойств пород, и суффозия материала из закрепного пространства при водопритоках дополняют эту группу.
Технологические факторы связаны с ведением очистных работ в предохранительных целиках без учёта фактического напряжённо-деформированного состояния, разупрочнением приконтурного массива буровзрывными работами при углубке и несоответствием фактической толщины и прочности крепи проектным параметрам. Нарушение технологии тампонажа затюбингового пространства и коррозионное разрушение металлических элементов армировки также относятся к этой категории.
Конструктивные факторы проявляются в недостаточной несущей способности крепи для данных условий, ошибках в расчётных схемах, не учитывающих реальное напряжённое состояние, отсутствии компенсационных элементов в зонах тектонических нарушений и неправильном выборе материала крепи для агрессивных сред.
Характерные виды разрушений
Практика эксплуатации глубоких стволов показывает различные формы деформаций:
продольные и поперечные трещины в бетонной крепи с раскрытием до нескольких сантиметров;
сколы бетона и отслоения на участках концентрации напряжений;
смещение тюбингов относительно друг друга с нарушением герметичности стыков;
деформация проводников армировки вследствие конвергенции крепи;
местные разрушения в зонах сопряжений ствола с околоствольными дворами;
вывалы породы при потере контакта «крепь — массив».
Мониторинг состояния крепи
Для своевременного выявления деформаций применяется комплекс инструментальных методов. На стадии строительства контролируются смещения породного контура до возведения крепи, измеряются фактические нагрузки с помощью струнных и тензометрических датчиков, оценивается качество заполнения затюбингового пространства. В период эксплуатации выполняются:
высокоточное нивелирование реперов для выявления вертикальных смещений;
лазерное сканирование внутренней поверхности ствола;
контроль положения проводников армировки;
акустическая диагностика целостности крепи и выявление зон нарушения контакта.
Инженерные решения по повышению устойчивости
Опыт восстановления деформированных стволов позволяет выделить эффективные меры:
применение крепи переменной толщины, рассчитанной на изменение внешних нагрузок по глубине;
усиление крепи на участках тектонических нарушений дополнительными анкерами;
использование химических добавок, повышающих водонепроницаемость и морозостойкость бетона;
устройство деформационных швов в зонах прогнозируемых смещений;
тампонаж закрепного пространства под давлением для восстановления контакта с массивом;
замена деформированных элементов армировки с корректировкой положения проводников.
В соленосных толщах, где реологические процессы протекают наиболее интенсивно, применяются специальные конструкции крепи, допускающие контролируемые деформации без потери несущей способности. В зонах многолетнемёрзлых пород дополнительным фактором разрушения становится оттаивание массива вокруг ствола, что требует термоизоляции и контроля теплового режима.
Обеспечение устойчивости крепи вертикальных стволов требует комплексного подхода: учёта всех природных и технологических факторов при проектировании, внедрения систем геомеханического мониторинга на всех этапах, исключения или строгого ограничения очистных работ в предохранительных целиках, своевременного выполнения ремонтно-восстановительных работ по результатам наблюдений и корректировки проектных решений на основе данных инструментального контроля. Только сочетание качественного проектирования, постоянного мониторинга и оперативного реагирования позволяет обеспечить длительную безаварийную эксплуатацию вертикальных стволов в сложных условиях.