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

растворов цементационные агрегаты ЦА-320М, работающие в комби­ нации с цементосмесительными машинами 2СМ.

Цементационный агрегат ЦА-320М (рис. 61) смонтирован на шасси автомобиля КРАЗ-219 (1) и состоит из двухцилиндрового поршневого насоса двойного действия 9Т для нагнетания цементного раствора 5,

Рис. 61. Цементационный агрегат ЦА-320М

водяного насоса 3 марки 1В производительностью 45 м3 /ч и давлением до 15 кгс/см2 с бензиновым двигателем 4 марки ҐАЗ-51, мерного бака 7 для воды емкостью 6,4 м 3 , коробки отбора и регулирования мощ­ ности 2 и системы трубопроводов 6. Цементационный насос 9Т

Рис. 62. Самоходная смесительная машина 2СМ (СМН-20):

1 — автомобиль ЯАЗ-210; 2 — коробка отбора и распределения мощности; з — карданный вал основного шнека; 4 — основной шнек; 5 — трансмиссия; 6 — загрузочный шнек; 7 — бункер для цемента емкостью 20 т; 8 •— приемная воронка; 9 — вакуумно-гидравлическое смесительное устройство; 10 — откидные упорные домкраты

мощностью 112 л. с. приводят в действие от двигателя автомобиля через коробку отбора мощности, и в зависимости от устанавливаемых

Схема приготовления и нагнетания цементного раствора в буро­ вую скважину с помощью цементосмесительной машины 2СМ и цемен­ тационного агрегата ЦА-320М при ликвидации внезапного прорыва воды в горную выработку приведена на рис. 63.

Способ нагнетания цементного раствора в скважины при ликвида­ ции внезапных прорывов применяют зажимной. Нагнетание цемент­

При ликвидации внезапных прорывов воды в горные выработки для тампонирования водоносных горных пород в местах прорывов из них воды в зависимости от степени трещиноватости пород и объема образовавшихся в них при прорыве пустот принимают цементные или цементно-песчаные растворы. К нагнетанию цементного рас­ твора в скважины приступают после их промывки и определения

удельного водопоглощения. Нагнетание раствора в скважины произ­ водят одной заходкой и ведут в начальный период при давлении у насоса 0—1 кгс/см2 , затем в процессе нагнетания давление посте­ пенно повышается до заданного. Давление цементного раствора при нагнетании в забое тампонажной скважины

где р —• давление у цементационного насоса, т/м2 ; Yp — объемный вес цементного раствора, т/ м3 ; hc — глубина тампонажной скважины, м;

р г —давление воды в скважине, т/м2 .

Вначале нагнетают раствор более жидкой концентрации, которая в процессе нагнетания постепенно сгущается до предельной концен­ трации, обеспечивающей необходимую подвижность раствора и его проходимость по трубам и трещинам. Для нагнетания непригодны растворы, при которых происходит закупорка инъекторов или сква­ жин. Если при нагнетании густых растворов давление у насоса повы­ шается до проектного задолго до окончания нагнетания проектного объема раствора, то следует перейти на нагнетание раствора более жидкой концентрации до окончания нагнетания всего проектного объема. Для обеспечения высокого качества тампонирования нагнета­ ние цементного раствора в скважины от начала и до конца должно производиться в один прием. Нагнетание цементного раствора в сква­ жины прекращается: при нагнетании 110—120% проектного объема раствора и достижении у насоса проектного давления или при за­ качке 150—160% проектного объема раствора при давлении меньше проектного.

После этого дается на выстаивание и твердение закачанного в сква­ жины цементного раствора необходимое время, но не менее чем 2—3 сут. Меньшее время выстаивания и твердения цементного рас­ твора принимают при нагнетании его с большими давлениями и боль­ шее время выстаивания и твердения цементного раствора при нагне­ тании его в скважины с меньшими давлениями. При больших давле­ ниях нагнетания цементного раствора его твердение происходит значительно быстрее, чем при меньших давлениях. По окончании вы­

в месте прорыва воды из них в горные выработки и закрытия тем самым источника прорыва производят откачивание воды из затоплен­ ных выработок и восстановление их.

3. Примеры из практики

На строительстве шахты № 1 им. Губкина (КМА) при проведении по железистым кварцитам южного штрека на гор. 145 м по мере про­ движения забоя штрека были замечены усиливающаяся влажность кварцитов и появление в забое капежа. После взрывания очередного комплекта шпуров в забой штрека из пересеченной им трещины, со­ единенной с залегающими выше железистых кварцитов водоносных песков, произошел внезапный прорыв воды со значительным выносом песка. Приток воды при прорыве составлял 400 м3 /ч. Вода с песком, выбивавшаяся из трещины под давлением в 12 кгс/см2 , выносила из забоя куски железистого кварцита весом до 20 кг и быстро заполняла штрек. Немедленно после прорыва воды с песком на шахте были пущены в работу 3 горизонтальных насоса производительностью по 150 м3 /ч каждый, установленные в насосной камере околоствольного двора, которые едва справлялись с откачкой притока воды. Для за­ держания движения песка в южном штреке были сооружены 3 дере­ вянных фильтрующих перемычки, которые были снесены напором воды с песком. После этого в месте сопряжения южного штрека с квер­ шлагом было уложено 500 мешков с песком, которые временно при­ остановили движение песка по штреку, однако вскоре сильным напо­ ром воды перемычка из мешков с песком была разрушена. Действу­ ющие на шахте насосы были выведены из строя, и горные выработки через трое суток были затоплены. Пущенными после этого в стволе двумя подвесными насосами производительностью по 200 м3 /ч каж­ дый удалось только несколько понизить уровень воды в стволе —• до отметки 97 м от поверхности земли. Ниже этой отметки при непре­ рывной работе обоих насосов уровень воды не снижался. После этого ликвидацию внезапного прорыва воды с песком в южный штрек было решено осуществить с помощью цементации с поверхности земли.

Для этого по оси штрека, на расстоянии 80 м от его забоя, с по­ верхности земли была пробурена буровая скважина (рис. 64) с конеч­ ным диаметром 110 мм и глубиной 145 м. Вследствие искривления при бурении скважина не попала в сечение штрека, а прошла мимо

отсутствие между ними гидравлической связи. Тогда для сбойки буровой скважины со штреком в нее с поверхности был спущен заряд динамита весом 7 кг с четырьмя электродетонаторами и взорван на уровне пересечения скважины со штреком (рис. 65). Взорванный в скважине заряд был приготовлен из 35 патронов 62%-ного динамита диаметром по 31 мм и длиной по 200 мм (см. рис. 59). Патроны дина­ мита по 7 штук были связаны в пачки, и из 5 таких пачек динамита был составлен и связан заряд с 4 патронами-боевиками.

После взрыва в скважине заряда динамита прокачиванием воды было установлено, что скважина свободно сообщается с южным га тре­ ком. По окончании промывки скважины в нее был спущен став цельно-

тянутых стальных труб диаметром 40 мм, к которому был подсоединен

в скважину нагнетали при нулевом давлении цементный раствор со­ става (Ц : В) 1 : 10. Далее концентрацию раствора также при нуле­ вом давлении постепенно сгущали и довели до 1 : 1,5.

После 13-часового непрерывного нагнетания цементного раствора при нулевом давлении и нагнетании в скважину 16 т цемента нагнета-

ние было прервано на 3 суток для твердения цементного раствора. По окончании 3-суточного перерыва скважину промыли водой при давлении 5—15 кгс/сма и приступили к вторичному нагнетанию в нее цементного раствора, которое вначале велось при нулевом давлении,

азатем при давлении / насоса в 5—15 кгс/см2 . Концентрация цемент­ ного раствора при вторичном нагнетании составляла вначале 1 : 10,

ав конце нагнетания достигла 1 : 1 и 1 : 0,6. Вторичное нагнетание цементного раствора вели непрерывно в течение 16 ч, при этом было израсходовано 11,5 т цемента, после чего нагнетание было прервано на двое суток.

По окончании двухсуточного выстаивания скважина была разбу­ рена и в нее произведено контрольное нагнетание цементного рас­ твора жидкой концентрации при давлении 20—25 кгс/см2 , которое было приостановлено после нагнетания 1 т цемента.

После этого было решено зацементировать геологоразведочную скважину, находящуюся впереди забоя южного штрека на расстоя­ нии 6—7 м и сообщающуюся гидравлически с местом прорыва воды в штрек.

Цементацию геологоразведочной скважины вели при концентра­ ции цементного раствора от 1 : 10 до 1 : 1 при давлениях нагнетания, у насоса от 0 в начале нагнетания до 50 кгс/см2 в конце нагнетания. На цементацию этой скважины была израсходована 21 т цемента.

Одновременно с работами по цементации геологоразведочной сква­ жины основная скважина была разбурена и ее забой углублен на 2 м ниже почвы штрека. В скважине ниже отметки подошвы штрека был взорван динамитный заряд весом 9 кг с пятью электродетонато­ рами.

Через сутки скважина была промыта, и в нее в течение 28 ч вто­ рично нагнетали цементный раствор при давлении от 0 до 50 кгс/см2 и концентрации цементного раствора от 1 : 10 до 1 : 1. На вторичную цементацию было израсходовано 27 т цемента. Всего на цементацию обоих скважин было израсходовано 76,5 т цемента. После твердения цементного раствора в скважине приступили к откачке воды из ствола двумя вертикальными подвесными насосами производительностью до 200 м3 /ч каждый. В течение 10 сут ствол и все горизонтальные вы­ работки шахты были откачаны полностью. В результате цементации с поверхности земли горные породы в месте прорыва были зацементи­ рованы и в южном штреке была создана цементно-песчаная пробка, закрывшая полностью приток воды из прорыва. На этом ликвидация внезапного прорыва воды была успешно закончена. На ликвидацию аварии было затрачено четыре месяца.

На строительстве шахты № 2 «Селижаровская» (Калинин­ ская обл.), характеризующейся исключительно тяжелыми гидро­ геологическими условиями, все горные выработки проводили с креп­ лением замкнутой железобетонной крепью. В наклонном ходке водо­ сборника, пройденном на 11,3 м от вентиляционного штрека по песча­ ным глинам и закрепленном на 9 м замкнутой железобетонной крепью и на 2,3 м железобетонными стенками со сводчатым перекрытием, при подготовке к возведению обратного железобетонного свода у забоя появилась вода под давлением 8 кгс/см2 из залегающих ниже водо­ носных девонских доломитов, песчаные глины, залегающие в почве выработки, были прорваны, а выработка затоплена. При затоплении выработки рабочими была закрыта предохранительная дверь на сопря­ жении наклонной выработки с вентиляционным штреком и за ней со стороны вентиляционного штрека была выложена стенка из мешков с песком, что позволило значительно уменьшить приток воды из затопленной наклонной выработки в вентиляционный штрек. Однако вскоре вода под давлением 8 кгс/см2 прорвалась в забой с притоком

500 м3 /ч. В течение нескольких часов все выработки шахты были затоплены и уровень воды в стволе достиг пьезометрического. Схема горных выработок шахты в момент затопления их при прорыве воды показана на рис. 66.

Ликвидацию прорыва воды осуществляли с помощью тампониро­ вания с поверхности земли при затопленных горных выработках. Буровым станком колонкового бурения в место прорыва была про­ бурена скважина конечным диаметром 106 мм и глубиной 88 м до уровня почвы наклонной выработки в

стенке крепи в зону нарушенных прорывом горных пород почвы, что было обнаружено при промывке скважины водой, уровень кото­ рой при нагнетании в стволе повышался на высоту, соответствующую объему нагнетаемой в скважину воды. В скважину до ее забоя был опущен став цементационных труб диаметром 63 мм, через который производили цементацию горных пород в месте прорыва воды. Кон­ центрация цементного раствора была принята 1 : 1 . Вначале раствор в скважину подавали самотеком, после спуска в скважину 50 т це­ мента самотеком перешли на нагнетание раствора с помощью цемента­ ционного насоса.

Нагнетание цементного раствора объемом 48 т вели насосом при давлении от 0 до 5 кгс/см2 . Затем цементацию скважины прекратили на 7 суток для выстаивания и твердения цемента. Через 7 суток про-

извели пробную откачку воды из ствола. При откачке уровень воды в стволе был снижен на 17 м, его восстановление произошло через 18 ч после прекращения откачки. Максимальный приток воды в гор­ ные выработки шахты при ее уровне в стволе на отм. 32 м от поверх­ ности земли составил 30 м3 /ч, в то время как при прорыве он соста­ влял 194 м3 /ч. В результате проведенных работ по цементации приток воды из прорыва снизился в 6,5 раз. Затем скважину разбурили и произвели повторное нагнетание в нее цементного раствора объемом 18 т при повышенном давлении. Всего на цементацию было израсхо­ довано 116 т цемента. С помощью ее удалось плотно закрыть источник прорыва. Общая продолжительность ликвидации прорыва воды соста­ вила 3,5 месяца.

Г л а в а I X

ЛИ К В И Д А Ц И Я В Н Е З А П Н Ы Х ПРОРЫВОВ ВОДЫ

ВГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ С ПОМОЩЬЮ ПОДВОДНОГО БЕТОНИРОВАНИЯ ПРИ ЗАТОПЛЕННЫХ В Ы Р А Б О Т К А Х

1. Последовательность работ

Подводное бетонирование применяют при ликвидации крупных и катастрофических прорывов воды в горные выработки при затопле­ нии последних.

После того как установлено, что приток воды, поступающей в горные выработки из прорыва, имеющимися средствами шахтного водоотлива откачать невозможно и затопление их неизбежно, ре­ шается вопрос о выборе метода ликвидации аварии. При этом способе необходимо, не дожидаясь окончания затопления всех выработок, выполнить подготовительные работы по ликвидации аварии, в состав которых входит: составление мероприятий или проекта ликвидации внезапного прорыва воды, изыскание и транспортирование к месту аварии необходимого оборудования (буровых станков, оборудования для приготовления и транспорта бетона и раствора, насосных агре­ гатов для последующей откачки воды из затопленных выработок и др.) и материалов (труб, цемента, песка, гравия и др.), выбор на плане горных работ места сооружения подводной водонепроницаемой пере­ мычки под землей и вынесение его проекции в натуре на поверхность, разбивка устьев буровых скважин, подвод электроэнергии и воды к месту установки оборудования для бурения скважин и приготовле­ ние бетона или раствора.

Разбивка устьев буровых скважин над местом сооружения под­ водных перемычек должна выполняться особенно тщательно, с таким расчетом, чтобы ось выработки, в которой будет сооружаться с по­ мощью подводного бетонирования подводная перемычка, точно совпадала с осью, на которой располагаются устья скважин на