Kniga2

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 показывает, 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 размерами более 180 мм (примерно 15% объема).

Надо иметь в виду, что гранулометрический состав закладки в стволе отличается от подготовленного 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 находится 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 поверхности насыпного материала, а также степень заполнения объема ствола, характеризуется коэффициентами уплотнения Ку и заполнения Кз.

где: ρм и ρз – соответственно плотность закладки и закладочного материала; Vз и Vc – соответственно объемы закладки и заполняемого простран-

ства ствола.

92

В идеале Ку должен приближаться к единице, а Кз – к 100%. Характеризуя закладку в вертикальном стволе, следует отметить еще

одно важное для практики обстоятельство. В процессе засыпки ствола образуется вертикальная слоевая конструкция закладки с различными по высоте компрессионными свойствами. По мере роста столба закладки нижележащие слои все в большей степени переходят в статическое равновесное состояние стабилизации сил трения о стенки ствола и бокового отпора, а закладочный материал приобретает предельные деформационные характеристики.

Противодействие перемещению закладки вдоль плоскости соприкосновения с крепью ствола вызывается силами внешнего трения. Но поскольку коэффициент трения является величиной довольно неопределенной вследствие неопределенности физических условий (влажность, шероховатость стенок и др.) по глубине ствола, то в качестве количественной характеристики сил трения с некоторыми допущениями можно использовать величину внутреннего трения φ, представив крепь ствола и закладку как единую конструкцию.

Опыты сжатия закладочного материала в цилиндрах показывают, что при отсутствии утечки закладки приращение давления на вертикальную площадку (горизонтальное давление Рr) прямо пропорционально давлению на горизонтальную площадку (Рв). Это отношение и называется боковым распором. Коэффициент бокового распора (ω) зависит от петрографического состава и влажности закладочного материала и колеблется в преде-

лах 0,25…0,5.

Таким образом, давление в нижележащих слоях закладки стабилизируется за счет сил ее трения о стенки ствола, внутреннего трения и бокового распора, а сама закладка в статическом состоянии приобретает, как было сказано ранее, как бы свойства вязкопластического материала с определенными силовыми характеристиками давления в вертикальном и горизонтальном направлениях.

С учетом динамической нагрузки падающего материала статическое вертикальное давление может быть рассчитано по формуле

где ρ – плотность материального закладки, кг/м3,

g= 9.8 м/c2,

h– высота столба закладки от его основания, м, R – радиус ствола, м,

μ – коэффициент трения закладки о крепь ствола, ω – коэффициент бокового отпора

93

Из условий равновесия сил установлено, что максимальное значение Рвmax достигается на глубине закладки h около 50 м, а далее оно стабильно, т.е.

При этом надо иметь в виду, что влияние динамической нагрузки падающего материала (кинетическая энергия падения) сказывается на сравнительно небольшую глубину закладки (примерно до 5 м от ее поверхности).

Максимальное горизонтальное давление

Pгmax = ω Pвmax .

Вышеприведенные зависимости и параметры позволяют судить о силовом взаимодействии закладки с крепью ствола, другими сооружениями в стволе и на его сопряжениях с горизонтальными выработками. А это важно при выборе технологических схем и технологий ликвидации вертикальных стволов, обеспечивающих их долговременную устойчивость.

При обводнении закладки удельный вес закладочного материала с учетом подъемной силы воды составляет

где n – пустотность закладки,

ρвg – удельный вес воды, кН/м3; ρвg ≈ 10 кН/м3.

Тогда суммарное максимальное вертикальное давление обводненной закладки будет составлять

94

Все изложенное справедливо, если закладочный материал нерастворим в воде. Если же закладочный материал растворяется в воде, образуя эмульсию (например, зола электростанций), то давление значительно возрастает, в чем нетрудно убедиться на следующем примере.

Пусть вертикальный ствол диаметром 6 м засыпан на глубину 420 м. Закладка впоследствии обводнена. При ρ g = 20 кН/м3; n=0,3; ω=0,25;

μ=0,5; ρ′·g=7 кН/м3.

обводненной закладке. Но даже, если произойдет только частичное растворение закладочного материала, что более вероятно на практике, то и тогда давление закладки будет большим. Поэтому принятый для засыпки ствола материал следует в конкретных гидрогеологических условиях тщательно исследовать на растворимость и выщелачивание.

Как уже отмечалось устойчивость подсистемы «породакрепь» в большой степени предопределяется величиной усадки закладки в стволе. Большая усадка приводит к обнажению крепи, снятию бокового распора, ослаблению подсистемы и ее разрушению.

Поэтому определение величины усадки закладки в конкретных условиях (с учетом влияния основных факторов) – важнейшее условие правильной оценки и прогноза устойчивости погашенного вертикального ствола.

С течением времени под действием собственного веса и внешней нагрузки (веса вышележащей закладки и др.) закладка сжимается, уплотняется. С этой точки зрения закладку с учетом коэффициента динамической вязкости материала можно рассматривать как реологическую модель. Процесс усадки закладки будет затухающим, т.е. относительная деформация столба закладки (ε) во времени стабилизируется

А в таком массиве скорость относительной деформации пропорциональна напряжениям

95

где σh – напряжение на данной глубине закладки,

η – коэффициент динамической вязкости закладочного материала, МПа·год.

Так как

усадки закладки высотой h за время t может быть определена по формуле

где E– модуль общей деформации закладочного материала, МПа. Другие обозначения прежние.

Характеристики сыпучих материалов, используемых для засыпки стволов, приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3. Основные характеристики сыпучих закладочных материалов

* меньшее значение φ принимается для обводненной закладки, большее – для сухой.

Следует заметить, что усадка зависит и от величины сцепления частиц – сопротивления сдвигу при соответствующем нормальном давлении. А сцепление обуславливается наличием в закладке связующих веществ (в

96

основном пылевато–глинистых фракций). В практическом плане увеличить плотность закладки и уменьшить величину усадки можно не только за счет добавок пылевато-глинистых и песчаных фракций, но и путем увлажнения материала к примеру раствором NaCl.

Математическое моделирование процесса усадки в стволе с использованием уравнения (4.18) и данных табл. 4.3 показало, что при средних значениях параметров (R=3 м; h=450 м; Е=30 МПа; μ= 0,45; ω = 0,3; η = 25 МПа·год; ρзg = 0,015 МН/м3 и t= 6лет) наибольшее влияние на величину усадки оказывает модуль общей деформации. В меньшей степени величина усадки зависит от удельного веса закладки, коэффициента трения закладки о крепь и активного давления закладки (угла внутреннего трения материала). Коэффициент вязкости на величину усадки реального влияния не оказывает. Из технико-технологических параметров примерно пропорциональное влияние на величину усадки оказывают величина столба закладки и радиус ликвидируемого ствола.

Таким образом, уменьшения усадки закладки в стволе можно достичь за счет использования материала с большим модулем общей деформации, меньшим удельным весом, большими коэффициентами трения закладки о крепь ствола и активного давления закладки, а также путем уменьшения высоты ее столба.

Важно для практики и то обстоятельство, что установленные численные эквиваленты влияющих факторов позволяют производить такой подбор технологических параметров, который позволит наиболее удобным способом достичь желаемого результата. Так снижения на 1 м усадки можно добиться за счет увеличения на 0,2 коэффициента трения закладки о крепь ствола или на 0,11 коэффициента активного давления закладки, или уменьшения на 80 м высоты закладочного столба (путем секционирования ствола), или в результате соответствующей комбинации этих параметров.

Представляют научно-практический интерес и сравнительные величины усадки во времени при использовании различных закладочных материалов. На рис. 4.15 приведены графики зависимостей усадки закладки во времени наиболее распространенных видов шихты породных отвалов угольных шахт. Из рис. 4.15 видно, что время (продолжительность) усадки в обоих случаях (1 и 2) практически не превышает 5 лет, причем более 80% усадки происходит в первые 2 – 2,5 года. Эти показатели экспериментально подтверждены проф. И. Алдорфом (Чехия).

Вышеизложенное позволяет сделать два важных для практики вывода. Первый. Зная состав пород в шахтных отвалах, используемых в качестве закладочного материала, их процентное соотношение, можно прогно-

зировать величину усадки в вертикальном стволе. Состав пород в отвалах, их примерное соотношение можно укрупнено (ориентировочно) определить по объему проведенных и поддерживаемых на шахте различного рода

97

выработок, а более точно путем проведения специальных обследований

Рисунок 4.15. Графики зависимостей величины усадки закладки во времени для различных видов шихты закладочного материала: 1 – по 30% песчаного, глинистого, песчано-глинистого сланцев, 10% – песчаника; 2 – 30% песчано-глинистого сланца, 40% песчаного и 20% глинистого сланцев, 10% – песчаного.

породных отвалов.

Второй. С учетом влияния каждого фактора на величину усадки можно принять такие инженерные решения по формированию шихты закладочного материала, которые позволят получить наперед заданную усадку, обеспечивающую необходимую стабильность подсистемы «поро- да-крепь» как важнейшего средства долговременной устойчивости погашенного вертикального ствола.

Но, непременным условием достижения ожидаемого эффекта является постоянное (непрерывное) соблюдение оптимального состава закладочного материала при его засыпке в ствол. В случае использования при засыпке разных участков ствола материалом какого-то определенного гранулометрического состава (при суммарном оптимальном составе) будет наблюдаться и различная плотность закладки, неравномерность ее усадки как на этих участках, так и по всей глубине ствола, что нежелательно с любой точки зрения. Значит надо не просто подбирать оптимальный состав закладочного материала, а готовить шихту оптимального состава и соблюдать рациональную технологию ее засыпки в ствол.

Все изложенное о закладке, ее свойствах, характеристиках и поведении справедливо для случая, когда ствол представляет изолированную от других выработок систему. В случае же появления условий для утечки за-

98

кладки ее компрессионную характеристику можно представить как незатухающую ползучесть, завершающуюся этапом прогрессирующей ползучести (вытекания), что повлечет за собой разрушение закладки как конструкции, обнажение крепи с вытекающими отсюда последствиями. Это крайнее проявление обводненной закладки.

Но даже если утечка обводненной закладки в примыкающие к стволу выработки не происходит, то и тогда оценка ее свойств и характеристик представляет чрезвычайную сложность, поскольку они меняются постоянно. В заполненном закладкой стволе происходят процессы циркуляции, фильтрации и инфильтрации воды, размокания и растворения материала закладки, выщелачивание его составных частей, идет процесс химических превращений. С глубиной растет гидростатическое давление.

Поскольку названные процессы мало изучены, то речь не может идти об управлении ими, а с практической точки зрения надо ориентироваться на принятие таких инженерных мер (изоляция, должные прочностные параметры опор, перемычек, закладочного материала и др.), которые бы сводили до минимума возможность негативных последствий обводнения.

Вусловиях, когда сыпучая закладка не обеспечивает должной стабильности подсистемы «порода-крепь», применяется твердеющая закладка. Это монолитный материал, набирающий прочность в ликвидируемом стволе с течением времени, имеет лучшие компрессионные характеристики, обеспечивает практически стопроцентную надежность подсистемы «порода-крепь».

Однако хорошо известно, что твердеющая закладка по стоимости ее составляющих, приготовлению и технологии ведения закладочных работ значительно дороже обычной сыпучей. И это обстоятельство нередко априори становится преградой ее рассмотрения и использования при ликвидации вертикальных стволов угольных шахт. А между тем такой подход совершенно не очевиден. Во-первых, в определенных условиях дополнительные, сверх обычных при сыпучей закладке, затраты могут и являться вполне оправданными (например, если прогнозируется утечка сыпучей закладки), а во-вторых, есть реальные апробированные практикой пути удешевления производства твердеющей закладки. Тем более что для различных целей и разных участков ствола требуется закладка с различными прочностными характеристиками, а, следовательно, и различной стоимости.

Основными компонентами твердеющей закладки являются наполнитель, связывающие добавки и вода.

Классическим и на практике идеальным видом твердеющей закладки является бетон на основе портландцементов. Однако он и самый дорогой. Видимо его следует применять только в самых ответственных местах, где другие виды твердеющей закладки не обеспечивают должную надежность.

Вдругих условиях могут применяться твердеющие закладки на основе более дешевых вяжущих материалов: отвальных, доменных, стале-

99

плавильных и топливных шлаков, золы электрофильтров ТЭЦ, отходов цементной промышленности. Эти материалы доступны и сравнительно недороги. Однако затраты на их сортировку, измельчение, магнитную сепарацию, а главное на доставку к месту назначения могут быть значительными и применение этих материалов в качестве вяжущих становится экономически нецелесообразным. Поэтому в каждом конкретном случае необходимы технико-экономические обоснования получения оптимального состава твердеющей закладки с учетом назначения и объемов ее использования. При этом следует заметить, что одним из наиболее сложных моментов, связанных с применением того или иного вида твердеющей закладки, является правильный выбор ее «рецепта», т.е. процентного содержания отдельных компонентов.

Вобщем случае прочностные свойства твердеющей закладки при низковяжущих материалах могут оцениваться по их весовому количеству в смеси в пропорциональном отношении к цементу. Так, 1 кг цемента по равнопрочности закладки эквивалентен 8 кг отвального шлака или 4 кг измельченного шлака первого сорта.

Однако применительно к конкретным условиям и материалам необходимо проведение дополнительных лабораторных исследований. Речь идет о получении закладки с нужными характеристиками при минимальных затратах. Одним из способов снижения стоимости закладки при обеспечении высокой прочности является применение крупнокусковатого заполнителя и отходов металлургических заводов и электростанций. Максимальный размер частиц крупнокусковатого заполнителя не должен превышать 40 мм (закладочный материал подается по трубам). Фракции 20…40 мм составляют 60%, остальные 40% – более мелкие фракции. Такое соотношение обеспечивает максимальные прочностные характеристики твердеющей закладки. Исследования показывают, что предел прочности закладки на сжатие при применении крупнокусковатого заполнителя в 3…4 раза больше, чем без него.

Втаблице 4.4 в качестве примера приведены прочностные характеристики твердеющей закладки при различном количестве вяжущего (отвального шлака), общей массы крупнокусковатого заполнителя и воды.

Таблица 4.4. Соотношение компонентов закладочной смеси и ее

прочностные характеристики.

100

Из таблицы видно, что между содержанием вяжущего и прочностными характеристиками закладки прослеживается четко выраженная количественная связь.

Существенного улучшения реологического состояния твердеющей закладки можно достичь за счет использования пластификаторов (например, глины, 10…15% от массы вяжущего), добавляемых к заполнителю. Пластификаторы повышают текучесть смеси, улучшают заполнение объема ствола, позволяют экономить вяжущие и повышают прочность закладки.

Повысить гидравлическую активность вяжущих веществ в твердеющей закладке, сократить время ее затвердевания и повысить прочность способны некоторые добавки-активизаторы, например, поваренная соль.

Все вышеизложенное позволяет заключить, что правильный выбор закладочного материала для закладки ликвидируемых вертикальных стволов угольных шахт является одновременно научной, технической, экономической, экологической и социальной задачей.

Но выполнить функцию уравновешивающего элемента силового взаимодействия подсистемы «порода-крепь-закладка» (даже при оптимальных параметрах) сможет лишь в том случае, если ее собственное положение в стволе будет стабильным. А это может быть достигнуто в условиях компенсации сил веса столба сухой или обводненной закладки, а также, если будет исключена возможность ее вытекания из ствола в другие выработки.

Вот эту стабильность закладки и призваны обеспечить надежные в конструктивном отношении опоры, перемычки, возводимые на сопряжениях с выработками околоствольного двора, ствольные пробки.

Закладка вместе с опорными сооружениями должна образовывать единый закладочный массив, который объединит и обеспечит незыблемость теперь уже подсистемы «порода-крепь-закладочный массив» и заложит прочную основу долговременной устойчивости всей геомеханической системы «погашенный вертикальный ствол».

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Каково назначение закладки в стволе? Какие виды закладки используются на практике?

2.Какие материалы могут использоваться и используются при закладке стволов?

3.Какие основные характеристики и свойства закладочного материала?

101