Одной из характерных особенностей современного подземного строительства является увеличение глубины месторождений, и, как следствие, усложнение горно-геологических условий, что, в свою очередь, сопряжено с увеличением глубины вскрытия неустойчивых обводненных пород, требующих применения специальных способов строительства, в частности – искусственного замораживания пород или инъекционного закрепления грунтов. При этом постоянная крепь строящихся шахтных стволов должна обладать повышенной прочностью и водонепроницаемостью, способностью не изменять свои физико-механические свойства при замораживании и оттаивании, стойкостью по отношению к разрушающему воздействию агрессивных подземных вод и рассолов.
В слабоустойчивых и неустойчивых грунтах раскрытие сечения выработки приходится вести в несколько этапов с устройством временной крепи на каждом этапе расширения. При каждом последующем расширении необходимо перекрепление ранее раскрытой части сечения. В этих условиях вероятность возникновения предельных значений области неупругих деформаций в грунтовом массиве особенно велика.
Строящаяся разведочно-эксплуатационная шахта «Быстрянская №1-2» размещается в Тацинском районе Ростовской области. Площадка шахты расположена на левом берегу реки Быстрая, являющейся притоком реки Северский Донец. Местоположение промплощадок РЭШ «Быстрянская №1-2» определилось горными условиями.
Главный наклонный ствол разведочно-эксплуатационной шахты «Быстрянская №1-2» пройден с помощью щитового комплекса ЩН-1х на участке от поверхности до 440 м с креплением их тюбинговой крепью сечение выработки – 20.4 м² в свету, 23, 75 м² в проходке в зоне обводненных песков, по закрепленным породам методом смолизации а далее до 711 м проходится проходческим комбайном КП-21 с креплением металло-бетонной крепью, состоящей из арочной крепи АП-18,3 и железобетона в зоне детритусовых песчаников, представляющие собой слабые горные породы с прослоями обводненного песка. Наклонный ствол проходится под углом 14°.
Вспомогательный наклонный ствол разведочно-эксплуатационной шахты «Быстрянская №1-2» проходится с помощью щитового комплекса ЩН-1х с креплением тюбинговой крепью по закрепленным обводненным пескам методом смолизации. Наклонный ствол проходился под углом 14°, сечением выработки – 20.4 м² в свету, 23.75 м² – в проходке. Крепление производилось чугунными тюбингами диаметром 5.65 м по наружному диаметру или 5.1 м в свету в зоне обводненных песков.
Заключением об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях проходки наклонных стволов шахты «Быстрянская №1-2» были установлены следующие водоносные горизонты и следующие характеристики песков.
Сверху-вниз:
-
водоносный горизонт мелко и среднезернистых глауконитовых песков (ИГЭ-6; ИГЭ-7) с тонкими прослоями и линзами (от первых мм до первых см) глин, мощность горизонта от первых метров до 10-12 м;
-
водоносный горизонт мелкозернистых горизонтов песчаников (ИГЭ-8). Мощность горизонта 30-31 м;
-
водоносный горизонт мелких кварц-глауконитовых песков (ИГЭ-11). Мощность горизонта, около 40 м, а в северо-восточной части участка, под водоносным горизонтом кварц-глауконитовых песков залегает водоносный горизонт мелкозернистых кварц-глауконитовых песчаников (ИГЭ-12).
Инженерно-геологические условия проходки очень сложные. Геологический разрез характеризуется наличием абсолютно неустойчивых песчаных горизонтов, обладающих плывунными свойствами. При вскрытии грунтов подземной выработкой поступление воды в выработку сопровождается выносом песчаного материала. Гидростатическое давление достигает 0,1МПа.
Главный ствол. Проходка ствола на ПК38+4 прекращена из-за усложнившихся горно-геологических условий. Ось ствола получила отклонение от проектного положение на 20 вниз. Почва горизонта ствола находится на глубине 93,6м от поверхности земли.
Вспомогательный ствол. Проходка ствола на ПК36+20 прекращена из-за усложнившихся горно-геологических условий. Ось ствола получила отклонение от проектного положение на 60 вниз. Почва горизонта ствола находится на глубине 94,5м от поверхности земли.
Рис. 1.
Геологический разрез выработки
В связи со сложностью инженерно-геологических условий, было предложено опережающее химическое закрепление грунтов из забоя по трассе наклонного вспомогательного ствола, а затем и главного ствола. При проходке главного и вспомогательного наклонных стволов применялись специальные способы, в соответствии с проектами «Закрепление пород методом смолизации», выполненными ОАО «Нью Граунд».
Химическое закрепление грунтов запроектировано методом однорастворной двухкомпонентной смолизации. В качестве крепителя используется карбамидоформальдегидная смола марки КФЖ-М, отвердителя – 10% щавелевая кислота (С2О4H2). Для качественного закрепления грунта предусмотрена предварительная обработка грунта (предварительная активизация) раствором 10% щавелевой кислоты.
Нагнетание растворов предусматривается методом манжетного инъектирования (метод ММТ) через веерные скважины, которые бурятся из забоя ствола. Сущность метода ММТ заключается, во-первых, в заполнении открытых пор и пустот в грунтовом массиве, во-вторых, в результате давления раствор разрывает полости и внедряется в него по отдельным слабым зонам, формируя линзы и прослои затвердевшей смолы.
Главные преимущества применения метода смолизации грунтов и способов ведения работ из забоя: техническая простота, удобство применения, надежность достигаемых результатов по сравнению с работами по закреплению, выполняемыми с поверхности земли; возможность регулирования сроков начала и конца схватывания растворов от 10 часов до 15-20 минут; повышенная проникающая способность растворов по сравнению с цементными.
Упрочненная зона представляет собой конструкцию из закрепленного грунта, армированного металлическими трубами и прослойками смолы, образовавшимися при гидроразрыве пластов. Минимальная мощность оболочки из закрепленного грунта вокруг наклонного ствола принята 1,0м. Прочность закрепленного грунта – Rсж = 2МПа. Закрепление массива предусмотрено в центральной части и вокруг проектной трассы ствола через сеть скважин длиной от 5,0 до 18,0м.
Величина расчетного радиуса закрепления грунта вокруг скважины r = 1,0…1,5м. принята в зависимости от расхода закрепляющего раствора на один погонный метр инъекционной скважины (300-600л).
Бурение скважин осуществляется инъекционной трубой, оборудованной на конце теряемым шарошечным долотом диаметром 59 мм с обратным клапаном.
Инъекционное закрепление горных пород карбамидными смолами является сложным технологическим процессом, требующим особой подготовки и оценки условий процесса строительства. В случае применения этой технологии для опережающего крепления при проходке горных выработок, она рассматривается как временное мероприятие, что регламентируется действующими строительными нормами: СП 45.13330.2012 «Земляные сооружения, основания и фундаменты» (Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87); СТО НОСТРОЙ 2.3.18-2011. Стандарт национального объединения строителей. Освоение подземного пространства. Укрепление грунтов инъекционными методами в строительстве.
Контроль качества инъекционного закрепления достаточно надежно обеспечивается выполнением следующих контрольных мероприятий:
-
проверкой качества исходных химических и других материалов;
-
контролем исполнения при производстве работ заложенных в проект расчетных параметров закрепления и заданных им технических условий;
-
проверкой соответствия требованиям проекта характеристик физико-механических свойств закрепленных грунтов, а также однородности их закрепления.
Характеристики физико-механических свойств закрепленных грунтов, необходимые для оценки и контроля качества закрепления, выбираются в зависимости от назначения закрепления и применяемого способа.
Количество и расположение контрольных скважин и шурфов, количество и качество отбираемых при бурении или шурфовании проб закрепленных грунтов, состав определяемых в лаборатории физико-механических характеристик закрепленных грунтов, а также другие необходимые дополнительные рекомендации по контролю качества закрепления грунтов назначаются проектом.
Рис. 2.
Схема крепления выработки
Основным же методом контроля качества выполнения работ является собственно проходка выработки, ведь без надлежащего закрепления она невозможна. Закрепление выполняется на участке перед выработкой длиной 5…7 метров, затем выполняется проходка, затем цикл повторяется. Ведение подземной проходки за пределами участков уже выполненного закрепления, показывает, что на этих участках работы были выполнены качественно. Таким образом, проходка ствола шахты является основным критерием качества работ по инъекционному закреплению.
Инъекционное закрепление слабых грунтов при проходке подземных выработок носит временный технологический характер еще по одной причине. Смолы, как любой полимер, начинают «стареть» с момента полимеризации и сохраняют свои первоначальные свойства в срок до 6 месяцев, на более продолжительный срок их прочность прогнозировать и гарантировать весьма сложно. Кроме того, в этот период происходит влияние многих других геологических и производственных факторов, изменяющих свойства закрепленного массива. В этом случае требуется повторный цикл работ по закреплению горных пород.
Выполнение работы по закреплению неустойчивых грунтов методом смолизации карбамидными смолами на РЭШ «Быстрянская» № 1-2 позволили выполнить проходку главного и вспомогательного ствола на длину около 750 метров.
С.С.Зуев,
заместитель генерального директора, ОАО «НьюГраунд» (Пермь);
О.А.Маковецкий,
кандидат технических наук, Пермский национальный исследовательский политехнический университет.
