Диагностика и мониторинг напряженного состояния крепи вертикальных стволов

УДК 622.833.5
ББК 33.14
 
К14

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для 
взрослых» СанПиН 1.2.1253–03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124–94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты 
прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.10

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф., академик РАЕН, ведущий научный сотрудник 
ФГУП ВИОГЕМ В.И. Стрельцов;
генеральный директор ООО «РусШахтСпецСтройПроект», канд. 
техн. наук А.Д. Мишедченко

•

•

УДК 622.833.5
ББК 33.14

Казикаев Д.М., Сергеев С.В.
К14  
Диагностика и мониторинг напряженного состояния 
крепи вертикальных стволов. — М.: Издательство «Горная 
книга», 2011. — 244 с.: ил. 
ISBN 978-5-98672-271-9 (в пер.)

Представлены методики, аппаратура и оборудование для натурных 
исследований напряженно-деформированного состояния околоствольных массивов горных пород и элементов крепи вертикальных шахтных 
стволов, сооружаемых и эксплуатируемых в сложных горно-геологических условиях. Изложены особенности подхода к решению научных 
задач, заключающиеся в системности и комплексности исследований. 
Изучаемые объекты рассмотрены как определенная совокупность, 
отражающая существующие и развивающиеся единые горно-геомеханические процессы при сооружении вертикальных стволов.
Для инженерно-технических работников рудников, шахтостроительных предприятий, проектных, конструкторских и научно-исследовательских организаций, может быть использована в учебном процессе 
горных вузов.

© Д.М. Казикаев, С.В. Сергеев, 2011
© Издательство «Горная книга», 2011
© Дизайн книги. Издательство 
 
«Горная книга», 2011

ISBN 978-5-98672-271-9

ПРЕДИСЛОВИЕ

В горно-добывающей промышленности наблюдается тенденция к увеличению глубины разработки полезных ископаемых 
в условиях ухудшения горно-геологических условий вскрытия. 
При этом повышаются требования к надежности крепи стволов. 
В настоящее время условия проходки и поддержания стволов 
подразделяют на обычные и сложные. Под этим подразумеваются главным образом условия проходки в зависимости от 
горно-геологической обстановки конкретного района [8].
Строительство вертикальных шахтных стволов является 
ответственным горно-строительным процессом, так как они 
служат главной транспортной, вентиляционной и коммуникационной магистралью, связывающей подземное и поверхностное 
пространства. От функционирования ствола зависят все работы 
по добыче полезных ископаемых
В зависимости от глубины, диаметра и типа крепи на сооружение шахтных стволов приходится до 50% времени и 
капитальных вложений, а стоимость крепления составляет до 
60% стоимости его сооружения. Особенно велики затраты в 
тяжелых горно-геологических условиях, к которым относятся 
такие, когда выработки сооружаются способом замораживания. 
Этот способ применяется в условиях значительных обводнений 
месторождений полезных ископаемых. Примером одного из 
наиболее сложных является Яковлевское железорудное месторождение на Курской магнитной аномалии. Здесь рудное тело 
залегает под 600-метровой осадочной толщей, представленной 
главным образом малопрочными сыпучими и малосвязными 
породами, вмещающей 8 водоносных горизонтов с напором до 
6 МПа. Близким по условиям залегания является Запорожское 
железорудное месторождение (ЗЖРК), где рудное тело залегает 
под 400-метровой осадочной обводненной толщей. Сложность 
сооружения таких стволов заключается в том, что вопросы низкотемпературного замораживания осадочных пород на больших 
глубинах исследованы мало. Поэтому проходка сопровождается 

осложнениями, которые приводят к большим дополнительным 
затратам. Например, в Южном стволе ЗЖРК диаметром в свету 7 м серьезные затруднения при проходке были на глубинах 
250–302 и 357–383 м [29]. В декабре 1965 г. ствол был сдан в 
эксплуатацию, а в марте 1966 г. при осмотре ствола обнаружены 
трещины в чугунных тюбингах на глубинах 292–296 и 311–313 м. 
Осложнения были отмечены и в стволах Яковлевского рудника 
КМА. Например, в стволе № 3 на глубине 345 м произошло 
разрушение крепи из чугунных тюбингов с толщиной спинки 
70 мм. Устранить это удалось только за счет уменьшения диаметра крепи в районе аварии. Осложнения были почти во всех 
стволах, сооружаемых способом замораживания, глубиной более 
300 м как в нашей стране, так и в Германии, Польше, Канаде, 
Голландии. Основной причиной такого положения следует 
считать отсутствие достаточных экспериментальных данных для 
создания методов прогноза напряженного состояния крепи в 
замороженных породах.
Особые условия работы крепи возникают в солях на глубинах 
свыше 300 м, где массив пород обладает значительной ползучестью. Например, бетонная крепь ствола «Главный» Калушского 
калийного рудника за 10 лет эксплуатации была разрушена 
полностью, при этом радиальные смещения крепи превысили 
200 мм [67]. Разрушилась также крепь стволов Третьего Березниковского рудника на глубинах 435–470 м [85] и Закарпатского 
солерудника [108]. Некоторые интервалы вентиляционного 
ствола рудника «Пийло» Калушского калийного рудника перекреплялись трижды [51]. На первом этапе было предусмотрено 
бетонное крепление, которое разрушилось. Перекрепление 
производилось тюбингами с толщиной спинки 30 мм, а после 
их разрушения — тюбингами с толщиной спинки 70 мм. Осмотр вспомогательного ствола после 4-летней расконсервации 
показал, что ниже 350 м произошло полное разрушение крепи 
из тюбинговой колонны и бетона. Такое положение объясняется 
тем, что длительные натурные наблюдения в стволах, сооружаемых в соляных породах, не проводились. Методы прогноза 
нагрузок на крепь ствола основаны на физико-механических и 
реологических характеристиках соляных пород, определенных 
в лабораторных условиях, что не дает желаемых результатов.

В последнее время осваиваются глубокие месторождения, 
расположенные в региональных геологических нарушениях 
[12, 13]. К ним, в частности, относятся Донское месторождение хромитов и Талнахское месторождение медно-никелевых 
руд. Вопрос распределения естественных напряжений в зонах 
геологических нарушений исследуется многими научно-исследовательскими и учебными институтами. Сложность заключается в том, что методы прямых измерений напряжений в 
зонах дробления тектонических нарушений отсутствуют. Это 
возможно только косвенными методами. В настоящее время 
нет апробированных методов расчета нагрузок на крепь в таких 
условиях, а это приводит к несоответствию принятых параметров крепи фактическим радиальным нагрузкам. Из-за этого 
в 1984 г. произошло катастрофическое разрушение бетонной 
крепи клетевого ствола шахты «Центральная» Донского ГОКа 
в интервале глубин 572–765 м [12]. Ствол на высоту 193 м был 
засыпан породой. Проектом восстановления разрушенной части 
ствола и его дальнейшей проходки была принята комбинированная крепь из чугунных тюбингов и бетона. Осложнения 
возникли при сооружении рассечки на глубине 805 м, где было 
отмечено появление трещин в спинках тюбингов.
За последние десятилетия способы крепления стволов, 
материалы и конструкции крепи претерпели значительные изменения: наиболее распространенным материалом крепи был 
монолитный бетон, а с 1954 г. при сооружении вертикальных 
стволов стали применяться железобетонные тюбинги.
В настоящее время в сложных горно-геологических условиях повсеместно применяется комбинированная многослойная крепь, состоящая из чугунных тюбингов и слоя бетона. 
На Яковлевском руднике, в интервалах ствола с наибольшей 
ожидаемой нагрузкой, впервые применена крепь, состоящая 
из внешней и внутренней тюбинговых колонн и бетонного 
заполнения кольцевого пространства тюбингов. Внешняя колонна имела толщину спинки 70 мм и выполнялась из серого 
чугуна СЧ 21-40; внутренняя колонна — из тюбингов производства Польши с толщиной спинки от 100 до 120 мм или из 
высокопрочного чугуна ВЧ 2-50 с толщиной спинки 70 мм. Для 

гидроизоляции между тюбингами внутренней колонны перед 
сборкой кольца укладывались свинцовые прокладки шириной 
25 см и толщиной 4 мм. Сооружение такой крепи проводится в 
три этапа. На первом этапе на высоту 4–8 м возводится внешняя тюбинговая колонна; на втором — сверху вниз навешиваются тюбинги внутренней колонны, на третьем — проводится 
бетонирование кольцевого пространства между колоннами. 
Исследование напряженно-деформированного состояния таких 
сложных конструкций крепи не проводилось.
Еще одной сложной конструкцией является двухслойная 
бетон-бетонная крепь ствола. Такая крепь широко применяется 
в глубоких стволах рудников Норильского горнометаллургического комбината. Внешний слой бетона сооружается сверху вниз 
по мере проходки ствола и является передовым, а внутренний 
слой возводится снизу вверх. Здесь очень важен выбор величины заходки крепления передовым бетоном. Исследование 
напряженно-деформированного состояния таких конструкций 
крепи тоже не проводилось.
Анализ случаев разрушения крепи в стволах показывает, что 
в сложных горно-геологических условиях давление на крепь 
определяется не только гравитационными силами, но и другими 
действующими факторами. Наиболее надежная информация о 
состоянии крепи может быть получена только путем непосредственных экспериментальных определений. Сложность таких 
исследований в стволах заключается в недоступности участков 
наблюдений.
Известно, что в современной геомеханике в решении конкретных инженерных задач первоочередную роль играют натурные измерения. Это обусловлено прежде всего многообразием 
и изменчивостью горно-геологических условий, вариациями 
ведения и параметрами горных работ во времени и пространстве 
[10]. В этих условиях только достаточные по объему и систематические натурные измерения позволяют выяснить механизм 
изучаемых процессов, выделить доминирующие факторы среди 
многих действующих, установить наиболее важные параметры 
изучаемых процессов, необходимые для дальнейшего решения 
той или иной конкретной задачи. Натурные наблюдения поз

воляют также обеспечить непрерывный контроль за состоянием крепи и своевременно выявлять возникновение опасных 
процессов.
В мировой практике исследования в стволах проводятся 
начиная с 50-х годов. В нашей стране натурными наблюдениями в основном занимался ВНИМИ, который в течение 
20 лет проводил исследования на всех угольных и некоторых 
железорудных месторождениях. Основной задачей натурных 
исследований было установление фактических нагрузок на 
крепь стволов для использования их при выборе рациональной 
крепи. Исследования проводились на замерных станциях, установленных в наиболее характерных участках стволов. Величины 
нагрузок определялись с помощью специально разработанных 
динамометрических баллонов.
Основной объем настоящей монографии написан на базе 
уникального комплекса наблюдений и измерений напряженнодеформированного состояния крепи и околоствольного массива 
пород в периоды сооружения и эксплуатации вертикальных 
шахтных стволов Яковлевского рудника КМА, шахты «Центральная» Донского ГОКа, рудника «Пийло» концерна «Ориана», 
рудника «Скалистый» Норильского ГМК.
Анализируя состояние изученности проблемы и разрабатывая программу столь глубоких и масштабных исследований, 
исходили из положений о том, что механика твердого тела в 
целом, а также строительная механика и механика горных пород — наука экспериментально-аналитическая, а основы их — в 
значительной мере и эмпирические.
Вместе с тем указанный выше анализ выявил, что данные о 
действующих в реальных условиях усилиях на контуре подземных сооружений и напряженно-деформированном состоянии 
их элементов весьма скудны, разноречивы и слабо интерпретированы.
Поэтому, когда встал вопрос об освоении не имеющего в мировой практике аналогов по сложности горно-геологических и 
инженерно-геологических условий Яковлевского железорудного 
месторождения, была разработана и реализована широкомасштабная программа мониторинга и диагностики сооружаемых 

методом предварительного замораживания массивов пород 
вертикальных шахтных стволов, охватывающая весь период 
строительства и последующей их эксплуатации.
Для наблюдения и измерений нагрузок и напряженно-деформированного состояния пород и крепи были отобраны самые 
современные на то время методики и технические средства, позволившие отследить механическое состояние околоствольного 
массива и элементов крепи стволов на всем их протяжении и 
в период всего строительства.
Созданная измерительная система позволяла держать под постоянным контролем состояние как всего сооружения в целом, 
так и отдельных его элементов и оперативно принимать технические решения при возникновении критических ситуаций.
Можно с уверенностью заметить, что успешное, практиче ски 
безаварийное сооружение вертикальных стволов Яковлевского 
рудника в решающей мере было обеспечено благодаря организации наблюдений за напряженно-деформированным состоянием 
крепи, а само строительство стволов в подобных условиях стало 
достижением мирового уровня.
В настоящей работе изложены результаты исследований, 
выполненных под руководством д-ра техн. наук, проф. Д.М. Казикаева.
Раздел 4.3.3 написан совместно с д-ром техн. наук, проф. 
Н.С. Булычевым, раздел 3.5 — совместно с доц., канд. техн. 
наук А.Н. Красовским.
Все натурные наблюдения, осуществленные авторами, проводились при сотрудничестве со специалистами Проектной 
конторы треста «Шахтспецстрой», которые по разработкам 
ВИОГЕМ выполняли проекты замерных станций в стволах и 
корректировали параметры крепи. Авторы благодарны канд. 
техн. наук А.Д. Мишедченко, многолетнее сотрудничество с 
которым помогло при решении многих задач.