Пример выбора технологической схемы строительства ствола и варианта его оснащения:

Учитывая значительную глубину проектируемого ствола (Н=950м) и небольшую среднюю крепость пересекаемых стволом пород (f=4) наиболее целесообразно в этом случае использование совмещенной технологической схемы. Последовательная схема в данных горно-геологических условиях не применяется, а применение параллельно щитовой технологической схемы затруднено незначительной прочностью и трещиноватостью вмещающих ствол пород, что может привести к заклиниванию щита-оболочки и его повреждению.

Строительство башенного копра проектом не предусматривается. Проектируемый вспомогательный ствол служит в основном для целей улучшения проветривания шахты, а также выдачи породы, спуска-подъема людей, оборудования и материалов. Ствол сооружается в районе действующей промышленной площадки. Поэтому для его быстрого оснащения к проходке целесообразно использовать модифицированную схему V, позволяющую значительно сократить время на оснащение ствола до 6 месяцев.

Первоначально ствол проходится с использованием проходческого шахтного копра (выбор копра и подъемной машины приводится в параграфе 8) и передвижной подъемной машины МПП-9, которая позволяет осуществлять проходку ствола до глубины 370 м с погрузкой породы в бадьи емкостью до 3м³. Такая емкость бадей на первом этапе проходки ствола выбрана в связи с его большей площадью поперечного сечения, большим объемом работ по погрузке взорванной породы и применением высокопроизводительного проходческого оборудования (параграф 7).

В это же время на поверхности монтируется постоянная подъемная машина и начиная с глубины 370 м и до конечной глубины ствола 950 м проходка ствола осуществляется с ее помощью. При этом передвижная проходческая машина демонтируется и проходческий копер переоборудуется.

3. Расчет устойчивости пород и нагрузок на крепь, выбор типа и расчет крепи

Устойчивость породного массива, вмещающего вертикальную горную выработку, во многом определяется на стадии проектирования правильным выбором места размещения вертикального ствола. С одной стороны место его размещения должно быть увязано с генеральным планом поверхности и расположением других капитальных и подготовительных выработок с учетом возможности наиболее полного извлечения из недр запасов полезных ископаемых. С другой стороны при его проектировании следует: по возможности избегать пересечения стволом крупных тектонических нарушений и напорных водоносных горизонтов; располагать стволы за пределами площадей залегания полезных ископаемых; обеспечивать возможность размещения околоствольного двора в устойчивых, прочных породах; принимать меры, исключающие или снижающие воздействие на ствол очистных работ, водопонижения и близлежащих выработок.

Выбор типа и расчет параметров крепи вертикального ствола производится дифференцировано для устья, собственно ствола и участков сопряжений в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительства, а также с учетом технологической схемы проходки ствола.

В данной задаче рассматриваются вопросы, связанные с выбором типа и расчетом параметров крепи для протяженной части ствола вне участков сопряжений.

Выбор типа и расчет параметров крепи для ствола производится на основании определения категории устойчивости пород вертикальных выработок в соответствии со СНиП II-94-80 «Подземные горные выработки». Категория устойчивости оценивается величиной эмпирического коэффициента , определяемого по формуле:

(3.1)

- коэфф., учитывающий взвешивающее действие воды. Для участков вне водоносных горизонтов он равен 1, а для водоносных горизонтов определяется по формуле:

(3.2)

- высота толщи пород от почвы водоупора до земной поверхности, (м); для рассматриваемого сечения ;

- высота толщи пород от рассматриваемого сечения в водоносном горизонте до почвы водоупора (кровли водоносного горизонта), (м); максимальная величина равняется m – мощности водоносного горизонта;

, - соответственно удельный вес частиц пород водоносного горизонта и воды (кН\м³), , ;

- коэфф. пористости пород водоносного горизонта,

Н - высота толщи пород от рассматриваемого сечения до поверхности (м);

- давление подземных вод с учетом водопонижения (мПа),

;

- напор водоносного горизонта, м;

- коэфф. влияния времени эксплуатации выработки. Равен 1 для стволов и 0,9 для остальных выработок;

- коэфф. воздействия на ствол других выработок. Равен 1 для участков ствола вне сопряжений;

- коэфф. воздействия на ствол очистных работ, вне зоны влияния равен 1;

- расчетная глубина ствола (рассматриваемого сечения), м;

- расчетное сопротивление пород сжатию (МПа) (в рассматриваемом сечении ствола по его глубине)²;

- коэфф. влияния угла залегания пород (град.), для горизонтально залегающих пород равен 1, в остальных случаях определяется по формуле:

Таблица 3.1. Категории устойчивости вертикальных стволов

Категория устойчивости	Оценка состояния устойчивости пород	С
I	устойчивое	до 3
II	среднеустойчивое	3-6
III	неустойчивое	6-10
IV	очень неустойчивое	более 10

При R≤2 MПа породы относятся к IV категории устойчивости.

В зависимости от полученной категории устойчивости выбирается конструкция крепи вертикальных стволов, рекомендуемая СНиПом к применению. В породах I, II и III категорий устойчивости в стволах с жесткой армировкой для протяженных участков ствола вне зоны влияния очистных работ и водоносных горизонтов применяется монолитная бетонная крепь из бетонов классов В15, В20 и В25.

В породах I категории устойчивости ее толщина принимается без расчета по табл. 3.2.

Таблица 3.2. Толщина монолитной бетонной крепи в породах I категории

Глубина участка ствола, м	Толщина бетонной крепи, мм, при град.
	до 350	свыше 350
до 500	200	250
свыше 500	250	300

Допускается в породах I категории, а при гибкой армировке I и II категорий, а также вентиляционных стволах и шурфах при притоках воды менее 8 м³/час применять набрызгбетонную крепь или комбинированную крепь из анкеров, сетки и набрызгбетона.

В породах I категории устойчивости толщина набрызгбетонной крепи принимается без расчета по табл. 3.3.

Таблица 3.3. Рекомендуемая толщина набрызгбетонной крепи

Глубина участка ствола, м	Толщина н/б крепи d, мм, при град.
	до 350	свыше 350
до 500	80	120
свыше 500	100	150

В остальных случаях толщина набрызгбетонной крепи d_кр устанавливается расчетом. При этом d_кр≥150 мм при глубине ствола Н<500 мм и d_кр≥200 мм при Н≥500 м.

В комбинированной крепи длина анкеров l_а=2 м, а расстояние между анкерами в ряду 0,7 l_а.

В породах IV категории устойчивости и в породах других категорий на участках с напорными водами и на калийных месторождениях применяются тюбинговая крепь, железобетонная многослойная крепь, реже бетонная крепь.

Расчет крепи ствола производится на суммарное действие горизонтальной (радиальной) нагрузки со стороны пород массива , давления остаточного напора подземных вод с учетом технологической и монтажной нагрузок. При отсутствии влияния очистных работ расчетное горизонтальное давление определяется по формуле:

,(кПа) (3.3)

- радиус ствола в свету, м;

n =1,3 - коэфф. перегрузки;

- коэфф. условий работы, принимаемый в зависимости от типа крепи:

набрызгбетонная крепь 0,5

сборная крепь 0,75

монолитная бетонная 0,8

- коэфф. зависящий от угла залегания пород и схемы проходки ствола, определяемый по табл. 3.4.

Таблица 3.4. Значения коэффициента

Угол залегания пород, град.
	последовательная и параллельная схемы проходки	совмещенная схема проходки
до 100	2,00	1,75
100-350	2,50	2,00
более 350	2,75	2,25

- нормативное давление горных пород на крепь (кПа), для IV категории устойчивости определяется по методикам специализированных организаций, а для пород I, II и III категорий по формулам:

При С ≤ 6 , (3.4)

при 10 ≥ С > 6 (3.5)

С - критерий устойчивости

∆ - параметр, учитывающий технологию ведения проходческих работ, при параллельной и последовательной схемах равняется 0, при совмещенной зависит от категории устойчивости: I и II равняется 2, III равняется 3.

Давление подземных вод (кПа) на крепь ствола в коренных породах определяется по формуле:

, (3.6)

при этом, если <4 то =0, а если >100 то =

n =1,1- коэфф. перегрузки;

- естественный или сниженный общим водопонижением напор в данном водоносном горизонте (м), определяемый по результатам гидрогеологических исследований;

- 10 кН/м³ - удельный вес воды;

- коэфф. фильтрации крепи, для бетонной равен 0,00158 м/сутки;

- коэфф. фильтрации породы;

- радиус ствола в свету, м;

- радиус ствола в проходке, м (предварительно принимаем = +0,25 м);

- - радиус влияния дренажа выработки ≈ 500 м;

а - коэфф. пьезопроводности водоносного горизонта (м²/сутки) зависит от коэфф. фильтрации, пористости горных пород, модулей упругости породы и бетона;

t - время от начала дренирования (сутки). Рекомендуется принимать 2 месяца (60 суток).

При расчете горизонтального давления обводненных пород в формуле (3.3) вместо коэффициента принимается коэффициент :

, (3.7)

Остаточный водоприток в ствол в результате фильтрации воды через крепь определяется по формуле м³/сутки:

(3.8)

W - фильтрационный расход воды на единицу длины ствола (м²/сутки) без тампонажа пород;

m - мощность водоносного горизонта (м).

Все остальные обозначения приведены ранее.

Расчет толщины монолитной бетонной и набрызг-бетонной крепей вертикального ствола производится по формуле:

(3.9)

=1,25 - коэфф. условий работы крепи;

- радиус ствола в свету, мм;

- соответственно коэфф. учитывающие длительную нагрузку, условия для нарастания прочности, температурные колебания, принимаемые в соответствии с главой СНиП 52-01-2003 по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, , ;

- расчетное сопротивление бетона сжатию (МПа), для бетона класса В15 =8,5 МПа; В20 =11,5 МПа, В25 =14,5 МПа;

- коэфф. концентрации напряжений в конструкции крепи; =1 для протяженных участков ствола;

Р - суммарное (от горного давления и давления подземных вод) горизонтальное давление на крепь ствола (в тех же единицах размерности, что и расчетное сопротивление бетона сжатию);

- толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы: для набрызгбетона =50 мм, для остальных крепей принимается равной нулю.

Полученная расчетом толщина крепи округляется в ближайшую большую сторону до величины кратной 50 мм. Максимальная толщина бетонной крепи в обычных условиях 500 мм, если условие не выполняется принимают при проектировании более высокий класс бетона.

Полученная толщина крепи позволяет определить размеры проектируемого ствола вчерне и в проходке (соответственно , ).

,

, ,

где - коэффициент излишка сечения, принимаемый согласно рекомендациям СНиП 3.02.03–84 в зависимости от поперечного сечения ствола вчерне и крепости пересекаемых пород.

Таблица 3.5.

Поперечное сечение стволов вчерне, м2	Коэффициент крепости пород
	f =0,9-2	f =2-10	f =11-20
До 20	1,04	1,07	1,1
21 – 40	1,03	1,05	1,08
Более 40	1,02	1,03	1,05