Сборник научных трудов по материалам

158 
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КРЕПЛЕНИЯ 
ВЕРТИКАЛЬНЫХ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ 
ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ 
 
Мишедченко А.А. 
главный инженер проектов ООО «РусШахтСпецСтройПроект»,
Россия, г. Москва 
 
В статье рассмотрено современное состояние проблемы крепления вертикальных 
стволов, проходимых в сложных условиях, на основе анализа производственного опыта 
показана возможность и необходимость внедрения новой конструкции крепи. 
Ключевые слова: вертикальный ствол, чугунно-бетонная крепь, крепление ствола. 
Вертикальные стволы для большинства современных горных предпри-
ятий являются основными вскрывающими выработками и наиболее ответ-
ственными сооружениями, связывающими подземный и поверхностный ком-
плекс шахты в единую систему. С исчерпанием запасов полезных ископае-
мых, залегающих на небольших глубинах и в благоприятных горно- и гидро-
геологических условиях, возникла необходимость перехода к отработке за-
лежей в районах распространения вечной мерзлоты, повышенного горного 
давления и гиростатического давления, на больших глубинах и в зонах гео-
логических нарушений. 
Наиболее распространенная крепь из монолитного бетона и железобе-
тона в сложных условиях не обеспечивает ни достаточной несущей способ-
ности, ни необходимой водонепроницаемости. В настоящее время только в 
России до 200 стволов эксплуатируются с теми или иными видами повре-
ждений крепи [1]. Следствием этого является широкое распространение чу-
гунной тюбинговой крепи, способной воспринимать высокое горное и гидро-
статическое давление и обеспечивающую достаточную герметичность
стволов. 
Ниже перечислены несколько стволов, строительство которых велось в 
последние годы с использованием чугунно-бетонной крепи и приведены их 
наиболее важные, с точки зрения рассматриваемой в данной статье пробле-
мы, характеристики.
При проходке самого глубокого, на настоящий момент, в РФ и Евра-
зии, вентиляционного ствола (ВС-7), на реконструируемом руднике «Тай-
мырский» возводили двухслойную крепь из чугунных тюбингов и бетона, 
общей толщиной св. 700 мм. Средняя скорость на завершающем этапе про-
ходки – 4 м готового ствола за 3 суток, при этом временами она снижалась до 
10 м в месяц [2]. Работы по строительству были начаты в 1992 году и велись 
с перерывами до мая 2006 г. 
В рамках крупнейшего проекта компании «Алроса» по переводу добы-
чи алмазов с открытого на подземный способ на руднике «Удачный» осу-
ществлена проходка трёх вертикальных стволов – скипового, клетевого и 
вентиляционно-вспомогательного [3]. Глубина каждого составит около 1000 

159 
м. Крепление – комбинированная двухслойная чугунно-бетонная крепь. Срок 
строительства – семь лет. 
Для перехода к подземному способу отработки запасов месторождения 
«Мир» построено два вертикальных ствола: клетевой и скиповой. Глубина 
стволов 1051 м и 1037 м соответственно. Крепление на полную глубину при-
нято чугунными тюбингами [4.].
Вертикальный ствол ш. «Северная Вентиляционная №2» Гайский ГОК, 
диаметр – 7,5 м, глубина ствола 1285,5 м, тип крепи – чугунные тюбинги. 
Строительство ствола ведется с 2006 г [4]. 
Скиповой и клетьевой стволы на Гремячинском месторождении калий-
ных солей компании ОАО Еврохим. Подготовительные работы начаты в мае 
2007 года. Подряд на выполнение работ получили ведущая немецкая шахто-
строительная фирма Thyssen Schachtbau GmbH. 
В горной промышленности Германии крепь из чугунных тюбингов с 
заполнением закрепного пространства бетоном имела ранее широкое распро-
странение. Например, по приблизительной оценке, в Рурском каменноуголь-
ном бассейне до 10%, а в калийной промышленности до трети всех стволов 
(по протяженности) закреплены чугунными тюбингами. При этом слой бето-
на часто имел существенную толщину и учитывался при расчете несущей 
способности. Долгое время в Германии крепь из чугунных тюбингов рас-
сматривалась вообще как единственный возможный вариант при проведении 
стволов по искусственно замороженным породам. Такое мнение обосновыва-
лось высокой, по сравнению с другими типами крепи, распространенными в 
те годы, степенью водонепроницаемости, значительной несущей способно-
стью, исключением необходимости применения временной крепи и т. д.
Чугунная тюбинговая крепь, применяемая в сложных горно-
геологических условиях и выполняющая функции гидроизоляции стволов, 
также является водопроницаемой в местах стыков тюбингов. 
Наблюдениями установлено, что вода поступает в ствол главным обра-
зом через горизонтальные швы тюбинговых колец (60-70%) общего объема 
водопритоков) и болтовые соединения (20-25%), кроме того, 9-9,5% поступа-
ет через соединительные (пикотажные) швы и 0,5-1%- через тампонажные 
отверстия.
Основной причиной водопроницаемости тюбинговой крепи является 
неточность обработки существующих тюбингов по высоте. Неплотность в 
шве тюбинговых сегментов создает по длине окружности одного кольца 
диаметром 7 м щель с эквивалентным отверстием диаметром 106 мм. в связи 
с этим технические условия на изготовление тюбингов нового типа кон-
струкции Шахтспецстроя предусматривают повышенные требования к точ-
ности изготовления тюбингов. 
Другим важным фактором, обусловливающим водопроницаемость тю-
бинговой крепи, является изменение температуры в стволе в период его про-
ходки и эксплуатации (особенно при сооружении стволов способом замора-
живания пород), приводящее к температурным деформациям колонны крепи, 
т.е. необратимым деформациям свинцовых прокладок. 

160 
На водопроницаемость тюбинговой крепи влияют также неравномер-
ные деформации массива пород (при воздействии очистных работ, водопо-
нижения и т.п.), приводящие к искривлению оси ствола. Так, на шахте "Авгу-
ста- Виктория" №3 (ФРГ) произошло обрушение тюбинговой крепи, прорыв 
плывуна и затопление шахты, причем первоначальной причиной аварии яви-
лось искривление тюбинговой колонны по вертикали.
Особую опасность для стволов калийных и каменносоляных шахт 
представляет циркуляция подземных вод в закрепном пространстве. Опуска-
ясь вниз до соляных пластов, пресные воды образуют промоины и полости 
вокруг ствола и могут привести к прогрессирующим притокам и затоплению 
ствола или рудника. Пустоты за крепью ствола (особенно зумпфа) и около-
ствольных выработок могут образовываться и в необводненной части вслед-
ствие растворения солей водой (рассолом), стекающей по внутренним стен-
кам крепи и проникающей через ее неплотности в закрепное пространство. 
Если притоки воды в ствол через неплотную крепь превышают установлен-
ный норматив, восстановление водонепроницаемости крепи производят по-
следующей цементацией закрепного пространства и повторной расчеканкой 
свинцовых прокладок и подтяжкой болтов чугунной тюбинговой крепи. 
В мировой практике конструкцию крепи стволов в обводненных поро-
дах рассчитывают по предельным двум группам предельных состояний кон-
струкции. 
Первая группа предельных состояний определяется несущей способно-
стью, прочностью или выносливостью и может быть реализована при хруп-
ком разрушении или потере устойчивости. Этому предельному состоянию 
должны удовлетворять все конструкции крепей вертикальных стволов. 
Вторая группа предельных состояний определяется чрезмерным разви-
тием деформаций и трещин. Этому предельному состоянию должны удовле-
творять конструкции, в которых величина перемещений или раскрытие тре-
щин может ограничивать возможность их эксплуатации. 
Нагрузки и воздействия на крепи по длительности действия разделяют-
ся на постоянные, временные длительные, кратковременные и особые. 
К постоянным нагрузкам и воздействиям, имеющим место в течении 
всего срока эксплуатации относятся: горное давление, вес постоянных зда-
ний и сооружений на поверхности, собственный вес крепи, воздействия 
предварительно напряженных конструкций. 
К временным длительным нагрузкам и воздействиям, действующим во 
время длительного периода эксплуатации вертикального ствола относятся: 
гидростатическое давление подземных вод, вес внутреннего оборудования, 
подвижного транспорта в стволе и на поверхности. 
К кратковременным нагрузкам и воздействиям, действующим в тече-
нии ограниченного периода эксплуатации или строительства относятся: вес 
монтажного оборудования, собственный вес конструкции в процессе ее мон-
тажа, давление при нагнетании тампонажных растворов в затюбинговое про-
странство, воздействие при сезонном или технологическом изменении тем-
пературного режима. В данном случае, этим изменением от температурного 

161 
режима является давление морозного пучения, возникающее при замыкании 
ледопородного ограждения вокруг ствола. 
К особым нагрузкам и воздействиям относятся: сейсмические и взрыв-
ные воздействия, нагрузки при аварийных ситуациях с транспортом и другие, 
действующие в исключительных и особых случаях. 
Расчет конструкций в таких сложных условиях проводятся по специ-
альным методикам проектных организаций, таких, как Трест «Шахтспец-
строй» и других. Суммарные нагрузки на крепь стволов, вычисляемые по 
специализированным методикам, иногда превышают 15-20 МПа. Для вос-
приятия таких нагрузок применяют тюбинговую крепь из серого или высо-
копрочного чугуна с толщиной спинок от 20 мм до 120 мм. 
Необходимо отметить, что с увеличением толщины спинки не проис-
ходит пропорционального увеличение несущей способности тюбинга в связи 
с тем, что в тяжелых толстостенных отливках при малых скоростях охлажде-
ния их в форме получается крупнозернистая структура металла с малой 
прочностью. Так для серого чугуна марок СЧ18-36 и СЧ21-40 коэффициент 
уменьшения предела прочности при растяжении при толщине отливки
120 мм составляет уже 
, для модифицированных серых чугунов ма-
рок СЧ24-44 ÷ СЧ36-56 соответственно 
, для высокопрочного чугуна с 
шаровидным графитом 
. Аналогичное явление наблюдается и у литых 
сталей и других сплавов. 
Толщина стенки тюбинга в 120 мм является также предельной из усло-
вия технологии заводки болтов во внутренний кессон тюбингов при обычно 
применяемом шаге между горизонтальными ребер в 500 мм. 
В стволах глубиной 800-1200 м до настоящего времени рекомендовали 
устанавливать две тюбинговые колонны. Пространство между стенками двух 
тюбинговых колонн заполняется промежуточным бетоном, а пространство 
между внешней стенкой тюбинговой колонны и вертикальной стенкой поро-
ды также как и при одностенной тюбинговой колонне заполняется литым бе-
тоном. 
Однако, основным недостатком двуслойной крепи является тот факт, 
что при значительных напорах подземных вод в массиве пород чугунно-
тюбинговая крепь не работает как комбинированная конструкция, так как 
весь напор воспринимает только внутренняя герметичная тюбинговая колон-
на, которая может потерять устойчивость. Разрушение внутренней колонны 
может произойти при наличии наружной тюбинговой колонны, мощного 
слоя бетона и т.п. Таким образом, в указанном случае элементы чугунно-
бетонной крепи работают порознь, что явно нерационально. Кроме того, на 
работу крепи отрицательно влияют температурные колебания, которые 
нарушают связь чугуна с бетоном. При значительных напорах подземных вод 
между тюбингами и бетоном образуется заполненный водой зазор [2].
При восприятии гидростатического давления в 100 и более атмосфер 
двуслойная тюбинговая колонна не сможет выдержать действующую нагруз-
ку. Необходимо абсолютно надежное соединение оболочек друг с другом. 
Такая конструкция создана разработчиками в ООО "РусШахтСпец-

СтройПроект". Предлагаемый двустенный тюбинг способен выдерживать ги-
ростатическое давление до 200 кгс/см
2
и воспринимать большие сжимающие 
и изгибающие усилия. Каждая литая конструкция двустенного тюбинга 
представляет собой сегмент из двух концентрических спинок, соединенных 
между собой опорно-столбчатыми элементами, равномерно расположенными 
между спинками, при этом на спинках выполнены отверстия для проведения 
контрольного тампонажа и для нагнетания бетонной смеси между спинками, 
а в опорно-столбчатых элементах и в приливах радиальных фланцев выпол-
нены отверстия для установки стержней с клиновой затяжкой и под штифты 
при монтаже тюбингов в кольцо (заявка на патент РФ № 2015109489 ). 

жүктеу/скачать 3,44 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: