книги из ГПНТБ / Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки

Многочисленные исследования водонепроницаемости бетона пока­ зали, что при просачивании воды в его порах происходит движение, которое может быть выражено законом Дарси:

где W — расход воды через перемычку, м 3 /ч;

S— площадь сечения выработки, заменяющей устройство пере­ мычки, м2 .

Приравняв между собой правые части равенств (V.60) и (V.61), получим

Подставив в равенство (V.62) численное значение W из предыду­ щего равенства, окончательно получим необходимую толщину под­ земной водонепроницаемой перемычки из условия практической водонепроницаемости:

При отсутствии точных данных коэффициенты фильтрации бетона ориентировочно можно принимать в пределах к = 0,000015— —0,000035. При расчетах окончательная толщина водонепроницаемой перемычки должна приниматься по наибольшему значению из вы­ численных толщин по вышеприведенным формулам из условия прочности на сжатие и срезывание, а также практическую водоне проницаемость.

из прорывов используются также в качестве тампонажных перемы-

чек. Расчет тампонажних перемычек производят на прочность ана­ логично расчету подземных водонепроницаемых перемычек по выше­ приведенным формулам с заменой в них: гидростатического давления воды рг соответствующим давлением тампонажного раствора р0, а также принимая в формулах коэффициенты перегрузки К и коэф­ фициенты условий работы т. Численные значения указанных коэф­ фициентов при расчете тампонажных перемычек и породных целиков рекомендуется принимать: коэффициент перегрузки X = 1,1 -+1,2, коэффициент условий работы т1 = 0,7 + - 0 , 8 . Используемые для тампонирования горных пород водонепроницаемые перемычки про­ веряют с учетом изложенного на прочность действию давления тампо­ нажного раствора.

В случае, если бетонные перемычки не удовлетворяют условию прочности на проектное давление тампонажного раствора, дают необходимое дополнительное время для их твердения и нарастания прочности бетона, по истечении которого приступают к тампониро­ ванию через них водоносных горных пород в местах прорыва воды в выработку.

Расчет породных целиков при тампонировании горных пород производят на прочность срезыванию. Он может осуществляться расчетом перемычек на срезывание, однако при этом в формулах следует вместо расчетного сопротивления бетона срезыванию тб принимать расчетное сопротивление горных пород срезыванию

вводонасыщенном состоянии.

4.Бетоны для сооружения подземных водонепроницаемых

перемычек

Лучшим видом материала для сооружения обычных подземных водонепроницаемых перемычек для ликвидации внезапных прорывов воды в горные выработки шахт без их затопления являются быстротвердеющие бетоны марки не ниже 200, приготовленные на обычных портландцементах с добавками хлористого кальция в размере 2— 3% от веса цемента или на быстротвердеющих цементах. Марку бетона для обычных водонепроницаемых перемычек или тампонаж­ ных в зависимости от максимального гидростатического давления воды или тампонажного раствора принимают равной

Давление на перемыч-

Состав бетона должен обеспечивать удобоукладываемость бетон­ ной смеси и получение необходимой прочности в заданные сроки. Максимальное водо-цементное отношение для бетонов марки 200 и выше в зависимости от степени агрессивности воды — среды при

сооружении обычных водонепроницаемых или тампонажных пере­ мычек рекомендуется следующее:

Применение водоцементного отношения более 0,6 для бетонов водонепроницаемых перемычек не рекомендуется.

Для приготовления необходимых марок бетона могут быть реко­ мендованы к применению следующие марки цемента:

Бетонная смесь должна иметь в момент укладки необходимую подвижность, измеряемую осадкой конуса в пределах 5—12 см.

Ориентировочный расход цемента в зависимости от марок бетона может быть следующим:

воды

В формулах выход бетона ср не учитывается, так как емкость бетономешалок определяется по объему загружаемого материала.

Полученное по расчету количество цемента следует увеличивать

В связи с тем, что произведенный подбор состава бетона не учи­ тывает всех особенностей применяемых местных материалов, необ­ ходимо произвести лабораторную проверку образцов бетона после

не менее 15 кубиков стандартного размера ЗО X ЗО X 30 см, которые испытывают на раздавливание сериями по 3 шт. в сроки через одни, двое и трое суток, а также в срок загружения перемычки и в 28-днев­ ном возрасте.

В случае, если испытанные бетонные кубики в срок загружения перемычки покажут меньшую прочность, чем было принято при ее расчете, то загружение перемычки следует, во избежание ее деформа­ ции и разрушения, перенести на более поздний срок, при котором испытываемые бетонные кубики приобретут прочность, равную или большую, чем было принято при расчете перемычки.

5. Сооружение подземных водонепроницаемых перемычек

Сооружение клинчатых водонепроницаемых перемычек начинают с проведения подготовительных работ, которые заключаются в заго­ товке на земной поверхности необходимых материалов и изделий, расчистке горной выработки, снятии части крепи и рельсов со шпа-

лами в месте устройства перемычки, расчистке водоотливной ка­ навки, а в некоторых случаях ее расширении или строительстве лотков для улучшения стока воды.

По окончании подготовительных работ в горной выработке, прой­ денной в крепких горных породах пневматическими бурильными молотками или электросверлами, бурят наклонные шпуры для обра­ зования вруба под клинчатую перемычку. По окончании бурения наклонных шпуров их заряжают и снимают оставшуюся крепь

вместе сооружения перемычки (если состояние горных пород поз­ воляет это сделать). Далее производят взрывание наклонных шпу­ ров 3—4-мя стадиями замедления. В первую стадию взрывают шпуры

впочве выработки, во вторую и третью стадии взрывают шпуры

вбоковых стенках выработки и в последнюю стадию взрывают шпуры

вкровле выработки.

После проветривания и приведения выработки в безопасное состо­ яние приступают к уборке взорванной породы. Уборку взорванной породы производят погрузочной машиной до уровня почвы горной выработки. Далее работы по уборке взорванной породы приоста­ навливают и приступают к устройству дренажа. Для этой цели со стороны прорыва воды устраивают деревянную или кирпичную стенку высотой 1,0—1,5 м, в которую заделывают один конец дре­ нажной стальной трубы диаметром 300—500 мм (в зависимости от притока воды) на высоте не менее 0,3—0,5 м от почвы выработки. Другой конец трубы со стороны выработки на той же высоте уста­ навливают на деревянную или кирпичную опору-подставку. Далее уплотняют деревянную или кирпичную стенку с таким расчетом, чтобы весь приток воды, поступающей из прорыва, направлялся через участок выработки, в котором сооружается перемычка по дренажной трубе. В некоторых случаях при больших притоках воды из прорывов устанавливают по две дренажные трубы. По окончании устройства дренажной стенки и установки дренажной трубы произ­ водят уборку взорванной породы из нижнего уступа перемычки ниже почвы горной выработки. Затем отбойными молотками выравни­ вают стенки вруба под перемычку, устанавливают со стороны забоя опалубку по всей высоте выработки и производят зачистку и про­ мывку водой вруба, после чего приступают к укладке бетона.

Укладку бетона производят с помощью бетоноукладчиков или бетононасосов без перерыва до конца сооружения перемычки. При укладке бетона ведут непрерывное его уплотнение пневматическими или электрическими вибраторами. По мере укладки бетона снизу вверх слоями толщиной 20—25 см со стороны выработки постепенно возводят опалубку, а также устанавливают стальные тампонажные трубки (кондуктора) для последующего тампонирования как самой перемычки (в случае фильтрации через нее воды после твердения бетона), так и горных пород на контакте с перемычкой. По окончании укладки бетон в течение 1—3 суток твердеет, после чего заглушку или задвижку, установленную со стороны выработки на дренаж­ ной трубе, перекрывают и производят загружение перемычки. На

дреналхной трубе или на одном из кондукторов (сквозном) устанавли­ вают манометр, по которому ведут наблюдения за действующим на перемычку давлением воды. Когда давление воды за перемычкой достигнет своего максимального значения (по показаниям маноме­ тра), производят тщательный осмотр перемычки, и если вода не фильтрирует через нее или на контакте с горными породами, то сооруже­ ние перемычки и перекрытие притока воды из прорыва на этом считают законченными. Если фильтрация воды происходит, то через

6

Рис. 40. Схема сооружения одно­ ступенчатой клинчатой перемыч­

кондукторы, заделанные в перемычку при ее сооружении, а в необ­ ходимых случаях и через вновь пробуренные в ней специальные сква­ жины, производят цементацию перемычки и контактной зоны ее с горными породами до полного прекращения фильтрации. После этого сооружение клинчатой водонепроницаемой перемычки счи­ тается законченным и под ее прикрытием можно вести дальнейшие работы по ликвидации аварии — внезапного прорыва воды в горные выработки. Схема сооружения одноступенчатой клинчатой водо­ непроницаемой перемычки показана на рис. 40.

При сооружении многоступенчатых клинчатых водонепроница­ емых перемычек в описанной выше последовательности возводят сначала первую ступень, ближайшую к забою выработки (к месту прорыва), затем в той же последовательности возводят последующие ступени перемычки. При этом перед бетонированием каждой после-

дующей ступени в необходимых случаях производят наращивание дренажной трубы на фланцах.

При укладке бетона в последнюю ступень или в последние две ступени в зависимости от гидростатического давления воды в них устанавливают тампонажные трубы (кондуктора) для бурения тампонажных скважин и тампонирования как самой перемычки, так и водоносных горных пород на контакте с нею.

Сооружение прямоугольных (безврубовых) водонепроницаемых перемычек в горизонтальных горных выработках при ликвидации внезапных прорывов воды значительно проще, чем клинчатых водо­ непроницаемых перемычек.

Вначале так же, как и при сооружении клинчатых перемычек, производят подготовительные работы, затем при металлической рамной крепи выработки в месте сооружения перемычки удаляют затяжки и обирают породу, а при деревянной рамной крепи меняют деревянные крепежные рамы на металлические. После этого при­ ступают к устройству дренажа, аналогично описанному выше при сооружении клинчатых перемычек. Дренажные устройства должны быть выполнены с таким расчетом, чтобы вода из прорыва была полностью уловлена и направлена по трубе за пределы сооружаемой перемычки. По окончании устройства дренажа со стороны забоя по всей высоте выработки у обреза перемычки устанавливают опа­ лубку и затем приступают к укладке бетона в перемычку. Укладку и уплотнение бетона ведут непрерывно. При большой длине пере­ мычки бетонирование производят участками длиной по 2 м на пол­ ную высоту горной выработки. После полного окончания бетониро­ вания одного участка приступают к бетонированию следующего участка. При бетонировании в перемычке устанавливают трубы для тампонирования самой перемычки и контактов ее с горными поро­ дами в случае фильтрации через нее воды, а также для тампониро­ вания водоносных горных пород в месте прорыва воды.

После твердения бетона в перемычке задвижку, установленную на дренажной трубе, перекрывают и перемычку ставят под нагрузку.

В связи с тем что при закрытии притоков воды при внезапных прорывах восстановление статического уровня подземных вод, а сле­ довательно, и напора происходит в месте прорыва в течение корот­ кого времени, необходимо загружать перемычки только по достиже­ нии бетоном соответствующей прочности (не ниже принятой при расчете перемычек).

6. Выпуск воды из-за водонепроницаемых перемычек

При ликвидации внезапных прорывов воды в горные выработки шахт с помощью водонепроницаемых перемычек и открытого водо­ отлива за выпуском воды из-за перемычек устанавливают постоян­ ное наблюдение. Выпуск воды из-за водонепроницаемых перемычек в действующие горные выработки должен быть тесно увязан с рабо­ той шахтного водоотлива и регулироваться в зависимости от работы

последнего и изменения притока воды из прорыва с помощью за­ движки на дренажных трубах перемычек.

Поток воды, выпускаемой из-за водонепроницаемой перемычки,

установки с учетом работы резервных насосов. При внезапном от­ ключении электроэнергии и прекращении работы шахтной насосной установки пли выходе из строя по каким-либо другим причинам всех резервных насосных агрегатов задвижки на дренажных трубах водонепроницаемой перемычки должны быть перекрыты наглухо. Полное или частичное открытие задвижек на дренажных трубах водонепроницаемой перемычки может производиться только после пуска в работу всех насосов шахтной водоотливной установки вместе с резервными насосами.

В некоторых случаях в месте выпуска воды из дренажных труб перемычки устраивают мерные ящики с водосливами. При слабых и мягких горных породах, залегающих в почве горных выработок, в которых сооружаются водонепроницаемые перемычки, а также в легко размывающихся горных породах ниже средней и средней крепости в месте выпуска воды из дренажных труб должны уста­ навливаться деревянные или железобетонные лотки для отвода с их помощью воды в дренажную систему шахты или непосредственно к водосборникам шахтной водоотливной установки. В обоих случаях водой, выходящей из дренажных труб перемычки, не должны раз­ мываться горные породы, залегающие в почве горных выработок.

При поступлении вместе с водой из-за перемычки вредных газов горная выработка, в которой устроена перемычка, должна интен­ сивно проветриваться с помощью установки соответствующей произ­ водительности вентилятора частичного проветривания. В некоторых случаях при большом поступлении с водой вредных газов, например сероводорода, целесообразно отводить воду из-за перемычек по трубопроводам, подсоединенным к дренажным трубам перемычек непосредственно в водосборники водоотливных установок.

7. Примеры из практики

На шахте № 7 Кальинского рудника СУБРа из главного откаточ­ ного штрека горизонта + 1 0 0 м была пройдена разведочная выработка до контакта известняков висячего бока с надрудными глинистыми сланцами. На контакте разведочной выработкой была пересечена трещина, заполненная глинистыми материалами. Прорыву пред­ шествовало длительное устойчивое состояние разведочной выработки, работы по проходке которой были прекращены задолго до прорыва.

Самопроизвольный катастрофический внезапный прорыв воды в пройденной разведочной выработке произошел из пересеченной ею трещины на контакте известняков с надрудными глинистыми слан­ цами в результате постепенного размягчения и вымывания глини-

стого материала, заполнявшего трещину, а также приконтактного сланцевого прослоя.

Максимальный приток воды из прорыва составил до 4300 м3 /ч. Через 1 ч 55 мин после прорыва на шахте были затоплены полностью все выработки горизонта + 1 0 0 м, а еще через 3 ч 45 мин и все горные выработки горизонта + 1 3 0 м. Через 17 ч после прорыва уровень воды в стволах поднялся до отметки + 1 4 0 м, соответствующей поло­ жению уровня депрессионной поверхности до прорыва, и шахта была полностью затоплена.

Прорыв воды был настолько интенсивным, что рабочие, находив­ шиеся в шахте, не успели закрыть металлические двери на водоне­ проницаемых перемычках, устроенных в горных выработках на гори­ зонтах + 100 и + 1 3 0 м, чем была значительно осложнена задача ликвидации аварии. Попытки ликвидировать внезапный прорыв воды с помощью открытого водоотлива путем откачки воды насосами из затопленных стволов не привели к положительному результату. Тогда было принято решение осуществить ликвидацию внезапного прорыва с частичным закрытием притоков воды из него с помощью сооруженных в горных выработках и затопленных при прорыве водонепроницаемых перемычек с дверьми. Для осуществления этого необходимо было предварительно закрыть под водой на водонепро­ ницаемых перемычках герметические металлические двери. К выпол­ нению этой работы были привлечены водолазы, которые до спуска в затопленные выработки были ознакомлены с расположением пере­ мычек в затопленных выработках гор. + 1 0 0 и + 1 3 0 м.

Высота столба воды в затопленных выработках на гор. 130 м составляла 10 м и на гор. 100 м составляла 40 м и не оказывала затруднений для осуществления подводных водолазных работ. Водо­ лазы сначала спустились на гор. + 1 3 0 м и закрыли на нем гермети­ ческие двери на водонепроницаемых перемычках и затем выполнили ту же работу на гор. 100 м, в разведочной выработке которого про­ изошел внезапный прорыв воды. После закрытия под водой герме­ тических дверей на водонепроницаемых перемычках и изоляции тем самым притоков воды из прорыва приступили из стволов к откачке воды пз затопленных выработок. Откачку воды проводили в течение двух месяцев. После снижения уровня воды ниже гор. + 1 0 0 м была восстановлена шахтная водоотливная установка, с помощью которой, а также насосов, установленных в стволах, постепенно была откачана также и вода, находящаяся за перемычками, которая с помощью задвижек Лудло, установленных на дренажных трубах, постепенно выпускалась из-за перемычек в освобожденные от воды горные выра­ ботки. По окончании спуска воды из затопленных выработок за перемычками ликвидация прорыва была закончена.

На шахте «Остерфельд» в Рурской области (ФРГ) при про­ ведении горизонтальных горных выработок 5-го горизонта на глу­ бине 744 м от поверхности земли произошел ряд прорывов агрессив­ ных соленых термальных вод. Самый большой прорыв термальных вод произошел на этом горизонте при проведении западного штрека