4.1.6. Опорные сооружения, их конструкции и параметры

Опорные сооружения предназначены для удержания закладки в стабильном состоянии и подразделяются на три вида: опоры-основания на сопряжениях стволов с горизонтальными выработками, упорные перемычки в примыкающих к стволу горизонтальных выработках, опорные «пробки» в стволе.

Графическое изображение, поясняющее принятые термины представлено на рис. 4.16.

По функциональным признакам к опорным сооружениям относятся и полки перекрытия вертикальных стволов. Но в силу специфики их роли и места в обеспечении устойчивости всей геомеханической системы они будут рассмотрены при изложении способов и средств предотвращения разрушений устьев ликвидированных стволов. Тем более, что полки перекрытия стволов занимают там ведущее положение.

Итак, опоры-основания воспринимают давление вышерасположенного столба закладки и предотвращают возможную ее утечку из ствола в горизонтальные выработки.

Упорные перемычки сооружаются в горизонтальных выработках на границах опоры-основания, служат ее усиливающими элементами, а также препятствуют утечке мелкофракционного состава закладки в случае его фильтрации через опору-основание.

Опорные «пробки» (ствольные опоры) секционируют ствол, снижают давление столба закладки на опору-основание, а также обеспечивают равномерную усадку закладки по высоте ствола, что благоприятно сказывается на его устойчивости.

Опоры-основания сооружаются из сыпучего прочного одномерного крупнофракционного неразмокаемого материала (песчаник, щебень, гравий) и ли из нерастворимых твердеющих материалов, близких по прочности к бетону. Они могут сооружаться на нижних горизонтах и служить основанием закладки всего ствола или возводиться и на промежуточных сопряжениях.

Из анализа проектных решений и опубликованных по этому вопросу работ можно заключить, что в практике используются и предлагаются к использованию главным образом три конструктивных варианта этих опор (рис. 4.17). Все они выполняют роль непросадочного упорного слоя.

В варианте «а» предлагается охрана закладки в стволе от усадки и «растекания» в примыкающие выработки насыпью длиной l из неразмокаемых крупнофракционных материалов.

В варианте «б» используется также насыпной материал того же качества, но с целью уменьшения длины насыпи и предотвращения утечек закладки предлагается установка в горизонтальных выработках упорных перемычек на расстоянии 5-10 м от сопряжения ствола.

Вариант «в» предполагает обеспечение отпора насыпи, помимо установки перемычек, путем принудительного обрушения пород в горизонтальной выработке с использованием, например, БВР.

Более внимательное рассмотрение описанных конструкций опор-оснований позволяет заключить следующее. Поскольку длина насыпки (вариант «а») зависит от многих факторов (свойств и характеристик материала закладки, его обводненности и др.), то она в определенных условиях должна быть значительной. В этом случае технология возведения насыпи усложняется. Сооружению упорных перемычек (вариант «б») следует отдавать предпочтение, если длина насыпи по варианту «а» с технологической точки зрения нецелесообразна или в силу ее проницаемости не эффективна. Вариант же «в», несмотря на свою (на первый взгляд) привлекательность, следует использовать с большой осторожностью. Обрушенные (разрушенные взрывом) породы обладают значительной пустотностью и если взрывом обнажается слой слабых размокаемых пород, то при обводнении возможно их вытекание. А это приведет к разрушению крепи ствола и утечке закладки.

Таким образом, во всех случаях вид (конструкцию) опоры, ее материал следует принимать с учетом конкретных горно-геологических и гидрологических условий, а конструктивные параметры определять соответствующими расчетами.

Расчетная схема для определения геометрических параметров насыпной опоры-основания приведена на рисунке 4.18.

Г оризонтальная сила давления на насыпь определяется из выражения

W = P_r·π·r², (4.19),

P_r = P_в·ω. (4.20)

Силы давления в элементарном сечении горизонтальной выработки можно определить по формуле

W₁ = dP_r·π·r² , (4.21),

a силы трения в этом же сечении

W₂ = P_r·μ·dl·2π·r (4.22)

Следует учитывать и силы реакции от веса закладки в насыпи

W₃ = ρ·g·dl·π·r². (4.23)

Решение системы уравнений в условиях равенства сил давления и сопротивления позволяет определить длину насыпки l, выдерживающую силы горизонтального давления закладки P_r.

. . (4.24)

Длина насыпи зависит от давления, производимого закладкой и водой, свойств и характеристик закладочного материала, размеров выработки. Увеличение влажности закладки потребует увеличения и длины насыпи.

Из формулы (4.24) следует, например, что при глубине ствола 400 м, радиусе горизонтальной выработки 3 м, использовании нерастворимого закладочного материала длина насыщенной водой насыпи l = 17 м. Такая длина насыпи достаточна для удерживания веса столба закладки. Но из практических соображений насыпь должна оканчиваться изолирующей перемычкой, которая бы предотвращала вытекание мелких фракций закладки через опору-основание, сооруженную из сыпучего материала. В этом случае над верхней частью опоры помещается слой водонепроницаемого материала, например, пластичной глины. В особо сложных гидрогеологических условиях могут быть использованы оба способа изоляции одновременно.

Высоту опоры в стволе Н при обводненной закладке следует рассчитать по формуле

, (4.25)

где С – сцепление обводненных пород основания закладки на сопряжении ствола с горизонтальными выработками (С 2000 кН/м²);

S_c – площадь поперечного сечения ствола в свету, м²;

П_с – периметр ствола в свету, м.

Формула (4.25) получена из уравнения равенства сил давления и сопротивления

. (4.26)

При возведении упорных перемычек в примыкающих к стволу выработках они рассчитываются на усилие, равное разности величин горизонтального давления и сопротивления перемещению насыпи. Чем ближе к стволу сооружается перемычка, тем больше должна быть ее прочность.

Сооружение насыпной опоры-основания требует больших объемов специального закладочного материала, а процесс возведения опоры технологически сложен и трудно контролируем, хотя сама опора при качественном выполнении работ достаточно надежна. Как показывают исследования и практика, более технологично сооружение бетонных опор-оснований (рис 4.19).

Д лина опоры в горизонтальной выработке (l_on) определяется по формуле

, (4.27)

где σ_р – характеристика материала опоры на растяжение и сдвиг, кН/м².

Высота опоры-основания (h_on) прочностью не менее прочности окружающих пород, выполненной из твердеющего материала (если бетон, то не менее марки В15), определяется по формуле

, (4.28)

где σ_сж- – предел прочности материала опоры на сжатие, кН/м².

Во избежание чрезмерных нагрузок на опоры-основания (большая глубина ствола, полное его обводнение), больших обнажении крепи вследствие усадки закладки производится секционирование ствола по его глубине путем возведения опорных «пробок» (ствольных опор).

На рис. 4.20 представлены опорные «пробки» различных форм и конструкций, каждая из которых имеет сравнительные достоинства и недостатки, а также условия эффективного применения.

Клиновидная опора «а» является одной из наиболее распространенных, но уступает цилиндрической опоре «б» по надежности и несущей способности (устойчивости), хотя и более проста в возведении. Еще более простая в сооружении цилиндрическая по диаметру ствола опора «в». Но она должна работать в условиях заданных сил трения, а это достаточно неопределенно (возможны обводнение, сейсмика и др.). Эта конструкция является не столько опорной, сколько распорной и ее следует возводить в местах слабой крепи ствола.

Х орошими рабочими характеристиками обладает железобетонная опора «г». Она отличается высокой несущей способностью и устойчивостью, но весьма трудоемка в сооружении. Видимо ее надо использовать в наиболее ответственных местах, например, для перекрытия ствола.

Сводчатая форма опоры «д» наименее затратная по расходу материалов (ее толщина примерно равна 0,2D_с), обладает наибольшей несущей способностью. Но сложна в сооружении, а сравнительно небольшая площадь опоры за пределами ствола требует для своей устойчивости примерно одинаковой по всему периметру прочности пород. А это, как известно, бывает не часто.

Опора «е» может быть использована в качестве основания для закладки на промежуточных горизонтах.

В большинстве случаев в опорах конструктивно предусматриваются отверстия для фильтрации метана.

Общим недостатков описанных форм и конструкций опор является отсутствие конкретных методов расчета их геометрических параметров. Они попросту регламентируются. В большинстве случаев высота опор должна быть равна диаметру ствола, а величина боковой заделки равна 1м. Но эти параметры следует рассматривать как ориентировочные. В конкретных же условиях их следует принимать с учетом предполагаемых нагрузок, прочности крепи ствола, характеристик окружающих ствол пород (прочность, деформации сдвига, среза, смятия) в местах заделки опоры, прочности собственно опоры и др.

Как свидетельствует мировой опыт ликвидации вертикальных стволов, наиболее надежной и технически доступной в осуществлении является конструкция опоры «прямой клин» с углом укоса 80° (рис. 4.21).

У стойчивость клиновой опоры обеспечивается вертикальной реакцией 2, горизонтальными составляющими 3 и силами трения на контакте клина с боковыми породами 4. Величина этих сил возрастает с увеличением вертикальной нагрузки 1 от веса закладки. Такая «пробка» не теряет контакт с боковыми породами даже в случае некоторого ее перекоса и снижения прочностных характеристик самой опоры.

Практика подтверждает, что высоту такой опоры можно определять по формуле (4.28), а глубину заделки по формуле (4.29)

, м, (4.29)

где: В_кр – толщина крепи ствола, м .

Из опыта .

Таким образом, приведенные в этом подразделе сведения об опорных сооружениях позволяют с достаточной обоснованностью выбирать их конструкцию, материалы и параметры для любого вида закладки, что с большой вероятностью обеспечит ее стабильное состояние и в конечном счете долговременную устойчивость ликвидированного ствола. Но это может быть только при одном непременном условии – собственно устье ствола должно быть незыблемым.

А поскольку устье ствола представляет собой в известной мере отдельную, замкнутую и в то же время самую уязвимую подсистему геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол», то оно подлежит особому, специальному и непременно комплексному рассмотрению.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите виды опорных сооружений и кратко охарактеризуйте их назначение.

2. Из каких материалов сооружаются опоры–основания и каковы их конструктивные варианты? Назовите основные параметры опор. Кратко изложите условия примечания различных вариантов опор-оснований.

3. Какие формы и конструкции имеют опорные «пробки» в стволе? Изложите кратко их достоинства, недостатки, условия применения.