способ крепления шахтного ствола монолитным железобетоном и скользящая опалубка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ крепления шахтного ствола монолитным железобетоном, включающий возведение внутренней жесткой железобетонной оболочки и внешней податливой оболочки с компенсационными пустотами и установленными в ней металлическими ребрами жесткости, взаимодействующими с вмещающими породами и жестко связанными с внутренней оболочкой, отличающийся тем, что возведение внутренней и внешней оболочек ведут одновременно посредством формующих обечаек кольцами с параллельным выполнением технологических приемов по возведению внутренней и внешней оболочек, при этом в первом кольце в стенке ствола монтируют металлические ребра жесткости, параллельно во втором кольце пространство между ребрами жесткости, стенкой ствола и обечайкой для формования внешней оболочки заполняют литой бетонной смесью с пористым заполнителем, параллельно в третьем кольце устанавливают металлический арматурный каркас внутренней оболочки и соединяют его с ребрами жесткости, замоноличенными во внешней оболочке, а в четвертом кольце пространство между внешней оболочкой и формующей обечайкой заполняют литой жесткой бетонной смесью и после твердения бетона в обоих кольцах формующие обечайки перемещают на шаг, равный высоте кольца.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возведение крепи ведут в восходящем порядке, при этом стенки шахтного ствола при проходке крепят временной штанговой крепью, а при возведении постоянного крепления к штангам прикрепляют ребра жесткости внешней оболочки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что возведение крепи ведут в нисходящем порядке, при этом арматурный каркас внутренней оболочки предыдущего кольца сваривают с арматурным каркасом последующего кольца.

4. Способ по пп. 1 и 2 или 1 и 3, отличающийся тем, что установку скользящей опалубки относительно вертикальной оси ведут по лазерному лучу, источник которого устанавливают над устьем шахтного ствола.

5. Способ по пп. 1 и 2 или 1 и 3, отличающийся тем, что при монтаже арматурного каркаса внутренней оболочки на каркасе закрепляют элементы крепления армировки ствола.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что бетонную смесь во внешней оболочке уплотняют вибрационными импульсами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что бетон на стыках колец внутренней оболочки подвергают дополнительной вибрационной обработке.

8. Скользящая опалубка для крепления шахтного ствола монолитным железобетоном, включающая каркас, формующую обечайку, полки с распорными устройствами на верхней и нижней палубках и механизм центрации опалубки в стволе со средством контроля вертикальности, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной формующей обечайкой для бетонирования внешней оболочки и дополнительным полком для монтажа арматурного каркаса внутренней оболочки.

9. Опалубка по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена экранами с сетками для проецирования на них лазерного луча, установленными на полках, и установленным над устьем шахтного ствола источником лазерного излучения.

10. Опалубка по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена установленными на секциях опалубки вибровозбудителями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, а именно к креплению вертикальных шахтных стволов монолитным железобетоном в сложных горно-геологических и горно-технических условиях.

Известен способ сооружения радиально-податливой железобетонной крепи вертикального шахтного ствола, включающий возведение железобетонной внутренней жесткой оболочки и последующее возведение наружной податливой оболочки в виде засыпки гранулированного материала между стенками шахтного ствола и внутренней оболочкой, причем при возведении внутренней жесткой оболочки перед бетонированием по наружному контуру каркаса жесткой оболочки крепят гибкое покрытие, затем образуют манжету в нижней части заходки между каркасом и стенками ствола, а бетонирование каркаса производят после засыпки гранулированным материалом.

Недостатком существующего способа крепления вертикальной выработки является невысокая несущая способность ввиду отсутствия связи между стенками выработки и несущей оболочкой крепи, так как всем весом железобетонная оболочка будет стремиться вниз, что резко снижает надежность работы крепи, особенно при больших глубинах ствола.

По технической сущности ближайшим аналогом предлагаемой крепи является крепь шахтного ствола из монолитного железобетона, включающая несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку с каналами, разделенными ребрами жесткости и внешнюю бетонную оболочку, взаимодействующую с вмещающими горными породами. Каналы заполнены вспененным податливым материалом и по меньшей мере часть ребер жесткости выполнена из листового металла, одна сторона которого закреплена и замоноличена в несущую железобетонную оболочку, а другая, противоположная сторона ребер жесткости закреплена и замоноличена во внешней бетонной оболочке. Ребра жесткости могут быть выполнены в виде балок швеллерного или двутаврового сечений, или в виде кольца, охватывающего несущую железобетонную оболочку. Во вмещающих горных породах выполнены шпуры, в которых установлены металлические стержни (анкера), жестко соединенные с металлическими ребрами жесткости.

Недостатки существующего способа большая трудоемкость возведения крепи и отсутствие опалубки для ее непрерывного возведения.

Известна опалубка для возведения податливой бетонной крепи вертикальных стволов, включающая формующий щит, поддон с пустотообразователями, установленными с интервалом по периметру поддона. Пустотообразователи выполнены в виде жестких стержней из не адгезирующего с бетоном материала и закреплены на поддоне в один ряд. Поддоны жестко закреплены со щитом. Пустотообразователи могут быть расположены на поддоне в несколько рядов.

Недостатком существующего способа является большая трудоемкость образования пустот и невозможность установки ребер жесткости основных связей горного массива с несущей крепью.

Наиболее близким по технической сущности решением является оборудование для крепления вертикальных шахтных стволов монолитной бетонной крепью, включающее полок, связанную с ним секционную опалубку и механизм центрирования опалубки в стволе, выполненный в виде размещенных по периметру опалубки вертикальных направляющих с продольными пазами и откидных фиксирующих упоров. Нижняя часть полка размещена во внутреннем проеме опалубки и снабжена отжимными роликами, размещенными на наружной стороне. Опалубка снабжена кронштейнами, установленными на внутренней стороне секций, в которых выполнены наклонные пазы с направляющими, установленными по периметру в верхней части опалубки и поворотными фиксаторами, выполненными в виде двуплечих рычагов, установленных на внутренней стороне опалубки с возможностью взаимодействия с отжимными роликами.

Недостаток известной конструкции опалубки невозможность выполнения двухслойной крепи с надежной связью вмещающих пород с жесткой несущей оболочкой крепи ствола и необходимой податливостью внешней ее оболочки.

Цель изобретения снижение трудоемкости возведения надежно работающей крепи в сложных горно-геологических и горно-технических условиях.

Поставленная цель достигается тем, что возведение внутренней и внешней оболочек ведут одновременно кольцами с параллельным выполнением технологических проемов по возведению внутренней и внешней оболочек, а именно в первом кольце на стенке ствола монтируют металлические ребра жесткости и параллельно во втором кольце пространство между ребрами жесткости, стенкой ствола шахты и опалубкой (опалубка для формования податливой внешней оболочки) заполняют литой бетонной смесью с пористым заполнителем (керамзит, пенобетон, газобетон, кубические обрезки из дерева, пропитанные антисептиком и т.п.) и параллельно в третьем кольце устанавливают металлический арматурный каркас внутренней несущей оболочки, соединяя его с ребрами жесткости, замоноличенными во внешней оболочке, а в четвертом кольце пространство между внешней оболочкой и скользящей опалубкой (опалубка для формования несущей внутренней оболочки) заполняют литой жесткой бетонной смесью, и после твердения бетона в обеих кольцах, скользящую опалубку одновременно перемещают на шаг, равный высоте кольца. Возведение крепи ведут в восходящем порядке, для чего стенки ствола шахты при проходке крепят временной штанговой крепью, при возведении постоянного крепления к штангам присоединяют ребра жесткости внешней податливой оболочки. Возведение крепи ведут в нисходящем порядке. Арматурный каркас внутренней оболочки предыдущего кольца сваривают с арматурным каркасом последующего кольца. Установку опалубки относительно вертикальной оси ведут по лазерному лучу, источник которого устанавливают над устьем ствола шахты. При монтаже арматурного каркаса внутренней жесткой оболочки на нем закрепляют элементы крепления армировки ствола. Бетонную смесь во внешней податливой оболочке уплотняют вибрационными импульсами. Бетон на стыках колец внутренней жесткой железобетонной оболочки подвергают дополнительной вибрационной обработке.

Для реализации предлагаемого способа скользящая опалубка выполняется со следующими отличительными особенностями. Она снабжена дополнительной секционированной опалубкой для бетонирования внешней оболочки и дополнительным полком для монтажа металлического арматурного каркаса внутренней оболочки. На полках установлены экраны с сетками для проецирования на них лазерного луча, а над устьем шахтного ствола установлен источник лазерного излучения.

Предлагаемое техническое решение обладает следующими элементами существенной новизны и полезности. Возведение внутренней и внешней оболочек ведут одновременно кольцами с параллельным выполнением технологических приемов. В первом кольце на стенке ствола шахты монтируют ребра жесткости внешней оболочки. Параллельно во втором кольце пространство между ребрами жесткости, стенкой ствола шахты и опалубкой заполняют литой бетонной смесью с пористым заполнителем. В качестве пористого заполнителя используют керамзит, пенобетон, газобетон, кубические обрезки дерева, пропитанные антисептиком и т.п. Параллельно в третьем кольце устанавливают арматурный каркас внутренней несущей оболочки, соединяя его с ребрами жесткости, замоноличенными во внешней оболочке. В четвертом кольце пространство между внешней оболочкой и скользящей опалубкой (опалубка для формования несущей внутренней оболочки) заполняют литой жесткой бетонной смесью. Такое решение позволяет одновременно выполнять все операции по созданию компенсационной и несущей оболочек с минимальными затратами. Ячеистое строение (любой бетон с пористым заполнителем) компенсационной наружной оболочки надежно поддерживает внутреннюю оболочку от смещений в любой плоскости.

Это позволяет создать надежно работающую компенсационную оболочку, способную воспринимать локальные подвижки массива горных пород без деформаций несущей оболочки. При деформировании внешней оболочки, благодаря ребрам жесткости, внутренняя оболочка надежно удерживается от смещения вниз.

После твердения бетона в кольцах (кольца, образованные во внешней оболочке, и кольца, образованные во внутренней оболочке) скользящую опалубку перемещают на шаг, равный высоте кольца, что позволяет обеспечить оптимальную трудоемкость по возведению крепи при минимальных затратах.

При возведении крепи в восходящем порядке стенки ствола шахты крепят временной штанговой крепью, а при возведении постоянного крепления к штангам присоединяют ребра жесткости наружной компенсационной оболочки. Такое решение позволяет возводить постоянную крепь в более благоприятных условиях с отступлением от забоя, а установленные штанги использовать для крепления ребер жесткости компенсационной внешней оболочки.

При возведении крепи в нисходящем порядке арматурный каркас внутреннего слоя предыдущего кольца сваривают с арматурным каркасом последующего кольца. Данное техническое решение позволяет применять этот способ крепления в условиях, не позволяющих вести проходку с большим отставанием постоянного крепления.

Ориентирование опалубки ведут по лазерному лучу, источник которого устанавливают над устьем ствола. Данное техническое решение позволяет качественно выполнять крепление монолитным бетоном при сокращении времени на ориентирование и установку опалубки.

При монтаже арматурного каркаса внутренней жесткой оболочки на нем закрепляют элементы крепления армировки ствола. Разметку под элементы крепления армировки ствола ведут дополнительным лучом лазера, источник которого установлен над устьем ствола шахты. Данное техническое решение позволяет точно устанавливать элементы крепления армировки ствола, что в последующем сократит затраты по армированию ствола.

Бетонную смесь в наружной податливой (компенсационной) оболочке уплотняют вибрационными импульсами. Это позволяет получить прочную ячеистую структуру в наружной оболочке, способную выдерживать необходимые нагрузки за счет ее податливости при локальных смещениях горных пород.

Бетон на стыках внутренней жесткой железобетонной оболочки подвергают дополнительной вибрационной обработке. Данное техническое решение обеспечивает надежное соединение колец внутренней оболочки, что повышает прочность крепления и гидроизоляцию ствола шахты.

Скользящая опалубка для осуществления предлагаемого способа имеет следующие существенные отличия и промышленную полезность. Она снабжена дополнительной секционированной опалубкой для бетонирования внешней оболочки и дополнительным полком для монтажа арматурного каркаса. Это позволяет снизить трудовые затраты и обеспечить безопасные условия по возведению двухслойной железобетонной крепи.

На полках установлены экраны с сеткой проецирования лазерного луча, а над устьем шахтного ствола установлены источники лазерного излучения. Данное техническое решение позволяет повысить качество выполнения крепления за счет точного фиксирования скользящей опалубки ствола на всем его протяжении и создаст возможность непрерывного контроля за положением опалубки.

На секциях опалубки установлены вибровозбудители, позволяющие повысить качество бетонных работ, прочность и водонепроницаемость крепи.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает элементами существенной новизны и позволяет создать высокоэффективную технологию возведения монолитной железобетонной крепи для шахт со сложными горно-геологическими и горно-техническими условиями (проявления неравномерного давления, в том числе в динамической форме, большие смещения горных пород, высокая водообильность, требования по термоизоляции и т.п.).

На фиг.1 показана принципиальная схема крепления шахтного ствола из монолитного железобетона и скользящая опалубка для ее возведения: на фиг.2 узел I на фиг.1; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 принципиальная схема возведения крепи в восходящем порядке; на фиг. 6 то же, в нисходящем порядке; на фиг.7 принципиальная схема скользящей опалубки при возведении крепи в нисходящем порядке; на фиг.8 то же, в восходящем порядке; на фиг.9 конструкция крепи шахтного ствола при ее возведении в нисходящем порядке; на фиг.10 разрез В-В на фиг.9; на фиг.11 конструкция внешней оболочки; на фиг.12 узел II на фиг.11 (при выполнении бетонной крепи с керамзитовым заполнителем); на фиг.13 то же, с заполнителем из кусков пенобетона, газобетона и т. д. на фиг.14 то же, с заполнителем из деревянных кубиков; на фиг.15 деформация ребра жесткости во внешней оболочке при смещении пород на контуре шахтного ствола; на фиг.16 узел III на фиг.9 (при соединении арматурного каркаса во внутренней оболочке на стыке колец).

Крепление ствола 1 ведется с многопалубного полка 2 со скользящей опалубкой. Ориентировка полка 2 (фиг.1-4) ведется лазерным лучом 3, источник 4 которого установлен над устьем шахтного ствола. На верхней и нижней палубах (полках) установлены механизмы 5 и 6 центрирования многопалубного полка 2 в виде системы цилиндров и рычажных устройств, посредством которых полок может фиксироваться в требуемом положении в сечении ствола. На верхнем и нижнем полках установлены экраны 7 и 8 с сеткой для проецирования лазерного луча 3 в виде следа 9.

В зависимости от горно-геологических и горно-технических условий выбирается восходящий или нисходящий порядок возведения крепи. В горных породах, требующих крепление во след за проходкой, применяют нисходящий способ; в устойчивых породах применим более технологичный восходящий способ возведения постоянного крепления. В зависимости от направления возведения крепи изменяется оснастка многопалубного полка 2 для крепления ствола в нисходящем порядке. Многопалубный полок 2 состоит из корпуса 10, в котором имеется пять палуб (полков) 11, 12, 13, 14 и 15. На каждом полке производится определенная технологическая операция по возведению крепи. На верхней палубе установлен механизм 5 центрирования полка, распирающий его в готовую внутреннюю несущую оболочку 16, а также установлен экран 7 с сеткой для проецирования лазерного луча и раструб 17 для подачи бетона за секторную опалубку 18. На полке 12 установлены устройства для обслуживания скользящей секционной опалубки 18 по возведению внутренней несущей оболочки. На стенках секторной опалубки могут быть установлены вибраторы 19.

На полке 13 ведутся работы по установке арматурного каркаса 20 внутренней оболочки. Полок 13 оборудуется сварочным аппаратом, средствами резки и изгиба стальных прутков для арматурных работ и вспомогательных операций. На полке 13 производится установка элементов 21 крепления армировки ствола шахты и может быть установлена аппаратура 22 для лазерной разметки их местоположения.

На полке 14 ведется обслуживание устройств скользящей секционной опалубки 23 по возведению кольца внешней компенсационной оболочки 24. На стенках секторной опалубки 23 могут быть установлены вибраторы 25 для уплотнения бетона в оболочке 24.

На нижнем полке 15 установлен механизм 6 центрирования многопалубного полка 2 с опорой на некрепленные стенки ствола, а также установлен экран 8 для проецирования лазерного луча. С полка 15 ведется установка ребер 26 жесткости в виде пластин из листового металла. Ребра 26 жесткости на анкерных болтах 27 жестко крепятся к стенке шахтного ствола.

На фиг. 8 показана принципиальная схема многопалубного полка со скользящей опалубкой для возведения крепи в восходящем порядке.

Конструкция полка аналогична описанному выше, но ввиду того, что на полках изменилась последовательность производимых технологических операций, изменяется оборудование на полках.

Полок состоит из аналогичного корпуса 10, в котором имеется пять палуб (полков) 28, 29, 30, 31 и 32. На верхнем полке 28 установлен механизм 5 центрирования полка, распирающий его в стенках ствола, а также установлены экран 7 с сеткой для проецирования лазерного луча 3 и раструб 35 для подачи бетона за секторную опалубку 33 для бетонирования кольца внешней оболочки 24. С полка 28 ведется монтаж ребер жесткости 26 во внешней оболочке 24. Ребра 26 жесткости устанавливаются на анкерные болты 34, которые использовались как временная крепь и устанавливались при проходке ствола.

На полке 29 ведется обслуживание устройств скользящей секторной опалубки 33 по возведению кольца внешней компенсационной оболочки 24. На стенках секторной опалубки 33 могут быть установлены вибраторы 25 для уплотнения бетона в оболочки 24.

На полке 30 ведутся работы по установке арматурного каркаса 20 внутренней оболочки 16, а также установка элементов 21 крепления армировки ствола.

На полке 31 ведется обрслуживание устройств скользящей секторной опалубки 36 по возведению внутренней оболочки.

На нижнем полке 32 установлен механизм 6 центрирования многопалубного полка в готовом закрепленном стволе, а также смонтирован экран 8 для проектирования лазерного луча 3 при центрировании многопалубного полка.

На фиг. 9, 10 показана конструкция крепи шахтного ствола из монолитного железобетона.

Готовая крепь шахтного ствола не имеет существенных отличий от крепи, возведенной как в нисходящем, так и в восходящем порядке. Крепь шахтного ствола из монолитного железобетона состоит из двух оболочек наружной 24 компенсационной и внутренней 16 жесткой, несущей. Наружная оболочка возводится непосредственно на стенке ствола и является связующим элементом между массивом горных пород и жестким стаканом (оболочкой) крепления ствола. Наружная оболочка должна облалать достаточной прочностью и в то же время быть податливой при смещении локальных участков вмещающих пород.

Предполагается ячеистая структура бетона в наружной оболочке, жесткий костяк которого состоит из цементного молока с минимально необходимым количеством песка и заполнителя в виде крупного материала (фиг.12, 13 и 14). Заполнитель может быть выполнен из керамзита (фиг.12), пеногазобетона (фиг. 13) и кубических кусков дерева, пропитанных антисептиком (фиг.14). Все перечисленные материалы при разрушении уменьшаются в объеме и позволяют компенсировать уменьшение внешнего диаметра ствола из-за локального смещения в него горных пород.

Объем компенсационного заполнителя определяют из условия ожидаемых смещений пород. Для того чтобы не нарушать связь горного массива с жесткой оболочкой (стаканом), в теле наружной оболочки установлены ребра 26 жесткости из листового металла. Ребра 26 прочно закреплены анкерами 34 к стенке ствола и приварены к арматурному каркасу 20 внутренней оболочки. При смещениях горного массива и деформации бетона за счет смятия ячеек (выполненных из податливых материалов) ребра жесткости, деформируясь (фиг.15), не теряют связи с внешней оболочкой и поддерживают ее и внутреннюю оболочку от смещения вниз.

Внутренняя жесткая оболочка 16 в процессе эксплуатации не должна деформироваться, и поэтому она готовится из тщательно уплотненного жесткого бетона и имеет металлический арматурный каркас 20. Арматурный каркас 20 предыдущего кольца оболочки сваривается с арматурным каркасом 20 последующего кольца оболочки (фиг.16), что является обязательным условием при нисходящем способе крепления шахтного ствола.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В зависимости от устойчивости горных пород принимается нисходящий или восходящий способ крепления ствола. В породах устойчивых, допускающих обнажения на величину более чем расстояние между опорными башмаками, принимается восходящий способ как наиболее технологичный и безопасный, при котором стенки пройденного ствола закрепляются временным штанговым креплением с сеткой или без нее.

Через определенную проектом глубину закладывается опорный башмак из железобетона и после того как забой ствола отошел на достаточную глубину, в ствол на тросах опускают многопалубный полок 2 со скользящей опалубкой. Ориентировка полка 2 ведется лазерным лучем 3, источник 4 которого установлен над устьем ствола. Для этого посредством механизмов 5 и 6 центровки на экранах 7 и 8 след 9 лазерного луча 3 устанавливается в центральной части экранов 7 и 8 и расклинивается в стволе шахты, после чего начинаются работы по возведению железобетонной крепи.

Возведение внутренней и внешней 24 оболочек ведется кольцами (заходками) высотой, равной высоте скользящей опалубки.

На каждом полке 28, 29, 30, 31 и 32 выполняются определенные операции по возведению колец внутренней и внешней оболочек. На полке 32 производятся работы только по центровке многопалубного полка и его раскрепление в готовой части ствола (или на опорном башмаке). На полке 31 секции опалубки 36 устанавливаются на проектную отметку, расклиниваются и через полок 30 ведется заполнение жестким бетоном пространства между внешней оболочкой и опалубкой. При необходимости для уплотнения бетона включают вибраторы 25, закрепленные на секциях опалубки 36.

На полке 29 устанавливаются секции опалубки 33 на проектную отметку, производится их расклинивание и через полок 28 ведут заполнение пространства между стенкой ствола и секциями опалубки 33 бетоном с объемным заполнителем (в виде керамзита, пенобетона, газобетона, древесных кубиков), создающим ячеистый бетон. При необходимости включают вибратор 25 для по- лучения равномерно плотной структуры.

Во время естественного твердения бетона ведутся работы на полках 30 и 28. На полке 28 на стенках ствола к анкерам 34 временного крепления устанавливаются ребра 26 жесткости. На полке 30 закрепляют арматурный каркас 20 внутренней оболочки приваривая его к замоноличенным ребрам 26 жесткости.

В каркасе 20 посредством лазерного устройства фиксируют элемент 21 крепления армировки ствола. После того, как бетон набрал достаточную прочность, включением вибраторов 25 производят отрыв секции от бетона. Так за один цикл отформовывают по одному кольцу внешней и внутренней оболочек такой же высоты и производят подго- товку (установку арматуры и ребер жесткости) для изготовления последующих колец.

Затем производят съем расклиненного многопалубного полка 2 посредством механизмов 5 и 6 и подъем, его на тросах на высоту кольца с последующей центровкой лазерным лучом и расклинкой полка на новом месте. Циклы повторяются в дальнейшем в такой последовательности. В неустойчивых породах крепление ведется в нисходящем порядке с использованием многопалубного полка (фиг.7). Основное отличие заключается в том, что арматура каркаса 20 внутренней оболочки последующего кольца приваривается к арматуре каркаса предыдущего кольца.

Многопалубный полок в верхней его части расклинивается в готовую крепь ствола, а в нижней части в породные стенки ствола. В верхней части многопалубного полка ведется возведение внутренней оболочки, а в нижней части внешней оболочки. Операции по возведению оболочек идентичны предыдущим. Таким образом, предлагаются способ и устройства для крепления вертикальных стволов шахт и рудников со сложными горно-геологическими и горно-техническими условиями эксплуатации при большом горном давлении и смещениях породного массива, в том числе с динамическими формами их проявления.