Анализ факторов потери устойчивости крепи вертикального ствола при длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера

Научная статья направлена на изучение процессов, приводящих к потере устойчивости и разрушению крепи при длительной эксплуатации вертикального ствола в условиях Арктического региона. Знание основных факторов, приводящих к деградации материала крепи стволов, позволит разрабатывать более эффективные методы и технологии для поддержания их устойчивости на протяжении длительного периода эксплуатации. Важными аспектами исследования являются изучение влияния различных факторов среды на физико-механические свойства материалов, использованных для возведения крепи стволов, а также анализ поведения геологических слоев в условиях Крайнего Севера. Проект включает оценку влияния технологических процессов и условий эксплуатации на безопасность функционирования стволов. Основная цель данного исследования заключается в анализе причин потери устойчивости и разрушения крепи вертикального ствола. Разработаны рекомендации по улучшению устойчивости вертикальных стволов, что способствует эффективному развитию в регионе Крайнего Севера ресурсодобывающей отросли. Исследование включает в себя изучение климатических и гидрогеологических факторов, условий криолитозоны, воздействия процессов замораживания, исторических аспектов строительства объекта, воздействия взрывных работ. Кроме изучения архивных документов, статистической информации, проводились натурные измерения, фотодокументирование и исследования материала сооружения. Результаты исследования могут быть использованы в горнодобывающей отрасли, особенно в контексте разработки месторождений и проектирования подземных сооружений в экстремальных климатических условиях.

Котиков Д. А., Веселова А. В., Романова Е. Л., Деменков П. А. Анализ факторов потери устойчивости крепи вертикального ствола при длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 11−1. — С. 57—80. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_111_0_57.

Котиков Дмитрий Александрович¹ — канд. техн. наук, зав. лабораторией, https:// orcid.org/0009−0006−8445−2689, e-mail: hromokot@list.ru;
Веселова Анастасия Владимировна¹ — аспирант, https://orcid.org/0009−0004−6450−183X, e-mail: s225061@stud.spmi.ru;
Романова Екатерина Леонидовна¹ — аспирант, https://orcid.org/0000−0002−4448−4292, e-mail: ekaterina.romanova.1997@mail.ru;
Деменков Петр Алексеевич¹ — докт. техн. наук, профессор, декан Строительного факультета, https://orcid.org/0000−0003−1599−8080, e-mail: demenkov_pa@pers.spmi.ru;
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, 199106, Санкт-Петербург, линия 21-ая В. О., дом 2

Веселова Анастасия Владимировна, e-mail: s225061@stud.spmi.ru.

1. Noskov V. A., Tsirel S. V., Korchak P. A. Investigation of the impact of geodynamic risk on the financial and economic activities of mining enterprises // Rock Mechanics for Natural Resources and Infrastructure Development — Proceedings of the 14th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering, ISRM — 2019, 2020, pp. 330–335.

2. Вохмин С. А., Урбаев Д. А., Иванов Д. Г., Зайцева Е. В. Перспективные направления снижения капитальных затрат при строительстве вертикальных стволов // Современные проблемы науки и образования. — 2012. — № 6. — С. 100.

3. Коренной Ю. П., Власенко Д. С., Демехин Д. Н. К вопросу определения степени нарушенности пород при расчете параметров крепи подземных горных выработок // Маркшейдерия и недропользование. — 2019. — № 3(101). — С. 40–41.

4. Демин В. Ф., Демина Т. В., Батанин Ф. К., Тетерев Н. А. Формирование прогрессивных технологических схем проведения и крепления горных выработок // Безопасность технологических процессов и производств: Труды IV Международной научнопрактической конференции. — Екатеринбург, 2022. — С. 5–10.

5. Масленников С. А., Говоруцкая С. А. Эффективные параметры возведения комбинированной крепи вертикальных стволов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. — 2010. — № 1. — С. 266–272.

6. Баландин В. В., Леонов В. Л., Куранов А. Д., Багаутдинов И. И. Применение обобщенного критерия Хука–Брауна для выбора и проектирования систем шахтной крепи для Октябрьского медно-никелевого месторождения: пример применения // Горный журнал. — 2019. — № 11. — С. 14–18.

7. Дементьева А. В. Подбор состава пенобетона для элементов податливой крепи на основе численного моделирования // Актуальные проблемы недропользования: Тезисы докладов XVIII Международного форума-конкурса студентов и молодых ученых. — 2022. — Т. 2. — С. 14–16.

8. Morozov K. V. Creation of rock mass monitoring deformations systems on rock burst hazardous mineral deposits // 14th International Congress on rock mechanics and rock engineering, 2020, pp. 1318–1323.

9. Синчук Ю. Ю., Синчук Ю. В. Экономическое развитие российской Арктики // Большая Евразия: развитие, безопасность, сотрудничество. — 2023. — № 6−2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekonomicheskoe-razvitie-rossiyskoy-arktiki (дата обращения: 05.03.2024).

10. Протосеня А. Г., Алексеев А. В., Вербило П. Э. Прогноз напряженно-деформированного состояния и устойчивости лба забоя тоннеля при пересечении нарушенных зон грунтового массива // Записки Горного института. — 2022. — Т. 254. — С. 252–260. DOI: 10.31897/PMI.2022.26.

11. Марысюк В. П., Шиленко С. Ю., Андреев А. А., Шабаров А. Н. Методика расчета межскважинных целиков для формирования защищенных зон в условиях удароопасных месторождений Талнаха // Горный журнал. — 2023. — № 1. — С. 106–112. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.18.

12. Ильинов М. Д., Петров Д. Н., Карманский Д. А., Селихов А. А. Аспекты физического моделирования процессов структурных изменений образцов горных пород при термобарических условиях больших глубин / // Горные науки и технологии. — 2023. — Т. 8. — № 4. — С. 290–302. DOI: 10.17073/2500−0632−2023−09−150.

13. Карасев М. А., Сотников Р. О. Прогноз напряженного состояния набрызг-бетонной крепи при многократном сейсмическом воздействии // Записки Горного института. — 2021. — Т. 251. — С. 626–638. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.2.

14. Петрушин А. Г., Викулов В. М. Оценка несущей способности тюбинговой крепи вертикальных стволов // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. — 2019. — С. 267–270.

15. Страданченко С. Г., Масленников С. А., Голик В. И., Вернигор В. В. Оптимизация состава бетонной крепи шахтных стволов // Технологии бетонов. — 2019. — № 5–6 (154–155). — С. 34–37.

16. Karasev M. A., Protosenya A. G., Katerov A. M., Petrushin V. V. Analysis of shaft lining stress state in anhydrite-rock salt transition zone // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2022, no. 12, pp. 151−162. DOI: 10.17794/rgn.2022.1.13.

17. Головнева Е. Е., Борщевский С. В., Глебко В. В. К вопросу о проектировании сопряжений стволов с учетом увеличения глубины горных работ методом конечных элементов // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Гірничо-геологічна. — 2014. — № 2(21). — С. 124–130.

18. Кузина А. В., Клюев Р. В., Валиев Н. Г. Прогнозирование состояния ледопородного массива при проходке вертикального шахтного ствола с замораживанием // Известия Уральского государственного горного университета. — 2023. — № 3(71). — С. 87–93. DOI: 10.21440/2307−2091−2023−3-87−93.

19. Прокопов А. Ю., Масленников С. А., Шинкарь Д. И. О влиянии специфических условий строительства вертикальных стволов на формирование прочностных характеристик бетона // Научное обозрение. — 2013. — № 11. — С. 102–107.

20. Протосеня А. Г., Вильнер М. А. Прогноз напряженно-деформированного состояния дисперсно-армированной набрызгбетонной крепи в трещиноватых массивах // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2021. — № 5(147). — С. 5–14. DOI: 10.26730/1999−4125−2021−5-5−14.

21. Кормщиков Д. С., Кузьминых Е. Г., Семин М. А. Безопасность реверсирования воздушного потока в вентиляционных стволах шахт в холодное время года при отсутствии подогрева // Безопасность труда в промышленности. — 2022. — № 1. — С. 14–19. DOI: 10.24000/0409−2961−2022−1-14−19.

22. Семин М. А., Князев Н. А., Кормщиков Д. С. Тепловые процессы в вентиляционном стволе глубокого рудника при реверсировании воздушной струи в холодное время года // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2023. — № 1. — С. 112–123. DOI: 10.15372/FTPRPI20230111.

23. Зайцев А. В., Семин М. А., Паршаков О. С. Особенности формирования теплового режима в воздухоподающих стволах в холодный период года // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 562–568. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.9.

24. Казаков Б. П., Шалимов А. В. О температуре крепи вентиляционных стволов при реверсировании главных вентиляторных установок // Безопасность труда в промышленности. — 2006. — № 10. — С. 12–14.

25. Бублик С. А., Семин М. А., Левин Л. Ю. Исследование прочности монолитной бетонной крепи шахтного ствола в условиях переменных тепловых нагрузок // Вычислительная механика сплошных сред. — 2021. — Т. 14. — № 2. — С. 220–232. DOI: 10.7242/1999−6691/2021.14.2.19.

26. Колесов Е. В., Казаков Б. П., Семин М. А. Моделирование теплообмена между крепью шахтного ствола и проходящим по стволу воздухом в условиях смешанной конвекции // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2021. — № 5. — С. 160–171. DOI: 10.15372/FTPRPI20210515.

27. Сергеев С. В., Воробьев Е. Д., Фролов Н. В. Обследование ствола шахты, эксплуатируемого в сложных инженерно-геологических условиях // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. — 2017. — № 2. — С. 63–67. DOI: 10.12737/23818.

28. Поляков А. Л., Лутович Е. А., Северинчик С. А. Первый опыт комплексного обследования крепи вертикальных стволов на рудниках ОАО «Беларуськалий» // Научные исследования и инновации. — 2011. — Т. 5. — № 2. — С. 144–146.

29. Дрибан В. А., Хохлов Б. В., Антипенко А. В. Прогноз долговременной геомеханической устойчивости крепи вертикальных стволов шахты «Глубокая» в обводненном массиве горных пород // Труды РАНИМИ. — 2023. — № 23(38). — С. 126–136.

30. Костин Э. С. Формирование горного давления на крепь вертикальных горных выработок, проведенных в устойчивых при оттаивании вечномерзлых породах // Проблемы и перспективы развития горного дела на Северо-Востоке СССР. — 1990. — С. 288–292.

31. Иудин М. М. О пластическом деформировании мерзлых горных пород // Материалы четвертой конференции геокриологов России: Сборник. — 2011. — Т. 1. — С. 60–65.

32. Зубков А. В., Сентябов С. В., Бирючев И. В. Влияние изменяющихся горизонтальных напряжений в массиве на состояние крепи стволов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. — 2014. — № 3(47). — С. 11–15.

33. Ильинов М. Д., Коршунов В. А., Поспехов Г. Б., Шоков А. Н. Комплексные экспериментальные исследования механических свойств горных пород: проблемы и пути их решения // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 11–18. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.02.

34. Тарасов В. В., Аптуков В. Н. Мониторинг деформации бетонной крепи шахтных стволов с помощью лазерного сканирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2022. — № 5. — С. 188–195. DOI: 10.15372/ FTPRPI20220518.

35. Булычев Н. С. Механика подземных сооружений. — М.: Недра, 1982. — 271 с.

36. Корчак П. А., Карасев М. А. Геомеханическое обоснование формирования зон хрупкого разрушения пород в окрестности сопряжений горных выработок рудников АО «Апатит» // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 1(55). — С. 67–80. DOI: 10.21177/1998−4502−2023−15−1-67−80.

37. Кузнецова М. Г., Диулин Д. А. Особенности эксплуатации, диагностики и прогнозирования состояния крепи вертикальных стволов шахт // Механика. Исследования и инновации. — 2020. — № 13. — С. 68–80.

38. Raskazov M., Tereshkin A., Tsoi D., Konstantinov A., Miroshnikov V., Bagautdinov I., Kozhogulov K. Research of the formation of zones of stress concentration and dynamic manifestations based on seismoacoustic monitoring data in the fields of the Kola Peninsula // E3S Web Conf. 2020, vol. 192, 01009. DOI: 10.1051/e3sconf/202019201009.