Спосіб ліквідації шахтного вертикального ствола

Реферат: Спосіб ліквідації шахтного вертикального ствола включає повне заповнення його внутрішнього простору закладним матеріалом, зведення помостів перекриття на рівнях нульової відмітки ствола і устя, спорудження опорних перемичок на сполученнях ствола з горизонтальними виробками, тампонаж порожнин скріпним розчином і встановлення газовідвідного і водоперепускного трубопроводів. Під час заповнення ствола закладним дисперсним матеріалом його ущільнюють шляхом поступового замочування водою до стану повного водонасичення, контролюючи при цьому рівень матеріалу засипки в стволі, а ділянку між помостами перекриття устя і ствола заповнюють великоуламковим незв'язним матеріалом, порожнини в якому тампонують скріпним розчином шляхом примусового нагнітання під тиском знизу вверх через ін'єктори до виливання його на поверхню засипки ствола, та створюють, тим самим, монолітну ізолюючу перемичку з бутобетону, в якій встановлюють газовідвідний і водоперепускний трубопроводи. UA 117076 U (12) UA 117076 U UA 117076 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до гірничої справи і може бути використаний при ліквідації шахтних вертикальних стволів. Відомий спосіб ліквідації шахтного вертикального ствола шляхом повної його засипки негорючими і нетоксичними матеріалами, як правило, перегорілою породою із шахтних відвалів, та спорудження залізобетонних помостів перекриття ствола і устя з газовідвідним трубопроводом, а також опорних перемичок на сполученнях ствола з горизонтальними виробками, які запобігають розповзання закладного матеріалу і припиняють аеродинамічний зв'язок атмосфери з виробленим простором шахти (Правила ліквідації стволів вугільних шахт: КД 12.12.005-2001; КД 12.12.006-2001. - Донецьк: Мінтопенергетики України, 2001.-122с). Така ліквідація вертикальних стволів при закритті вугільних шахт є технічно складним і дуже витратним технологічним процесом, але головний його недолік полягає в тому, що він не забезпечує довгострокову стійкість ствола і супроводжується рядом труднощів, що виникають під час постексплуатаційного періоду його існування, а саме: небезпечними проявами у вигляді провалів земної поверхні; додатковими аварійно-відновлювальними роботами (повторна ліквідація); необхідністю контролю та керування процесом затоплення ствола; небезпечними умовами для ведення господарської діяльності на земній поверхні у зоні впливу ліквідованого ствола; великими витратами матеріальних і трудових ресурсів тощо). Відомий також спосіб ізоляції вертикального ствола від земної поверхні без його засипки, що включає демонтаж елементів армування і кріплення ствола на глибину, яка дорівнює товщині наносів, монтаж помосту перекриття ствола на ділянці залягання скельних порід, розробку котловану навколо ствола з кутом нахилу бокової поверхні, який дорівнює куту природного укосу порід наносів, що вміщують виробку, та спорудження на місті ствола і котловану для монолітного залізобетонного конусоподібного перекриття (Патент України №89826, МПК E21F 15/00. Спосіб ізоляції вертикального ствола від земної поверхні/ А.П.Борзих, В.О.Фомін, Е.В. Кукуяшний; заявл. U201315427, 30.12.2013; опубл. 25.04.2014, Бюл. №8). Недолік цього способу полягає у тому, що при великій потужності наносів витрати на спорудження монолітного конусного перекриття будуть перевищувати витрати на засипку внутрішнього простору ствола. Слід зазначити, що кут внутрішнього тертя порід наносів не є сталою величиною, бо суттєво залежить від ступеня їхнього зволоження, тому у водонасичених породах він буде меншим за аналогічний кут для сухих порід. Тобто у цьому випадку поверхня ковзання при втраті рівноваги наносів навколо ствола буде залягати нижче бокової поверхні конусоподібного перекриття. Крім того, цей спосіб передбачає, що скельні породи завжди є стійкими і в них не може бути ділянок, де напружений стан порід може перевищувати граничний опір зсуву. Але це не так. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю та результатом, що досягається, є спосіб ліквідації шахтного ствола, який включає, крім заповнення ствола закладним матеріалом до рівня земної поверхні, зведення помостів перекриття ствола і устя, встановлення газовідвідного трубопроводу і труби для перепуску води, також ще виявлення і тампонування порожнин за кріпленням на всій ділянці вище помосту перекриття ствола (Патент України № 55197, E21F 15/06. Спосіб ліквідації шахтного ствола/ В.О.Дрібан, В.С.Піховкін; заявл. U2002075974, 18.07.2002; опубл. 17.03.2003, Бюл. № 3). Недоліками цього способу ліквідації шахтного ствола є недостатня щільність і велика пористість матеріалу засипки, що призводить, після його неминучого зволоження підземними водами, до просідання засипки й утворення порожнин у внутрішньому просторі ствола, втрати стійкості кріплення й формування провалів на земній поверхні навколо ствола, а також неможливість підтримання потрібного рівня затоплення ствола і необхідність виконання додаткових робіт з повторної його засипки через постійно триваюче просідання закладного матеріалу під дією власної ваги в результаті зниження міцності матеріалу засипки при зволоженні, що в остаточному підсумку не забезпечує довгострокову надійність функціонування ліквідованого ствола. Крім того, неконтрольований тампонаж закріпних порожнин навколо ствола скріпним розчином не забезпечує створення міцної ізоляційної конструкції з потрібними характеристиками і не перешкоджає затоплення ґрунту навкруги ствола агресивними шахтними водами та зсуву наносів. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу ліквідації шахтного вертикального ствола шляхом попереднього ущільнення матеріалу засипки і зведення ізолюючої та опорних перемичок безпосередньо у внутрішньому просторі ствола із закладного матеріалу. При цьому попереднє ущільнення засипного матеріалу досягається за рахунок поступового його замочування водою або (і) механічними способами для запобігання просіданню матеріалу засипки, і, як наслідок, утворенню порожнини в усті ствола, втраті стійкості кріплення ствола і порід наносів навкруги нього, та формуванню провалів земної 1 UA 117076 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 поверхні, а монолітна ізолююча перемичка в усті ствола та опорні перемички на сполученнях з горизонтальними виробками споруджують за рахунок скріплення міцного великоуламкового матеріалу засипки (щебінь, гравій) піщано-цементним розчином, що дозволяє ізолювати земну поверхню від шахтного підземного простору, забезпечити довгострокову стійкість кріплення устя і запобігти розповзанню (розтіканню) матеріалу засипки по горизонтальним виробкам після втрати стійкості опорних перемичок. У сукупності це дає змогу досягти головну мету, тобто забезпечити стійкість ліквідованого ствола під час постексплуатаційного періоду його існування, а крім того, усунути небезпечні прояви на земній поверхні та затоплення ґрунту шахтними водами, відмовитись від аварійно-відновлюваних робіт, забезпечити контроль і керування процесами засипки і затоплення ствола, ліквідувати небезпечні умови для ведення робіт з ліквідації ствола і наступної господарської діяльності на земній поверхні у зоні впливу ліквідованого ствола, а також заощадити кошти, матеріальні та трудові ресурси. Поставлена задача вирішується тим, що в способі ліквідації шахтного вертикального ствола, що включає повне заповнення внутрішнього простору закладним матеріалом, зведення помостів перекриття на рівнях нульової відмітки ствола і устя, спорудження опорних перемичок на сполученнях ствола з горизонтальними виробками, тампонаж порожнеч скріпним розчином і встановлення газовідвідного і водоперепускного трубопроводів, відповідно до корисної моделі під час заповнення ствола закладним дисперсним матеріалом його ущільнюють шляхом поступового замочування водою до стану повного водонасичення, контролюючи при цьому рівень матеріалу засипки в стволі, а ділянку між помостами перекриття устя і ствола заповнюють великоуламковим незв'язним матеріалом, порожнечі в якому тампонують скріпним розчином шляхом примусового нагнітання під тиском знизу вверх через ін'єктори до виливання на поверхню засипки ствола, та створюють, тим самим, монолітну ізолюючу перемичку з бутобетону, в який встановлюють газовідвідний і водоперепускний трубопроводи. Крім того, згідно з корисною моделлю, в процесі ущільнення матеріалу засипки для його підсилення або у разі неможливості застосування води використовують механічні засоби (трамбування, енергію вибуху, вібрацію). Окрім того, згідно з корисною моделлю, опорні перемички на сполученнях ствола з горизонтальними виробками при відсутності доступу до них з шахти споруджують безпосередньо в стволі шляхом його засипки до повного перекриття перерізу сполучення укосом незв'язного матеріалу, порожнечі в якому тампонують скріпним розчином. Спосіб пояснюється за допомогою рисунків, де на фіг. 1 зображена принципова технологічна схема ліквідації вертикального шахтного ствола з традиційними опорними перемичками, а на фіг. 2 - схема з перемичкою, яку споруджують безпосередньо в стволі. Спосіб здійснюється наступним чином. Спочатку на сполученнях 1 вертикального ствола з горизонтальними виробками 2 зводять опорні перемички 3, які являються огороджувальними спорудами, що запобігають розповзанню закладного матеріалу 4 із ствола та припиняють аеродинамічний зв'язок з виробленим простором шахти. Опорні перемички 3 традиційно споруджують із бетонітів на цементнопіщаному розчині або бетону з міцнісними характеристиками, що мають забезпечувати опір тиску стовпа води в стволі внаслідок його повного затоплення підземними водами. Після спорудження опорних перемичок 3 ствол засипають закладним матеріалом 4, за яким зазвичай використовують породу з шахтних відвалів, які представлені на вугільних шахтах сумішшю кусків різного розміру маломіцних осадових порід: пісковика, піщаного сланцю (алевроліту), глинистого сланцю (аргіліту) і вугілля. Ці породи до моменту їх використання як закладного матеріалу розкладаються під впливом процесу вивітрювання і перегорають внаслідок самозаймання часточок вугілля. Велика привабливість використання цього матеріалу для закладки стволів, що ліквідуються, пояснюється тим, що цей матеріал є практично безкоштовним відходом виробництва, а витрати на його транспортування мінімальні, бо зазвичай терикони розташовуються поряд зі стволом. Крім того, використання породних відвалів для засипки стволів одночасно дозволяє поліпшити екологічну ситуацію в регіоні. Але перегорілі вивітрені породи шахтних відвалів мають властивість просідати у разі їхнього зволоження водою. Тому рівень звичайної закладки в стволі не є стабільним і залежить від фільтрації підземних вод в ствол. Під впливом зволоження знижується міцність матеріалу закладки внаслідок фізико-хімічних процесів, він стає пластичним і компресійно ущільнюється під дією власної ваги. Згідно зі способом ліквідації шахтного вертикального ствола, що пропонується, під час заповнення ствола закладним дисперсним матеріалом 4 із породних відвалів його попередньо ущільнюють шляхом поступового замочування водою. Воду у ствол подають з самого початку засипки, контролюючи при цьому рівень засипки і стан матеріалу відомими способами. При 2 UA 117076 U 5 цьому можливе використання шахтних вод з водовідливу. Подачу води продовжують до тих пір, поки не будуть досягнуті всередині ствола стан повного водонасичення, який визначається за показником повної вологоємності (вологість замоченого матеріалу): Wsat  w  e / s, де w - густина води;  s - щільність твердих частинок матеріалу; e - коефіцієнт пористості матеріалу, що характеризує порівняльний уміст у ньому пор (порожнин) і твердих частинок та виражається відношенням об'єму пор Vp до об'єму твердих частинок Vs . 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 e  Vp / Vs , Повне компресійне (без можливості бокового розширення) стиснення всієї товщі засипки та стабілізація просідання, за умовну величину якої приймається переміщення рівня засипки менше 1 мм за місяць. Ущільнення матеріалу засипки 4 попереднім замочуванням відбувається під дією власної ваги породи у результаті зниження її міцності при зволоженні. В процесі попереднього замочування ущільнюються спочатку нижні шари товщі засипки, починаючи з глибини (зумпфу ствола 5), на якій тиск від власної ваги матеріалу перевищує початковий тиск просідання psi, що відповідає відносній деформації просідання si,=0.01. При цьому верхні шари засипки внаслідок недостатнього навантаження на них залишаються поки що у недоущільненому стані. З підвищенням рівня засипки поступово переміщується вверх і рівень ущільненої товщі. Таким чином, попереднє замочування матеріалу засипки 4 забезпечує перехід товщі всередині ствола в стан відносної стабілізації з точки зору його просідання від власної ваги, але вверху ствола є завжди ділянка певної висоти, де матеріал буде знаходитись у недоущільненому стані. Тому в процесі ущільнення матеріалу засипки 4 для його підсилення або у разі неможливості застосування води треба використовувати відомі механічні засоби (трамбування, енергію вибуху, вібрацію тощо). В усті 6 ствола для реалізації запропонованого способу передбачається створення монолітної ізолюючої перемички 7 з бутобетону. Для цього на рівні розташування покрівлі скельних порід 8 в стволі споруджують поміст перекриття 9 устя, наприклад із залізобетону, який армують жорсткою арматурою (рейками, двотаврами або швелерами), а внутрішній простір устя 6 ствола заповнюють міцним незв'язним великоуламковим матеріалом (щебенем, гравієм). Порожнечі між уламками порід, які слугують крупним заповнювачем бутобетону, тампонують скріпним розчином (наприклад, цементним, піщано-цементним). Розчин нагнітають знизу вверх через залишені у щебені ін'єктори до виливання його на поверхню засипки ствола. Склад скріпного розчину підбирають так, щоб забезпечити його пластичність і стабільність в процесі ущільнення незв'язного великоуламкового матеріалу в залежності від коефіцієнта фільтрації та тиску подачі розчину. Для запобігання усадці при твердінні розчину в його складі передбачається жорсткий структурний компонент, наприклад, пісок. На рівні нульової відмітки ствол перекривають герметичним помостом 10. Під час зведення помосту перекриття устя 9, ізолюючої перемички 7 і помосту перекриття ствола 10 в них передбачають встановлення газовідвідного 11 та водоперепускного трубопроводів. У разі відсутності доступу з шахти до горизонтальних виробок 2 для створення перемичок, що призначені для запобігання розповзанню закладного матеріалу 4, їх споруджують безпосередньо в стволі. Для цього використовують непросідний шар 13 із міцного незв'язного уламкового матеріалу, який тампонують скріпним розчином. Опорні перемички 13 в стволі насипають до повного перекриття перерізу сполучення природним укосом незв'язного матеріалу. Така технологія повної засипки вертикального ствола дозволяє під час постексплуатаційного періоду його існування забезпечити довгострокову стійкість устя 6 і наносів 14, гарантує надійну ізоляцію земної поверхні, що знаходиться біля виробки, від проникнення підземної води та газів, запобігає зсувні процеси в наносах та утворення провалів ґрунту й надає можливість безпечно експлуатувати зазначену територію, а також будівлі і споруди, що знаходяться на ній, у господарських цілях. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб ліквідації шахтного вертикального ствола, що включає повне заповнення його внутрішнього простору закладним матеріалом, зведення помостів перекриття на рівнях 3 UA 117076 U 5 10 15 нульової відмітки ствола і устя, спорудження опорних перемичок на сполученнях ствола з горизонтальними виробками, тампонаж порожнин скріпним розчином і встановлення газовідвідного і водоперепускного трубопроводів, який відрізняється тим, що під час заповнення ствола закладним дисперсним матеріалом його ущільнюють шляхом поступового замочування водою до стану повного водонасичення, контролюючи при цьому рівень матеріалу засипки в стволі, а ділянку між помостами перекриття устя і ствола заповнюють великоуламковим незв'язним матеріалом, порожнини в якому тампонують скріпним розчином шляхом примусового нагнітання під тиском знизу вверх через ін'єктори до виливання його на поверхню засипки ствола, та створюють, тим самим, монолітну ізолюючу перемичку з бутобетону, в якій встановлюють газовідвідний і водоперепускний трубопроводи. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в процесі ущільнення матеріалу засипки для його підсилення або у разі неможливості застосування води використовують механічні засоби (трамбування, енергію вибуху, вібрацію). 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що опорні перемички на сполученнях ствола з горизонтальними виробами при відсутності доступу до виробок з шахти споруджують безпосередньо в стволі шляхом його засипки до повного перекриття перерізу сполучення укосом незв'язного матеріалу, порожнини в якому тампонують скріпним розчином. 4 UA 117076 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5