Общие направления в борьбе за повышение качества, надежности и долговечности при проектировании и сооружении вертикальных стволов шахт

Полноценное решение проблем надежности может быть достигнуто лишь при комплексном осуществлении следующих мероприятий на всех стадиях сооружения и эксплуатации вертикальных стволов шахт: проектирования с учетом характеристик надежности, технологического обеспечения установленным проектом характеристик качества и главным образом надежности поддержания требуемого уровня качества крепи и армировки ствола в течение всего его срока службы.

В практике могут встретиться две основные задачи: проектирование элементов и конструкций по заданным (ранее установленным, нормативным) критериям, обратная задача — оценка надежности существующих элементов и конструкций.

Обе задачи тесно связаны между собой, так как необходимые для проектирования количественные характеристики надежности могут быть установлены только на основе статистического анализа и оценки данных, касающихся действительной надежности существующих элементов и конструкций, аналогичных проектируемым. В свою очередь, при организации проходческих работ нужно учитывать требования устанавливаемых проектом количественных характеристик надежности. В результате должны быть обеспечены условия, при которых действительная надежность будет соответствовать теоретической, принятой в проекте.

В настоящее время в большинстве случаев проектирование ведется пассивным методом, при котором расчеты элементов и конструкций на прочность и устойчивость выполняются без комплексного учета их надежности. Такое положение не позволяет управлять качеством и не отвечает требованиям современного уровня развития шахтостроительной науки и техники.

В области проектирования следует проводить дальнейшие исследования, направленные на уточнение методов расчета. Проектируемая надежность конструкций крепи и армировки зависит прежде всего от соответствия принятой расчетной модели действительным условиям работы этой системы.

Например, для элементов конструкций армировки следует вести исследования по определению принципов расчета, обеспечивающих бездефектную работу этих элементов в условиях длительной эксплуатации. Необходимостью становится учет долговечности и ремонтопригодности при проектировании вертикальных стволов и их конструкций.

В области проходческих работ качество крепи и армировки зависит от степени изменчивости физико-механических и геометрических характеристик элементов и узлов.

В данной области необходимы следующие изыскания:

систематическое изучение факторов, влияющих на производственное качество элементов и конструкций, возводимых разными методами и из различных материалов, т. е. в соответствии с различными проектными решениями вертикальных стволов;

обеспечение надежности конструкций путем стабилизации технологических процессов производства с помощью активного контроля качества работ;

разработка систематических методов исследования качества технологии производства и установление критериев оценки и методов анализа качества отдельных этапов проходческих работ. Такой анализ мог бы послужить основой для определения проектируемой характеристики надежности.

Оценка качества должна основываться на сопоставлении проектных и действительных характеристик качества. В области эксплуатации вертикальных стволов шахт, для улучшения характеристики долговечности и ремонтопригодности конструкций необходимо разработать методы проведения профилактических и капитальных ремонтов, а также определить условия эксплуатации.

Кроме того, нужно собирать и анализировать статистические данные в процессе износа и старения элементов и конструкций крепи, армировки. Для определения экономического эффекта при проектировании с учетом надежности и затрат на ее обеспечение при сооружении и эксплуатации вертикальных стволов шахт следует провести экономический анализ и дать обоснование требуемого уровня качества, запланированного срока службы ствола.

Оценка надежности вертикального ствола с помощью трех основных характеристик, т. е. начальной безотказности, оцениваемой долговечности и ремонтопригодности, позволяет конкретизировать комплексное решение проблемы повышения качества сооружения вертикальных стволов шахт.

На основе технико-экономического анализа оптимального уровня теоретической и действительной надежности можно установить количественные критерии оценки качества конструкций армировки и материала крепи.

Исследование и анализ процесса износа материалов, элементов и конструкций крепи и армировки ствола, применяемые методы ремонта и оценка их эффективности помогут получить данные о действительной долговечности применяемых конструктивных решений, об их действительной надежности, пригодности методов содержания и ремонта, а также разработать и внедрить оптимальные решения во вновь сооружаемых стволах. Поэтому они всегда предусматривают профилактические меры по предупреждению повреждений, плановому надзору и уходу за элементами крепи и армировки, которым в большей степени грозит опасность повреждения и разрушения, а также мероприятия по устранению мелких дефектов, возникающих, несмотря на работы по содержанию ствола, в период между ремонтами.

В общем случае к этой группе можно отнести ремонты при небольших вывалах бетона из крепи в результате выщелачивания его подземными водами, заделку трещин с раскрытием до 5 см, замену отдельных деформированных элементов армировки, заделку концов расстрелов в бетонной крепи и др.

Точные данные по определению долговечности материалов и составных элементов ствола, необходимые для установления содержания планово-предупредительных ремонтов и сроков их проведения, отсутствуют. Это обусловлено тем, что указанные факторы не проверены надлежащим образом в условиях нормальной эксплуатации, а лабораторные исследования не могут дать исчерпывающего ответа на возникающие вопросы. Предложения по установлению сроков проведения плановопредупредительных ремонтов различных составных элементов ствола основаны главным образом на обобщении накопленного опыта. Срочные ремонты могут быть вызваны одним или несколькими одновременными повреждениями, которые либо проявляются совместно, либо не связаны между собой. Эти повреждения имеют исключительный характер и могут быть вызваны сдвижением горных пород; авариями в стволе и повреждением или разрушением элементов крепи и армировки; неудовлетворительным техническим состоянием элементов, материалов и оборудования.

Минимальные общие капиталовложения и расходы на поддержание элементов крепи и армировки можно получить путем оптимизации затрат, уменьшения до минимума стоимости ремонтов, установления оптимальных циклов проведения ремонтов и оптимизации сроков службы вертикального ствола.

Меры по содержанию вертикального ствола, возводимого современными индустриальными методами, предусматривают текущие ремонты в течение гарантийного срока, постоянное техническое содержание элементов крепи и армировки, планово-предупредительные ремонты, капитальные ремонты с возможной модернизацией.

Под текущими ремонтами в течение гарантийного срока понимаются все работы, которые должна выполнять шахта, с целью доведения конструктивных элементов ствола до состояния полной технической и функциональной безотказности на период, установленный в гарантии.

Планово-предупредительные ремонты производят в заранее запланированные сроки и главной их целью является предотвращение неблагоприятных изменений в стволе, в его конструктивных элементах и в пародах, окружающих ствол. Принимается, что циклы и периоды производства ремонтов устанавливают на практике на основе действительного процесса износа конструктивных элементов ствола и его армировки.

Из характера планово-предупредительных ремонтов вытекает, что во многих случаях их следует проводить также тогда, когда нет видимых изменений, обусловливающих необходимость их проведения. Назначение этих работ — содержать ствол в хорошем техническом состоянии, обеспечить его безопасную работу и, следовательно, они призваны предотвращать преждевременное появление неблагоприятных изменений и повреждений элементов крепи и армировки, а также оборудования, расположенного в стволе.

В общем процессе улучшения качества и обеспечения требуемой надежности необходимо взаимодействие проектировщиков, шахтостроителей и эксплуатационников.

Экономическую эффективность сооружения вертикального ствола шахты можно выразить в виде функции

где Nп — стоимость проектирования; Nс — стоимость сооружения ствола; Nэ — эксплуатационные расходы; Nр — расходы на ремонт, содержание и замену элементов и конструкций крепи и армировки; Nм — расходы на модернизацию; Nд — стоимость ликвидации ствола, когда эксплуатация его становится невыгодной (что бывает сравнительно редко).

Как следует из приведенной зависимости, стоимость содержания ствола, ремонта и замены его элементов и конструкций, стоимость эксплуатации и модернизации также должны учитываться при оценке эффективности проходческих работ по сооружению вертикального ствола. Чем выше качество сооружения ствола, тем ниже расходы на его содержание. Проблема оптимизации капиталовложений на сооружение ствола, связанная с расходами на его содержание в период эксплуатации, представляет собой задачу первостепенной важности и требует проведения всесторонних исследований и экспериментов.

Необходимость проведения срочного ремонта ствола может выявиться на разных стадиях службы ствола и, следовательно, он не может планироваться во время эксплуатации.

Капитальный ремонт вертикального ствола будет обоснованным и обеспечит достижение намечаемых целей в том случае, когда в результате такого ремонта в стволе будут созданы необходимые условия для нормальной его эксплуатации, т. е. условия, приближающиеся к стандартным; предусматриваемая долговечность отремонтированного ствола будет не меньше установленной проектом. Если перечисленные условия невозможно выполнить, то должно быть принято решение о ликвидации такого ствола. План проведения ремонтных работ должен предусматривать, что средний размер расходов, требующихся для проведения планируемого объема работ, не превысит определенного процента начальной стоимости сооружения ствола, а его долговечность будет не меньше намеченной, исходя из директивного срока службы шахты.

В последние годы в области повышения качества проведен ряд мероприятий технического и организационного характера.

Следующим этапом повышения качества и эффективности шахтного строительства является проведение работ по меж-системной унификации элементов для сооружения вертикальных стволов. Опыт эксплуатации глубоких вертикальных стволов шахт, сооруженных индустриальными методами, показал, что больше всего повреждений в первые годы эксплуатации появляется в бетонных стенах ствола: раковины, трещины, небольшие вывалы и др. Эти нарушения вызваны в большинстве случаев невысоким качеством работ по бетонированию ствола. Элементы армировки получают механические повреждения. Воздействие внешней среды, коррозионные процессы, сдвижение горных пород будут сказываться позже. Для повышения качества сооружаемых стволов в свое время предлагались рекомендации. Целью этих рекомендаций явилось определение принципов и способов контроля возведения бетонных стен ствола и монтажа элементов армировки, оценка их качества с точки зрения удовлетворения проектных требований, а также установление лиц, ответственных за отдельные этапы сооружения ствола. В рекомендациях установлены также методы учета выполняемых работ, позволяющие определить ответственность непосредственных исполнителей за отдельные этапы и элементы работ.

Основой разработанной системы контроля производства проходческих работ и оценки качества возведения бетонной крепи и армировки ствола является принцип личной ответственности работников, занимающихся сооружением ствола, рабочих, выполняющих отдельные операции. Организация — подрядчик должна представить гарантийную карту на выполненные работы.

Карта содержит точный учет процесса выполнения работ, а также поименный список и подписи ответственных лиц, которые производили приемку поставляемых на строительную площадку строительных материалов и элементов конструкций, выполняли отдельные этапы работ и осуществляли надзор за строительством.

Гарантийная карта позволяет точно установить непосредственных исполнителей отдельных этапов работ, а также сроки выполнения работ, связанных с сооружением ствола.

Таким образом, работники шахтопроходческого управления лично отвечают за качество сооружения вертикального ствола шахты. Разделение компетенции и ответственности отдельных работников за те или иные этапы (стадии) сооружения ствола способствует созданию юридической и профессиональной ответственности.

Эта ответственность должна неукоснительно соблюдаться в конкретно установленной форме в течение всего срока возведения ствола и гарантийного срока эксплуатации.

Крепь и армировка часто деформируются из-за производства работ с отступлениями от проекта, несоблюдения требований по обеспечению жесткости и устойчивости армировки, а также элементарных требований, предъявляемых к возведению крепи ствола и монтажу элементов армировки. Проблема обеспечения надежности приобретает особую остроту в связи: с возрастающими нагрузками на крепь и армировку.

Под надежностью в шахтном строительстве принято понимать качества (свойства, способности) крепи и армировки, при которых обеспечена нормальная их эксплуатация на заданный срок службы. Надежность — это способность сооружений воспринимать всевозможные воздействия, возникающие в процессе возведения и эксплуатации. Как показывает анализ деформаций и разрушений крепи и армировки стволов шахт, воздействия, приводящие системы или их элементы к отказу или переходу в предельное состояние, могут быть самыми разнообразными. Формами и видами отказов или переходов в предельное состояние могут быть потеря устойчивости, чрезмерные деформации, коррозия, обрушение, переменные температуры и др.

Надежность строительных систем зависит от надежности элементов, составляющих системы, соединений и узлов.

Максимальное укрупнение составляющих систему элементов и тем самым сокращение числа узлов, стыков и сопряжений — основное условие повышения надежности и долговечности системы. Оптимальное решение системы — равная степень-надежности и долговечности элементов и узлов, стыков и сопряжений.

Монолитная бетонная крепь ствола представляет собой жесткую пространственную систему. При применении индустриальных методов возведения и выполнения их специализированными организациями могут быть достигнуты оптимальные сроки возведения и надлежащее качество.

Повышение качества шахтного строительства неразрывно связано с уровнем развития контрольно-измерительной техники и состоянием метрологического обеспечения строительства.

В современных условиях шахтного строительства измерительная техника и метрологическое обеспечение требуют более интенсивного развития. Это необходимо для контроля количества и качества расходуемых материалов, использования материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов, выполненных работ и изготовленной продукции (материалов, изделий, конструкций), для оценки эксплуатационных качеств крепи и армировки ствола. В условиях индустриализации шахтного строительства, внедрения новых конструкций и материалов проектных решений, строительства сложных подземных и надземных инженерных сооружений, обеспечения эффективности и качества строительства в целом непрерывно возрастает объем контрольно-измерительных операций и повышаются требования к точности измерений, качеству приборов лабораторного оборудования и измерительным процессам.

В последние годы строительные министерства и ведомства, научно-исследовательские и проектные организации разработали и разрабатывают эффективные контрольно-измерительные приборы: комплекс тензометрических приборов для испытаний строительных конструкций; влагомер для контроля влажности строительных материалов; лазерные приборы для разбивочных и планировочных работ, управления технологическими процессами монтажа и контроля качества строительных работ; приборы для исследования бетонных и железобетонных конструкций и их натурного обследования; радиоизотопные приборы для контроля плотности и влажности грунтов; объединенные ультразвуковые и радиоизотопные приборы для контроля качества бетона в железобетонных изделиях, конструкциях и сооружениях; приборы для контроля уплотнения грунтов; инструментальный приемочный контроль отдельных конструкций и элементов зданий и сооружений.

Практика показывает, что применение неразрушающих (склерометрических) и других эффективных средств и методов контроля позволяет установить действенную и объективную систему контроля, обеспечить объективную количественную оценку свойств материалов, несущей способности горных пород, надежности конструкций, а также возможность высокоточного монтажа конструкций крепи и армировки ствола шахты.

Внедрение утвержденных Госстроем России стандартов на ультразвуковые, радиоизотопные, электронные и электромагнитные неразрушающие методы контроля позволяет контролировать качество сборного и монолитного бетона и железобетона, экономить цемент, металл, а также сокращать затраты труда при выполнении контрольных операций. Многие шахтостроительные организации не соблюдают требований нормативных документов и государственных стандартов из-за неудовлетворительного состояния и плохого обеспечения контрольно-испытательными приборами и лабораторным оборудованием. Так, отсутствуют средства для контроля дозирования составляющих бетона, расхода цемента, (качества нерудных материалов и др. Качество металлоконструкций армировки также плохо контролируется и металл не защищается от коррозии. Все это приводит к большим непроизводительным материальным, энергетическим и трудовым затратам. В шахтном строительстве не хватает геодезических инструментов, в том числе теодолитов, нивелиров, лазерных приставок к ним, лабораторных виброплощадок, вискозиметров и другой аппаратуры для определения характеристик бетонной смеси, приборов для ультразвукового контроля и др. Иногда комиссии, расследующие причины того или иного разрушения, деформации крепи или армировки, без должного изучения и анализа всех обстоятельств делают поспешные выводы. Без привлечения соответствующих специалистов комиссии порой принимают рекомендации по внесению изменений и дополнений в нормативные документы по проектированию и производству работ без оценки их технической и экономической необходимости и целесообразности. Практика изучения разрушений крепи и армировки стволов шахт показывает, что поспешные выводы о их причинах бывают опасны, а рекомендуемые решения невыполнимы или влекут за собой необоснованное удорожание строительства.

Тщательное и объективное изучение причин разрушений позволит понять закономерности и условия работы строительных систем и их элементов.